Эффект Доула — повышенное содержание тяжелого изотопа ¹⁸О (обычного, более стабильного атома кислорода с двумя дополнительными нейтронами) в атмосфере по сравнению с морской водой, относительно его более лёгкого и менее стабильного изотопа ¹⁶О. Обычно соотношение ¹⁸O/¹⁶O, выражают как отклонение изотопной сигнатуры в образце по отношению к сигнатуре стандарта, выраженное в промилле, и обозначают как δ¹⁸O. Эффект назван в честь американского химика Малкольма Доула. В 1935 году^[1][2] было обнаружено, что в воздухе содержится больше ¹⁸О чем в морской воде; количественная оценка 1975 года дала результат в 23,5 ‰^[3], но в 2005 году значение уточнили до 23,88 ‰^[4]. Дисбаланс возникает преимущественно в результате дыхания растений и животных. Благодаря термодинамике изотопных реакций^[5], для дыхания предпочтительно используется более лёгкий, а значит и более реакционноспособный, ¹⁶O, что увеличивает относительный объём ¹⁸O в атмосфере.

Неравенство изотопного состава воды и воздуха уравновешивается фотосинтезом, который возвращает более лёгкий ¹⁶О в атмосферу. В результате фотосинтеза выделяется кислород такого же изотопного состава (то есть с таким же соотношением между ¹⁸О и ¹⁶О) как и в воде (H₂O), используемой водоокисляющим комплексом^[6], а её состав не зависит от атмосферного соотношение изотопов. Таким образом, при достаточно высоком атмосферном уровне ¹⁸О, фотосинтез будет выступать в качестве уравновешивающего фактора. Однако степень фракционирования (то есть изменение изотопного соотношения), обеспечивается не только фотосинтезом. Фракционирование может происходить и в результате преимущественного испарения Н₂¹⁶О — воды, несущей легкие изотопы кислорода, а также других небольших, но значимых процессов.

Использование эффекта Доула

Поскольку из-за испарения океанические и наземные воды имеют различное соотношение ¹⁸О/¹⁶О, то по эффекту Доула можно судить об интенсивности фотосинтеза в пресноводных и морских водоёмах^[7]. Полная остановка всего наземного фотосинтеза привела бы к сдвигу величины эффекта Доула на -2-3‰ от его текущего значения в 23.8‰.

Исходя из данных, полученных из кернов льда, прослеживается стабильность (в пределах 0,5 ‰) соотношения атмосферного ¹⁸О /¹⁶О относительно ¹⁸О /¹⁶О в поверхностных морских водах начиная с последнего межледниковья (последние 130 000 лет). Это говорит о том, что в течение этого периода времени производительность наземного и морского фотосинтеза изменялись синхронно.

Изменения эффекта Доула с периодом в тысячу лет связано с резком изменению климата в северной части Атлантического океана за последние 60 тыс. лет^[8]. Высокая степень корреляции эффекта Доула с δ¹⁸О в натёчных изображениях, свидетельствует о муссонных осадках, которые предположительно происходили по причине изменения производительности низкоширотных наземных растений. Орбитальный масштаб изменения эффекта характеризуется периодами в 20-100 тыс. л. н., и хорошо соотносится с орбитальным эксцентриситетом и прецессией Земли, но не с наклоном её орбиты^[9].

Эффект Доула также может быть применен в качестве индикаторного в морской воде, с небольшими вариациями в химии он используется для определения дискретных «частей» воды и подсчёта её возраста.

Примечания