Венский стандарт средней океанской воды

Венский стандарт средней океанской воды ( VSMOW ) — это изотопный стандарт конкретный образец воды, в котором пропорции различных изотопов водорода кислорода и воды, то есть точно известны . VSMOW перегоняется из океанской воды и не содержит соли и других примесей. Опубликованный и распространенный базирующимся в Международным Вене агентством по атомной энергии в 1968 году, стандарт и его по существу идентичный преемник VSMOW2 продолжают использоваться в качестве справочного материала .

Образцы воды, состоящие из разных изотопов водорода и кислорода, имеют несколько разные физические свойства. Как крайний пример, тяжелая вода , содержащая два дейтерия ( ²З) атомы вместо обычного, более легкого водорода-1 ( ¹H), имеет температуру плавления 3,82 °C (38,88 °F) и температуру кипения 101,4 °C (214,5 °F). ^[1] Различные скорости испарения приводят к тому, что образцы воды из разных мест круговорота воды содержат несколько разные соотношения изотопов. Океанская вода (богатая тяжелыми изотопами) и дождевая вода (бедная тяжелыми изотопами) примерно представляют собой две крайности, встречающиеся на Земле. Вместе с VSMOW МАГАТЭ одновременно опубликовало аналогичный стандарт для дождевой воды — Стандарт легких антарктических осадков (SLAP) и, в конечном итоге, его преемника SLAP2. SLAP содержит примерно на 5% меньше кислорода-18 и на 42,8% меньше дейтерия, чем VSMOW.

Шкала, основанная на VSMOW и SLAP, используется для определения концентраций кислорода-18 и дейтерия. С 2005 года до нового определения в 2019 году кельвин тройной составлял $1/273,16$ температуры конкретно VSMOW в его точке .

История и предыстория

Содержание определенного изотопа в веществе обычно указывается относительно некоторого эталонного материала в виде дельты в тысячных частях ( ‰ ) от эталонного материала. Например, соотношение дейтерия ( ²H) к водороду-1 в веществе x может быть представлено как

\delta \,^{2}\mathrm {H} _{x/{\text{reference}}}{\text{ (in ‰)}}=\left({\frac {(^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{x}}{(^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{\text{reference}}}}-1\right)\cdot 1000

,

где $(^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{x}$ обозначает абсолютную концентрацию в x . ^[2]

В 1961 году, разрабатывая стандарт для измерения и отчетности по концентрациям дейтерия и кислорода-18, Хармон Крейг из Океанографического института Скриппса в Сан-Диего , Калифорния, предложил абстрактный водный стандарт. Он основал пропорции на своих измерениях образцов взятых Эпштейном и Майедой (1953) . океанских вод по всему миру, ^[3] Приближая среднее значение своих измерений, Крейг определил США свой «стандарт средней океанской воды» (SMOW) относительно образца воды, хранящегося в Национальном бюро стандартов под названием NBS-1 (отобранного из реки Потомак) . ^[4]). В частности, SMOW имел следующие параметры относительно NBS-1:

д ²H _SMOW/NBS-1 = 50‰, т.е. обогащение 5%;
д ¹⁸O _SMOW/NBS-1 = 8‰, т. е. обогащение 0,8%. ^[3]

Позже исследователи из Калифорнийского технологического института определили еще одну абстрактную ссылку, также называемую «SMOW», для концентраций кислорода-18, так что образец потсдамского песчаника, находившийся в их распоряжении, удовлетворял δ. ¹⁸O _{песчаник/SMOW} = 15,5‰ . ^[5]

Чтобы устранить путаницу, совещание Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) в Вене в ноябре 1966 года рекомендовало подготовить два стандарта изотопов воды: Венский SMOW (VSMOW; первоначально просто «SMOW», но позже устранили неоднозначность). ^[5]) и стандартные легкие антарктические осадки (SLAP). ^[6] Крейг приготовил VSMOW, смешав дистиллированную воду Тихого океана с небольшим количеством другой воды. VSMOW был призван максимально соответствовать стандарту SMOW. Измерения Крейга обнаружили идентичное ¹⁸концентрации O и на 0,2‰ ниже ²Концентрация Н. ^[7] Стандарт SLAP был создан на основе расплавленного образца фирна со станции Плато в Антарктиде. ^[7] Также был подготовлен стандарт с концентрациями кислорода-18 и дейтерия между VSMOW и SLAP, названный «Осадки на ледниковом покрове Гренландии» (GISP). ^[7] МАГАТЭ начало распространять образцы в 1968 году, а Гонфиантини (1978) собрал анализы VSMOW и SLAP из 45 лабораторий по всему миру. ^[8] Образец ВСМОВ хранился в контейнере из нержавеющей стали под азотом и в 1977 г. был перенесен в стеклянные ампулы . ^[7]

Концентрации дейтерия и кислорода-18 в VSMOW близки к верхнему пределу природных материалов, а концентрации в SLAP близки к нижнему пределу. ^[2] Из-за путаницы по поводу нескольких стандартов воды Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу рекомендовала в 1994 году проводить все будущие изотопные измерения кислорода-18 ( ¹⁸О) и дейтерий ( ²H) сообщаются относительно VSMOW в таком масштабе, что δ ¹⁸O SLAP составляет -55,5 ‰, а δ ²H SLAP составляет -428 ‰ относительно VSMOW. ^[9]^[10] Таким образом, SLAP определяется как содержащий 94,45% концентрации кислорода-18 и 57,2% концентрации дейтерия VSMOW. ^[9] Использование весов с двумя определенными образцами улучшает сравнение результатов между лабораториями.

В декабре 1996 года из-за сокращения поставок VSMOW МАГАТЭ решило создать замену стандарту VSMOW2. Опубликованный в 1999 году, он содержит почти идентичную смесь изотопов. Около 300 литров было приготовлено из смеси дистиллированной воды из озера Браччано в Италии, Галилейского моря в Израиле и скважины в Египте в пропорциях, выбранных для достижения изотопных соотношений VSMOW. МАГАТЭ также опубликовало преемник SLAP, получивший название SLAP2, полученный из талой воды с четырех антарктических буровых площадок. ^[11] Отклонения ¹⁷О, и ¹⁸О в новых эталонах от старых эталонов равны нулю в пределах погрешности измерения. ^[12] Есть небольшое, но измеримое отклонение ²Концентрация H в SLAP2 из SLAP— δ ²H _SLAP2/VSMOW определяется как −427,5‰ вместо −428‰, но не в VSMOW2 из VSMOW. ^[13] МАГАТЭ рекомендует по-прежнему сообщать результаты измерений по шкале VSMOW–SLAP. ^[14]

Два старых стандарта сейчас хранятся в МАГАТЭ и больше не продаются. ^[15]

Измерения

Все измерения сообщаются с их стандартной неопределенностью . Измерения конкретных комбинаций изотопов кислорода и водорода не нужны, поскольку молекулы воды постоянно обмениваются атомами друг с другом.

ВСМОВ

За исключением трития, который определялся газообразным гелием, выделяющимся при радиоактивном распаде, эти измерения были проведены с помощью масс-спектроскопии .

Дейтерий ( ²Ч / ¹З) – 155,76±0,05 м.д. , ^[16]^[17] около 1 из 6420 атомов водорода
Тритий ( ³Ч / ¹З) – 18,5±3,6 ТЕ ^[а] = 1.85 ± 0.36 × 10 ^-11 ppm , измеренное 16 сентября 1976 г., ^[8]^[16] примерно 1 из 5,40 × 10 ¹⁶ атомы водорода
Кислород-18 ( ¹⁸О/ ¹⁶О) – 2005,20 ± 0,45 м.д. , ^[16]^[18] около 1 из 499 атомов кислорода
Кислород-17 ( ¹⁷О/ ¹⁶О) – 379,9±0,8 м.д. , ^[16]^[19] около 1 из 2640 атомов кислорода

ШЛЕПОК

Основываясь на результатах Гонфиантини (1978) , МАГАТЭ определило дельта-шкалу с SLAP на уровне −55,5 ‰ для ¹⁸O и −428‰ для ²H. То есть, по измерениям, SLAP содержал примерно на 5,55% меньше кислорода-18 и на 42,8% меньше дейтерия, чем VSMOW, и эти цифры использовались для привязки шкалы к двум точкам. ^[8] Экспериментальные цифры приведены ниже.

²Ч / ¹H – 89,02 ± 0,05 м.д. , δ := −428,5 ± 0,4‰ , ^[16]^[17] примерно 1 на 11230 атомов
³Ч / ¹Н – 374±9 ТУ ^[а] = 3.74 ± 0.09 × 10 ^-10 ppm , измеренное 16 сентября 1976 г., ^[8] примерно 1 из 2,67 × 10 ¹⁵ атомы
¹⁸О/ ¹⁶O – 1893,91 ± 0,45 м.д. , δ:= −55,5‰ , ^[16] около 1 из 528 атомов
¹⁷О/ ¹⁶О – δ = −28,86 ± 0,1‰ , ^[16] примерно 1 из 3700 атомов

ВСМОВ2 и SLAP2

Концентрации ¹⁷О, и ¹⁸O неразличимы между VSMOW и VSMOW2, а также между SLAP и SLAP2. В спецификации указаны стандартные погрешности этих измерений. ^[20] Концентрация ²H также не изменился в VSMOW2, но немного увеличился в SLAP2. МАГАТЭ сообщает:

д ²H _SLAP2/VSMOW = −427,5 ± 0,3‰ , ^[21] (Сравните -428 ‰ для SLAP.)

6 июля 2007 г. концентрация трития составляла 3,5 ± 1,0 ТЕ в VSMOW2 и 27,6 ± 1,6 ТЕ в SLAP2. ^[22]

ГИСП

д ²H _GISP = −189,5 ± 1,2 ‰
д ¹⁸О _GISP = −24,66 ± 0,09 ‰
д ¹⁷О _GISP = −12,71 ± 0,1‰ ^[23]

Приложения

Отчетность об изотопных соотношениях

Шкала VSMOW-SLAP рекомендована Геологической службой США, ИЮПАК и МАГАТЭ для измерения содержания дейтерия и ¹⁸Концентрации O в любом веществе. ^[24]^[25]^[9] Для ¹⁸ шкалу, основанную на венском пи-ди-белемните . О, также можно использовать ^[9] Физические образцы, распространяемые МАГАТЭ и Национальным институтом стандартов и технологий США , используются для калибровки оборудования для измерения изотопов. ^[26]

Вариации содержания изотопов полезны в гидрологии, метеорологии и океанографии. ^[27] В разных частях океана концентрация изотопов немного разная: δ. ¹⁸Значения O колеблются от –11,35‰ в воде у берегов Гренландии до +1,32‰ в северной Атлантике, а δ ²Концентрация H в глубоководной океанской воде колеблется от примерно –1,7‰ вблизи Антарктиды до +2,2‰ в Арктике. В поверхностных водах изменения гораздо значительнее, чем в глубоководных. ^[28]

Измерения температуры

В 1954 году Международный комитет мер и весов (CIPM) установил определение Кельвина как 1/273,16 абсолютной температуры тройной точки воды. Воды с разным изотопным составом имели несколько разные тройные точки. Так, Международный комитет мер и весов уточнил в 2005 г. ^[29] что определение температурной шкалы Кельвина будет относиться к воде с составом номинальной спецификации VSMOW. ^[30] Это решение было одобрено в 2007 году в Резолюции 10 23-й сессии ГКМВ. ^[31] Тройная точка измеряется в ячейках тройной точки, где вода удерживается в тройной точке и позволяет достичь равновесия с окружающей средой. При использовании обычных вод диапазон межлабораторных измерений тройной точки может составлять около 250 мкК . ^[32] При ВСМОВ межлабораторный диапазон измерений тройной точки составляет около 50 мкК . ^[33]

После переопределения базовых единиц СИ в 2019 году кельвин определяется через константу Больцмана , что делает его определение полностью независимым от свойств воды. Определенное значение постоянной Больцмана было выбрано таким образом, чтобы измеренное значение тройной точки VSMOW было идентично ранее определенному значению в пределах измеримой точности. ^[34] Ячейки с тройной точкой остаются практическим методом калибровки термометров. ^[33]

См. также

Примечания

^ Jump up to: ^а ^б TU — тритиевые единицы, или атомы трития на 10 ¹⁸ атомы водорода.

Источники

Баэрчи, П. (август 1976 г.). «Абсолют ¹⁸Содержание O в стандартной средней океанской воде». Earth and Planetary Science Letters . 31 (3): 341–344. doi : 10.1016/0012-821X(76)90115-1 .
Коплен, Тайлер Б. (1994). «Отчет о стабильном содержании изотопов водорода, углерода и кислорода (Технический отчет)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 66 (2): 273–276. дои : 10.1351/pac199466020273 .
Коплен, Тайлер Б. (май 1995 г.). «Прекращение деятельности SMOW и PDB» . Природа . 375 (6529): 285. дои : 10.1038/375285a0 .
Крейг, Хармон (9 июня 1961 г.). «Стандарт отчетности по концентрации дейтерия и кислорода-18 в природных водах». Наука . 133 (3467): 1833–1834. дои : 10.1126/science.133.3467.1833 .
Эпштейн, С.; Маеда, Т. (1 ноября 1953 г.). «Вариация ¹⁸Содержание O в водах природных источников». Geochimica et Cosmochimica Acta . 4 (5): 213–224. doi : 10.1016/0016-7037(53)90051-9 .
Гонфиантини, Р. (февраль 1978 г.). «Стандарты для измерения стабильных изотопов в природных соединениях». Природа . 271 (5645): 534–536. дои : 10.1038/271534a0 .
Ли, Вэньцзюнь; Ни, Баолин; Цзинь, Дэцю; Чжан, Цинлянь (1988). «Измерение абсолютного содержания кислорода-17 в V-SMOW» . 科学通报 (英文版) [ Научный бюллетень (английское издание) ] (19): 1610–1613.
Хагеманн, Р.; Ниф, Г.; Рот, Э. (1970). «Абсолютная изотопная шкала для дейтериевого анализа природных вод. Абсолютное соотношение D/H для SMOW» . Теллус А. 22 (6): 712. doi : 10.3402/tellusa.v22i6.10278 .
«Консультативное совещание по эталонным образцам стабильных изотопов для геохимических и гидрологических исследований» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии . Март 1984 года.
«Справочный лист международных стандартов измерений» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. Декабрь 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 29 июля 2020 г.
«Справочный лист международных стандартов измерений» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. июль 2017.
«Справочный лист справочного материала GISP» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. Август 2007.
«Атомный вес элементов: обзор 1993 г.» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 66 (22). Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу : 2423–2444. 1994.
«Атомный вес элементов: обзор 2000 г.» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 75 (6). Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу: 683–800. 2000.
Лин, Ю.; Клейтон, Р.Н. (2010). «Калибровка δ ¹⁷О и δ ¹⁸O международных стандартов измерений – VSMOW, VSMOW2, SLAP и SLAP2». Rapid Communications in Mass Spectrometry . 24 (6): 773–776. doi : 10.1002/rcm.4449 .
«Кельвин: настоящее осознание» . Национальный институт науки и технологий . 8 июля 2021 г.
«Отчет об эталонном материале стабильного изотопного состава SLAP2 - 0,25 мкл» (PDF) . Геологическая служба США . 9 июля 2020 г.
Ферронский, В.И.; Поляков В.А. (6 марта 2012 г.). Изотопы гидросферы Земли . Springer Science & Business Media.

Цитаты

^ «Теплофизические свойства D ₂ O» (PDF) . Журнал физических и химических справочных данных . 13 (601). 2009.
^ Jump up to: ^а ^б Коплен 1994 .
^ Jump up to: ^а ^б Крейг 1961 , с. 1833.
^ МАГАТЭ 1984 , с. 3.
^ Jump up to: ^а ^б Коплен 1994 , с. 274.
^ МАГАТЭ 1984 , с. 1.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д МАГАТЭ 1984 , с. 2.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Гонфиантини 1978 , с. 534.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д CIAAW 1994 , с. 2435.
^ Коплен 1995 .
^ МАГАТЭ, 2017 , с. 2.
^ МАГАТЭ, 2017 , с. 1,6.
^ МАГАТЭ, 2017 , с. 3.
^ МАГАТЭ, 2017 , с. 4.
^ МАГАТЭ 2006 , с. 2.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г МАГАТЭ 2006 , с. 3.
^ Jump up to: ^а ^б Хагеманн, Ниф и Рот 1970 , с. 6.
^ Баэрчи 1976 .
^ Ли и др. 1988 год .
^ МАГАТЭ 2006 , с. 5–6.
^ МАГАТЭ, 2017 , с. 1,3.
^ МАГАТЭ, 2017 , с. 6.
^ МАГАТЭ 2007 , с. 3.
^ МАГАТЭ, 2017 , с. 5.
^ Геологическая служба США 2020 , с. 2.
^ Геологическая служба США 2020 , с. 1.
^ CIAAW 2000 , с. 705.
^ Ferronsky & Polyakov 2012 , pp. 52–53.
^ Международный комитет мер и весов (CIPM) (10 октября 2005 г.). «Уточнение определения кельвина, единицы термодинамической температуры» (PDF) . Международное бюро мер и веса . Архивировано из оригинала (PDF) 22 августа 2017 года . Проверено 1 января 2021 г. Международный комитет мер и весов (CIPM) [...] решает, что определение кельвина относится к воде определенного изотопного состава.
^ «94-е заседание Международного комитета мер и веса» (PDF) . Октябрь 2005. с. 235. Архивировано из оригинала (PDF) 2 ноября 2006 г. Принятие CIPM стандарта VSMOW было основано на рекомендации CIAAW (2000) .
^ «Резолюция 10 – МБМВ» .
^ Дополнительная информация к Международной температурной шкале 1990 года . Международный комитет мер и весов. 1997. с. 29.
^ Jump up to: ^а ^б НИСТ 2021 .
^ Питр, Лоран; Плиммер, Марк; Спараски, Фернандо; Химберт, Марк (20 декабря 2018 г.). «Определения постоянной Больцмана» . Comptes Rendus Physique . 20 (1): 129–139.

Внешние ссылки

[tu-18] Jump up to: ^а ^б TU — тритиевые единицы, или атомы трития на 10 ¹⁸ атомы водорода.

[1] «Теплофизические свойства D ₂ O» (PDF) . Журнал физических и химических справочных данных . 13 (601). 2009.

[FOOTNOTECoplen1994-2] Jump up to: ^а ^б Коплен 1994 .

[FOOTNOTECraig19611833-3] Jump up to: ^а ^б Крейг 1961 , с. 1833.

[FOOTNOTEIAEA19843-4] МАГАТЭ 1984 , с. 3.

[FOOTNOTECoplen1994274-5] Jump up to: ^а ^б Коплен 1994 , с. 274.

[FOOTNOTEIAEA19841-6] МАГАТЭ 1984 , с. 1.

[FOOTNOTEIAEA19842-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д МАГАТЭ 1984 , с. 2.

[FOOTNOTEGonfiantini1978534-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Гонфиантини 1978 , с. 534.

[FOOTNOTECIAAW19942435-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д CIAAW 1994 , с. 2435.

[FOOTNOTECoplen1995-10] Коплен 1995 .

[FOOTNOTEIAEA20172-11] МАГАТЭ, 2017 , с. 2.

[FOOTNOTEIAEA20171,6-12] МАГАТЭ, 2017 , с. 1,6.

[FOOTNOTEIAEA20173-13] МАГАТЭ, 2017 , с. 3.

[FOOTNOTEIAEA20174-14] МАГАТЭ, 2017 , с. 4.

[FOOTNOTEIAEA20062-15] МАГАТЭ 2006 , с. 2.

[FOOTNOTEIAEA20063-16] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г МАГАТЭ 2006 , с. 3.

[FOOTNOTEHagemannNiefRoth19706-17] Jump up to: ^а ^б Хагеманн, Ниф и Рот 1970 , с. 6.

[FOOTNOTEBaertschi1976-19] Баэрчи 1976 .

[FOOTNOTELiNiJinZhang1988-20] Ли и др. 1988 год .

[FOOTNOTEIAEA20065–6-21] МАГАТЭ 2006 , с. 5–6.

[FOOTNOTEIAEA20171,3-22] МАГАТЭ, 2017 , с. 1,3.

[FOOTNOTEIAEA20176-23] МАГАТЭ, 2017 , с. 6.

[FOOTNOTEIAEA20073-24] МАГАТЭ 2007 , с. 3.

[FOOTNOTEIAEA20175-25] МАГАТЭ, 2017 , с. 5.

[FOOTNOTEUSGS20202-26] Геологическая служба США 2020 , с. 2.

[FOOTNOTEUSGS20201-27] Геологическая служба США 2020 , с. 1.

[FOOTNOTECIAAW2000705-28] CIAAW 2000 , с. 705.

[FOOTNOTEFerronskyPolyakov201252–53-29] Ferronsky & Polyakov 2012 , pp. 52–53.

[30] Международный комитет мер и весов (CIPM) (10 октября 2005 г.). «Уточнение определения кельвина, единицы термодинамической температуры» (PDF) . Международное бюро мер и веса . Архивировано из оригинала (PDF) 22 августа 2017 года . Проверено 1 января 2021 г. Международный комитет мер и весов (CIPM) [...] решает, что определение кельвина относится к воде определенного изотопного состава.

[31] «94-е заседание Международного комитета мер и веса» (PDF) . Октябрь 2005. с. 235. Архивировано из оригинала (PDF) 2 ноября 2006 г. Принятие CIPM стандарта VSMOW было основано на рекомендации CIAAW (2000) .

[32] «Резолюция 10 – МБМВ» .

[33] Дополнительная информация к Международной температурной шкале 1990 года . Международный комитет мер и весов. 1997. с. 29.

[FOOTNOTENIST2021-34] Jump up to: ^а ^б НИСТ 2021 .

[35] Питр, Лоран; Плиммер, Марк; Спараски, Фернандо; Химберт, Марк (20 декабря 2018 г.). «Определения постоянной Больцмана» . Comptes Rendus Physique . 20 (1): 129–139.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[а]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]