دلتا-أو-18 (δ18O) – استفاقة

أساسيات نظائر الأكسجين

الأكسجين عنصر أساسي للحياة، وله ثلاثة نظائر مستقرة بشكل رئيسي: ¹⁶O، ¹⁷O، و ¹⁸O. الأكثر وفرة هو ¹⁶O، بينما ¹⁸O هو الأثقل. يختلف الأكسجين-18 عن الأكسجين-16 في أنه يحتوي على اثنين من النيوترونات الإضافية في نواته. هذه الاختلافات في الكتلة لها تأثيرات كبيرة على العمليات الفيزيائية والكيميائية. على سبيل المثال، يتطاير جزيء الماء الذي يحتوي على ¹⁶O بسهولة أكبر من جزيء الماء الذي يحتوي على ¹⁸O. وهذا ما يعرف باسم “التجزئة النظائرية”.

تُقاس نسبة ¹⁸O إلى ¹⁶O في العينات باستخدام مطياف الكتلة. يتم التعبير عن النتائج على شكل δ¹⁸O، والذي يمثل الانحراف النسبي لنسبة النظائر في العينة عن معيار مرجعي قياسي. يتم التعبير عن δ¹⁸O بوحدات في الألف (‰). الصيغة المستخدمة لحساب δ¹⁸O هي:

δ¹⁸O = [(R_sample / R_standard) – 1] × 1000‰

حيث R_sample هي نسبة ¹⁸O/¹⁶O في العينة، و R_standard هي نسبة ¹⁸O/¹⁶O في المعيار القياسي.

المعايير القياسية

لتسهيل المقارنة بين القياسات المختلفة، يتم استخدام معايير قياسية محددة. المعيار القياسي الأكثر شيوعًا المستخدم لـ δ¹⁸O في الماء هو “المياه المحيطية القياسية في فيينا” (VSMOW). هذه المياه تمثل متوسط تركيبة الأكسجين في مياه المحيطات. عندما تكون قيمة δ¹⁸O موجبة، فهذا يعني أن العينة غنية نسبيًا بـ ¹⁸O مقارنة بـ VSMOW، في حين أن قيمة δ¹⁸O السلبية تعني أن العينة مستنفدة نسبيًا من ¹⁸O.

التطبيقات في علم المناخ القديم

يُستخدم δ¹⁸O على نطاق واسع في علم المناخ القديم لإعادة بناء المناخات الماضية. تعتمد هذه التطبيقات على حقيقة أن نسبة ¹⁸O/¹⁶O في الماء تختلف باختلاف درجة الحرارة، وكمية التبخر، والعمليات الأخرى. تُستخدم δ¹⁸O في عدد من المواد، بما في ذلك:

جليد القطب: يعتمد تحليل δ¹⁸O في الجليد على أن الثلج المتكون في درجات حرارة أبرد يكون أكثر استنفادًا من ¹⁸O، بينما يكون الثلج المتكون في درجات حرارة أكثر دفئًا أكثر غنى بـ ¹⁸O. من خلال قياس δ¹⁸O في النوى الجليدية، يمكن للعلماء استنتاج التغيرات في درجة الحرارة خلال آلاف السنين.
رواسب المحيطات: تحتوي القشريات والطحالب وغيرها من الكائنات البحرية على كربونات الكالسيوم (CaCO₃) في أصدافها. تعتمد نسبة ¹⁸O/¹⁶O في كربونات الكالسيوم هذه على درجة حرارة الماء الذي تشكلت فيه الصدفة، بالإضافة إلى نسبة δ¹⁸O في الماء نفسه. يمكن أن توفر دراسة δ¹⁸O في الرواسب البحرية سجلًا لتغيرات درجة حرارة المحيطات، وحجم الجليد، والعمليات الأخرى.
الحلقات السنوية للأشجار: يمكن أن يعطي تحليل δ¹⁸O في الحلقات السنوية للأشجار معلومات عن هطول الأمطار ودرجة الحرارة خلال فترات نمو الشجرة.

تسمح هذه السجلات، جنبًا إلى جنب مع تقنيات التأريخ الأخرى، للعلماء بوضع نماذج للتغيرات المناخية الماضية واستخلاص رؤى حول كيفية استجابة المناخ للنظام البيئي للأرض للظروف المختلفة.

التطبيقات في علم المحيطات القديمة

بالإضافة إلى علم المناخ القديم، يستخدم δ¹⁸O على نطاق واسع في علم المحيطات القديمة لدراسة تاريخ المحيطات. يمكن أن توفر قياسات δ¹⁸O في الرواسب البحرية معلومات حول:

مستوى سطح البحر: يرتبط مستوى سطح البحر بنسبة ¹⁸O/¹⁶O في مياه المحيطات. عندما تتشكل الصفائح الجليدية، يتم حبس ¹⁶O في الجليد، مما يؤدي إلى زيادة نسبة ¹⁸O في المحيطات. وبالتالي، يمكن استخدام سجلات δ¹⁸O في الرواسب البحرية لتقدير التقلبات في حجم الصفائح الجليدية، وبالتالي تحديد التغيرات في مستوى سطح البحر.
دوران المحيطات: تؤثر أنماط دوران المحيطات على توزيع الحرارة والملوحة في المحيطات. يمكن أن يوفر δ¹⁸O معلومات عن التغيرات في هذه الأنماط بمرور الوقت.
ملوحة المحيطات: يمكن أن تتأثر نسبة δ¹⁸O في مياه المحيطات بملوحة المياه. يمكن أن تساعد دراسة δ¹⁸O في الرواسب البحرية في فهم التغيرات في ملوحة المحيطات.

التطبيقات في الجيوكيمياء

يستخدم δ¹⁸O أيضًا في الجيوكيمياء لدراسة العمليات الجيولوجية. على سبيل المثال، يمكن استخدامه لتحديد أصل الصخور والمعادن، وفهم عمليات التحول (التحول) والتعرية.

أصل الصخور: يمكن أن تختلف نسبة ¹⁸O/¹⁶O في الصخور اعتمادًا على مكان وكيفية تشكلها. من خلال قياس δ¹⁸O في الصخور، يمكن للعلماء استنتاج مصدرها.
التحول: يمكن أن تؤثر العمليات التحولية على نسبة δ¹⁸O في المعادن. يمكن أن توفر دراسة δ¹⁸O في الصخور المتحولة معلومات عن ظروف درجة الحرارة والضغط التي تعرضت لها الصخور.
التعرية: يمكن أن تؤثر عمليات التعرية على نسبة δ¹⁸O في الرواسب. يمكن أن تساعد دراسة δ¹⁸O في الرواسب في فهم معدلات التعرية والظروف المناخية في الماضي.

العوامل المؤثرة في δ¹⁸O

هناك عدد من العوامل التي يمكن أن تؤثر على نسبة δ¹⁸O في العينات. وتشمل هذه:

درجة الحرارة: في المياه، تكون نظائر الأكسجين ثقيلة نسبيًا. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يصبح الفرق في معدلات التبخر بين ¹⁶O و¹⁸O أقل، مما يؤدي إلى زيادة تركيز ¹⁸O في المياه المتبقية.
التجزئة: تتبخر جزيئات الماء التي تحتوي على ¹⁶O بسهولة أكبر من تلك التي تحتوي على ¹⁸O. هذه العملية، المعروفة باسم التجزئة، تؤدي إلى تركيز ¹⁸O في الماء المتبقي.
التبادل: يمكن أن تتبادل نظائر الأكسجين بين جزيئات الماء والمعادن. يمكن أن تؤثر هذه العملية على نسبة δ¹⁸O في العينات.
الأحداث الجيولوجية: يمكن أن تؤثر العمليات الجيولوجية مثل البراكين والزلازل على نسبة δ¹⁸O في البيئة المحيطة.

مستقبل δ¹⁸O

يستمر δ¹⁸O في كونه أداة قيمة للعلماء في مجموعة متنوعة من المجالات. مع التقدم في التكنولوجيا، بما في ذلك تقنيات مطياف الكتلة الأكثر تطورًا، من المتوقع أن يصبح δ¹⁸O أكثر دقة وسهولة في قياسه. من المتوقع أيضًا أن يتم استخدامه في مجموعة واسعة من التطبيقات، مما يوفر رؤى جديدة حول العمليات الجيولوجية والمناخية المختلفة.

القيود والتحسينات

على الرغم من أهميته، هناك بعض القيود على استخدام δ¹⁸O. تتضمن هذه القيود:

التعقيد: يمكن أن تتأثر نسبة δ¹⁸O بعدد من العوامل، مما يجعل من الصعب تفسير البيانات.
الحفظ: قد لا يتم الحفاظ على سجلات δ¹⁸O في بعض المواد بشكل جيد على مدى فترات زمنية طويلة.
الدقة: على الرغم من أن التقنيات قد تحسنت، إلا أن دقة قياسات δ¹⁸O لا تزال محدودة.

ومع ذلك، يعمل العلماء باستمرار على تحسين تقنيات δ¹⁸O لتجاوز هذه القيود. تشمل بعض التحسينات:

تطوير تقنيات مطياف الكتلة الأكثر دقة.
تحسين نماذج تفسير البيانات.
تطوير تقنيات جديدة لدراسة δ¹⁸O في مجموعة متنوعة من المواد.

الخلاصة

يمثل δ¹⁸O أداة حيوية للعلماء في مجالات متعددة. فهو يوفر معلومات قيمة عن المناخات الماضية، وتاريخ المحيطات، والعمليات الجيولوجية. على الرغم من وجود بعض القيود، إلا أن التقدم التكنولوجي المستمر ووعد δ¹⁸O في توفير رؤى أعمق حول العمليات المختلفة التي تشكل كوكبنا. لا يزال δ¹⁸O يلعب دورًا حاسمًا في مساعدة العلماء على فهم التغيرات المناخية الماضية والحاضرة، والتنبؤ بالتغيرات المستقبلية.

المراجع

“`