Кіріспе
Қысқылтегінің мөлшерінің арақатынамындағы циклдық өзгерістер – қысқылтегінің изотоптық арақатынасы циклдары, яғни полярлық мұз немесе мұхит түйіндік үлгілеріндегі кальцит сияқты кейбір заттардағы 18 атомдық массасы бар қысқылтегінің 16 атомдық массасы бар қысқылтегінің мөлшері арақатынамындағы циклдық өзгерістер, изотоптық бөлшеулену арқылы өлшенетін. Бұл арақатынас ежелгі мұхит температурасымен байланысты, ал ол өз кезегінде ежелгі климатты көрсетеді. Арақатынастағы циклдар Жердің геологиялық тарихындағы климат өзгерістерін шағылыстырады.
Oxygen isotope ratio cycles are cyclical variations in the ratio of the abundance of oxygen with an atomic mass of 18 to the abundance of oxygen with an atomic mass of 16 present in some substances, such as polar ice or calcite in ocean core samples, measured with the isotope fractionation. The ratio is linked to ancient ocean temperature which in turn reflects ancient climate. Cycles in the ratio mirror climate changes in the geological history of Earth.
Қысқылтегінің изотоптары
Оттегі (химиялық символы O) табиғатта үш изотоп түрінде кездеседі: 16O, 17O және 18O, мұнда 16, 17 және 18 атомдық масса санын көрсетеді. Ең көп таралғаны – 16O, одан кейін аз мөлшерде 18O және одан да аз мөлшерде 17O кездеседі. Оттегі изотоптарын талдау үлгідегі 18O мен 16O арақатынасын ескереді. Үлгідегі әр изотоптың массасының есептелген арақатынасы стандартпен салыстырылады, бұл үлгінің қалыптасқан температурасы туралы мәліметтер береді. Толығырақ ақпарат алу үшін «Прокси (климат)» бетіне қараңыз.
Изотоптар мен температура/ауа райы арасындағы байланыс
18O, 16O-дан екі нейтронмен ауыр және ол кездесетін су молекуласын сол мөлшерге ауырлатады. Қосымша масса сутекті байланыстарды өзгертеді, сондықтан H218O-ны H216O-ға қарағанда буландыру үшін көбірек энергия қажет, ал H218O конденсацияланғанда көбірек энергия бөліп шығарады. Сонымен қатар, H216O тезірек таралады. H216O булану үшін аз энергия жұмсағандықтан және сұйық фазаға таралуға бейім болғандықтан, сұйық судың булануы кезінде пайда болатын алғашқы су буы H216O-мен байытылады, ал қалған сұйықтық H218O-мен байытылады. Су буы сұйықтыққа конденсацияланғанда, H218O басымдықпен сұйықтыққа өтеді, ал H216O қалған буда шоғырланады. Ауа массасы жылы аймақтан суық аймаққа жылжығанда, су буы конденсацияланып, жауын-шашын түрінде түседі. Жауын-шашын H218O-ны алып тастайды, нәтижесінде H216O-ға бай су буы қалады. Бұл дистилляция процесі температура төмендеген сайын жауын-шашындағы 18O/16O арақатынамын төмендетеді. Дистилляцияның тиімділігіне әсер ететін қосымша факторлар бар, мысалы, төмен температурада сұйық судың орнына мұз кристалдарының тікелей жауын-шашын түрінде түсуі. Ылдам жауын-шашынға байланысты дауылдарда H218O H216O-ға қарағанда көп жұмсалады, нәтижесінде 18O/16O арақатынамы салыстырмалы түрде төмендейді. Дауылдың жауын-шашынын ағаштардың сіңіруі дауылдардың өтуінің жазбасын қалдырады, оны адамдар жасаған жазбалар болмаған жағдайда тарихи деректерді құру үшін пайдалануға болады. Зертханада температура, ылғал, желдету және т.б. оттегі изотоптарының өлшеулеріне әсер етеді. Оттегі изотоптарын өлшеу үшін қатты үлгілер (органикалық және органикалық емес) әдетте күміс тостағандарға салынып, пиролиз және массалық спектрометрия арқылы өлшенеді. Зерттеушілер дұрыс өлшеулер үшін үлгілерді тиісінше сақтамаудан сақтануы керек. Жауын-шашын, демек мұздық мұз, 18O мазмұны аз суды қамтиды. 16O судың көп мөлшері мұздық мұз түрінде сақталғандықтан, мұхит суының 18O мазмұны жоғары. Су бүгінгіден 5 °C (9 °F) жоғары болса, ол мұз аралық кезеңді білдіреді, онда мұхит суының 18O мазмұны төмендейді. Уақыт бойынша ежелгі су температурасының графигі климаттың циклдық түрде өзгеретінін көрсетеді, үлкен циклдар мен гармоникалар немесе кіші циклдар үлкендерге қосылады. Бұл әдіс әсіресе Плейстоцендегі мұздық максимумдар мен минимумдарды анықтау үшін құнды болды.
Кальцит пен судың байланысы
Әктас микроорганизмдердің кальцит қабықтарынан шөгеді. Кальцит немесе кальций карбонаты, химиялық формуласы CaCO3, суда еріген судан, H2O, және көмірқышқыл газынан, CO2 пайда болады. Көмірқышқыл газы кальциттегі екі оттек атомын қамтамасыз етеді. Кальций үшінші атомын судан алады. Сондықтан, кальциттегі изотоп қатынасы, түзетуден кейін, берілген қабаттың микроорганизмдері қабық материалына алған судың қатынасына тең болады. Кальциттегі 18O-ның жоғары мөлшері судың төмен температурасын көрсетеді, себебі жеңіл изотоптардың барлығы мұздық мұзда сақталады. Теңіз изотоптық кезеңдерін анықтау үшін ең көп қолданылатын микроорганизм – foraminifera.
Зерттеу
Жердің динамикалық оттегілену эволюциясы шамамен 2,150 және 2,080 миллион жыл бұрын Габон Республикасының ежелгі шөгінділерінде сақталған. Бұл оттегіленудегі құбылуларға, әдетте, Ломагунди көміртегі изотоптық ауытқуы себеп болған болуы мүмкін.