Kararlı izotop oranı

Kararlı izotop oranı kavramı durağan nükloid kavramına yakın bir anlama sahiptir. Durağan izotoplar; buharlaşma ve yoğunlaşma gibi fiziko-kimyasal proseslerle konsantrasyonları değişmesine rağmen zaman içinde değişmeyen izotoplardır. Yani duraylı (kararlı) izotoplar, radyoaktif bozulma göstermeyen izotoplardır. Fakat çoğul durağan izotop kavramı, genellikle belirli bir element üzerindeki nükleoidler üzerinde konuşulurken kullanılır. Bundan dolayı durağan izotoplar dediğimiz zaman üzerinde konuştuğumuz belirli elementin izotoplarından bahsediyor oluruz. Kısacası aynı elementin izotopları kastedilir. Birbiri ile bağıntılı bollukta olan buna benzer durağan izotoplar deneysel olarak “izotop analizi” yönetmi ile bulunabilmektedir. Bulunan bir izotop oranının bir deney aracı olarak kullanılması mümkündür. Teorik olarak, bu tarz durağan izotoplar “radyometrik tarihleme yöntemi” denilen yöntemde kullanılan ve bir radyoaktif bozulmanın ürünleri olan radyojenezik durumları içerebilirler. Ancak, kullanım olarak “durağan izotop oranı” dediğimizde genellikle kastedilen doğada kimin izotop fraksiyonlanmasının bolluğundan birbirine bağıl olarak etkilenip etkilenmediğini söylemektir.

(İzotop analizi) Doğal olarak, kendiliğinden oluşan durağan izotopların ölçülmesi izotop jeokimyasında önemli bir rol oynar. Fakat durağan izotopların (çoğunlukla karbon, nitrojen ve oksijen) ekolojik ve biyolojik çalışma alanlarında pek çok işlevi ve görevi vardır. Diğer çalışanlar oksijen izotop oranını kullanarak tarihi olaylardaki sıcaklık değerlerini ve hava şartlarını yeniden oluşturmak için kullanmışlardır. Bu nedenle durağan izotop oranları, paleoklimatoloji için çok önemli bir yere sahiptir.

Sıklıkla analiz edilen ve araştırılan durağan izotop atomları oksijen, karbon, nitrojen, hidrojen ve sülfürü içerir. Birden daha çok ilkel izotopa sahip hafif elementler için izotop sistemleri uzun yıllardır doğa sistemlerinde izotop fraksiyonlanmasının süreçlerini anlayabilmek için çalışılmakta ve araştırılmaktadır. Bu elementlerin çalışılmasının uzun hikâyesi bu elementlerin hafif ve uçucu olmalarından kaynaklı olmalarından ötürü diğerlerine oranla kolay ölçülebilir olmalarıdır, yani bu elementleri tercih etmemizdeki önemli kısım özellikleri ve oranlarıdır. Fakat, izotop oran/kütle spektrometresi (örneğin: çok-toplayıcılı indüktör çift plazma kütlesi spektrometresi) bizi bugünkü durumumuzda demir, bakır, çinko, molibden gibi ağır durağan elementlerin izotop oranlarını ölçmemize olanak sağlıyor.

Oksijen ve hidrojen izotopları için varyasyonlar hidrolojide pek çok uygulamaya sahiptir, bunun nedeni ise çoğu örnekler okyanus suyu ve kutup karları olarak iki ekstrem koşul arasındadır. Bir akiferden alınan suyun örneği, örnekteki hidrojen atomundaki durağan izotopların ölçülmesi için yeterli derecede duyarlı bir ölçüttür. Yani aldığımız örnekten, yani kaynaktan anlam çıkarmamız mümkündür, okyanus suyu akiferden sızdığını düşünelim, veya akiferin üzerinde okyanus suyunun çöktüğünü, üstelik iki kaynaktan da oranları tahmin etmemiz mümkündür.

Paleoklimatolojinin için bir başka kullanımı ise paleosıcaklık için ölçümlerdir. Örneğin, sıcaklıkla birlikte biyolojik sistemlerde oksijenin izotopik fraksiyonlanmasının varyasyonları kaynaklı bir teknik mevcuttur. Foraminifer türleri oksijeni kabuklarında kalsiyum karbonat olarak birleştirirler. Oksijen-16 ve oksijen-18 oksijen izotoplarının oranları ile kalsiyum karbonat değerleri birbirlerine katılırlar, çeşitlenmeleri ise sıcaklık ve suyun oksijen izotopik bileşimine bağlıdır. Ve bu oksijen foraminifer öldüğü zaman kalsiyum karbonat içerisinde değişmeden kalacaktır, öldüğünde ve denizinin tabanına indiğinde, kabuğu tortunun bir parçasına dönüşecektir. Bu tortu tabakasından standart bir foraminifer türünü, foraminifer tortu tabakasından oksijen izotopik oranına göre sınıflandırarak seçebilmemiz ve anlayabilmemiz mümkündür. Ayrıca izotopik oksijen tayinine göre foraminiferin yaşadığı dönem boyunca sudaki sıcaklık değişimlerini anlayabiliriz.

Araştırmalar gösteriyor ki adli bilimlerde, çeşitli uyuşturuculardan elde edilen belirli izotop oranları, bu uyuşturucuların yapımındaki bitkilerin (kokain, kenevir) kaynağını, nereden geldiğini ve nerede yetiştiğini saptamamızda yardımcı olur.

Kondrit meteorları oksijen izotop oranları kullanılarak gruplandırılır. Ek olarak, karbon-13’ün nadir özelliğinin onaylıyor olduğu üzere, yeryüzünün dışından gelen organik bileşikler karbonlu kondritlerde bulunmuştur. Örneğin Murchison meteoru.

1950'lerde ortaya çıkan “denizel oksijen izotop analizi”, bize okyanus ve atmosfer arasındaki etkileşimin en güzel örneklerinden birini sunmaktadırlar. Buharlaşma esnasında %10 daha ağır olan durağan(kararlı) Oksijen-18, Oksijen-16 izotopundan daha zor serbest kalır, dolayısıyla buharlaşma sırasında Oksijen-16 izotopu - Oksijen-18’e göre suyu daha hızlı (ve daha fazla) terk eder, bu da sudaki Oksijen-18/Oksijen-16 oranını arttırır. Foraminiferler gibi denizel mikroorganizmalar ise kendi mikro kabuklarını oluştururken, etraflarındaki deniz suyunda bulunan oksijeni bünyelerine alırlar. Dolayısıyla bu mikroorganizmaların kabuklarındaki Oksijen-18/Oksijen-16 oranı oluştukları deniz suyunun Oksijen-18/Oksijen-16 oranı hakkında bilgi verir. Eğer bir yerde buharlaşma fazlaysa, daha hafif olan Oksijen-16 izotopu daha çok buharlaşacaktır böylelikle denizlerdeki ve de foraminifer kabuklarındaki Oksijen-18/Oksijen-16 oranları yükselecektir. Böylelikle yıllar sonra bu mikrokabuk fosilleri kullanılarak, bu organizmaların yaşadığı dönemin iklimsel özellikleri konusunda bilgi sahibi olunabilmektedir.

Buzullar yağan karın kristtalleşmesi ile oluşur. Yağan karda ise Oksijen-18/Oksijen-16 oranı denizdekine göre çok daha düşüktür. Çünkü Oksijen-16 daha hafif bir izotop olduğundan daha kolay buharlaşabilmektedir. Oksijen-18 izotopları çoğunlukla denizlerde kaldığı için karı oluşturacak su buharında Oksijen-18/Oksijen-16 oranı iyice düşük olacaktır. “Sıcak kar” (soğuk) ve “soğuk kar” (daha soğuk kar) diye bir durum ayırımı vardır. Sıcak kar; donma noktasına yakın sıcaklıklarda oluşup yağarken, soğuk kar denen pudramsı kar, çok daha düşük sıcaklıklarda oluşup yağmaktadır. Oksijen-16 izotopları, nasıl hafif olduğundan daha kolay buharlaşıyorsa, bu sefer de Oksijen-18 atomları daha ağır olduklarından daha kolay düşer; yani yağışa dönüşür. İşte bu sıcak ve soğuk karlar oluşurken önce yağmur olup yağan su buharında, Oksijen-18’ler önce davranıp yağmur olarak Oksijen-16’lardan daha hızlı geri dönerler. Yerde kristallenerek buzulu oluşturacak olan kar yağışı ise Oksijen-16’ca daha da zengin bir muhteviyata sahip olur. Kar daha düşük sıcaklıklarda oluştukça daha çok Oksijen-18 kaybı olacaktır. Dolayısıyla geçmişte daha soğuk olan dönemlerde, buzulun yapısında daha sıcak geçen dönemlere göre daha da az Oksijen-18 içeren bir katman olmaktadır. Bunların indeksleri bilim insanları tarafından hesaplanarak yeryüzünün geçmiş sıcaklıkları ve iklimi hakkında bilgiler elde edilebilmektedir.