Антарктические ледяные керны, извлечённые с глубины до трёх километров, хранят в себе замёрзшие пузырьки воздуха возрастом сотни тысяч лет — подлинные «речь» древней атмосферы. Анализ их состава позволяет восстановить температуру, уровень CO₂ и вулканические выбросы прошлых эпох, словно листая климатические хроники Земли. Именно эти ледяные столбцы сегодня помогают учёным предсказать, как быстро наша планета может нагреться снова.
Ледяные керны — что это такое?
Ледяной керн — это цилиндрический образец льда, который извлекается из ледников или ледяных слоёв с помощью специальных буров. Керны представляют собой слой за слоем уплотняющийся лед, образующийся на протяжении тысячелетий, где каждый слой соответствует одному году. Но самое интересное, что каждый слой содержит не только лед, но и маленькие пузырьки воздуха, которые были «запечатаны» в нём. Эти пузырьки воздуха представляют собой образцы атмосферы, которая существовала на Земле в момент образования того или иного слоя льда.
В Антарктиде, например, ледяные керны могут быть извлечены на глубину более 3 километров, что позволяет изучать атмосферу и климат Земли на протяжении десятков тысяч лет.
Как проводится извлечение и исследование кернов?
Процесс извлечения кернов — это настоящее искусство и наука, требующие высокотехнологичного оборудования и тщательной подготовки. Специалисты используют специальные буровые установки, которые не только извлекают керн, но и сохраняют его в целости, чтобы не разрушить структуру и пузырьки воздуха внутри.
После того как керн извлекается, его отправляют в лаборатории, где проводят множество анализов. Важнейшие исследования — это определение концентрации различных газов в пузырьках воздуха, таких как углекислый газ (CO2), метан (CH4), а также изучение изотопов кислорода и водорода в воде льда. Эти данные помогают учёным восстановить климатические условия, которые существовали в определённые эпохи.
Реконструкция температурного режима по изотопам кислорода и водорода
Лёд содержит стабильные изотопы кислорода (ⁱ⁶O и ⁱ⁸O) и водорода (¹H и ²H, или дейтерий). При образовании осадков происходит изотопное фракционирование: при низких температурах преобладает осаждение лёгких изотопов, при более высоких — тяжёлых. Этот эффект используется для оценки древней температуры по относительным значениям δ18O и δD (деутерия).
Измерения выполняются в основном на изотопных масс-спектрометрах, реже — ИК-анализаторах. Полученные значения отклонений сопоставляются со стандартной морской водой (VSMOW) и используются для построения температурных реконструкций. Точность таких реконструкций колеблется в пределах ±1–2 °C, но может быть выше при использовании региональных калибровок.
Однако связь δ18O и температуры может быть нарушена из-за перемен в циркуляции, сезонности и высоте осадконакопления. Поэтому создаются локальные функции переноса (transfer functions), сопоставляющие современные значения δ18O и температуру по данным наземных станций и моделям атмосферной циркуляции.
Газовые компоненты в пузырьках воздуха
Пузырьки воздуха в льду формируются не сразу: сначала рыхлый снег уплотняется в фирн, где газы могут диффундировать. Лишь после полного запечатывания формируются герметичные ловушки. Поэтому возраст газа в пузырьках обычно моложе, чем возраст льда, окружающего их. Для корректировки используют модели уплотнения с учётом температуры и скорости аккумуляции.
В лаборатории лёд измельчается и обрабатывается в вакууме; освободившиеся газы анализируют с помощью газовых хроматографов и масс-спектрометров. Измеряются концентрации CO₂, CH₄, N₂O и других газов, а также изотопные метки (δ13C, Δ¹14C), что позволяет различать источники (естественные или антропогенные).
Анализ временных трендов
Единичные измерения дают моментальные «снимки» атмосферы, но для выявления трендов строят длинные временные ряды. Эти ряды сглаживаются с помощью фильтров (например, Буттерворта), вейвлет- и Фурье-анализа, чтобы отделить кратковременные флуктуации от устойчивых циклов. Выделяются, в том числе, колебания Миланковича (с периодами ~20, ~40 и ~100 тыс. лет).
Для оценки значимости трендов применяются бутстрэппинг, проверка гипотез и межпроксийные сопоставления с данными по морским осадкам, кольцам деревьев и пыльцевым спектрам. Это позволяет отличать естественные климатические циклы от антропогенных изменений.
Что дальше?
Изучая ледяные керны, учёные не просто восстанавливают картину прошлого климата. Эти данные являются важнейшими инструментами для понимания того, как климат нашей планеты реагирует на изменения концентрации парниковых газов. Мы понимаем, что сегодняшнее резкое увеличение углекислого газа в атмосфере, вызванное человеческой деятельностью, аналогично тем изменениям, которые происходили в прошлом, только с гораздо большей скоростью.
Предсказания, сделанные на основе данных ледяных кернов, помогают учёным моделировать возможные сценарии развития климата в будущем. Это, в свою очередь, помогает мировым лидерам принимать более обоснованные решения по борьбе с глобальным потеплением.
