Введение
Стандарт, определяющий изотопный состав океанской воды. Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) – это изотопный стандарт для воды, то есть конкретный образец воды, пропорции различных изотопов водорода и кислорода в котором точно известны. VSMOW дистиллируется из морской воды и не содержит соли или других примесей. Опубликованный и распространенный в 1968 году Венским Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ), стандарт и его по существу идентичный преемник VSMOW2 продолжают использоваться в качестве эталонного материала. Образцы воды, состоящие из различных изотопов водорода и кислорода, обладают несколько различными физическими свойствами. В качестве крайнего примера, тяжелая вода, содержащая два атома дейтерия (2H) вместо обычного, более легкого водорода 1 (1H), имеет температуру плавления 3,82 °C (39 °F) и температуру кипения 101,4 °C (215 °F). Различные скорости испарения приводят к тому, что образцы воды из разных мест в круговороте воды содержат немного отличающиеся соотношения изотопов. Океанская вода (обогащенная тяжелыми изотопами) и дождевая вода (обедненная тяжелыми изотопами) приблизительно представляют собой две крайности, встречающиеся на Земле. Одновременно с VSMOW МАГАТЭ опубликовало аналогичный стандарт для дождевой воды – Standard Light Antarctic Precipitation (SLAP), а впоследствии и его преемник SLAP2. SLAP содержит примерно на 5% меньше кислорода-18 и на 42,8% меньше дейтерия, чем VSMOW. Шкала, основанная на VSMOW и SLAP, используется для представления концентраций кислорода-18 и дейтерия. С 2005 по 2019 год, до его переопределения, кельвин определялся как 1/273,16 температуры VSMOW в его тройной точке.
Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW) is an isotopic standard for water, that is, a particular sample of water whose proportions of different isotopes of hydrogen and oxygen are accurately known. VSMOW is distilled from ocean water and does not contain salt or other impurities. Published and distributed by the Vienna based International Atomic Energy Agency in 1968, the standard and its essentially identical successor, VSMOW2, continue to be used as a reference material. Water samples made up of different isotopes of hydrogen and oxygen have slightly different physical properties. As an extreme example, heavy water, which contains two deuterium (2H) atoms instead of the usual, lighter hydrogen 1 (1H), has a melting point of 3.82 °C (39 °F) and boiling point of 101.4 °C (215 °F). Different rates of evaporation cause water samples from different places in the water cycle to contain slightly different ratios of isotopes. Ocean water (richer in heavy isotopes) and rain water (poorer in heavy isotopes) roughly represent the two extremes found on Earth. With VSMOW, the IAEA simultaneously published an analogous standard for rain water, Standard Light Antarctic Precipitation (SLAP), and eventually its successor SLAP2. SLAP contains about 5% less oxygen 18 and 42.8% less deuterium than VSMOW. A scale based on VSMOW and SLAP is used to report oxygen 18 and deuterium concentrations. From 2005 until its redefinition in 2019, the kelvin was specified to be 1/273.16 of the temperature of specifically VSMOW at its triple point.
Измерения
Все измерения приводятся с указанием их стандартной неопределенности. Измерения конкретных комбинаций изотопов кислорода и водорода не требуются, поскольку атомы в молекулах воды постоянно обмениваются между собой.
ВСМОУ
За исключением трития, концентрация которого была определена по гелию, образовавшемуся в результате радиоактивного распада, все остальные измерения были выполнены методом масс-спектрометрии. Девтерий (2H / 1H) – 155,76 ± 0,05 ppm, что составляет примерно 1 атом на 6420 атомов водорода.
Тритий (3H / 1H) – 18,5 ± 3,6 ТЕ (тритиевых единиц), измерен 16 сентября 1976 года, что составляет примерно 1 атом на 5,401016 атомов водорода.
Кислород-18 (18O / 16O) – 2005,20 ± 0,45 ppm, что составляет примерно 1 атом на 499 атомов кислорода.
Кислород-17 (17O / 16O) – 379,9 ± 0,8 ppm, что составляет примерно 1 атом на 2640 атомов кислорода.
Tritium (3H / 1H) – 18.5 ± 3.6 TU = , measured on 16 September 1976, about 1 in 5.401016 hydrogen atoms
Oxygen 18 (18O / 16O) – 2005.20 ± 0.45 ppm, about 1 in 499 oxygen atoms
Oxygen 17 (17O / 16O) – 379.9 ± 0.8 ppm, about 1 in 2640 oxygen atoms
VSMOW2 и SLAP2
Концентрации 17O и 18O неразличимы между VSMOW и VSMOW2, а также между SLAP и SLAP2. В спецификации указаны стандартные ошибки этих измерений. Концентрация 2H в VSMOW2 также не изменилась, но незначительно возросла в SLAP2. МАГАТЭ сообщает: δ2HSLAP2/VSMOW = −427,5 ± 0,3‰ (для сравнения, для SLAP −428‰). 6 июля 2007 года концентрация трития составляла 3,5 ± 1,0 ТЕ в VSMOW2 и 27,6 ± 1,6 ТЕ в SLAP2.
δ2HSLAP2/VSMOW = −427.5 ± 0.3‰, (Compare −428‰ for SLAP.) On 6 July 2007, the tritium concentration was 3.5 ± 1.0 TU in VSMOW2, and 27.6 ± 1.6 TU in SLAP2.
ГИСП
δ 2H GISP −189,5 ± 1,2‰
δ 18O GISP −24,66 ± 0,09‰
δ 17O GISP −12,71 ± 0,1‰
δ 18O GISP −24.66 ± 0.09‰
δ 17O GISP −12.71 ± 0.1‰
Сообщение об изотопных соотношениях
Шкала VSMOW–SLAP рекомендована USGS, IUPAC и МАГАТЭ для измерения концентраций дейтерия и 18O в любом веществе. Для 18O также может использоваться шкала, основанная на Vienna Pee Dee Belemnite. Физические образцы, распространяемые МАГАТЭ и Национальным институтом стандартов и технологий США, используются для калибровки изотопного измерительного оборудования. Изменения в изотопном составе полезны в гидрологии, метеорологии и океанографии. Изотопные концентрации в разных частях океана незначительно различаются: значения δ18O колеблются от –11,35‰ в водах у побережья Гренландии до +1,32‰ в северной Атлантике, а концентрации δ2H в глубоководных слоях океана – от примерно –1,7‰ вблизи Антарктиды до +2,2‰ в Арктике. Вариации в поверхностных водах значительно больше, чем в глубоких.
Измерения температуры
В 1954 году Международный комитет по весам и мерам (CIPM) установил определение Кельвина как 1/273,16 абсолютной температуры тройной точки воды. Воды с различным изотопным составом имели незначительно отличающиеся тройные точки. Таким образом, в 2005 году Международный комитет по весам и мерам уточнил, что определение шкалы температур Кельвина должно относиться к воде с составом, соответствующим номинальной спецификации VSMOW. Это решение было одобрено в 2007 году Резолюцией 10 23-й CGPM. Тройная точка измеряется в тройных ячейках, где вода поддерживается в состоянии тройной точки и допускается достижение равновесия с окружающей средой. При использовании обычной воды разброс межлабораторных измерений тройной точки может достигать примерно 250 мкК. При использовании VSMOW межлабораторный разброс измерений тройной точки составляет около 50 мкК. После переопределения основных единиц СИ в 2019 году Кельвин определяется через постоянную Больцмана, что делает его определение полностью независимым от свойств воды. Значение постоянной Больцмана было выбрано таким образом, чтобы измеренное значение тройной точки VSMOW совпадало с ранее определенным значением в пределах измеримой точности. Тройные ячейки остаются практичным методом калибровки термометров.