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 O16 i O18. Izotop O16 będąc lżejszym od tlenu O18 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 O18 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 O16 i O18. 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 O18. Izotopy O16 pozostają dalej w chmurach, czyli w parze wodnej.

Grafika. Izotopy 16O i 18O. (źródło)

Im dalej na północ i na południe od równika para wodna się przemieszcza, tym więcej gubi izotopów O18 i tym większy rośnie względem nich stosunek izotopów O16. Sprzyja temu kierunek transportu ku chłodniejszym strefom geograficznym. Bo właśnie tuż nad biegunami stosunek w parze wodnej izotopów O16 do O18 jest już najwyższy. Schłodzone powietrze sprzyja wówczas opadom płatków śniegu wraz ze znacznie większą liczbą lżejszych izotopów O16 i ze znacznie mniejszą liczbą izotopów O18. Tak więc, lód arktyczny, grenlandzki i antarktyczny preferuje izotopy O16, których zawartość o 5 % jest wyższa aniżeli w oceanach. I im chłodniej jest tym wyższy jest stosunek izotopów O16 do O18. 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 O16. Nawet podczas topnienia lodu w rejonach polarnych czy śniegu w klimacie umiarkowanym, to i tak izotopów O18 jest dużo mniej i nie odgrywają właściwie żadnej roli fizykochemicznej ani w obszarach polarnych ani zimą na niższych szerokościach geograficznych w klimacie umiarkowanym.

Izotopy O18 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 O18 niż O16. Albo przynajmniej stosunek proporcjonalny O16 do O18 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 O16. I chociaż izotopy O18 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 O16 malałaby w dużym stopniu względem nieznacznego przyrostu w wodzie oceanicznej izotopów O18. Z kolei udając się ku wyższym szerokościom geograficznym ilość izotopów O16 maleje względem prawdopodobnie wyższego niż na równiku przyrostu izotopów O18 pochodzących z opadów. Np. w klimacie śródziemnomorskim i w klimacie umiarkowanym oraz w borealnym oceanicznym. Dlatego też na biegunach samych ilość izotopów O16 w wodzie oceanicznej jest znacznie mniejsza niż na równiku i w strefach subtropikalnych. Za to właśnie najwięcej w obszarach polarnych O16 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 O16 do O18, przy czym ilość tych drugich izotopów tam wzrasta. Albo na odwrót. To znaczy, jest więcej izotopów O18, ale stosunek proporcjonalny do O16 jest nieznaczny.

Rysunek. Antarktyka. Woda nieznacznie ubywa w izotopach tlenu O18, ewaporuje z ciepłych subtropikalnych wód. Ciężkie wzbogacone w izotopy tlenu  woda kondensuje ponad średnimi szerokościami geograficznymi. Blisko biegunów, atmosferyczna para wodna coraz bardziej ubywa w izotopach tlenu O18. Śnieg wewnątrz Antarktyki ma 5 % izotopów tlenu O18 mniej niż oceaniczna woda. Topnienie wód z glacjalnego lodu wpływa na ubywanie izotopów O18

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 O18 niż O16. A przynajmniej jest mniejszy stosunek proporcjonalny O16 do O18, jeśli tych pierwszych jest więcej. Im cieplej jest w górach, tym zapewne jest mniejszy stosunek proporcjonalny O16 do O18. 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 O16 nad O18. Można powiedzieć, że O16 jest zimnolubnym izotopem, a O18 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 O16 do O18.

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 O18 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 O16 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 O18 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 O18 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 O18, ale w znacznie mniejszym stopniu niż w chłodniejszych. Z kolei izotop O16 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 O18, tym większa jest wskazówka, że klimat był w danym badanym okresie czasu chłodniejszy. Zapewne wylicza się stosunek proporcjonalny O18 do O16. Im jest większy, tym było kiedyś chłodniej. I na odwrót. Mniejsza ilość O18 w osadach oceanicznych oraz mniejszy stosunek proporcjonalny O18 do O16 wskazuje wyraźnie na to, że dawniej mógł być cieplejszy klimat niż dziś.

Podsumowanie:

W atmosferze: Im cieplej, tym więcej izotopów O18, a mniej izotopów O16. Im chłodniej, tym więcej izotopów O16, a mniej izotopów O18 (stosunek proporcjonalny O16 > O18).

W wodzie oceanicznej słonej: Im cieplej, tym więcej izotopów O16, a mniej izotopów O18. Im chłodnej, tym więcej izotopów O18, a mniej izotopów O16 (stosunek proporcjonalny O16 > O18).

W topniejących lodowcach, z których spływa słodka woda do słonego oceanu: Im cieplej, tym mniej izotopów O18, a więcej izotopów O16 (stosunek proporcjonalny O16 > O18)

W skorupkach glonów i w pancerzykach i w muszlach zwierząt: Im chłodniej, tym więcej izotopów O18, a mniej izotopów O16. Im cieplej, tym więcej izotopów O16, a mniej izotopów O18 (stosunek proporcjonalny O18 > O16).

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

Autor: Jacek Baraniak

Jestem z zamiłowania i z wykształcenia ekologiem, ale tylko z pasji miłośnikiem klimatologii. Obie nauki w szczególny sposób są podobne do siebie, gdyż ludzkość wywiera szczególny wpływ na Ziemię w obrębie tych dwóch dziedzin nauki. Dokonuje destrukcji zarówno względem środowiska przyrodniczego, jak i klimatu naszej planety. W szczególności obu tym dyscyplinom naukowym poświęcony jest ten blog.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s

%d blogerów lubi to: