Визначення стабільних ізотопів в опадах

Стабільні ізотопи води

Впродовж водного циклу відношення ізотопів води змінюються завдяки процесам випаровування та конденсації. Глобальний клімат, регіональна топографія та розподіл вологості впливають на ці зміни. Ядра атомів відповідають за фізичні властивості води: легкі молекули води скоріше випаровуються з поверхні океанів та збагачують атмосферну пару легкими ізотопами 16О. Теж саме можна сказати про рослини, які збагачують атмосферу легкими ізотопами через транспірацію. Отже, маси атмосферного повітря з легкими ізотопами рухаються до півночі, де вони охолоджуються та покидають атмосферу у вигляді опадів, збагачених важкими ізотопами 18O, тоді як в атмосфері залишаються легкі ізотопи 16O.

Застосування техніки стабільних ізотопів дає можливість вивчити походження та вік великих мас води, оцінити рівень їх перемішування, визначити місцезнаходження та параметри водних потоків.

Стабільні ізотопи характеризуються відсутністю радіоактивного розпаду у часі.

Молекула води складається з двох атомів: водню Н та кисню О. Ці елементи мають такі стабільні ізотопи: 1Н: 99.9844%; 2D: 0,0156%; 16O: 99,763%; 17O: 0,0375%; 18O: 0,1995%.

Вода в різних ситуаціях може містити різні комбінації ізотопів 1H, 2Н, 16О та 18О, (наприклад, 1H2H18O, 2H1H18O, 2H2H18O).

Мас-спектрометрія ізотопного відношення

Мас-спектрометрія ізотопного відношення (МСІВ) – спеціальна галузь мас-спектрометрії, яка дає можливість вимірювати суміші стабільних ізотопів та оцінювати відносне поширення цих ізотопів. Принцип дії МСІВ базується на точному аналізі складу стабільних ізотопів, наприклад δ18O та δD.

Зразки перетворюються у газ з подальшим вирівнюванням тисків зразка та стандарту. Потім ці два гази подають на капілярні колонки (довжиною 1 м) через іонізаційну камеру високого вакууму, де відбувається іонізація завдяки високій температурі та бомбардуванню газу електронами. Іони прискорюються електричним полем та у вигляді іонного променя проходять через інтенсивне магнітне поле.

Якщо іон з масою т та зарядом ζ проходить через електричне та магнітне поля, то під впливом цих полів іон буде рухатися по криволінійній траєкторії. Баланс сил описується рівнянням:

(8.1)

де т – маса іона, кг; z – його заряд, Кл; υ – швидкість руху іона, м/с; r – радіус кривизни траєкторії, м; В – магнітна індукція, Тл.

З останнього рівняння можна отримати вираз:

(8.2)

Радіус г задається конфігурацією магніту. Для спостереження іонів з певним відношенням m/z треба змінювати або швидкість руху ό іонів, яка залежить від прискорюючого потенціалу, або магнітну індукцію В, яка визначається електричним струмом, що пропускають через обмотку магніту.

Таким чином, досягається просторове розділення різних ізотопів однієї і тієї ж молекули.

Типовий мас-спектрометр ізотопного відношення (PRISM) складається з джерела іонів, інжекторів, клапанів, системи забезпечення високого вакууму, джерел електричного та магнітного полів, колекторів (рис. 8.11).

Fig. 8.11. Типовий мас-спектрометр ізотопного відношення (PRISM)

Перевагою мас-спектрометра ізотопного відношення є висока точність вимірювання. Так, прилад забезпечує автоматизоване вимірювання ізотопів SI8O води (24 проб на день) з високою точністю – більше 0,05 ‰). До недоліків приладу належить висока вартість.

Лазерна абсорбційна спектроскопія

Абсорбційна спектроскопія на основі перестроюваних діодних лазерів є ефективним аналітичним методом, що використовується для оцінювання концентрації різноманітних хімічних сполук, присутніх в атмосфеоі та опадах.

У напівпровідниковому лазері генерація когерентного оптичного випромінювання відбувається за рахунок переходу з нижнього рівня зони провідності на верхній рівень валентної зони (рис. 8.12).

Перевагами напівпровідникового лазера є його малі розміри, можливість плавного перестроювання частоти генерацій висока інтенсивність випромінювання.

Арсенід галію, фосфід індію, антимонід галію і нітрид галію – найпоширеніші напівпровідникові матеріали, які використовуються в діодних лазерах. Перевагою діодних лазерів є їх здатність плавно перестроювати частоту випромінювання шляхом зміни або температури, або густини струму. Частотний діапазон деяких діодних лазерів залежить від напівпровідникового матеріалу: типові довжини хвиль випромінювання становлять 0,78 і 0,83 мкм для GaAs/AlGaAs; 1.3-1.55 мкм для InGaAsP/InP; 1,6-2,2 мкм для InGaAsP/INASP; 2-2,4 мкм для лазерів на основі антимонідів (AJGaAsSb, InGaAsSb, InGaAsSb, InAsSbP); 3–30 мкм для лазерів на основі солей свинцю.

Абсорбційний спектрометр на основі діодного лазера здатний вимірювати концентрацію водяної пари з високою точністю (на рівні 10-6) та оцінювати молекули води, що відрізняються ізотопичним складом (такі як Н2O, HDO, Н H218O, H16ΟΗ, H17ОН) у природних зразках.

До недоліків абсорбційних спектрометрів належать висока вартість та необхідність кріогенного обладнання.

Рис. 8.12. Напівпровідниковий лазер, в якому реалізуються випромінювальні переходи між дозволеними енергетичними зонами

Спектроскопія на основі кільцевих лазерів

Кільцевим називають лазер, що містить відкритий резонатор, дзеркала якого забезпечують поширення електромагнітних хвиль по замкнутому контуру. Спектроскопія на основі кільцевих лазерів є високочутливим методом оптичної спектроскопії, що дозволяє досліджувати газоподібні зразки, які поглинають світло на певних довжинах хвиль.

Типовий спектрометр на основі кільцевого лазера складається з діодного лазера та оптичного кільцевого резонатора (рис. 8.13), в якому випромінювання циркулює у двох протилежних напрямках.

За рахунок інтерференції інтенсивність у резонаторі збільшується. Якщо лазер вимкнути, інтенсивність лазерного випромінювання буде експоненціально загасати. У процесі цього загасання випромінювання багато разів відбивається від дзеркал резонатора, через що довжина оптичного шляху збільшується до кількох кілометрів.

Рис. 8.13. Типовий спектрометр на основі кільцевого лазера

Розміщення в оптичному резонаторі кювети з газом прискорює процес експоненціального загасання. Вимірювання процесу затухання дає можливість визначати концентрації газоподібного зразка з чутливістю 10-12.