同位素代理

元素的化学性质主要是由原子核中的质子数(原子序数,这也决定了电子云的配置。Nucleii也包含中子和原子具有相同原子序数可以出现在不同的中子数形式。这些不同的形式被称为元素的同位素。同位素代理已被证明是一种多用途的信息来源对过去气候。raybet雷竞技最新一些不稳定同位素,衰变成其他元素;这些可以作为“时钟”,以确定当事情发生了。最初的,最著名的放射性碳年代测定法这样的应用程序,这使得使用衰减的形式的碳14的分子量(碳14,或14 c。稳定同位素不腐烂,而是提供一个示踪过去参加化学反应的物质。比氦重的元素的稳定同位素组成行星主要取决于元素的合成的超新星爆炸生材料最终纳入太阳系。同位素比率在某些情况下可以进一步改变了行星形成的过程。例如,有三个稳定的氧同位素:18 o, 17 o和16 o,后者是迄今为止最常见的。大约500年地球上的原子氧18 o,这几乎是相同的比率在太阳和它可能代表了原始太阳星云组成。少17 o是常用的作为一个代理,因为它是如此罕见18 o(只有1 2500年地球上的氧原子),但其成分的变化与现代测量,将会很容易被发现和专业有重要用途。 Hydrogen has two stable forms: Deuterium (D) which has a proton and a neutron, and normal hydrogen (H) which has only a proton. About one hydrogen molecule in 6500 occurring in Earth's ocean water is D. This differs from the 1:1700 ratio in the outer Sun, because Deuterium is destroyed by nuclear fusion in the Sun and in the early Solar nebula; curiously, the composition of the outer Sun is nearly the same as Jupiter. The stable isotopes of carbon are 13C and 12C, of which the latter is by far the more common. About 1 in 100 carbon atoms on Earth are 13C. The carbon isotopic system attracts particular attention because carbon is the basis of organic chemistry - the stuff of life as we know it. Stable isotopes of S, N, Ar and many other elements have proved useful as proxies. In fact, it is hard to think of any measureable isotopic ratio that hasn't proved useful as a proxy for some aspect of climate or atmospheric composition.

同位素的效用raybet雷竞技最新气候代理来源于他们告诉我们关于流程排序不同的水库。元素的同位素几乎相同的化学和物理行为,但不完全相同的行为。细微的差别来,部分原因在于,在一个给定的温度下,较轻的同位素的分子有一个典型的速度高于重的同位素,因为所有分子平均动能在任何给定的温度相同。除此之外,这意味着轻同位素形式的物质比更重更容易蒸发,所以气相物质通常是枯竭的重同位素形式相对于压缩阶段和它接触的。我们会发现这样的效果特别有用的解释水同位素,但一个非常相似的过程适用于逐渐“蒸发”的行星大气层进入太空,并可以用来限制的比例已经失去了在这样一个时尚氛围。

的速度给定元素或包含该元素发生化学反应的分子也取决于所涉及的同位素。在其他条件相同的情况下,重同位素的反应更慢,因为他们有较低的速度,因此较低的碰撞率与其他反应物比他们更轻、更灵活。然而,更微妙的影响,可以增强或延迟反应率。具体来说,分子量同位素之间的差异可以影响分子键的特征振动频率,这反过来会影响反应物碰撞的概率就会粘在一起。通常,偏爱一个同位素形式在另一个的程度——反应物之间的分离度发生池和反应产物——取决于温度的反应。所以,产品的同位素组成paleo-thermometer提供了一个有用的。在1.3节,我们说“某些方面”的锆石的化学成分限制阴间的水的温度与锆石接触;这个神秘的词,我们实际上是指16到18 o的比率在阴间的锆石,像所有的硅酸盐矿物,含氧(它们的化学公式是ZrSiO4)。同样,它的氧同位素比率及(后来证实了硅同位素比率)用于限制太古代气温在1.3节。所有这类问题paleothermometers分馏是相对于反应物池的同位素组成,所以需要知道的可能组成一个反应物池为了推断温度的反应产物(如及或锆石),这是保存很久之后的反应物已经消散。

生物化学也有同位素的偏好。光合地球生命的(甚至不产生氧气)喜欢轻形式的碳,有机材料的光合作用是浓缩在12 c和枯竭的13 c相对于无机碳留下。无机碳同位素组成的记录保存在碳酸盐矿物(如碳酸钙沉淀沉积在海底,有或没有shell-forming生物的帮助。有机材料直接保存在页岩等沉积岩。例如,伊苏页岩中的有机物质认为是生物性因为其碳isotopically光纯度12 C相对于地球上碳的平均成分。呼吸,吃有机物质与氧气结合释放能量——不分离碳任何重要程度上,所以由光合作用进行同位素签名印到我们这些生物在non-photosynthetic有机领域。

最简单的一种同位素分馏描述的是平衡分馏。为了保持混凝土,我们将说明使用氧同位素的概念。考虑两个截然不同的物理或化学物质,每一个都含有氧原子。例如,这两种物质可以由水的汽相的液相和水。交替,这两种物质可能是不同的含氧化合物,如碳酸钙(碳酸钙)和水(H2O),或硅(二氧化硅)和水;后者对导致chert-based paleothermometer前面提到的。这两种物质的每一个都有一些初始18 o比16 o。现在想象一下,把这两种物质接触,因此这两种物质交换重和轻形式的氧,改变最初的比率。很长一段时间后,每个物质的同位素比例将达到平衡和停止改变。在这一点上,我们可以定义的平衡分离系数通过关系r的f12 1 = 71, 2 ^ 2 (1.4)

其中r1是比18 O 16 O的物质达到平衡后,和r2是相应的比第二的物质。不同对物质的分离因素不同,但通常(但不总是)表现出以下特点:

•分离系数通常是非常接近的统一

•的分离系数偏离最团结在低温下,随着温度的增加和方法统一

•统一的分离系数偏差的增加之间的对比两个isototopes(例如增加更多的质量分馏18 o vs 16 o比17 o

例如,氧在硅(二氧化硅)isotopically重相比,水中的氧气,它是处于平衡状态;分离系数是1.036在20 c但落在1.018在100 c。同样,氧气在液态水isotopically重学,在它的水蒸气平衡;在这种情况下,分离系数是1.01 1.005 20 c和落在100 c。分离的温度依赖性,可以使用同位素比例作为paleothermometers。某些种类的分馏操作出现在几乎相同的方式在生物体或及反应是否发生。

似乎是这样的碳酸盐沉淀,分离一样,无论它发生及或shell-forming生物。其他形式的分离,如碳同位素的分馏光合作用,更内在生物介导的,尽管在这种情况下的分离因素往往是跨广泛的生物共享同一类相似的生化途径。

同位素组成通常使用年代符号描述,定义如下。让ta同位素的分子数的比例一分之一样品的分子数占主导地位的同位素。通常,ta将是一个相当小的数字。接下来让助教,年代的同位素比率标准参考样品。同位素组成总是报道相对于一个标准,因为当前使用的分析工具不能测量绝对成分非常高的精度,但他们可以准确测得相对于标准的区别;标准是一个实际的物理实质,自然或制造,可以放入分析仪器和作为比较的基础。的选择标准是一种惯例,还有各种标准通常使用在不同的上下文中。例如,标准的氧和氢同位素在冰或水通常是采取VSMOW,这代表维也纳标准意味着海水。18 o比16 o VSMOW 1/498.7,和D H是1/6420;这意味着接近水的组成在海洋里。

一旦一个公认的标准,样品的同位素组成可以描述的数量

因此,负的年代表明样本枯竭在同位素的相对标准,而正值表明样品富集。S值通常表示为每毫升parts-per-thousand,价值。例如,S值的措施通常被表示为1每毫升或1% o。ois通常相当于1%的差异微乎其微的同位素浓度的变化,要求分析精度高。例如,对于S18O的案例中,1% odifference相当于改变的比率18 o分子16 o分子措施•498 7,或头发/ 2 ppm。氘(D)是更艰难。氘的差异1% oamounts D H比的改变只有百万分之0.16,尽管面临的挑战是抵消这一事实分离D / H系统大大强于分馏18 o / 16 o系统由于较小的相对质量对比在后一种情况下。

碳酸盐矿物(如碳酸钙或氧化物)是重要的录音机的氧气和碳同位素组成的环境。碳酸盐的同位素组成通常是相对于报道PDB标准,命名的矿物粉制成的一种天然矿物碳酸盐(“Peedee箭石”)物理粉标准已经不复存在,所以它已被合成取代等价的,称为VPDB。重要的是记住标准当解释同位素文学。氧同位素发生在碳酸盐岩和水,因此可以报告相对于VSMOW或VPDB标准。两者之间的转换是由

s18 S18O (VSMOW) = 1.03091美国O (VPDB) + 30.91 (1.6)

一个有用的经验法则要记住在解释海洋碳酸盐氧同位素时,碳酸盐岩阅读零相对于VPDB将处于平衡态与水在零S18O (VSMOW),如果碳酸盐岩形成于温度18摄氏度左右。这意味着碳酸盐S18O (PDB)”“零与他们形成的水域S18O (VSMOW)”在“零。之后,我们会澄清我们所说的“,”和如何对温度的依赖关系。

介绍了6符号和VPDB标准,我们现在能够得到更多的定量的事从碳酸盐的碳稳定同位素保存。感兴趣的数量是513 c,报道相对于VPDB参考。二氧化碳是煮熟的碳酸盐在地球内部,并从火山,除气俯冲带和大洋中脊613 c«-6% o。在一个稳定的状态,这个二氧化碳的碳通量是埋葬的碳平衡的无机碳酸盐的形式(如碳酸钙和有机碳(示意图CH2O)。从长远来看,大部分的埋葬在海底沉积物中,因为任何形式的土地往往最终冲进大海。注意,即使是碳酸盐沉淀形式的生物有机体的外壳无机材料很大程度上(但不完全),行为像及沉淀碳酸钙。最近有一些种类的进化的植物使用光合作用途径分离碳很少,但在大多数情况下,光合成了有机碳olower 513 c值约25%的二氧化碳储层的光合生物物质。例如,大气中二氧化碳今天513 c o«-8%,而陆生植物有513 c值从-32% oto -25% oand海洋有机碳o 513 c«-25%。ios版雷竞技官网入口 ,这是由古代陆地植物(煤)或海洋生物(石油)的513 c o«-25%。

如果forg的一部分碳埋在有机碳的形式,6 o 513 c的碳可以排除来自地球内部,6 org是有机碳埋藏的513 c和5碳水化合物是碳酸盐碳埋的513 c,然后质量平衡

6 o forg 6 org + 1 (forg) 6碳水化合物(1.7)

如果数据来自有机和碳酸盐沉积物是可用的,可以直接使用这个公式来推断forg。这是有益的,然而,利用之间的内在分离无机碳和有机碳来推断产生光合成两个埋藏通量的同位素组成的函数forg。注意,由于光合分数相对于无机成分碳池,这是不正确的假设6 o org«- 25%。它可能是相当重的,如果无机池已经非常积极的513 c。让我们考虑两种极限情况。假设forg«1,所以,几乎所有的碳可以排除来自地球内部的拦截了光合作用和有机碳埋藏。在这种情况下,质量平衡要求6 org«6 o o«-6%。这只能发生如果无机碳池由isotopically重碳以513 c«(6 + 25) % o o = 19%。因为碳酸盐沉淀的无机碳池往往是isotopically比池本身重碳酸盐沉淀的细流,在这种情况下将513 c o超过19%。海洋化学的精确的价值取决于方面我们不会追求。相反的极限,当forg«0和有机碳埋藏,然后6碳水化合物«6 o o«-6%。无机碳池这碳酸盐沉淀有些isotopically光相比,碳酸盐岩本身,和有机碳分别相对于价值,产生6 org < (6 - 25) % o o = -31%。典型的情况在过去的二十亿年里一直Scarb有点积极、o 2% oand 5%,而6 o org徘徊在-22%。有时期,然而,当碳同位素进行相当大的典型情况的远足。这些碳同位素的游览提供碳循环的一个重要窗口为大事件。

以上图片仅适用于当碳循环稳定状态。当碳循环的任何部分明显的平衡——例如,当一个人建立一个新的存储池在陆地植物和土壤有机碳——简单的输入-输出同位素计算不再工作。必须做一个详细的会计所涉及的各水库之间的流动的碳,和attendent同位素分馏。这是一个非常复杂的过程,尤其是涉及的分离通常依赖于温度的。还有其他同位素碳循环的重要方面我们有被隐藏起来,等重要信息,可以获得的垂直梯度的碳酸盐513 c。

还有另一个生物过程,可以留下一个不同的马克在碳同位素记录,即甲烷生成。有氧气时,有机物通常被呼吸作用分解为二氧化碳。在厌氧环境中,产甲烷菌得到好处而不是,把有机物转化为甲烷。这是一个多步骤的过程,每一步分离碳。结果是CH4轻isotopically多的有机原料生产。生物产生的甲烷今天513 c值的-50。当硕士系统富含氧气,已经过去半个几十亿年,甲烷生成在碳循环中扮演一个次要角色,通常同位素记录中留下什么印记。一个可能的例外可能发生一般规则的逐步积累大量的甲烷的形式奇异的冰包合物,从而形成在海底沉积物和北极永久冻土后。如果一些事件发生时,突然这个存储甲烷释放到大气中或海洋,isotopically光甲烷很快氧化成二氧化碳,进入碳酸盐工作。最终的结果是消极的碳酸盐碳同位素游览,的大小,告诉我们一些关于甲烷释放的数量相对于净碳在海洋大气系统中。

目前,气候代理更有限的阿森纳其他行星比地球。raybet雷竞技最新生物介导的代理对行星的显然是不可能的,似乎没有生物学,但许多在地球上使用的非生物的代理将会同样有用其他星球上;火星上及将提供同样的信息,及提供了地球上。使用这些化学代理有限主要由重量和功耗的分析仪器需要进行的一些分析通常做地球上的材料。同样的限制也适用于许多的决定基于放射性衰变的年表。这种技术可以应用到其他行星的地质记录保存(尤其是火星),但必须等待样本返回任务。与此同时,大量已经从行星轨道飞行器,通过遥感和低功耗仪器兰德斯。的地形火星已经详细地成像,构成一个代理对过去气候对水和冰川活动的发生。raybet雷竞技最新表面的minerology可以由一系列的决定遥感技术,所以大量的已知发生粘土矿物(水和风化的签名)在古代地壳的火星,和其他矿物质,如铁化合物赤铁矿还告诉我们一些关于早期火星的水环境。在所有行星,大气气体的同位素组成的研究(可能通过就地和远程光谱方法)提供了有价值的信息来源的大气和随时间丢失了多少,只要轻同位素逃到比重同位素空间更容易。与样本返回任务和改进机器人探索,未来承诺一个丰富的扩张行星代理研究,尤其是钻井火星的前景极地冰川看到他们气候奥秘记录。raybet雷竞技最新

继续阅读:氢和氧同位素在海水和海洋沉积物

这篇文章有用吗?

0 0