Hapen isotoopit ilmastopäivyrinä

Muinaisia ilmastonvaihteluita voidaan tutkia mittaamalla hapen isotooppien määriä valtamerien pohjakerrostumissa.

Kevyempää ja raskaampaa happea

Valtaosa maapallolla esiintyvästä hapesta on tavallista kevyttä isotooppia,¹⁶O:ta. Joukossa on kuitenkin noin 0,2 % raskaampaa muotoa,¹⁸O-isotooppia. Vesi on vedyn ja hapen yhdiste (H₂O). Hapen raskasta isotooppia on siis mukana mm. jokaisessa juomassamme vesilasillisessa.

Raskashappinen vesi vaikeammin haihtuva

Hapen raskaampaa isotooppia sisältävät vesimolekyylit haihtuvat luonnossa hieman laiskemmin ja tiivistyvät takaisin nesteeksi (tai härmistyvät jääksi) hieman herkemmin kuin kevyttä isotooppia sisältävät. Ero on selvin matalissa lämpötiloissa. Siksi napa-alueilla satavassa vedessä ja lumessa on suhteellisesti ottaen vähän ¹⁸O:aa.

Jäätiköissä painavampaa isotooppia vähemmän

Jääkausien aikana suuria määriä vettä sitoutuu jäätiköihin. Tämä jää muodostuu kylmässä ilmastossa sataneesta lumesta, joten jäätiköissä raskaan happi-isotoopin osuus on pieni. Merissä vastaavasti raskaan isotoopin osuus kasvaa. Jäätiköitten sulaessa meriin virtaa runsaasti sellaista vettä, joka sisältää vähän ¹⁸O-isotooppia. Tällöin raskaan isotoopin osuus merivedessä pienenee. Siten isotooppien määrien suhde, [¹⁸O]/[¹⁶O], on merivedessä kylminä aikoina suurempi, lämpiminä aikoina pienempi. Ero ei ole kovin iso mutta kuitenkin mitattavissa.

Tieto happi-isotoopeista tallentuu meren pohjaan

Myös meren eliöt sisältävät happea, ja tässä hapessa eri isotooppeja on suunnilleen samassa suhteessa kuin ympäröivässä merivedessäkin. Kuolleita eliöitä vajoaa meren pohjalle. Pohjakerrostumia kairaamalla eliöitten jäänteitä, mm. kalkkikuoria, voidaan kaivaa esille ja määrittää niistä hapen isotooppien suhde. Kun tiedetään sen pohjamudan kerroksen ikä, josta eliöjäännös löytyi, saadaan selville hapen isotooppien suhde merivedessä tuona aikana. Suhdeluku kertoo ainakin likimäärin tuonaikaisen mannerjäätiköitten laajuuden. Kun tutkitaan riittävän suurta määrää eri-ikäisiä meren pohjakerrostumia, saadaan käsitys maapallon ilmaston vaihteluista eri aikoina.

Merenpohjan uusiutuminen rajoittaa menetelmän käyttöä

Tarkinta tietoa hapen isotoopit antavat viimeksi kuluneitten satojentuhansien vuosien ilmastosta. Karkeampia arvioita saadaan vanhemmiltakin ajoilta. Loputtoman kauaksi taaksepäin meren pohjakerrostumien avulla ei kuitenkaan nähdä. Koko merenpohja nimittäin uusiutuu muutamien satojen miljoonien vuosien kuluessa mantereitten liikkumisen vuoksi.

Isotooppitietoa saadaan myös napajäätiköistä

Isotooppien suhteita voidaan mitata myös napajäätiköitten eri kerroksista. Hyvin kylmissä oloissa muodostuneessa jäässä raskasta isotooppia on vähemmän kuin leudompina aikoina syntyneessä. Jäätiköitä kairaamalla on onnistuttu löytämään enimmillään noin 800 000 vuoden ikäisiä jääkerroksia.

Isotooppien suhde vaihtelee lämpötiloja seuraten myös vuodenajoittain, jolloin voidaan erottaa talvella ja kesällä syntyneet jääkerrokset. Näin voidaan laskea - periaatteessa samalla tavoin kuin puun vuosirenkaita ynnäämällä - jääkerrosten ikä eri syvyyksillä. Varsinkin jäätikön syvemmissä osissa laskutoimituksen tulos on kuitenkin melko epätarkka, kun diffuusio ja jään virtaukset sekoittavat jääkerroksia.

16.11.2010