Физическая экология. Палеотермометрия. История климата Земли

1. Физическая экология

Занятие 8
Палеотермометрия.
История климата Земли.

2.

Природные процессы, приводящие к
изотопным сдвигам
Химические и кинетические процессы в окружающей среде
могут приводить к фракционированию (разделению) изотопов.
Для элементов с небольшими атомными массами, наиболее
распространенными на Земле, подобные эффекты вызывают
сдвиги в концентрации, достигающие измеримых величин. К
таким элементам в окружающей среде относятся водород,
углерод, кислород и сера.
Коэффициенты изотопного обогащения являются функцией
температуры, поэтому изотопные сдвиги в датированных
образцах несут информацию об изменениях важнейшего
палеоэкологического фактора – климата Земли.

3.

Химические реакции обмена
Пусть элемент А состоит из двух изотопов А1 и А2 и входит в
молекулу АС. Тогда его химическую реакцию с веществом В
можно записать, как сумму двух реакций:
А1С + В А1СВ - константа реакции К1
А2С + В А2СВ - константа реакции К2
Закон действующих масс применительно к этой паре
равновесных реакций запишется следующим образом:
K1
С3 y
K2
С3 (1 y )
С1 xС2
С1 (1 x)С2
где С1, С2 и С3 – концентрации веществ АС, В и АСВ,
соответственно, а x и y – мольная доля изотопа А1 в
соединениях АС и АСВ.

4.

Химические реакции обмена (продолжение)
Из выражений для скорости обратимой реакции
А1С + А2СВ А2С + А1СВ
получаем:
y
1 y
K1
K2
x
1 x
Соответствующая константа равновесия Р равна отношению
К1/К2 и, очевидно, зависит от температуры, при которой
устанавливается соотношение изотопов.
Пример реакции:
3∙H2 18O + CaC16O3 3∙H2 16O + CaC18O3
Физическое пояснение. Более легкая молекула имеет
большую частоту и большую энергию. Соответственно, ее
химические связи менее прочны.

5.

Кинетические процессы
Диффузионное фракционирование изотопов связано с
зависимостью коэффициента молекулярной диффузии от
массы молекулы:
1
T
D
3
m
К примеру, для углекислого газа CO2 степень
фракционирования (12С/13С) при диффузии составит (44/45)0.5
= 1,011. Очевидно, что степень разделения зависит от
температуры и уменьшается ростом молекулярной массы.
Изотопное фракционирование при фазовых переходах. В
природных условиях на границе сред атмосфера – океан,
атмосфера – лед возникают изотопные сдвиги, зависящие
от температуры. Например, при 25 0С в системе вода –
пар
(18О)вода = 1,0092.

6.

Палеотермометрия на основе (18О)
Гарольда Юри впервые предложил использовать зависимость
изотопного состава кислорода органогенных карбонатов для
восстановления температуры их образования. Температурная
зависимость основана на различии изотопного состава
кислорода карбоната кальция и изотопного состава кислорода
воды при осаждении в условиях равновесия.
Гарольд Клейтон Юри (1893-1981) —
американский физик и физхимик. Пионер в области
исследования изотопов, Нобелевская премия 1934 г.
за открытие дейтерия.
18O
18O
16
16
O образец O стандарт
18
3
O,пром илле
*
10
18O
16
O стандарт
Стандарт – средняя
океанической вода (SMOW),
равен 0,0 ± 0,05 ‰.

7.

Природные архивы: осадочные породы
Природный архив – это элемент окружающей среды
• фиксирующий и сохраняющий физико-химические свойства,
• накапливавшийся последовательно во времени,
• допускающий стратификацию и датирование.
Геологический разрез
Континентальные осадки

8. Глубоководное бурение

Буровое судно
«Гломар Челленджер»
Научно-исследовательское судно
«Дмитрий Менделеев»
Коллекция из сотен донных колонок из Тихого, Индийского и
Атлантического
океанов
послужила
материалом
палеотемпературной реконструкции четвертичного периода.
Для него получена детальная температурная кривая, которая
воспроизводится для различных географических районов
океана.

9. Полярное бурение

Гренландия
2,8 млн. куб. км,
7 м уровня океана,
возраст 3 млн. лет
Антарктида
30 млн. куб. км,
70 м уровня океана,
70% запаса пресной воды,
90% льда,
возраст 12 млн. лет

10.

Полярное бурение в Гренландии

11. Полярное бурение в Гренландии

12.

Полярное бурение в Антарктиде

13. Антарктический лед

Буровая станция на Dome C
Национальное хранилище США в Денвере

14. Кольца деревьев

15.

История климата Земли

16. Климат по геологическим данным

17.

История глобальных оледенений (snowball)
Первая ледниковая эпоха зафиксирована 2,2 млрд. лет назад. За
ней последовал длительный период теплой биосферы вплоть до
позднего протерозоя. Начиная с 750 млн. лет назад в течение 200
млн. лет прошла несколько мощных покровных оледенений.
Масштабы этих событий потрясает. Судя по палеогеографическим
реконструкциям, датированным по остаточной намагниченности
горных пород, льды достигали уровня моря даже на континентах,
расположенных вблизи экватора. В последние годы получены
дополнительные данные, показывающие глобальный масштаб
протерозойских оледенений. Изотопный сдвиг стабильного
углерода ( 13С) из карбонатных отложений, накопившихся в
ледниковую эру, демонстрирует негативные аномалии огромной
амплитуды. Подобного не наблюдалось ни в течение
предшествующих 1,2 млрд. лет, ни в ходе всей последующей
геологической истории.

18.

История глобальных оледенений

19.

Движение континентов и климат

20.

Климат Фанерозоя

21.

Изменение температуры – масштабы

22. Климат плейстоцена − похолодание и появление цикличности в изменении климата

23.

Эмпирическая калибровка на основе (18О)

24. Ледниковые периоды, Восток (Антарктида)

25. Ледниковые периоды, EPICA (Антарктида)

26. Климат плейстоцена и голоцена, GRIP

27.

Инструментальная история климата 1
https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/temperature/

28. Инструментальная история климата 2

6.4.12

29.

Причины изменения глобального
климата

30. Климат меняется циклически?