Nivel medio del agua del océano según la norma de Viena

El agua oceánica media estándar de Viena ( VSMOW ) es un estándar isotópico para el agua, es decir, una muestra particular de agua cuyas proporciones de diferentes isótopos de hidrógeno y oxígeno se conocen con precisión. El VSMOW se destila a partir de agua oceánica y no contiene sal ni otras impurezas. Publicado y distribuido por el Organismo Internacional de Energía Atómica con sede en Viena en 1968, el estándar y su sucesor esencialmente idéntico, el VSMOW2, continúan utilizándose como material de referencia .

Las muestras de agua compuestas por diferentes isótopos de hidrógeno y oxígeno tienen propiedades físicas ligeramente diferentes. Como ejemplo extremo, el agua pesada , que contiene dos átomos de deuterio ( ² H) en lugar del hidrógeno-1 ( ¹ H) más ligero habitual, tiene un punto de fusión de 3,82 °C (38,88 °F) y un punto de ebullición de 101,4 °C (214,5 °F). ^[1] Diferentes tasas de evaporación hacen que las muestras de agua de diferentes lugares en el ciclo del agua contengan proporciones ligeramente diferentes de isótopos. El agua del océano (más rica en isótopos pesados) y el agua de lluvia (más pobre en isótopos pesados) representan aproximadamente los dos extremos encontrados en la Tierra. Con VSMOW, el OIEA publicó simultáneamente un estándar análogo para el agua de lluvia, la Precipitación Antártica Ligera Estándar (SLAP), y eventualmente su sucesor SLAP2. SLAP contiene aproximadamente un 5% menos de oxígeno-18 y un 42,8% menos de deuterio que VSMOW.

Se utiliza una escala basada en VSMOW y SLAP para informar las concentraciones de oxígeno-18 y deuterio. Desde 2005 hasta su redefinición en 2019 , se especificó que el kelvin era 1/273,16 de la temperatura de VSMOW en su punto triple .

Las abundancias de un isótopo particular en una sustancia se dan generalmente en relación con algún material de referencia, como un delta en partes por mil ( ‰ ) de la referencia. Por ejemplo, la relación de deuterio ( ^2H ) a hidrógeno-1 en una sustancia x puede darse como

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

donde denota la concentración absoluta en x . ^[2]${\displaystyle (^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{x}}$

En 1961, en su búsqueda de un estándar para medir y reportar las concentraciones de deuterio y oxígeno-18, Harmon Craig del Instituto Scripps de Oceanografía en San Diego , California, propuso un estándar abstracto para el agua. Basó las proporciones en sus mediciones de muestras tomadas por Epstein y Mayeda (1953) de aguas oceánicas alrededor del mundo. ^[3] Aproximando un promedio de sus mediciones, Craig definió su "agua oceánica media estándar" (SMOW) en relación con una muestra de agua conservada en la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos llamada NBS-1 (muestreada del río Potomac ^[4] ). En particular, SMOW tenía los siguientes parámetros en relación con NBS-1:

• δ ² H _SMOW/NBS-1 = 50‰, es decir, un enriquecimiento del 5%;
• δ ¹⁸ O _SMOW/NBS-1 = 8‰, es decir, un enriquecimiento del 0,8%. ^[3]

Más tarde, investigadores del Instituto Tecnológico de California definieron otra referencia abstracta, también llamada "SMOW", para las concentraciones de oxígeno-18, de modo que una muestra de arenisca de Potsdam en su posesión satisfacía δ ¹⁸ O _{arenisca/SMOW} = 15,5‰ . ^[5]

Para resolver la confusión, la reunión de noviembre de 1966 del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) con sede en Viena recomendó la preparación de dos estándares isotópicos de agua: Vienna SMOW (VSMOW; inicialmente solo "SMOW" pero luego desambiguado ^[5] ) y Standard Light Antarctic Precipitation (SLAP). ^[6] Craig preparó VSMOW mezclando agua destilada del Océano Pacífico con pequeñas cantidades de otras aguas. VSMOW tenía la intención de coincidir con el estándar SMOW lo más cerca posible. Las mediciones de Craig encontraron una concentración idéntica ^{de 18} O y una concentración de ² H 0,2‰ menor. ^[7] El estándar SLAP se creó a partir de una muestra de firn fundido de la Estación Plateau en la Antártida. ^[7] También se preparó un estándar con concentraciones de oxígeno-18 y deuterio entre las de VSMOW y SLAP, llamado Precipitación de la Capa de Hielo de Groenlandia (GISP). ^[7] El OIEA comenzó a distribuir muestras en 1968, y Gonfiantini (1978) recopiló análisis de VSMOW y SLAP de 45 laboratorios de todo el mundo. ^[8] La muestra de VSMOW se almacenó en un recipiente de acero inoxidable bajo nitrógeno y se transfirió a ampollas de vidrio en 1977. ^[7]

Las concentraciones de deuterio y oxígeno-18 en VSMOW están cerca del extremo superior de los materiales naturales, y las concentraciones en SLAP están cerca del extremo inferior. ^[2] Debido a la confusión sobre múltiples estándares de agua, la Comisión de Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos recomendó en 1994 que todas las futuras mediciones isotópicas de oxígeno-18 ( ¹⁸ O) y deuterio ( ² H) se informen en relación con VSMOW, en una escala tal que el δ ¹⁸ O de SLAP sea −55,5‰ y el δ ² H de SLAP sea −428‰, en relación con VSMOW. ^{[9] [10]} Por lo tanto, SLAP se define para contener 94,45% de la concentración de oxígeno-18 y 57,2% de la concentración de deuterio de VSMOW. ^[9] El uso de una escala con dos muestras definidas mejora la comparación de resultados entre laboratorios.

En diciembre de 1996, debido a la disminución del suministro de VSMOW, el OIEA decidió crear un estándar sustituto, el VSMOW2. Publicado en 1999, contiene una mezcla isotópica casi idéntica. Se prepararon unos 300 litros a partir de una mezcla de aguas destiladas del lago Bracciano en Italia, el mar de Galilea en Israel y un pozo en Egipto, en proporciones elegidas para alcanzar las proporciones isotópicas del VSMOW. El OIEA también publicó un sucesor del SLAP, llamado SLAP2, derivado del agua derretida de cuatro sitios de perforación antárticos. ^[11] Las desviaciones de ¹⁷ O y ¹⁸ O en los nuevos estándares con respecto a los antiguos son cero dentro del error de medición. ^[12] Hay una desviación pequeña pero medible de la concentración de ² H en SLAP2 con respecto a SLAP ( se define δ ² H _SLAP2/VSMOW ^{como −427,5‰ en lugar de −428‰), pero no en VSMOW2 con respecto a VSMOW. [13]} El OIEA recomienda que las mediciones se sigan informando en la escala VSMOW–SLAP. ^[14]

Las dos normas más antiguas se conservan actualmente en el OIEA y ya no se venden. ^[15]

Todas las mediciones se informan con su incertidumbre estándar . Las mediciones de combinaciones particulares de isótopos de oxígeno e hidrógeno son innecesarias porque las moléculas de agua intercambian átomos constantemente entre sí.

A excepción del tritio, que se determinó a partir del gas helio emitido por la desintegración radiactiva, estas mediciones se realizaron mediante espectroscopia de masas .

• Deuterio ( ² H / ¹ H) –155,76 ± 0,05 ppm , ^{[16] [17]} aproximadamente 1 en 6420 átomos de hidrógeno
• Tritio ( ³ H / ¹ H) –18,5 ± 3,6 UT ^[a] =(1,85 ± 0,36) × 10 ⁻¹¹  ppm , medido el 16 de septiembre de 1976, ^{[8] [16]} aproximadamente 1 pulgada5,40 × 10 ¹⁶ átomos de hidrógeno
• Oxígeno-18 ( ^18O / ^16O ) –2 005 .20 ± 0.45 ppm , ^{[16] [18]} aproximadamente 1 en 499 átomos de oxígeno
• Oxígeno-17 ( ¹⁷ O / ¹⁶ O) –379,9 ± 0,8 ppm , ^{[16] [19]} aproximadamente 1 en 2640 átomos de oxígeno

Basándose en los resultados de Gonfiantini (1978), el OIEA definió la escala delta con SLAP en −55,5 ‰ para ¹⁸ O y −428 ‰ para ² H. Es decir, se midió que SLAP contenía aproximadamente un 5,55 % menos de oxígeno-18 y un 42,8 % menos de deuterio que VSMOW, y estas cifras se utilizaron para anclar la escala en dos puntos. ^[8] A continuación se muestran cifras experimentales.

• ² horas / ¹ hora –89,02 ± 0,05 ppm , δ := −428,5 ± 0,4‰ , ^{[16] [17]} aproximadamente 1 en 11230 átomos
• ³ horas / ¹ hora –374 ± 9 UT ^[a] =(3,74 ± 0,09) × 10 ⁻¹⁰  ppm , medido el 16 de septiembre de 1976, ^[8] aproximadamente 1 en 2,67  ×  10 ¹⁵ átomos
• ¹⁸ O / ¹⁶ O –1 893 .91 ± 0.45 ppm , δ := −55.5‰ , ^[16] aproximadamente 1 en 528 átomos
• ¹⁷ O / ¹⁶ O – δ = −28,86 ± 0,1‰ , ^[16] aproximadamente 1 de cada 3700 átomos

Las concentraciones de ¹⁷ O y ¹⁸ O son indistinguibles entre VSMOW y VSMOW2, y entre SLAP y SLAP2. La hoja de especificaciones proporciona los errores estándar en estas mediciones. ^[20] La concentración de ² H también permanece inalterada en VSMOW2, pero aumenta ligeramente en SLAP2. El OIEA informa:

• δ ² H _SLAP2/VSMOW = −427,5 ± 0,3‰ , ^[21] (Compare −428‰ para SLAP).

El 6 de julio de 2007, la concentración de tritio fue3,5 ± 1,0 TU en VSMOW2, y27,6 ± 1,6 TU en SLAP2. ^[22]

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

La escala VSMOW-SLAP es recomendada por el USGS, la IUPAC y el OIEA para la medición de concentraciones de deuterio y ^{18 O en cualquier sustancia. [24] [25] [9]} Para ^{el 18} O, también se puede utilizar una escala basada en Vienna Pee Dee Belemnite . ^{[9] Las muestras físicas, que son distribuidas por el OIEA y el} Instituto Nacional de Normas y Tecnología de los Estados Unidos , se utilizan para calibrar equipos de medición de isótopos. ^[26]

Las variaciones en el contenido isotópico son útiles en hidrología, meteorología y oceanografía. ^[27] Las diferentes partes del océano tienen concentraciones isotópicas ligeramente diferentes: los valores de δ ¹⁸ O varían de -11,35‰ en el agua frente a la costa de Groenlandia a +1,32‰ en el Atlántico norte, y las concentraciones de δ ² H en las aguas oceánicas profundas varían aproximadamente de -1,7‰ cerca de la Antártida a +2,2‰ en el Ártico. Las variaciones son mucho mayores en las aguas superficiales que en las aguas profundas. ^[28]

En 1954, el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) estableció la definición del Kelvin como 1/273,16 de la temperatura absoluta del punto triple del agua. Aguas con diferentes composiciones isotópicas tenían puntos triples ligeramente diferentes. Así, el Comité Internacional de Pesas y Medidas especificó en 2005 ^[29] que la definición de la escala de temperatura kelvin se referiría al agua con una composición de la especificación nominal de VSMOW. ^[30] La decisión fue acogida con beneplácito en 2007 mediante la Resolución 10 de la 23.ª CGPM. ^[31] El punto triple se mide en celdas de punto triple, donde el agua se mantiene en su punto triple y se le permite alcanzar el equilibrio con su entorno. Utilizando aguas ordinarias, el rango de mediciones interlaboratorio del punto triple puede ser de unos 250 μK . ^[32] Con VSMOW, el rango interlaboratorio de mediciones del punto triple es de unos 50 μK . ^[33]

Después de la revisión del SI de 2019 , el kelvin se define en términos de la constante de Boltzmann , lo que hace que su definición sea completamente independiente de las propiedades del agua. El valor definido para la constante de Boltzmann se seleccionó de modo que el valor medido del punto triple VSMOW sea idéntico al valor definido previamente, dentro de una precisión medible. ^[34] Las celdas de punto triple siguen siendo un método práctico para calibrar termómetros. ^[33]

• Escala internacional de temperatura de 1990
• Propiedades del agua

• Organismo Internacional de Energía Atómica – OIEA
• ITS-90 – Instituto Nacional Sueco de Pruebas e Investigación
• ITS-90 – Ingeniería Omega
• Instituto Scripps de Oceanografía Archivado el 7 de junio de 2013 en Wayback Machine.
• Sensores de temperatura – repositorio de información
• Datos científicos del agua – Universidad South Bank de Londres