Sauerstoffisotopenverhältniszyklen sind zyklische Schwankungen im Verhältnis der Häufigkeit von Sauerstoff mit einer Atommasse von 18 zu Sauerstoff mit einer Atommasse von 16. Diese Zyklen finden sich in Substanzen wie Polareis oder Kalzit in Meereskernproben und werden mittels Isotopenfraktionierung gemessen . Das Verhältnis korreliert mit der Temperatur der Ozeane in der Erdgeschichte , welche wiederum das Klima der Erdgeschichte widerspiegelt. Zyklen dieses Verhältnisses spiegeln Klimaveränderungen in der Erdgeschichte wider .

O-18-Konzentration im Zeitverlauf

Sauerstoffisotope

Sauerstoff ( chemisches Symbol O) besitzt drei natürlich vorkommende Isotope : <sup>16</sup> O, <sup>17</sup> O und <sup>18</sup> O , wobei die Zahlen 16, 17 und 18 die Atommasse angeben. Das häufigste Isotop ist <sup>16 </sup> O, gefolgt von einem geringen Anteil an <sup> 18</sup> O und einem noch geringeren Anteil an <sup> 17 </sup> O. Die Sauerstoffisotopenanalyse berücksichtigt ausschließlich das Verhältnis von <sup> 18</sup> O zu <sup>16</sup> O in einer Probe.

Das berechnete Massenverhältnis der einzelnen Isotope in der Probe wird dann mit einem Standard verglichen, woraus sich Informationen über die Temperatur gewinnen lassen, bei der die Probe entstanden ist – siehe Proxy (Klima) für Details.

Zusammenhang zwischen Isotopen und Temperatur/Wetter

<sup>18</sup> O ist zwei Neutronen schwerer als <sup>16</sup> O und bewirkt, dass das Wassermolekül, in dem es vorkommt, um diese Zahl schwerer ist. Die zusätzliche Masse verändert die Wasserstoffbrückenbindungen, sodass zum Verdampfen von H <sub>2 </sub><sup> 18 </sup>O mehr Energie benötigt wird als zum Verdampfen von H<sub> 2 </sub><sup> 16 </sup>O, und dass H <sub>2 </sub> <sup>18 </sup>O beim Kondensieren mehr Energie freisetzt . Außerdem diffundiert H<sub> 2 </sub><sup>16 </sup>O tendenziell schneller.

Da H₂¹⁶O weniger Energie zum Verdampfen benötigt und eher in die flüssige Phase diffundiert, ist der erste Wasserdampf, der bei der Verdampfung von flüssigem Wasser entsteht, mit H₂¹⁶O angereichert , während die verbleibende Flüssigkeit mit H₂¹⁸O angereichert ist. Beim Kondensieren von Wasserdampf zu Flüssigkeit geht H₂¹⁸O bevorzugt in die Flüssigkeit über, während sich H₂¹⁶O im verbleibenden Dampf anreichert.

Wenn eine Luftmasse von einer warmen in eine kalte Region strömt, kondensiert der Wasserdampf und fällt als Niederschlag aus. Dabei wird H₂¹⁸O entzogen , sodass zunehmend mehr H₂¹⁶O-reicher Wasserdampf zurückbleibt . Dieser Destillationsprozess führt dazu, dass der Niederschlag mit sinkender Temperatur ein niedrigeres ¹⁸O/¹⁶O-Verhältnis aufweist . Weitere Faktoren können die Effizienz der Destillation beeinflussen, beispielsweise die direkte Ausfällung von Eiskristallen anstelle von flüssigem Wasser bei niedrigen Temperaturen.

Aufgrund der intensiven Niederschläge, die bei Hurrikanen auftreten, wird das H₂¹⁸O im Verhältnis zum H₂¹⁶O verbraucht , was zu relativ niedrigen ¹⁸O/¹⁶O-Verhältnissen führt . Die anschließende Aufnahme des Hurrikanregens durch Bäume speichert die Spuren der Hurrikane und kann so , falls keine menschlichen Aufzeichnungen vorliegen, zur Erstellung eines historischen Archivs genutzt werden. [ 1 ]

In Laboren beeinflussen Temperatur , Luftfeuchtigkeit , Belüftung usw. die Genauigkeit von Sauerstoffisotopenmessungen. [ 2 ] Feste Proben (organisch und anorganisch) für Sauerstoffisotopenmessungen werden üblicherweise in Silbertiegeln aufbewahrt und mittels Pyrolyse und Massenspektrometrie analysiert . Für genaue Messungen müssen Forscher eine unsachgemäße oder zu lange Lagerung der Proben vermeiden. [ 2 ]

Zusammenhang zwischen Temperatur und Klima

Das <sup>18</sup> O/ <sup>16</sup> O-Verhältnis liefert Informationen über die Wassertemperatur in der Vergangenheit. Wasser, das 10 bis 15  °  C kälter ist als heute, kennzeichnet Eiszeiten . Mit der Ausbreitung kälterer Temperaturen zum Äquator regnet der <sup>18</sup> O -reiche Wasserdampf bevorzugt in niedrigeren Breitengraden ab. Der verbleibende Wasserdampf, der in höheren Breitengraden kondensiert, ist mit <sup>16</sup> O angereichert. [ 3 ] Niederschlag und somit auch Gletschereis enthalten Wasser mit einem niedrigen <sup>18</sup> O-Gehalt. Da größere Mengen an <sup> 16</sup> O-Wasser im Gletschereis gespeichert sind, ist der <sup>18</sup> O-Gehalt des Meerwassers hoch. Wasser, das bis zu 5 °C wärmer ist als heute, kennzeichnet eine Warmzeit, in der der <sup> 18</sup> O-Gehalt des Meerwassers niedriger ist. Die Darstellung der Wassertemperatur in der Vergangenheit über die Zeit zeigt, dass das Klima zyklischen Schwankungen unterlag, mit großen Zyklen und harmonischen , kleineren Zyklen, die den großen überlagert sind. Diese Technik hat sich insbesondere bei der Identifizierung von Eiszeitmaxima und -minima im Pleistozän als wertvoll erwiesen .

Verbindung zwischen Kalzit und Wasser

Kalkstein entsteht durch die Ablagerung der Kalzitschalen von Mikroorganismen. Kalzit, auch Calciumcarbonat genannt (chemische Formel CaCO₃ ) , bildet sich aus Wasser (H₂O ) und darin gelöstem Kohlendioxid (CO₂ ) . Das Kohlendioxid liefert zwei der Sauerstoffatome im Kalzit. Das dritte Atom muss vom Calcium dem Wasser entzogen werden. Das Isotopenverhältnis im Kalzit entspricht daher nach der Kompensation dem Verhältnis im Wasser, aus dem die Mikroorganismen einer bestimmten Schicht das Material der Schalen extrahierten. Ein höherer Anteil an ¹⁸O im Kalzit deutet auf kältere Wassertemperaturen hin, da die leichteren Isotope im Gletschereis gespeichert sind. Foraminiferen sind die Mikroorganismen, die am häufigsten zur Bestimmung mariner Isotopenstadien herangezogen werden . [ 4 ]

Forschung

Die dynamische Entwicklung der Sauerstoffanreicherung der Erde ist in alten Sedimenten aus der Republik Gabun aus der Zeit vor etwa 2150 bis 2080 Millionen Jahren dokumentiert. Verantwortlich für diese Schwankungen der Sauerstoffanreicherung war wahrscheinlich die Lomagundi-Kohlenstoffisotopenexkursion . [ 5 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. Miller , Dana L.; Mora, Claudia I.; Grissino-Mayer, Henri D.; Mock, Cary J.; Uhle, Maria E.; Sharp, Zachary (31. Juli – 19. September 2006). „Baumring-Isotopenaufzeichnungen tropischer Wirbelstürme“ . Proceedings of the National Academy of Sciences, 2006 – National Academy of Sciences . Band 103. National Academy of Sciences. S.  14294–14297 . doi : 10.1073/pnas.0606549103 . PMC 1570183. Abgerufen am 11. November 2009 . 
  2. ^ a b Tsang, Man-Yin; Yao, Weiqi; Tse, Kevin (2020). Kim, Il-Nam (Hrsg.). „Oxidierte Silberbecher können die Sauerstoffisotopen-Ergebnisse kleiner Proben verfälschen“ . Experimental Results . 1 : e12. doi : 10.1017/exp.2020.15 . ISSN 2516-712X . 
  3. ^ „ Paläoklimatologie : Die Sauerstoffbilanz“ . NASA Earth Observatory . 06.05.2005 . Abgerufen am 27.02.2012 .
  4. ^ Zeebe, Richard E. (1999). „Eine Erklärung des Einflusses der Karbonatkonzentration im Meerwasser auf die Sauerstoffisotope von Foraminiferen“. Geochimica et Cosmochimica Acta . 63 ( 13–14 ): 2001–2007 . Bibcode : 1999GeCoA..63.2001Z . doi : 10.1016/S0016-7037(99)00091-5 .
  5. ^ Timothy W. Lyons; Christopher T. Reinhard; Noah J. Planavsky (2014). „Atmosphärische Sauerstoffanreicherung vor drei Milliarden Jahren“. Nature . 506 (7488): 307–315 . Bibcode : 2014Natur.506..307L . doi : 10.1038/nature13068 . PMID 24553238. S2CID 4443958 .  

Weiterführende Literatur