Skomplikowana izotopowa tlenowa łamigłówka

Na podstawie artykułu Holli Riebeek z portalu Earth Observatory NASA.

Izotopy tlenu w parze wodnej

Skomplikowane są zawirowania wokół izotopów tlenu w wodach oceanicznych. Wchodzą one w skład pary wodnej. Są to izotopy tlenu 16O i 18O. Izotop 16O będąc lżejszym od tlenu 18O ma tendencje do łatwiejszego parowania. Najszybciej te procesy zachodzą na równiku gdzie jest przez cały rok gorąco i występuje całoroczne duże wysycenie parą wodną. Gdyż izotopy ciężkie 18O w parze wodnej głównie występują w niższych, cieplejszych szerokościach geograficznych, ale tylko okołorównikowych, gdzie para wodna kondensując sprzyja im łatwiejszemu wypadaniu w postaci kropel deszczu.

To właśnie na równiku występuje tzw. głęboka konwekcja, czyli największy na Ziemi pionowy transport pary wodnej do atmosfery, gdzie powstają intensywne tropikalne deszcze. Następny etap skraplania pary wodnej, tworzenia się chmur i opadów deszczu występuje po drodze w transporcie poziomym pary wodnej nad szerokościami geograficznymi umiarkowanego klimatu. A ostateczny proces kondensacji do płatków śniegu występuje nad obydwoma biegunami. A w porze zimowej również nad szerokościami geograficznymi umiarkowanego klimatu, a w skrajnych przypadkach nad szerokościami geograficznymi śródziemnomorskiego klimatu. Choć ze względu na coraz szybciej postępujące globalne ocieplenie coraz rzadziej opady śniegu pojawiają się nawet w umiarkowanym klimacie.

W dużym uproszczeniu możemy sobie wyobrazić unoszenie pary wodnej, która rozchodzi się na boki, ale przede wszystkim jest transportowana przez wiatry ku biegunom. Oczywiście tę drogę wykonują wspomniane izotopy 16O i 18O. Po drodze ku wyższym szerokościom geograficznym duża część pary wodnej kondensuje. W ten sposób, jeśli po drodze wystąpią jądra kondensacji takie jak drobinki pyłu piaskowego, pyłku kwiatowego, soli morskiej czy zanieczyszczeń wulkanicznych lub przemysłowych, to zaczynają się inicjować wysoko w atmosferze procesy powstawania chmur. Im niżej są one położone, tym większe prawdopodobieństwo powstania chmur opadowych. W szczególności jest to charakterystyczne nad umiarkowanymi szerokościami geograficznymi. Gdy już takie chmury się ukształtują, to zaczynają z nich wypadać cięższe krople deszczu wraz z cięższymi izotopami tlenu 18O. Izotopy 16O pozostają dalej w chmurach, czyli w parze wodnej.

Symulacja komputerowa. Izotopy 16O i 18O. (źródło)

Im dalej na północ i na południe od równika para wodna się przemieszcza, tym więcej gubi izotopów 18O i tym większy rośnie względem nich stosunek izotopów 16O. Sprzyja temu kierunek transportu ku chłodniejszym strefom geograficznym. Bo właśnie tuż nad biegunami stosunek w parze wodnej izotopów 16O do 18O jest już najwyższy. Schłodzone powietrze sprzyja wówczas opadom płatków śniegu wraz ze znacznie większą liczbą lżejszych izotopów 16O i ze znacznie mniejszą liczbą izotopów 18O. Tak więc, lód arktyczny, grenlandzki i antarktyczny preferuje izotopy 16O, których zawartość o 5 % jest wyższa aniżeli w oceanach. I im chłodniej jest tym wyższy jest stosunek izotopów 16O do 18O. Z kolei gdy się ociepla, to topniejący lód w Arktyce, na Grenlandii czy w Antarktyce przyczynia się do wysycenia słonych wód oceanicznych słodkimi wodami z większą zawartością izotopów 16O. Nawet podczas topnienia lodu w rejonach polarnych czy śniegu w klimacie umiarkowanym, to i tak izotopów 18O jest dużo mniej i nie odgrywają właściwie żadnej roli fizykochemicznej ani w obszarach polarnych ani zimą na niższych szerokościach geograficznych w klimacie umiarkowanym.

Izotopy 18O w parze wodnej odgrywają zasadniczą rolę w klimacie tropikalnym okołorównikowym. Bo właśnie tam jest ich najwięcej. Wielokrotnie więcej niż w obszarach biegunowych. I ich obecność przede wszystkim jest zaznaczona w opadach deszczu. Im bliżej równika, tym więcej jest tych izotopów. A więc, statystyczny stosunek izotopowy w najcieplejszych rejonach Ziemi jest być może taki, że para wodna zawiera znacznie więcej izotopów 18O niż 16O. Albo przynajmniej stosunek proporcjonalny 16O do 18O nie jest za duży, gdyby tych pierwszych izotopów jednak było więcej.

Natomiast w przeciwieństwie do atmosfery, wody statystycznie, im są cieplejsze, np. na równiku, tym więcej zawierają izotopów 16O. I chociaż izotopy 18O intensywnie wypadają z atmosfery równikowej w postaci kropel wchodzących w skład ulewnych deszczów, to i tak spadając do wody oceanu nie przyczyniają się zbytnio do tego, że znacznie większa ilość izotopów 16O malałaby w dużym stopniu względem nieznacznego przyrostu w wodzie oceanicznej izotopów 18O. Z kolei udając się ku wyższym szerokościom geograficznym ilość izotopów 16O maleje względem prawdopodobnie wyższego niż na równiku przyrostu izotopów 18O pochodzących z opadów. Np. w klimacie śródziemnomorskim i w klimacie umiarkowanym oraz w borealnym oceanicznym. Dlatego też na biegunach samych ilość izotopów 16O w wodzie oceanicznej jest znacznie mniejsza niż na równiku i w strefach subtropikalnych. Za to właśnie najwięcej w obszarach polarnych 16O jest właśnie przechowywanych na lądolodach Grenlandii i Antarktydy w lodowcach i w lodzie pływającym. Natomiast w wodzie oceanicznej obu obszarów podbiegunowych jest albo znacznie mniejszy stosunek proporcjonalny izotopów 16O do 18O, przy czym ilość tych drugich izotopów tam wzrasta. Albo na odwrót. To znaczy, jest więcej izotopów 18O, ale stosunek proporcjonalny do 16O jest nieznaczny.

Rysunek. Antarktyka. Woda nieznacznie ubywa w izotopach tlenu 18O, ewaporuje z ciepłych subtropikalnych wód. Ciężkie wzbogacone w izotopy tlenu 18O woda kondensuje ponad średnimi szerokościami geograficznymi. Blisko biegunów, atmosferyczna para wodna coraz bardziej ubywa w izotopach tlenu 18O. Śnieg wewnątrz Antarktyki ma 5 % izotopów tlenu 18O mniej niż oceaniczna woda. Topnienie wód z glacjalnego lodu wpływa na ubywanie izotopów 16O (źródło)

Odrębną kwestią jest oczywiście transport pionowy pary wodnej w górach. Zapewne jest podobny do poziomego z niższych szerokości geograficznych ku wyższym. I tak samo na pogórzu jest więcej izotopów 18O niż 16O. A przynajmniej jest mniejszy stosunek proporcjonalny 16O do 18O, jeśli tych pierwszych jest więcej. Im cieplej jest w górach, tym zapewne jest mniejszy stosunek proporcjonalny 16O do 18O. I te drugie izotopy częściej spadają w postaci deszczu latem, zwłaszcza na pogórzu w reglu dolnym i górnym, w kosodrzewinie i też na hali. W turniach latem już panuje śnieg. W innych porach roku panowanie śniegu obejmuje stopniowo hale, kosodrzewinę. A jesienią nawet już regiel górny. W zimie są już wszystkie piętra górskie wraz z pogórzem opanowane przez śnieg. A więc, przez dominację izotopów 16O nad 18O. Można powiedzieć, że 16O jest zimnolubnym izotopem, a 18O ciepłolubnym w kontekście śnieżnego klimatu. Oczywiście w klimacie śródziemnomorskim, np. w Alpach czy też w umiarkowanym, np. w Karpatach, jest inny stosunek proporcjonalny izotopów tlenu niż np. w klimacie borealnym Gór Skandynawskich. W każdym razie, im dalej wraz z wysokością, a więc poprzez regle dolny i górny, kosodrzewinę, hale i turnie i im dalej ku północnym szerokościom geograficznym, tym większy jest stosunek proporcjonalny izotopów 16O do 18O.

Izotopy tlenu w skorupkach drobnych glonów planktonicznych oraz w muszlach i w pancerzykach większych zwierząt bentonicznych

Ciekawa i dość skomplikowana sprawa jest z izotopami tlenu wbudowującymi się w muszle i pancerzyki drobnych glonów planktonicznych jak np. okrzemki czy bruzdnice oraz większych zwierząt takich jak skorupiaki, małże czy korale. Większa ilość ciężkiego tlenu 18O jest zawarta w muszlach i pancerzykach zwierząt i w skorupkach glonów preferujących chłodniejsze wody aniżeli w cieplejsze. W każdym razie, to jest właśnie min. wskaźnik postępowania globalnego ocieplenia, gdyż wody oceanów są coraz cieplejsze na świecie. Izotopy 16O w organizmy zwierząt i glonów są również wbudowywane, ale w wielokrotnie mniejszej ilości.

Do budowy skorupek oraz muszli i pancerzyków wykorzystywany jest węglan wapnia (Ca2CO3). Węglan wapnia i cząsteczki wody (H2O) wymieniają się atomami tlenu. Wszystko jest zależne od wielkości temperatury, czy izotop 18O będzie przyjmowany znacznie więcej przez wodę oceaniczną czy też będzie intensywniej wbudowywany w skorupki glonów i w pancerzyki oraz w muszle zwierząt. Im chłodniejsza będzie temperatura, tym znacznie chętniej 18O będzie przyjmowany w budowę skorupek, pancerzyków i muszli. A im cieplejsza tym częściej będzie absorbowany przez cząsteczki wody w oceanie. Oczywiście w cieplejszych wodach również jest przyjmowany izotop 18O, ale w znacznie mniejszym stopniu niż w chłodniejszych. Z kolei izotop 16O jest także wbudowywany w skorupki glonów oraz w pancerzyki i muszle zwierząt, ale w znacznie mniejszym stopniu, zarówno w cieplejszych, jak i w chłodniejszych wodach. Choć w tych pierwszych wodach prawdopodobnie glony i zwierzęta przyswajają go więcej, niż w tych drugich.

Pomiary osadów oceanicznych (proxy) dostarczają nam wielu wskazówek jaki panował klimat w dawniejszych epokach geologicznych pod względem wzrostu lub spadku temperatury. w osadach zbudowanych ze skorupek, muszli i pancerzyków, czyli w węglanach wapnia. Im większa jest zawartość izotopów 18O, tym większa jest wskazówka, że klimat był w danym badanym okresie czasu chłodniejszy. Zapewne wylicza się stosunek proporcjonalny 18O do 16O. Im jest większy, tym było kiedyś chłodniej. I na odwrót. Mniejsza ilość 18O w osadach oceanicznych oraz mniejszy stosunek proporcjonalny 18O do 16O wskazuje wyraźnie na to, że dawniej mógł być cieplejszy klimat niż dziś.

Podsumowanie:

W atmosferze: Im cieplej, tym więcej izotopów 18O, a mniej izotopów 16O. Im chłodniej, tym więcej izotopów 16O, a mniej izotopów 18O (stosunek proporcjonalny 16O > 18O).

W wodzie oceanicznej słonej: Im cieplej, tym więcej izotopów 16O, a mniej izotopów 18O. Im chłodnej, tym więcej izotopów 18O, a mniej izotopów 16O (stosunek proporcjonalny 16O > 18O).

W topniejących lodowcach, z których spływa słodka woda do słonego oceanu: Im cieplej, tym mniej izotopów 18O, a więcej izotopów 16O (stosunek proporcjonalny 16O > 18O)

W skorupkach glonów i w pancerzykach i w muszlach zwierząt: Im chłodniej, tym więcej izotopów 18O, a mniej izotopów 16O. Im cieplej, tym więcej izotopów 16O, a mniej izotopów 18O (stosunek proporcjonalny 18O > 16O).

http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Paleoclimatology_OxygenBalance/

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *