Эффект Доула

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эффект Доула — повышенное содержание тяжелого изотопа 18О (обычного, более стабильного атома кислорода с двумя дополнительными нейтронами) в атмосфере по сравнению с морской водой, относительно его более лёгкого и менее стабильного изотопа 16О. Обычно соотношение 18O/16O, выражают как отклонение изотопной сигнатуры в образце по отношению к сигнатуре стандарта, выраженное в промилле, и обозначают как δ18O. Эффект назван в честь американского химика Малкольма Доула. В 1935 году[1][2] было обнаружено, что в воздухе содержится больше 18О чём в морской воде; количественная оценка 1975 года дала результат в 23,5 ‰[3], но в 2005 году значение уточнили до 23,88 ‰[4]. Дисбаланс возникает преимущественно в результате дыхания растений и животных. Благодаря термодинамике изотопных реакций[5], для дыхания предпочтительно используется более лёгкий, а значит и более реакционноспособный, 16O, что увеличивает относительный объём 18O в атмосфере.

Неравенство изотопного состава воды и воздуха уравновешивается фотосинтезом, который возвращает более лёгкий 16О в атмосферу. В результате фотосинтеза выделяется кислород такого же изотопного состава (то есть с таким же соотношением между 18О и 16О) как и в воде (H2O), используемой водоокисляющим комплексом[6], а её состав не зависит от атмосферного соотношение изотопов. Таким образом, при достаточно высоком атмосферном уровне 18О, фотосинтез будет выступать в качестве уравновешивающего фактора. Однако степень фракционирования (то есть изменение изотопного соотношения), обеспечивается не только фотосинтезом. Фракционирование может происходить и в результате преимущественного испарения Н216О — воды, несущей легкие изотопы кислорода, а также других небольших, но значимых процессов.

Использование эффекта Доула[править | править код]

Поскольку из-за испарения океанические и наземные воды имеют различное соотношение 18О/16О, то по эффекту Доула можно судить об интенсивности фотосинтеза в пресноводных и морских водоёмах[7]. Полная остановка всего наземного фотосинтеза привела бы к сдвигу величины эффекта Доула на −2-3 ‰ от его текущего значения в 23,8 ‰.

Исходя из данных, полученных из кернов льда, прослеживается стабильность (в пределах 0,5 ‰) соотношения атмосферного 18О /16О относительно 18О /16О в поверхностных морских водах начиная с последнего межледниковья (последние 130 000 лет). Это говорит о том, что в течение этого периода времени производительность наземного и морского фотосинтеза изменялись синхронно.

Изменения эффекта Доула с периодом в тысячу лет связано с резком изменению климата в северной части Атлантического океана за последние 60 тыс. лет[8]. Высокая степень корреляции эффекта Доула с δ18О в натёчных изображениях, свидетельствует о муссонных осадках, которые предположительно происходили по причине изменения производительности низкоширотных наземных растений. Орбитальный масштаб изменения эффекта характеризуется периодами в 20-100 тыс. л. н., и хорошо соотносится с орбитальным эксцентриситетом и прецессией Земли, но не с наклоном её орбиты[9].

Эффект Доула также может быть применен в качестве индикаторного в морской воде, с небольшими вариациями в химии он используется для определения дискретных «частей» воды и подсчёта её возраста.

Примечания[править | править код]

  1. Malcolm Dole. The Relative Atomic Weight of Oxygen in Water and in Air (англ.) // Journal of Chemical Physics : journal. — 1936. — Vol. 4, no. 4. — P. 268—275. — DOI:10.1063/1.1749834.
  2. Morita N. The increased density of air oxygen relative to water oxygen (англ.) // J. Chem. Soc. Japan : journal. — 1935. — Vol. 56. — P. 1291.
  3. Kroopnick P. Craig, H. Atmospheric Oxygen: Isotopic Composition and Solubility Fractionation (англ.) // Science : journal. — 1972. — Vol. 175, no. 4017. — P. 54—55. — DOI:10.1126/science.175.4017.54. — PMID 17833979.
  4. Luz, B. Barkan, E. High precision measurements of 17O/16O and 18O/16O ratios in H2(англ.) // Rapid Commun. Mass Spectrom. (англ.) : journal. — 2005. — Vol. 19. — P. 3737—3742. — DOI:10.1002/rcm.2250.
  5. Urey H.C. The thermodynamic properties of isotopic substances (англ.) // J. Chem. Soc : journal. — 1947. — P. 562—581. — DOI:10.1039/JR9470000562.
  6. Guy Robert D. et al. Differential fractionation of oxygen isotopes by cyanide-resistant and cyanide-sensitive respiration in plants (англ.) // Planta : journal. — 1989. — Vol. 177, no. 4. — P. 483—491. — DOI:10.1007/BF00392616.
  7. Bender M., Sowers, T., Labeyrie, L. The Dole effect and its variations during the last 130,000 years as measured in the Vostok ice core (англ.) // Global Biogeochemical Cycles : journal. — 1994. — Vol. 8, no. 3. — P. 363—376. — DOI:10.1029/94GB00724.
  8. J.P.; Beaudette, R.; Headly, M.A.; Taylor, K.; Brook, E.J. Oxygen-18 of O2 records the impact of abrupt climate change on the terrestrial biosphere (англ.) // Science : journal. — 2009. — Vol. 324, no. 5933. — P. 1431—1434. — DOI:10.1126/science.1169473.
  9. Landais, A.; Dreyfus, G.; Capron, E.; Masson-Delmotte, V.; Sanchez-Goñi, M.F.; Desprat, S.; Hoffmann, G.; Jouzel, J.; Leuenberger, M.; Johnsen, S. What drives the millennial and orbital variations of δ18Oatm (англ.) // Quaternary Sci. Rev. : journal. — 2010. — Vol. 29. — P. 235—246. — DOI:10.1016/j.quascirev.2009.07.005.