Loading article…
酸素同位体比サイクルとは、極地の氷や海洋コア試料中の方解石など、一部の物質中に存在する質量数18の酸素と質量数16の酸素の比率が周期的に変動する現象であり、同位体分別法を用いて測定される。この比率は古代の海洋温度と関連しており、ひいては古代の気候を反映している。この比率のサイクルは、地球の地質史における気候変動を反映している。
酸素（化学記号O）には、 16O、17O、18Oという3つの天然同位体が存在します。ここで、16、17、18は原子量を表します。最も多く存在する同位体は16Oで、 18Oは少量、 17Oはさらに少量です。酸素同位体分析では、試料中の18Oと16Oの比率のみを考慮します。
試料中の各同位体の質量比を算出し、それを標準値と比較することで、試料が形成された温度に関する情報を得ることができます。詳細は「プロキシ（気候）」を参照してください。
酸素原子18は酸素原子16に比べて中性子を2個多く含み、それが存在する水分子の質量は約2原子質量単位重くなります。この質量の増加により水素結合が変化し、酸素原子18を蒸発させるには酸素原子16よりも多くのエネルギーが必要となり、凝縮時に放出されるエネルギーも大きくなります。さらに、酸素原子18は酸素原子16よりも拡散しやすい傾向があります。
H₂¹⁶Oは蒸発に必要なエネルギーが少なく、液相へ拡散しやすいため、液体の水が蒸発する際に最初に生成される水蒸気はH₂¹⁶Oが濃縮され、残りの液体はH₂¹⁸Oが濃縮されます。水蒸気が凝縮して液体になると、H₂¹⁸Oが優先的に液体に入り込み、H₂¹⁶Oは残りの水蒸気に濃縮されます。
気団が温暖な地域から寒冷な地域へ移動すると、水蒸気が凝結して降水として除去されます。この降水によってH₂¹⁸Oが除去され、次第にH₂¹⁶Oを多く含む水蒸気が残ります。この蒸留過程により、降水中の¹⁸O / ¹⁶O比は温度の低下とともに低下します。低温では液体の水ではなく氷の結晶が直接析出するなど、蒸留効率に影響を与える要因が他にもあります。
ハリケーンでは激しい降雨が発生するため、H 2 18 O は H 2 16 O に比べて消費され、結果として18 O/ 16 O 比が比較的低くなります。その後、樹木がハリケーンの降雨を吸収することで、ハリケーンの通過の記録が作成され、人間の記録がない場合でも歴史記録を作成するために使用できます。[ 1 ]
実験室では、温度、湿度、換気などが酸素同位体測定の精度に影響します。[ 2 ]酸素同位体測定用の固体サンプル（有機物と無機物）は通常、銀のカップに保管され、熱分解と質量分析法で測定されます。研究者は、正確な測定のためにサンプルの不適切な保管や長期保管を避ける必要があります。[ 2 ]
18 O/ 16 O比は、古代の水温の記録を提供します。現代より10～15 ℃（18～27 °F ）低い水は氷河期を表します。より低い気温が赤道に向かって広がるにつれて、 18 Oを多く含む水蒸気は低緯度で優先的に降雨します。高緯度で凝結する残りの水蒸気は16 Oが濃縮されます。 [ 3 ]降水、したがって氷河氷には、 18 O含有量 の低い水が含まれています。より多くの16 O水が氷河氷として貯蔵されるため、海洋水の18 O含有量は高くなります。現代より最大5 ℃（9 °F）高い水は間氷期を表し、その場合、海洋水の18 O含有量は低くなります。時間の経過に伴う古代の水温のグラフは、気候が周期的に変動し、大きな周期と、その大きな周期に重なる調和、つまり小さな周期があったことを示しています。この手法は、更新世における氷河期の極大期と極小期を特定する上で特に有用であった。
石灰岩は微生物の炭酸カルシウム殻から堆積する。炭酸カルシウム（化学式 CaCO₃ ）は水（H₂O ）と水に溶けた二酸化炭素（CO₂ ）から形成される。二酸化炭素は炭酸カルシウム中の酸素原子のうち2つを提供する。カルシウムは水から3つ目の酸素原子を奪わなければならない。したがって、炭酸カルシウム中の同位体比は、補償後、特定の層の微生物が殻の物質を抽出した水中の同位体比と同じになる。炭酸カルシウム中の¹⁸Oの存在量が多いほど水温が低いことを示している。これは、軽い同位体はすべて氷河氷に蓄えられているためである。海洋同位体ステージを特定するために最も頻繁に参照される微生物は有孔虫である。[ 4 ]
地球の動的な酸素化の進化は、約21億5000万年前から20億8000万年前のガボン共和国の古代堆積物に記録されている。これらの酸素化の変動の原因は、ロマガンディ炭素同位体変動であった可能性が高い。[ 5 ]