Zgodnie z zapowiedzią, kontynuujemy nasz cykl o badaniach historii klimatu. Jak się okazuje, cennych informacji na temat przeszłości (i nie tylko) dostarcza między innymi badanie składu izotopowego substancji. Izotopy węgla znajdowane w próbkach geologicznych mogą być wskazówką na temat pochodzenia węgla.

Izotopy – co to jest?

Izotopami nazywamy odmienne postacie atomów tego samego pierwiastka, które różnią się ilością neutronów w jądrze (a więc mają różne masy). Część izotopów jest nietrwała (niestabilna) i z czasem ulega rozpadowi promieniotwórczemu, co możemy wykorzystać do datowania różnych zdarzeń. Najbardziej znany jest sposób datowania radiowęglowego, tj. analizy względnej zawartości w próbce węgla 14C, który powstaje w atmosferze w wyniku reakcji azotu z wiatrem słonecznym, jest przyswajany przez rośliny w procesie fotosyntezy, a po ich śmierci jego zawartość w materii organicznej spada. Co to jest „względna zawartość”? O tym poniżej.

Rysunek 1: Laboratorium Stabilnych Izotopów USGS, zdjęcie C. Johnson (USGS).

Z kolei izotopy trwałe (stabilne) nie rozpadają się i mogą stanowić wskaźnik warunków, w których zachodziły reakcje. Przykładowo tlen ma trzy izotopy trwałe: najbardziej rozpowszechniony 16O, występujący mniej więcej 500 razy rzadziej 18O i 2500 razy rzadziej 17O. Szczególne znaczenie w paleoklimatologii mają badania względnej zawartości izotopów 16O do 18O, czemu poświęcony będzie kolejny artykuł Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura.

W badaniach klimatu wykorzystuje się też stabilne izotopy wodoru, siarki, azotu, argonu i innych pierwiastków.

Izotopy węgla, wskaźnik δ13C

Wróćmy do węgla. Jego stabilne izotopy to „klasyczny”, mający po 6 protonów i neutronów 12C (węgiel-12) oraz występujący 100-krotnie rzadziej 13C (węgiel-13, z siedmioma neutronami). Względną zawartość obu izotopów w próbce opisuje wskaźnik δ13C, definiowany jako:

W liczniku ułamka mamy stosunek liczby atomów 13C do 12C w badanej próbce a w mianowniku – w tak zwanej próbce standardowej czy referencyjnej. Pierwotną próbką referencyjną był skład izotopowy zewnętrznego szkieletu morskiej skamieniałości (tzw. rostrum) belemnita (Belemnitella americana) z okresu kredy. Próbkę pobrano z formacji osadowej Pee Dee, odsłoniętej na brzegu rzeki Pee Dee w Ameryce Północnej. Stąd też pochodzi nazwa wzorca Pee Dee Belemnite (PDB). Tak się złożyło, że akurat w tym materiale atomów 13C było nadzwyczaj dużo ((13C/12C)standard = 0,011), dlatego typowe wartości wskaźnika δ13C w próbkach poddawanych analizie są ujemne. Oryginalny materiał referencyjny został już dawno zużyty, ale zanim to nastąpiło, został wykorzystany do stworzenia odpowiedniej normy (numer 100248, Miller i Wheeler, 2012). Analogiczne wskaźniki można stworzyć dla innych kombinacji izotopów.

Rysunek 2: Okaz Belemnitella americana. Zdjęcie: Dave Hayward, autora bloga Views of the Mahantango.

O czym mówi skład izotopowy próbki?

Po co się określa skład izotopowy skamieniałości? Okazuje się, że organizmy fotosyntetyzujące preferują lekki, łatwiej dyfundujący izotop węgla 12C od cięższego 13C, mają więc w sobie względem otoczenia niedobór tego ostatniego. Jeśli stężenie dwutlenku węgla w atmosferze jest wysokie, mogą być „wybredne” i wbudowują w siebie więcej węgla 12C; jeśli zaś stężenie dwutlenku węgla spada, nie wybrzydzają i obficiej pobierają cięższy izotop 13C. Procesy oddychania organizmów nie wykazują istotnych preferencji ze względu na izotopy węgla, względne proporcje izotopów w ich szczątkach zostają więc takie jak w atmosferze. Kiedy resztki martwych organizmów tworzą skały pochodzenia organicznego (ich wyraźną cechą jest obniżona zawartość 13C), zapisane są w nich informacje o stężeniu CO2 w atmosferze. Dwutlenek węgla pochodzenia wulkanicznego ma średnio δ13C = -5‰, wartości δ13C obecnie znajdującego się w atmosferze dwutlenku węgla wynoszą -8‰, a roślin -25‰. Dla paliw kopalnych, które powstały albo z żyjących dawno temu roślin lądowych (węgiel) albo organizmów morskich (ropa) δ13C również jest równa -25‰.

Rysunek 3: Klatraty metanu na głębokości 1400 m u wybrzeży Nowej Anglii. Czerwone plamki lasera są od siebie oddzielone o 10 cm. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NOAA Okeanos Explorer Program.

Istnieje też inny biologiczny proces, który może pozostawić wyraźny znak w paleoklimatycznym zapisie izotopowym węgla: metanogeneza. Gdy dostępny jest tlen, materia organiczna rozkłada się produkując dwutlenek węgla. W środowisku beztlenowym w szeregu procesów powstaje metan, a na każdym etapie następuje frakcjonowanie (czyli separowanie) izotopów węgla. W rezultacie wartość δ13C powstającego metanu może wynosić nawet -50‰. Gdy atmosfera jest bogata w tlen (co ma miejsce od około pół miliarda lat), metanogeneza nie ma w cyklu węglowym dużego znaczenia i nie pozostawia śladów w zapisie kopalnym. Zdarzają się jednak wyjątki – gdy do atmosfery wyzwalają się olbrzymie ilości metanu z oceanicznych klatratów (zwanych też hydratami) metanu lub wieloletniej zmarzliny – w takiej sytuacji do cyklu węglowego zostają gwałtownie wprowadzone znaczące ilości lekkiego izotopowo węgla. Badając spadek δ13C w próbkach z tego okresu możemy oszacować ilość węgla dostarczonego do systemu klimatycznego i pośrednio skalę skokowego wzrostu stężenia CH4 i CO2 (do którego metan dość szybko się rozpada).

Jeśli temat izotopów Was zaintrygował, zapraszamy do lektury naszych kolejnych tekstów, Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura oraz Paleoklimatologia: aktywność słoneczna i radioaktywne izotopy.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: dr hab. Jarosław Tyszka i inni

Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.

Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości