用氧气计算古代的温度

同位素是什么?

同位素一词是由英国放射化学家弗雷德里克·索迪(1913年)提出的，用来区分原子质量不同、中子数不同、但在周期表中占据相同位置的化学元素，即具有相同数量的质子和电子。同位素一词来源于iso意义平等的和希腊传统的主题意义的地方参考元素周期表中的相同位置。

同位素物种的浓度由每个样品中重同位素与轻同位素的相对丰度比与给定标准的比值表示。The values of the can be either positive, showing an enrichment of the heavier isotopes relative to the standard, or negative, showing depletion of the heavier isotopes relative to the standard.

介绍氧

作为古温度计最常用的同位素是氧。氧(O)有三个稳定的同位素:¹⁶啊,¹⁷啊,,¹⁸它是…的比率¹⁸O¹⁶O，通常用于古气候学研究。的比例¹⁸O和¹⁶生物矿化元素(即骨头、贝壳和牙齿)中的O依赖于温度。在寒冷的时期，比如冰川期，越轻¹⁶氧同位素蒸发的速度比重的要快得多¹⁸O被留在水中，因此被纳入贝壳和测试中。

利用氧同位素比值作为碳酸盐矿物的古温度计是基于热力学分馏¹⁶O和¹⁸这是在降水过程中发生的。分馏改变了¹⁸在-2°C至30°C的海洋温度范围内，O相对于温度的对数为-0.20‰至-0.27‰/°C，与热力学预测一致。因为氧同位素代用物是基于热力学原理的，我们预计它相对不受二次动力学断裂的影响。然而，有理由怀疑个体发生变化和海水碳酸盐离子等非温度依赖因素会影响同位素比值。尽管存在这些问题，氧同位素比率是最广泛使用和最可靠的古温度代用指标。

的比例¹⁶O¹⁸O随着温度和蒸发速率的增加而降低。一般来说,¹⁸O增加1.0‰相当于大约4°C的冷却。当水凝结时，情况正好相反。同位素比率的跟踪使用Delta概念与标准平均海水(SMOW)作为参考。

化石

一些化石团体;主要是有孔虫类、腕足类和箭石类可以用来直接测量古温度和冰量，而不是解释。来自有孔虫测试的地球化学指标已被用来重建来自不同水深的全球冰量和温度。

由碳酸钙(CaCO)组成的坚硬部分的生物体_3.)将水中的溶解氧与碳和钙结合，形成它们的壳。只要在成岩作用中物质没有发生变化，这个比例就会在地质记录中保留下来。

在中生代(2.51 - 6600万年前)，一种常见的化石是箭石，一种类似鱿鱼的史前动物。它们是理想的古温度计，因为它们的低镁方解石壳(称为尖晶石)相对抗成岩作用。相对较大且有良好组织的生长线意味着可以重建诸如季节变化等细节(Ullmann et al. 2015)。

新生代最常用的化石是有孔虫，一种单细胞的海洋原生生物。有孔虫方解石的氧、碳同位素和Mg/Ca比值的测量是重建过去海洋和气候条件的最可靠的方法之一。例如,δ¹⁸从有孔虫中获取的O值显示，在3400万年前的始新世-渐新世边界附近，南极洲的冰川条件发生了转变(Lear等, 2008)。

冰核

当冰川的冰被雪压缩形成时，含有少量古代大气空气的气泡被保存下来。同位素测量取自冰芯，以测量δ d(氘——氢的同位素)和δ¹⁸O比率。最古老的冰芯样本来自南极洲的艾伦山，有270万年的历史(Yan et al. 2019)。

由于路径分馏——较重的同位素被“雨淋掉”的过程——从冰核中回收的同位素比海水轻，所以当它们在高纬度地区沉淀时，存在较轻的同位素偏差。我们对过去200万年气候变化的大部分了解都来自于北极和南极的冰芯样本。

总结

本文简要介绍了氧同位素在古代温度计算中的应用。温度是气候系统状态的最主要代表。无论是过去还是现在的地质都是如此。因此，了解过去的气候是如何反应的，对于预测和准备未来的气候变化是至关重要的。

关于这个作者

杰克·威尔金是英国坎伯恩矿业学院(埃克塞特大学)的研究生研究员。他的研究重点是用于古气候研究的箭石同位素分析。