The chemists make many measurements on the water samples, but on Expedition 339 we are particularly interested in measuring the isotope abundances in the interstitial water collected with the Rhyzon samplers. As you know the chemical formula for water is H₂O; it is made up of two hydrogen atoms and one oxygen atom.  The changing proportion of oxygen isotopes in the water as we go deeper in the cores tells us how much the location of the drilled sites was affected by the last major increase in ice cap size around 20,000 years ago.

The isotopes of an element with more neutrons are heavier. Most of the oxygen on Earth (and in Earth’s water) has an atomic mass of 16: this means it has 8 protons and 8 neutrons. There is a much smaller amount of naturally occurring “heavy” oxygen that has a mass of 18, which is made up of 8 protons and 10 neutrons. 

Os geoquímicos fazem muitas medições em amostras de água, mas na Expedição 339 estamos particularmente interessados ??em medir a abundância de isótopos na água intersticial recolhida com os amostradores Rhyzon. Como sabes a fórmula química da água é H₂O, o que significa que é formada por dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio. A variação da proporção de isótopos de oxigénio na água recolhida ao longo dos tarolos de sedimentos, indica-nos os efeitos da última grande glaciação, ocorrida há cerca de 20.000 anos atrás, nos locais perfurados.

Os isótopos de um elemento com mais neutrões são mais pesados. A maior parte do oxigénio na Terra (e na água da Terra) tem uma massa atómica de 16, o que significa que tem 8 protões e 8 neutrões. O oxigénio “pesado”, que tem uma massa atómica de 18 e é composto por 8 protões e 10 neutrões, existe em muito menor quantidade na natureza.

Scientist measuring the oxygen isotopes ratio of the interstitial water samples collected from the cores

Why do the isotope ratios tell us about ice sheet influence?

Ice sheets in the Arctic and Antarctic are made up of water that has a greater proportion of “light” hydrogen and oxygen isotopes than water in the rest of the ocean.  The amount of water on the planet has not changed for a long time, so when the ice sheets were larger, the water to make them was taken from the oceans (the sea level dropped too).  So during a glaciation some of the ¹⁶O gets tied up in glacial ice and does not return to the oceans. Thus during glaciations the ¹⁸O/¹⁶O ratio of sea water increases, but during an interglaciation the ¹⁶O that was tied up in glacial ice returns to the oceans causing a decrease in the ¹⁸O/¹⁶O ratio of seawater.

O que é que as proporções de isótopos nos dizem sobre a influência das massas de gelo?

As camadas de gelo no Ártico e na Antártida são constituídos por água que tem uma maior proporção de isótopos de hidrogénio e de oxigénio “leves” do que a água do oceano. Como a quantidade de água no planeta, ao longo dos últimos milhões de anos, não tem variado significativamente os cientistas sabem que durante as glaciações parte do ¹⁶O fica aprisionado no gelo glacial e não volta aos oceanos. Assim, durante as glaciações a proporção de ¹⁸O/¹⁶O da água do mar aumenta. Todavia, durante os períodos interglaciais o ¹⁶O que estava aprisionado no gelo glacial volta aos oceanos causando uma diminuição na proporção de ¹⁸O/¹⁶O da água do mar.

Record of oxygen isotopes obtained for the last 400,000 years

However, the past change in isotope ratios was not the same at every point in the ocean, so measuring the water at different sites can tell us which ones were affected the most by the glaciation.  One of the highlights of Expedition 339 is that these isotopic analyses are being made aboard the JR for the first time, instead of being done onshore.

No entanto, no passado, a variação das proporções isotópicas não foi igual em todos os oceanos, pelo que a análise isotópica da água em locais diferentes indica aos cientistas quais as regiões que foram mais afetadas pelas glaciações. Um dos destaques da Expedição 339 é que estas análises isotópicas estão, pela primeira vez,  a ser realizadas a bordo do navio em vez de serem feitas em terra.