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追溯同位素之谜:动力学分馏的奥秘揭秘

已有 1129 次阅读 2023-8-9 13:10 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

  • 同位素动力学分馏

同位素动力学分馏是一种通过质量在单向过程中将稳定同位素相互分离的过程。生物过程通常是单向的,是“动力学”同位素反应的很好例证。所有生物体优先使用较轻的同位素物种,因为“能量成本”较低,从而在底物(较重)和生物介导产物(较轻)之间产生显著分馏。例如,光合作用在同化大气CO2分子时,优先吸收轻同位素碳12C。这种动力学同位素分馏解释了为什么植物物质(因此包括从植物衍生出来的化石燃料)在13C方面通常比地球上大多数无机碳贫化25千分之2.5(2.5%)。

  • 生物过程中的动力学同位素分馏

生物过程是动力学同位素分馏的典型示例。所有生物体在代谢过程中更倾向于使用较轻的同位素,因为较轻同位素的“能量成本”较低。例如,光合作用在同化大气中的CO2时,更倾向于吸收轻同位素碳12C,而不是较重的同位素碳13C。这导致了底物(CO2)和产物(有机物)之间的同位素分馏。

  • 非生物动力学同位素分馏的自然示例

非生物动力学同位素分馏的自然示例出现在海水蒸发形成云的过程中,其中一部分传输是单向的,比如蒸发到非常干燥的空气中。在这种情况下,同位素较轻的水分子(即含有16O的水分子)比同位素较重的水分子(含有18O的水分子)更容易蒸发,而且这种差异会大于在平衡条件下(双向传输)蒸发的差异。

在这个过程中,氧同位素被分馏:云变富集了16O,而海水变富集了18O。而平衡分馏使得水蒸气相对于液态水贫化18O约10千分之1(1%),动力学分馏增强了这种分馏,通常使水蒸气贫化18O约15千分之1.5(1.5%)。凝结几乎完全通过平衡过程进行,所以它使云滴的富集程度不如蒸发使蒸气贫化程度大。这部分解释了为什么雨水同位素比海水要轻。

  • 水中的氢同位素分馏

水中的氢同位素——氘,相对于氧同位素,对动力学分馏的敏感性要小得多,相对于氘的很大平衡分馏。因此,动力学分馏不会像18O一样在相对意义上使氘贫化得那么多。这使得水蒸气和降雨中的氘相对于海水而言富集。

同位素动力学分馏是许多自然过程中的重要现象,从生物代谢到气象现象,都可以通过这种过程解释同位素的分布。通过理解动力学同位素分馏,我们可以更深入地了解各种自然过程的机制和影响。

参考资料:维基百科页面标题:Kinetic fractionation 链接:https://en.wikipedia.org/wiki/Kinetic_fractionation



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