Ледяные керны

Ледяные керны — керны, взятые из ледяного щита, чаще всего изо льда полярных ледяных шапок в Антарктике, Гренландии или высокогорных ледников. Так как лед образуется из нарастающих спрессованных слоев снега, нижележащие слои старше по отношению к вышележащим, ледяные керны содержат лед, сформировавшийся за многие годы. Свойства льда и кристаллических включений во льду могут быть использованы для воссоздания изменения климата в интервале формирования керна, обычно при помощи изотопного анализа. Они позволяют воссоздать изменение температуры и историю изменения атмосферных условий.

Ледяные керны содержат достаточную информацию о климате. Включения, попавшие в снег, остаются во льду, среди них может быть занесенная ветром пыль, пепел, пузырьки воздуха и радиоактивные вещества. Разнообразие климатических измерений шире, чем у всех остальных природных инструментов датирования, таких как древесные кольца или донные отложения. Включения позволяют узнать температуру, объем океана, осадки, химические и физические условия в нижних слоях атмосферы, вулканическую активность, солнечную активность, продуктивность поверхности моря, опустынивание и лесные пожары.

Длина записи зависит от глубины ледяного керна и составляет от нескольких лет до 800 тыс. лет для кернов en:EPICA. Временнóе разрешение (самый короткий период времени, который может быть точно выделен) зависит от годового количества выпавшего снега и уменьшается с глубиной, так как лед спрессовывается под собственным весом. Верхние слои льда в керне соответствуют одному году или даже одному сезону. Чем глубже, тем слои тоньше, и отдельные годовые слои перестают различаться.

Ледяные керны из различных мест могут быть использованы для воссоздания непрерывной и детальной картины климатических изменений на протяжении сотен тысяч лет, предоставляя информацию по широкому набору аспектов климата в каждый момент времени. Возможность сопоставить информацию из разных кернов по времени делает ледяные керны могучим инструментом для палеоклиматических исследований.

Структуры ледяного покрова и кернов

Ледовый покров сформирован из снега. То, что такой лед не тает летом, объясняется температурой, которая в данной местности редко превышает точку плавления. Во многих местах Антарктики температура воздуха всегда значительно ниже температуры замерзания воды. Если летняя температура начинает превышать температуру плавления, записи ледовых кернов серьёзно разрушаются, вплоть до полной бесполезности, так как талая вода просачивается в снег.

Поверхностный слой состоит из снега в нескольких формах, с воздушными полостями. Продолжая накапливаться, снег в погребенных слоях прессуется и переходит в фирн, зернистый материал со структурой, напоминающей сахар-песок. Воздушные полости остаются, позволяя воздуху из окружающей среды циркулировать внутри. При постепенном накоплении снега зернистый лед уплотняется, и воздушные поры закрываются, оставляя часть воздуха внутри. Из-за того, что воздух некоторое время может циркулировать внутри снегового пласта, возраст льда и возраст газовых включений может отличаться, в зависимости от условий, даже на сотни лет. На станции Восток зафиксирована разница в 7 тыс. лет в возрасте газа и включающего его льда.

С увеличением давления на некоторой глубине фирн, «зернистый лед», переходит в лед. Эта глубина может составлять от нескольких метров до десятков, обычно до 100 метров (для Антарктических кернов). Ниже этого уровня материал заморожен и представляет собой кристаллический лед. Последний может быть прозрачным или голубого цвета.

Слои могут визуально различаться в зернистом и обычном льду на значительных глубинах. На вершине ледника, где основный лед имеет небольшую тенденцию к сползанию, создаются аккуратные слои с минимальными повреждениями. В местах, где нижние слои льда подвижны, глубокие слои могут иметь значительно различающиеся свойства и искажения. Керны, взятые возле основания ледника, часто сложны для анализа из-за изменений структуры и обычно включают составы из подстилающей поверхности.

Характеристики фирна

Слой пористого фирна в Антарктическом ледяном покрове находится на глубине от 50 до 150 м.^[1]. Что намного меньше общей глубины ледника.

Атмосферный воздух и газ из фирнов медленно перемешиваются благодаря молекулярной диффузии, проходя сквозь поры; происходит постепенное выравнивание газовых концентраций. Тепловая диффузия является причиной изотопного разделения в фирнах, которое возникает из-за быстрого изменении температуры, когда возникают различия изотопного состава воздуха, захваченного пузырьками внутри льда, от состава воздуха, захваченного в основании фирна. Этот газ может диффундировать по фирну, но, как правило, не выходит наружу, за исключением областей, совсем близких к поверхности.

Ниже фирна находится зона, в которой располагаются сезонные слои с попеременно открытыми и закрытыми порами. Эти слои уплотняются благодаря давлению лежащих выше слоев. Возраст газов быстро растет с глубиной слоев. Различные газы разделяются по пузырькам в процессе перехода фирнов (зернистого льда) в обычный лед.

Добыча керна

Керн добывается путём отделения его от окружающей массы. В случае мягких материалов может быть достаточно полой трубки. При глубоком бурении твердого льда и, возможно, подстилающей породы, используются трубчатые буры, которые вырезают цилиндрическую полость вокруг керна. Режущий механизм при этом находится в нижней части бура. Максимальная длина получаемого образца равна длине бура (в случае GISP2 и станции Восток это 6 м). При добыче таких длинных кернов требуется много циклов пересборки бура и извлечения его на поверхность для очистки.

Поскольку глубокий лед находится под давлением и имеет свойство деформироваться, полости, оставшиеся от кернов с глубины больше 300 м, с течением времени закрываются. Для предотвращения этого процесса их заполняют жидкостью. Такая жидкость (или смесь жидкостей) должна удовлетворять одновременно многим критериям, таким как нужная плотность, низкая вязкость, морозостойкость, безопасность с точки зрения охраны труда и природы. Также нужно учитывать специфические для определенного способа добычи требования.

В прошлом было испытано множество разных жидкостей и их смесей. Со времени GISP2 (1990—1993) Антарктическая программа США использовала n-бутилацетат, но его токсичность, воспламеняемость, свойства как агрессивного растворителя заставили сомневаться в целесообразности его дальнейшего применения. Европейское сообщество, включая Россию, сосредоточилось на создании двукомпонентной жидкости, состоящей из легких углеводородов (на станции Восток использовали керосин) и «уплотнителя» (фреона), за счет которого достигается нужная плотность смеси. Тем не менее, многие уплотнители также считаются слишком токсичными, и их использование больше не разрешено в силу действия Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой.. В апреле 1998 на ледяной шапке en:Devon Ice Cap использовали очищенное ламповое масло. Было отмечено, что в девонских кернах глубже 150 м стратиграфия была скрыта микротрещинами.

Заметки

1. ↑  Bender M, Sowers T, Brook E (August 1997). «[www.pnas.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=11607743 Gases in ice cores]». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94 (16): 8343–9. DOI:10.1073/pnas.94.16.8343. PMID 11607743.

Отрывок, характеризующий Ледяные керны

Опять мужественный голос перебил артиллериста.
– Ну, угостите же травником то вашим, Тушин, – сказал он.
«А, это тот самый капитан, который без сапог стоял у маркитанта», подумал князь Андрей, с удовольствием признавая приятный философствовавший голос.
– Травничку можно, – сказал Тушин, – а всё таки будущую жизнь постигнуть…
Он не договорил. В это время в воздухе послышался свист; ближе, ближе, быстрее и слышнее, слышнее и быстрее, и ядро, как будто не договорив всего, что нужно было, с нечеловеческою силой взрывая брызги, шлепнулось в землю недалеко от балагана. Земля как будто ахнула от страшного удара.
В то же мгновение из балагана выскочил прежде всех маленький Тушин с закушенною на бок трубочкой; доброе, умное лицо его было несколько бледно. За ним вышел владетель мужественного голоса, молодцоватый пехотный офицер, и побежал к своей роте, на бегу застегиваясь.


Князь Андрей верхом остановился на батарее, глядя на дым орудия, из которого вылетело ядро. Глаза его разбегались по обширному пространству. Он видел только, что прежде неподвижные массы французов заколыхались, и что налево действительно была батарея. На ней еще не разошелся дымок. Французские два конные, вероятно, адъютанта, проскакали по горе. Под гору, вероятно, для усиления цепи, двигалась явственно видневшаяся небольшая колонна неприятеля. Еще дым первого выстрела не рассеялся, как показался другой дымок и выстрел. Сраженье началось. Князь Андрей повернул лошадь и поскакал назад в Грунт отыскивать князя Багратиона. Сзади себя он слышал, как канонада становилась чаще и громче. Видно, наши начинали отвечать. Внизу, в том месте, где проезжали парламентеры, послышались ружейные выстрелы.
Лемарруа (Le Marierois) с грозным письмом Бонапарта только что прискакал к Мюрату, и пристыженный Мюрат, желая загладить свою ошибку, тотчас же двинул свои войска на центр и в обход обоих флангов, надеясь еще до вечера и до прибытия императора раздавить ничтожный, стоявший перед ним, отряд.
«Началось! Вот оно!» думал князь Андрей, чувствуя, как кровь чаще начинала приливать к его сердцу. «Но где же? Как же выразится мой Тулон?» думал он.
Проезжая между тех же рот, которые ели кашу и пили водку четверть часа тому назад, он везде видел одни и те же быстрые движения строившихся и разбиравших ружья солдат, и на всех лицах узнавал он то чувство оживления, которое было в его сердце. «Началось! Вот оно! Страшно и весело!» говорило лицо каждого солдата и офицера.
Не доехав еще до строившегося укрепления, он увидел в вечернем свете пасмурного осеннего дня подвигавшихся ему навстречу верховых. Передовой, в бурке и картузе со смушками, ехал на белой лошади. Это был князь Багратион. Князь Андрей остановился, ожидая его. Князь Багратион приостановил свою лошадь и, узнав князя Андрея, кивнул ему головой. Он продолжал смотреть вперед в то время, как князь Андрей говорил ему то, что он видел.
Выражение: «началось! вот оно!» было даже и на крепком карем лице князя Багратиона с полузакрытыми, мутными, как будто невыспавшимися глазами. Князь Андрей с беспокойным любопытством вглядывался в это неподвижное лицо, и ему хотелось знать, думает ли и чувствует, и что думает, что чувствует этот человек в эту минуту? «Есть ли вообще что нибудь там, за этим неподвижным лицом?» спрашивал себя князь Андрей, глядя на него. Князь Багратион наклонил голову, в знак согласия на слова князя Андрея, и сказал: «Хорошо», с таким выражением, как будто всё то, что происходило и что ему сообщали, было именно то, что он уже предвидел. Князь Андрей, запихавшись от быстроты езды, говорил быстро. Князь Багратион произносил слова с своим восточным акцентом особенно медленно, как бы внушая, что торопиться некуда. Он тронул, однако, рысью свою лошадь по направлению к батарее Тушина. Князь Андрей вместе с свитой поехал за ним. За князем Багратионом ехали: свитский офицер, личный адъютант князя, Жерков, ординарец, дежурный штаб офицер на энглизированной красивой лошади и статский чиновник, аудитор, который из любопытства попросился ехать в сражение. Аудитор, полный мужчина с полным лицом, с наивною улыбкой радости оглядывался вокруг, трясясь на своей лошади, представляя странный вид в своей камлотовой шинели на фурштатском седле среди гусар, казаков и адъютантов.
– Вот хочет сраженье посмотреть, – сказал Жерков Болконскому, указывая на аудитора, – да под ложечкой уж заболело.
– Ну, полно вам, – проговорил аудитор с сияющею, наивною и вместе хитрою улыбкой, как будто ему лестно было, что он составлял предмет шуток Жеркова, и как будто он нарочно старался казаться глупее, чем он был в самом деле.
– Tres drole, mon monsieur prince, [Очень забавно, мой господин князь,] – сказал дежурный штаб офицер. (Он помнил, что по французски как то особенно говорится титул князь, и никак не мог наладить.)
В это время они все уже подъезжали к батарее Тушина, и впереди их ударилось ядро.
– Что ж это упало? – наивно улыбаясь, спросил аудитор.
– Лепешки французские, – сказал Жерков.
– Этим то бьют, значит? – спросил аудитор. – Страсть то какая!
И он, казалось, распускался весь от удовольствия. Едва он договорил, как опять раздался неожиданно страшный свист, вдруг прекратившийся ударом во что то жидкое, и ш ш ш шлеп – казак, ехавший несколько правее и сзади аудитора, с лошадью рухнулся на землю. Жерков и дежурный штаб офицер пригнулись к седлам и прочь поворотили лошадей. Аудитор остановился против казака, со внимательным любопытством рассматривая его. Казак был мертв, лошадь еще билась.
Князь Багратион, прищурившись, оглянулся и, увидав причину происшедшего замешательства, равнодушно отвернулся, как будто говоря: стоит ли глупостями заниматься! Он остановил лошадь, с приемом хорошего ездока, несколько перегнулся и выправил зацепившуюся за бурку шпагу. Шпага была старинная, не такая, какие носились теперь. Князь Андрей вспомнил рассказ о том, как Суворов в Италии подарил свою шпагу Багратиону, и ему в эту минуту особенно приятно было это воспоминание. Они подъехали к той самой батарее, у которой стоял Болконский, когда рассматривал поле сражения.
– Чья рота? – спросил князь Багратион у фейерверкера, стоявшего у ящиков.
Он спрашивал: чья рота? а в сущности он спрашивал: уж не робеете ли вы тут? И фейерверкер понял это.
– Капитана Тушина, ваше превосходительство, – вытягиваясь, закричал веселым голосом рыжий, с покрытым веснушками лицом, фейерверкер.
– Так, так, – проговорил Багратион, что то соображая, и мимо передков проехал к крайнему орудию.
В то время как он подъезжал, из орудия этого, оглушая его и свиту, зазвенел выстрел, и в дыму, вдруг окружившем орудие, видны были артиллеристы, подхватившие пушку и, торопливо напрягаясь, накатывавшие ее на прежнее место. Широкоплечий, огромный солдат 1 й с банником, широко расставив ноги, отскочил к колесу. 2 й трясущейся рукой клал заряд в дуло. Небольшой сутуловатый человек, офицер Тушин, спотыкнувшись на хобот, выбежал вперед, не замечая генерала и выглядывая из под маленькой ручки.
– Еще две линии прибавь, как раз так будет, – закричал он тоненьким голоском, которому он старался придать молодцоватость, не шедшую к его фигуре. – Второе! – пропищал он. – Круши, Медведев!
Багратион окликнул офицера, и Тушин, робким и неловким движением, совсем не так, как салютуют военные, а так, как благословляют священники, приложив три пальца к козырьку, подошел к генералу. Хотя орудия Тушина были назначены для того, чтоб обстреливать лощину, он стрелял брандскугелями по видневшейся впереди деревне Шенграбен, перед которой выдвигались большие массы французов.