Введение

Кинетическое фракционирование – это процесс разделения стабильных изотопов друг от друга по их массе в однонаправленных процессах. Биологические процессы обычно однонаправленны и служат отличным примером "кинетических" изотопных реакций. Все организмы предпочитают использовать более легкие изотопные формы, поскольку "энергетические затраты" при этом ниже, что приводит к значительному разделению между субстратом (более тяжелым) и биологически обусловленным продуктом (более легким). Например, в процессе фотосинтеза предпочтительно поглощается легкий изотоп углерода 12C при ассимиляции молекулы атмосферного CO2. Это кинетическое фракционирование изотопов объясняет, почему растительный материал (а следовательно, и ископаемое топливо, происходящее из растений) обычно обеднен 13C на 25 промилле (2,5 процента) по сравнению с большинством неорганического углерода на Земле. Природным примером небиологического кинетического фракционирования является испарение морской воды при образовании облаков в условиях, когда часть переноса является однонаправленной, например, испарение в очень сухой воздух. В этом случае изотопно легкие молекулы воды (то есть содержащие 16O) будут испаряться немного легче, чем изотопно тяжелые молекулы воды, содержащие 18O, и эта разница будет больше, чем при испарении в условиях равновесия (с двунаправленным переносом). В ходе этого процесса происходит фракционирование изотопов кислорода: облака обогащаются 16O, а морская вода – 18O. В то время как равновесное фракционирование приводит к обеднению пара примерно на 10 промилле (1%) по 18O относительно жидкой воды, кинетическое фракционирование усиливает это обеднение и часто приводит к тому, что пар обеднен примерно на 15 промилле (1,5%). Конденсация происходит почти исключительно в условиях равновесия, поэтому облачные капли обогащаются несколько меньше, чем пар обедняется при испарении. Это объясняет, почему дождевая вода оказывается изотопно легче морской. Изотоп водорода в воде, дейтерий, гораздо менее чувствителен к кинетическому фракционированию, чем изотопы кислорода, по сравнению с очень большим равновесным фракционированием дейтерия. По этой причине кинетическое фракционирование не обедняет дейтерий в такой степени, как 18O, если рассматривать это в относительном выражении. Это приводит к избытку дейтерия в паре и осадках по сравнению с морской водой. Значение этого "избытка дейтерия" составляет около +10 промилле (1%) в большинстве метеорных вод, и его ненулевое значение является прямым проявлением кинетического фракционирования изотопов. Обобщенное рассмотрение кинетических изотопных эффектов осуществляется с помощью уравнений GEBIK и GEBIF, описывающих нестационарные кинетические изотопные эффекты.