Циклы изменений изотопного состава кислорода и древний климат Земли

Введение

Циклические изменения в соотношении обилия кислорода. Циклы соотношения изотопов кислорода – это циклические изменения в соотношении между количеством кислорода с атомной массой 18 и количеством кислорода с атомной массой 16, содержащихся в некоторых веществах, таких как полярный лёд или кальцит в образцах кернов океанического дна, определяемые методом изотопного фракционирования. Это соотношение связано с температурой древнего океана, которая, в свою очередь, отражает древний климат. Изменения в этом соотношении отражают климатические изменения в геологической истории Земли.

Изотопы кислорода

Кислород (химический символ O) имеет три природных изотопа: 16O, 17O и 18O, где числа 16, 17 и 18 обозначают атомную массу. Наиболее распространенным является 16O, с небольшим содержанием 18O и еще меньшим содержанием 17O. При анализе изотопов кислорода учитывается только отношение 18O к 16O в образце. Вычисленное соотношение масс этих изотопов в образце затем сравнивается со стандартом, что позволяет получить информацию о температуре, при которой образец сформировался – подробности см. в статье «Прокси (климат)».

Связь между изотопами и температурой/погодными условиями

18O на два нейтрона тяжелее 16O и делает молекулу воды, в которой он присутствует, на это количество тяжелее. Дополнительная масса изменяет водородные связи, в результате чего для испарения H218O требуется больше энергии, чем H216O, а H218O выделяет больше энергии при конденсации. Кроме того, H216O имеет тенденцию к более быстрому распространению. Поскольку для испарения H216O требуется меньше энергии и он с большей вероятностью переходит в жидкую фазу, первый водяной пар, образующийся при испарении жидкой воды, обогащен H216O, а остаточная жидкость – H218O. При конденсации водяного пара в жидкость, H218O предпочтительно переходит в жидкую фазу, в то время как H216O концентрируется в оставшемся паре. Когда воздушная масса перемещается из теплого региона в холодный, водяной пар конденсируется и выпадает в виде осадков. Осадки удаляют H218O, оставляя постепенно больше водяного пара, обогащенного H216O. Этот процесс дистилляции приводит к тому, что осадки имеют более низкое отношение 18O/16O при понижении температуры. На эффективность дистилляции могут влиять и другие факторы, такие как непосредственное выпадение кристаллов льда, а не жидкой воды, при низких температурах. Интенсивные осадки, характерные для ураганов, приводят к истощению H218O относительно H216O, что обуславливает относительно низкое отношение 18O/16O. Последующее поглощение осадков от ураганов деревьями создает запись о прохождении ураганов, которую можно использовать для восстановления исторической картины в отсутствие прямых наблюдений. В лабораториях температура, влажность, вентиляция и другие факторы влияют на точность измерений изотопов кислорода. Твердые образцы (органические и неорганические) для измерения изотопов кислорода обычно хранятся в серебряных капсулах и анализируются методами пиролиза и масс-спектрометрии. Для получения точных результатов исследователям необходимо избегать неправильного или длительного хранения образцов. Осадки и, следовательно, ледниковый лед содержат воду с низким содержанием 18O. Поскольку большие объемы воды, обогащенной 16O, хранятся в виде ледникового льда, содержание 18O в океанической воде относительно высоко. Вода, теплее современной на 5 °C (9 °F), соответствует межледниковому периоду, когда содержание 18O в океанической воде ниже. График древних температур воды во времени показывает, что климат изменялся циклически, с крупными циклами и гармониками, а также с более мелкими циклами, наложенными на крупные. Этот метод оказался особенно ценным для определения ледниковых максимумов и минимумов в плейстоцене.

18O is two neutrons heavier than 16O and causes the water molecule in which it occurs to be heavier by that amount. The additional mass changes the hydrogen bonds so that more energy is required to vaporize H218O than H216O, and H218O liberates more energy when it condenses. In addition, H216O tends to diffuse more rapidly. Because H216O requires less energy to vaporize, and is more likely to diffuse to the liquid phase, the first water vapor formed during evaporation of liquid water is enriched in H216O, and the residual liquid is enriched in H218O. When water vapor condenses into liquid, H218O preferentially enters the liquid, while H216O is concentrated in the remaining vapor. As an air mass moves from a warm region to a cold region, water vapor condenses and is removed as precipitation. The precipitation removes H218O, leaving progressively more H216O rich water vapor. This distillation process causes precipitation to have lower 18O/16O as the temperature decreases. Additional factors can affect the efficiency of the distillation, such as the direct precipitation of ice crystals, rather than liquid water, at low temperatures. Due to the intense precipitation that occurs in hurricanes, the H218O is exhausted relative to the H216O, resulting in relatively low 18O/16O ratios. The subsequent uptake of hurricane rainfall in trees, creates a record of the passing of hurricanes that can be used to create a historical record in the absence of human records. In laboratories, the temperature, humidity, ventilation and so on affect the accuracy of oxygen isotope measurements. Solid samples (organic and inorganic) for oxygen isotope measurements are usually stored in silver cups and measured with pyrolysis and mass spectrometry. Researchers need to avoid improper or prolonged storage of the samples for accurate measurements. Precipitation and therefore glacial ice contain water with a low 18O content. Since large amounts of 16O water are being stored as glacial ice, the 18O content of oceanic water is high. Water up to 5 °C (9 °F) warmer than today represents an interglacial, when the 18O content of oceanic water is lower. A plot of ancient water temperature over time indicates that climate has varied cyclically, with large cycles and harmonics, or smaller cycles, superimposed on the large ones. This technique has been especially valuable for identifying glacial maxima and minima in the Pleistocene.

Связь между кальцитом и водой

Известняк откладывается из кальцитовых раковин микроорганизмов. Кальцит, или карбонат кальция, с химической формулой CaCO3, образуется из воды, H2O, и углекислого газа, CO2, растворенных в воде. Углекислый газ предоставляет два атома кислорода для формирования кальцита. Кальций должен извлечь третий атом кислорода из воды. Таким образом, соотношение изотопов в кальците, после корректировки, соответствует соотношению изотопов в воде, из которой микроорганизмы данного слоя извлекали материал для раковин. Более высокое содержание 18O в кальците свидетельствует о более низкой температуре воды, поскольку более легкие изотопы накапливаются в ледниковом льду. Наиболее часто для определения морских изотопных стадий используется фораминифера.

Исследования

Динамическая эволюция насыщения Земли кислородом зафиксирована в древних осадочных породах из Республики Габон, датируемых периодом от примерно 2150 до 2080 миллионов лет назад. Вероятно, эти колебания насыщения кислородом были вызваны ломагундской экскурсией изотопов углерода.