Середа, 22 Травня, 2024

Бібліотека льоду: навіщо вчені зберігають заморожену воду

У вузькому проході полиць, заставлених картонними коробками, Йорген Педер Стеффенсен розгортає пакунок, дістаючи загорнутий у поліетилен шматок льоду з коробки з позначкою Keep Frozen (тримати замороженим). Цей мішок льоду містить перехід від 1 року до н.е. до 1 року н.е. «Це означає, що у нас справжній різдвяний сніг», – каже він.

Цей шматок льоду, трохи довший за його руку, зовні нічим не відрізняється від сучасного льоду. Проте бульбашки, що потрапили в нього, зберігають хімічний склад повітря Гренландії понад два тисячоліття тому. «Але ми не можемо знайти жодних слідів північних оленів чи чарівного пилу», — іронізує Стеффенсен.

У цій морозильній установці в Данії команда Стеффенсена з Інституту Нільса Бора Копенгагенського університету зберігає близько 40 000 сегментів крижаних кернів, довгих циліндрів льоду з полярних регіонів, які зберігають історію минулого клімату.

Крім каталогізації заморожених скарбів, Штеффенсен співпрацює в дослідженнях, які викопують історичні таємниці, приховані в льоду, і здійснює логістику для міжнародного проекту буріння в Гренландії, щоб отримати ще більше глибоких зразків.

Копенгаген є одним із кількох місць у світі, де шматки льоду, вибурені з кінцівок нашої планети, безпечно охолоджують. Інші великі дослідницькі морозильні камери розташовані в Сполучених Штатах, Австралії, Франції, Італії, Німеччині, Росії та Японії.

За словами Штеффенсена, Копенгаген має найбільше зразків із найглибших кернів світу, що становить 15,5 кілометрів льоду. Приблизно стільки відстань від лабораторії Штеффенсена в центрі Копенгагена до цього складу з жовтою плиткою в індустріальному парку, де з 2019 року розміщується архів льоду.

І лабораторія, і морозильна камера є тимчасовими, очікуючи на завершення масштабного будівельного проекту для нового приміщення університету.

В архіві також зберігаються додаткові п’ять кілометрів льоду з більш коротких кернів, пробурених у Гренландії, Антарктиді, Ісландії, Патагонії та льодовика у словацькій печері. Деякі зразки льоду були отримані від ініціатив із сильною участю Данії, тоді як інші були отримані від дослідників за кордоном.

Керни льоду служать важливими історичними записами для вчених, які цікавляться тим, як змінився клімат нашої планети, чи то в далекому минулому, чи то нещодавно.

Як і кільця дерев, шари снігу, що утворив цей лід, можна підрахувати та співвіднести з роками минулого. «Усі ці щорічні шари снігопаду знаходяться лише в одній непорушеній послідовності назад у часі, — каже Стеффенсен. – Чим глибше ти йдеш, тим далі ти повертаєшся в часі».

Але одне ядро, ймовірно, не має постійно запису історії: його хронологія шарів снігопаду могла бути порушена локальними погодними явищами тисячоліття тому. Ось чому важливо мати кілька основних зразків за один і той же період часу, вилучених з різних місць, щоб порівняти результати та підтвердити наукові висновки.

Гренландія та Антарктида містять численні міжнародні місця буріння льоду. «Для того, щоб отримати кліматичний сигнал, потрібно об’єднати більше одного запису керна льоду», — каже Марія Горхольд, гляціолог з Інституту Альфреда Вегенера, Центру полярних і морських досліджень імені Гельмгольца в Бремергафені, Німеччина, яка очолювала нещодавнє дослідження на рекордні температури Гренландії.

Як куратор льоду в Копенгагені, Штеффенсен описує свою роботу як бібліотекаря, який керує «томами» льоду, які містять секрети історії клімату Землі. Але коли дослідники хочуть запозичити зразок, Стеффенсен не може просто відсканувати штрих-код. Члени міжнародних кооперацій, які бурили відповідний керн, мають керівні комітети, які надають доступ і визначають кількість, яку можна витратити. Стеффенсен також пише думку про те, яку частину керна можна зекономити, маючи на увазі збереження безперервності історичних даних про лід.

На відміну від книги, лід, який пішов для вивчення, ніколи не повернеться. Дослідження історії хімії атмосфери, температурних записів і стародавньої ДНК тривають, але вони потребують плавлення або випаровування, щоб дістатися до упакованих в льоді речовин.

Полиці цієї бібліотеки без вікон від підлоги до стелі захищають близько 1900 картонних коробок і ящиків із льодом. Система теплового насоса відводить тепло від морозильної камери та розподіляє холодне повітря за допомогою гучних вентиляторів, охолоджуючи кімнату до -30 гадусів Цельсію. Тут так само холодно, як у деяких районах Гренландії, куди Штеффенсен більше 40 років їздить в експедиції, щоб бурити та добувати стародавній лід.

У разі відключення електроенергії контейнери для зберігання льоду, які також використовуються для доставки льоду з полярних регіонів, настільки добре ізольовані, що лід залишатиметься замороженим приблизно 20 годин при 20 градусах Цельсію. Бетонна підлога також захисна. А морозильна камера має дві різні системи охолодження на випадок механічної поломки однієї.

«Якщо він розтане, це буде справжньою вбивцею робочих місць», — каже Штеффенсен.

Але танення льоду в усьому світі спонукає таких дослідників, як Штеффенсен, продовжувати важку роботу як по бурінню льоду, так і по дослідженню таємниць. З підвищенням глобальної середньої температури до 1,5 градуси Цельсію вище доіндустріального рівня в наступному десятилітті танення полярних льодових шапок і, як наслідок, підвищення рівня моря викличе каскад катастрофічних наслідків, які загрожують підірвати екосистеми, економіку та засоби до існування.

Дослідження глибинних кернів льоду в Арктиці й Антарктиді, подібних до тих, що зберігаються в Копенгагені, допомогло продемонструвати, як діяльність людини, а не природні цикли, спричиняє зміни клімату сьогодні. Хімічні речовини атмосфери, що містяться в повітряних бульбашках у зразках глибокого льоду, зберігають історію природних циклів нашої планети до людської діяльності та показують, як індустріальна епоха спричинила зміни.

Замерзлий бруд також вчить вчених про те, коли Гренландія востаннє танула та яка флора та фауна там процвітала. У поєднанні з супутниковими та повітряними даними про підвищення рівня моря та втрату маси льодовикового покриву керни льоду можуть виявити потужні індикатори як історії клімату, так і майбутніх впливів клімату. Чим більше областей, де науковці зможуть бурити, тим краще уявлення про те, наскільки льодовиковий покрив Гренландії стійкий до зміни клімату.

Зараз йому за 60, Штеффенсен почав свій шлях до того, щоб стати охоронцем льоду, коли він був студентом Копенгагенського університету. Він вивчав фізику та математику і планував провести літо 1980 року, керуючи проектором у арт-хаусному кінотеатрі, але тут задзвонив телефон. Гляціологу Віллі Дансгаарду терміново потрібні були додаткові робочі руки для проекту буріння льоду. Дансгаард чув про Штеффенсена, тому що молодий чоловік очолював організацію університетського містечка, яка контролювала університетську навчальну програму з фізики — рідкісна посада для студента. Він запитав, чи хоче Штеффенсен провести шість-сім тижнів у Гренландії.

Багато років тому, у 1952 році, Дансгаард, піонер у галузі гляціології, зробив фундаментальне відкриття для наукової роботи, якою Стеффенсен та його колеги займаються сьогодні. Він продемонстрував зв’язок між співвідношенням двох природних ізотопів кисню у зразку води та атмосферною температурою хмари, звідки виникла вода. Пізніше вчені використають це усвідомлення для вивчення води у формі льоду, щоб накреслити історію атмосферних температур за тисячі років.

Пізніше Дансгаард піддав цю техніку монументальним випробуванням завдяки американській військовій ініціативі під назвою «Проект Iceworm». Ця секретна місія часів холодної війни в Гренландії передбачала копання тунелів для зберігання та розміщення ядерних ракет, але також створила Camp Century, так зване місто під льодом для військовослужбовців, яке включало кафетерій, зал відпочинку, перукарню та спальні приміщення, усе з’єднані через тунелі.

Приховуючи прихований мотив проекту Iceworm, Сполучені Штати оголосили про велику наукову роботу з буріння льоду. Це була не просто прикриття — у 1966 році завдяки бурінню дослідники вперше досягли дна активного крижаного покриву глибиною 1,39 кілометра.

Американський геолог Честер Ленгвей, який розробив міжнародну дослідницьку програму в Camp Century, співпрацював з Dansgaard, щоб дослідити історію, закладену в керні льоду. Їх стаття в журналі Science року, в якій керни використовувалися для нанесення на карту 100 000 років історії клімату Землі, стала «свідоцтвом про народження досліджень керна льоду», — говорить Стеффенсен.

Тепер у вчених є перевірений спосіб повернутися в минуле, щоб побачити, якою була атмосфера Землі в минулому. Більше того, результати свідчать про невідомі раніше раптові коливання температури до кінця останнього льодовикового періоду. Але щоб підтвердити ці швидкі зміни температури, їм знадобилося більше зразків. Після завершення військового проекту Camp Century вчені зібрали фінансування з кількох країн для буріння на нових ділянках.

Той доленосний телефонний дзвінок від Дансгаарда 4 липня 1980 року поставив Штеффенсена в авангард науки про льодові керни. Незважаючи на те, що молодий 20-річний хлопець не мав попереднього досвіду буріння льоду, Дансгаард запрошував його взяти участь у міжнародному буровому проекті в Гренландії під назвою Dye 3. Через чотири дні Штеффенсен вилетів.

Команда Dye 3 використовувала свердло ISTUK, розроблене Данією, назване на честь гренландського слова «льодоруб» або «свердло», а також датського слова «лід». Бур довжиною 11,5 метрів виробляв близько 120 метрів керна діаметром 10 сантиметрів на тиждень.

Штеффенсен швидко захопився ідеєю, що в міру того, як команда заглибилася глибше, вони отримали доступ до запису нової частини історії. Правління Марка Аврелія. Виверження Везувію. Час Августа. Пунічні війни. «Ми стояли з тим льодом у руках, — каже він. – Це було дуже круто».

Працюючи в три зміни протягом 24 годин, команда досягла 901 метра, перш ніж їх електроніка вийшла з ладу через несправну барокамеру.

Ця поїздка поклала початок справі життя Штеффенсена з льодом. Під час своєї наступної поїздки в Гренландію в 1981 році Штеффенсен працював у нічну зміну буріння з Дорте Даль-Йенсен, однокурсницею Копенгагенського університету. Пізніше Дансгаард писав про них: «Ми знайшли двох молодих людей (і вони один одного), які згодом повинні стати видатними учасниками наших гляціологічних досліджень». У 1985 році Даль-Йенсен і Стеффенсен одружилися, і у них народилося четверо дітей. Даль-Йенсен стала провідною силою в цій галузі і в кінцевому підсумку зайняла посаду Дансгаарда в Копенгагенському університеті.

Проект Dye 3 став фундаментом у серпні 1981 року, і проект дав керн довжиною понад два кілометри, який був розділений на 61 000 зразків і відправлений до Копенгагена. Хоча дослідники не досягли такого далекого минулого, як ядро Camp Century, зразки Dye 3 підтвердили суперечливий висновок Дансгаарда про температурні коливання під час останнього льодовикового періоду. Штеффенсен поступово став відповідальним за зберігання основних сегментів і координацію з міжнародними партнерами щодо їхнього курування, готуючи основу для своєї кар’єри бібліотекаря.

Архів морозильної камери в Копенгагені розпочався в підвалі будівлі університетської лабораторії як місце для зберігання зразків керна льоду з проекту Гренландського крижаного покриву, який здійснювався в 1970-х і 1980-х роках і включав Dye 3.

Перебування Стеффенсена як куратора почалося в 1991 році, коли він розробив розширену установку для зберігання льоду з європейського проекту Greenland Icecore. Цей більший об’єкт, розташований у покинутому промисловому комплексі неподалік від кампусу Копенгагенського університету, прийшов на допомогу, коли американським дослідникам знадобилося зберігати велику кількість льоду, спочатку пробуреного десятиліттями тому з гренландського Кемп Сенчурі та станції Берд в Антарктиді.

До 2001 року команда Штеффенсена перетворила колишнє ядерне бомбосховище в будівлі університету на сховище, довівши загальну колекцію приблизно до 750 ящиків льоду. Архів ще більше розширився, оскільки на початку 2010-х років проект буріння льоду Північної Гренландії Eemian повернув зразки керну на 2,5 кілометри, а також зразки, повернуті з Проекту льоду Східної Гренландії, який триває.

Коли в 2019 році крижаний архів переїхав на своє теперішнє місце, Штеффенсен скористався можливістю, щоб детальніше проінвентаризувати його вміст. Саме так він і Даль-Йенсен виявили 30 скляних банок з мулом і каменем з дна керна Camp Century, зібраного в 1966 році, а також паперовий журнал, який встановив глибину, з якої потрапив кожен зразок.

Завдяки кращим інструментам і технологіям, ніж могли собі уявити вчені часів холодної війни, дослідники тепер мали можливість відкрити нові подробиці про далеке минуле Гренландії. Заморожений матеріал з того місця, де почалися дослідження керна льоду, міг розповісти більше історій.

Потужна пара датських гляціологів повідомила Національний науковий фонд США та запросила провідних експертів до Копенгагена, щоб особисто побачити цей знову відкритий скарб. Пол Бірман, професор Університету Вермонта, який вивчає давній бруд для підказок до історії нашої планети, був приголомшений — він думав, що осад Кемп-Сенчурі був втрачений.

Побачити ці зразки бруду з Camp Century, що зберігаються в скляних банках, було одним із тих «моментів, що викликають мурашки, — каже Бірман. – Ти кажеш: Вау, це існує».

Датчани спочатку надіслали групі Бірмана два зразки для дослідження у своїй лабораторії у Вермонті. Запах рідини, яка була використана для утримання початкового бурового отвору відкритим — суміші дизельного палива та хімікатів для хімчистки — був сильним у пакетах із зразками. Але команда була ще більше здивована, коли швидкий погляд під мікроскопом виявив скам’янілості стародавніх рослин у талій воді із зразка осаду.

Щоб більш повно дослідити стародавню екосистему та визначити більш точну дату, коли ці рослини жили, Вермонтській групі знадобилося більше матеріалу для аналізу та поширення серед інших вчених. Дрю Кріст, співробітник Бірмана та докторський науковий співробітник Університету Вермонта в той час, провів три тижні в жовтні 2021 року, ретельно вирізаючи зразки в тому, що Штеффенсен називає «читальною кімнатою» Копенгагенського льодосховища — передпокої, приєднаній до морозильника, який зберігається при «більш приємній» -18 °C.

Оскільки навколишні стельові ліхтарі можуть вплинути на речовини у глибоких зразках, Крісту довелося виконувати роботу з точного різання в темряві, освітлюючи обладнання маленькими червоними велосипедними ліхтарями. Це був «досвід сенсорної депривації», каже він, із лише дзижчанням вентиляторів у якості саундтреку.

Минулого року Бірман, Кріст та їхні співробітники охарактеризували нашарування осаду та знайшли макровикопні гілочки рослин верби, стебла та листя мохів і навіть залишки деяких комах. Ці нові відомості з відкладень із глибини 1,39 кілометра під Кемп Сенчурі допомагають цій великій міжнародній співпраці вчених намалювати більш детальну картину того часу в давньому минулому, коли ця частина Гренландії була вкрита зеленою землею, і того, що сталося потім.

«У якийсь момент між 1,4 і 3,2 мільйонами років тому, — каже Христос, — крижаний покрив відступив, і ландшафт був вільний від льоду». З тих пір ця територія циклічно рухалася крізь льодовиковий покрив, просуваючись, відступаючи, щоб уможливити появу екосистеми тундри, і знову просуваючись, щоб покрити ландшафт.

Дослідницька група хоче точно встановити, коли лід покинув північно-західну Гренландію, наскільки це спричинило підвищення рівня моря та скільки часу проіснували вільні від льоду екосистеми, перш ніж льодовиковий покрив знову повернувся. Розуміння зв’язку між динамікою льодовикового покриву та кліматичними змінами також дає змогу вченим прогнозувати майбутню швидкість танення Гренландії та майбутнє підвищення рівня моря. Це актуально для мільярдів людей у всьому світі, особливо в прибережних громадах. «Вони вже піддаються впливу з високих рівнів моря під час ураганів і сильних зимових штормів», — каже Кріст.

Зміна клімату ще не сильно вплинула на ділянку, де Штеффенсен і його команда сподіваються завершити буріння глибокого керна цього літа, на проекті East Greenland Ice-Core. Але Кемп Сенчурі, це гренландське «місто під льодом», може стати відкритим приблизно до 2090 року через танення. Радіоактивні відходи з атомної електростанції на місці та інші токсичні матеріали в результаті можуть потрапити в океан.

Серед похмурих наслідків зміни клімату Стеффенсен все ще захоплюється історичними примхами, які містяться в копенгагенському архіві морозильної камери. «Різдвяний сніг» йде приблизно з 430 метрів під поверхнею Гренландії. Штеффенсен розповідає, що під нею лежало 44 роки снігопаду, там лежить лід, який відповідає тому часу, коли було вбито Юлія Цезаря, а сонце нібито зникло, що спричинило сільськогосподарську та економічну руйнацію.

У морозильній камері також збереглися позитивні зміни, — розповідає Стеффенсен. Кількість радіоактивного матеріалу у льоді зростала з 1945 по 1963 рік, а потім знизилася через мораторій на ядерну зброю. Сліди фреону впали після Монреальського протоколу 1987 року щодо відновлення озонового шару шляхом зменшення вмісту хлорфторвуглеців.

«Крижані керни дійсно можуть розповісти історію успіхів у контролі всіх цих викидів», — каже він. «Тож сподіваємось, що колись у майбутньому ми зможемо також відстежувати падіння парникових газів».

За матеріалами: Hakaimagazine.com

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Коментуйте, будь-ласка!
Будь ласка введіть ваше ім'я

Євген
Євген
Євген пише для TechToday з 2012 року. Інженер за освітою. Захоплюється реставрацією старих автомобілів.

Vodafone

Залишайтеся з нами

10,052Фанитак
1,445Послідовникислідувати
105Абонентипідписуватися