Циклы соотношения изотопов кислорода - это циклические изменения отношения содержания кислорода с атомной массой 18 к содержанию кислорода с атомной массой 16, присутствующего в некоторых веществах, таких как полярный лед или кальцит в образцах керна океана, измеренные с помощью фракционирование изотопов. Это соотношение связано с температурой воды древних океанов, которая, в свою очередь, отражает древний климат. Циклы в соотношении отражают климатические изменения в геологической истории.
Концентрация O-18 в зависимости от времениКислород ( химический символ O) имеет три встречающихся в природе изотопа : 16 O, 17 O и 18 O, где 16, 17 и 18 относятся к атомной массе. Наиболее распространенным является 16 O с небольшим процентным содержанием 18 O и еще меньшим процентным содержанием 17 O. Анализ изотопов кислорода учитывает только отношение 18 O к 16 O, присутствующее в образце.
Рассчитанное соотношение масс каждого из присутствующих в образце затем сравнивается со стандартом, который может дать информацию о температуре, при которой образец был сформирован - см. Прокси (климат) для подробностей.
18 O на два нейтрона тяжелее 16 O и приводит к тому, что молекула воды, в которой он находится, оказывается тяжелее на это количество. Дополнительная масса изменяет водородные связи, так что для испарения H 2 18 O требуется больше энергии, чем для H 2 16 O, а H 2 18 O выделяет больше энергии при конденсации. Кроме того, H 2 16 O имеет тенденцию к более быстрой диффузии.
Поскольку H 2 16 O требует меньше энергии для испарения и с большей вероятностью диффундирует в жидкую фазу, первый водяной пар, образующийся при испарении жидкой воды, обогащен H 2 16 O, а остаточная жидкость - H 2 18. О. Когда водяной пар конденсируется в жидкость, H 2 18 O предпочтительно входит в жидкость, в то время как H 2 16 O концентрируется в оставшемся паре.
Когда воздушная масса перемещается из теплого региона в холодный, водяной пар конденсируется и удаляется в виде осадков. Осаждение удаляет H 2 18 O, оставляя все больше и больше водяного пара, богатого H 2 16 O. Этот процесс перегонки приводит к тому, что осаждение имеет более низкое содержание 18 O / 16 O при понижении температуры. На эффективность перегонки могут влиять дополнительные факторы, такие как прямое осаждение кристаллов льда, а не жидкой воды при низких температурах.
Из-за интенсивных осадков, которые происходят во время ураганов, H 2 18 O истощается по сравнению с H 2 16 O, что приводит к относительно низким отношениям 18 O / 16 O. Последующее поглощение ураганных дождей деревьями создает запись прохождения ураганов, которая может быть использована для создания исторических записей в отсутствие человеческих записей.
В лабораториях температура, влажность, вентиляция и т. Д. Влияют на точность измерений изотопов кислорода. Твердые образцы (органические и неорганические) для измерения изотопов кислорода обычно хранятся в серебряных чашках и измеряются пиролизом и масс-спектрометрией. Исследователям необходимо избегать ненадлежащего или длительного хранения образцов для точных измерений.
Отношение 18 O / 16 O обеспечивает рекорд древней температуры воды. Вода на 10–15 ° C (18–27 ° F ) холоднее, чем настоящая, представляет собой оледенение. В холодных температурах распространяются по направлению к экватору, водяного пар богат 18 O преимущественно дожди при более низких широтах. Оставшийся водяной пар, который конденсируется в более высоких широтах, впоследствии богат 16 O. Осадки, и поэтому ледяной лед содержит воду с низким содержанием 18 O. Поскольку большие количества воды с 16 O хранятся в виде ледникового льда, содержание 18 O в океанической воде является высоким. Вода до 5 ° C (9 ° F) теплее, чем сегодня представляет собой межледниковое, когда 18 содержание О океанической воде ниже. График изменения температуры воды в древности во времени показывает, что климат менялся циклически, с большими циклами и гармониками или меньшими циклами, наложенными на большие. Этот метод оказался особенно ценным для определения ледниковых максимумов и минимумов в плейстоцене.
Известняк откладывается из кальцитовых панцирей микроорганизмов. Кальцит, или карбонат кальция, химическая формула CaCO 3, образуется из воды, H 2 O, и двуокиси углерода, CO 2, растворенных в воде. Двуокись углерода обеспечивает два атома кислорода в кальците. Кальций необходимо ограбить третий из воды. Соотношение изотопов в кальците после компенсации остается таким же, как и соотношение в воде, из которой микроорганизмы данного слоя извлекали материал оболочки. Более высокое содержание 18 O в кальците указывает на более низкую температуру воды, поскольку все более легкие изотопы хранятся в ледниковом льду. Наиболее часто упоминаемый микроорганизм - это фораминиферы.
Эволюция динамической оксигенации Земли записывается в древних отложениях из Республики Габон из приблизительно между 2150 и 2080 млн лет назад. Ответственные за эти колебания оксигенации, вероятно, были вызваны экскурсией изотопа углерода Ломагунди.