Среда, 29 мая, 2024

Библиотека льда: зачем учёные хранят замороженную воду

В узком проходе полок, заставленных картонными коробками, Йорген Педер Стеффенсен разворачивает сверток, доставая завернутый в полиэтилен кусок льда из коробки с пометкой Keep Frozen (держать замороженным). Этот мешок льда содержит переход от 1 года до н. до 1 года н. «Это значит, что у нас настоящий рождественский снег», — говорит он.

Этот кусок льда, чуть длиннее его руки, внешне ничем не отличается от современного льда. Однако попавшие в него пузыри сохраняют химический состав воздуха Гренландии более двух тысячелетий назад. «Но мы не можем найти никаких следов северных оленей или волшебной пыли», — иронизирует Стеффенсен.

В этой морозильной установке в Дании команда Стеффенсена из Института Нильса Бора Копенгагенского университета хранит около 40 000 сегментов ледяных кернов, длинных цилиндров льда из полярных регионов, сохраняющих историю прошлого климата.

Помимо каталогизации замороженных сокровищ, Штеффенсен сотрудничает в исследованиях, выкапывающих исторические тайны, скрытые во льду, и осуществляет логистику для международного проекта бурения в Гренландии, чтобы получить еще более глубокие образцы.

Копенгаген является одним из нескольких мест в мире, где куски льда, выбуренные из конечностей нашей планеты, безопасно охлаждают. Другие крупные исследовательские морозильные камеры находятся в Соединенных Штатах, Австралии, Франции, Италии, Германии, России и Японии.

По словам Штеффенсена, у Копенгагена больше всего образцов из самых глубоких кернов мира, что составляет 15,5 километров льда. Приблизительно столько расстояние от лаборатории Штеффенсена в центре Копенгагена до этого склада с желтой плиткой в ??индустриальном парке, где с 2019 года размещается архив льда.

И лаборатория, и морозильная камера являются временными, ожидая завершения масштабного строительного проекта для нового помещения университета.

В архиве также хранятся дополнительные пять километров льда из более коротких кернов, пробуренных в Гренландии, Антарктиде, Исландии, Патагонии и леднике в словацкой пещере. Некоторые образцы льда были получены от инициатив с сильным участием Дании, в то время как другие были получены от исследователей за границей.

Керны льда служат важными историческими записями для ученых, интересующихся тем, как изменился климат нашей планеты, будь то в далеком прошлом или недавно.

Как и кольца деревьев, образовавший этот лед слои снега можно подсчитать и соотнести с годами прошлого. «Все эти ежегодные слои снегопада находятся только в одной ненарушенной последовательности назад во времени, – говорит Стеффенсен. – Чем глубже ты идешь, тем дальше ты возвращаешься во времени».

Но одно ядро, вероятно, не имеет постоянной записи истории: его хронология слоев снегопада могла быть нарушена локальными погодными явлениями тысячелетия назад. Вот почему важно иметь несколько основных образцов за один и тот же период времени, извлеченных из разных мест, чтобы сравнить результаты и подтвердить научные выводы.

Гренландия и Антарктида содержат многочисленные международные места бурения льда. «Для того, чтобы получить климатический сигнал, нужно объединить более одной записи керна льда», — говорит Мария Горхольд, гляциолог из Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца в Бремергафене, Германия, которая возглавляла нечто Гренландия.

Как куратор льда в Копенгагене, Штеффенсен описывает свою работу как библиотекаря, управляющего «томами» льда, содержащих секреты истории климата Земли. Но когда исследователи хотят позаимствовать образец, Стеффенсен не может просто отсканировать штрих-код. У членов международных коопераций, которые бурили соответствующий керн, есть руководящие комитеты, которые предоставляют доступ и определяют количество, которое можно потратить. Стеффенсен также пишет мнение о том, какую часть керна можно сэкономить, имея в виду сохранение непрерывности исторических данных о леде.

В отличие от книги, ушедший для изучения лед никогда не вернется. Исследования истории химии атмосферы, температурных записей и древней ДНК продолжаются, но они нуждаются в плавлении или испарении, чтобы добраться до упакованных во льду веществ.

Полки этой библиотеки без окон от пола до потолка защищают около 1900 картонных коробок и ящиков со льдом. Система теплового насоса отводит тепло от морозильной камеры и распределяет холодный воздух с помощью громких вентиляторов, охлаждая комнату до -30 гад. Цельсия. Здесь так же холодно, как в некоторых районах Гренландии, где Штеффенсен более 40 лет ездит в экспедиции, чтобы бурить и добывать древний лед.

В случае отключения электроэнергии контейнеры для хранения льда, также используемые для доставки льда из полярных регионов, настолько хорошо изолированы, что лед будет оставаться замороженным примерно 20 часов при 20 градусах Цельсия. Бетонный пол также защитный. А морозильная камера имеет две разные системы охлаждения на случай механической поломки одной.

«Если он растает, это будет настоящей убийцей рабочих мест», — говорит Штеффенсен.

Но таяние льда по всему миру побуждает таких исследователей, как Штеффенсен, продолжать тяжелую работу как по бурению льда, так и по исследованию тайн. С повышением глобальной средней температуры до 1,5 градуса Цельсия выше доиндустриального уровня в следующем десятилетии таяния полярных ледовых шапок и, как следствие, повышение уровня моря вызовет каскад катастрофических последствий, угрожающих взорвать экосистемы, экономику и средства к существованию.

Исследование глубинных кернов льда в Арктике и Антарктиде, подобных хранящимся в Копенгагене, помогло продемонстрировать, как деятельность человека, а не природные циклы, влечет за собой изменения климата сегодня. Химические вещества атмосферы, содержащиеся в воздушных пузырьках в образцах глубокого льда, сохраняют историю природных циклов нашей планеты до человеческой деятельности и показывают, как индустриальная эпоха повлекла за собой изменения.

Замерзшая грязь также учит ученых о том, когда Гренландия последний раз таяла и какая флора и фауна там процветала. В сочетании со спутниковыми и воздушными данными о повышении уровня моря и потере массы ледникового покрова керны льда могут быть обнаружены мощные индикаторы как истории климата, так и будущих воздействий климата. Чем больше областей, где ученые смогут бурить, тем лучше представление о том, насколько ледниковый покров Гренландии устойчив к изменению климата.

Сейчас ему за 60, Штеффенсен начал свой путь к тому, чтобы стать телохранителем льда, когда он был студентом Копенгагенского университета. Он изучал физику и математику и планировал провести лето 1980, руководя проектором в арт-хаусном кинотеатре, но тут зазвонил телефон. Гляциологу Вилли Дансгаарду срочно требовались дополнительные рабочие руки для проекта бурения льда. Дансгаард слышал о Штеффенсене, потому что молодой человек возглавлял организацию университетского городка, которая контролировала университетскую обучающую программу по физике – редкая должность для студента. Он спросил, хочет ли Штеффенсен провести шесть-семь недель в Гренландии.

Много лет назад, в 1952 году, Дансгаард, пионер в области гляциологии, совершил фундаментальное открытие для научной работы, которой Стеффенсен и его коллеги занимаются сегодня. Он показал связь между соотношением двух природных изотопов кислорода в образце воды и атмосферной температурой облака, откуда возникла вода. Позже ученые используют это осознание для изучения воды в форме льда, чтобы начертить историю атмосферных температур за тысячи лет.

Позже Дансгаард подверг эту технику монументальным испытаниям благодаря американской военной инициативе под названием Проект Iceworm. Эта секретная миссия времен холодной войны в Гренландии предусматривала копание тоннелей для хранения и размещения ядерных ракет, но также создала Camp Century, так называемый город под льдом для военнослужащих, включавший кафетерий, зал отдыха, парикмахерскую и спальные помещения, все соединенные через туннели. .

Скрывая скрытый мотив проекта Iceworm, Соединенные Штаты объявили о большой научной работе по бурению льда. Это было не просто прикрытие – в 1966 году благодаря бурению исследователи впервые достигли дна активного ледяного покрова глубиной 1,39 километра.

Американский геолог Честер Лэнгвэй, разработавший международную исследовательскую программу в Camp Century, сотрудничал с Dansgaard, чтобы исследовать историю, заложенную в керне льда. Их статья в журнале Science года, в которой керны использовались для нанесения на карту 100 000 лет истории климата Земли, стала «свидетельством о рождении исследований керна льда», – говорит Стеффенсен.

Теперь у ученых есть проверенный способ вернуться в прошлое, чтобы увидеть, какова была атмосфера Земли в прошлом. Более того, результаты свидетельствуют о неизвестных ранее внезапных колебаниях температуры до конца последнего ледникового периода. Но, чтобы подтвердить эти быстрые изменения температуры, им понадобилось больше образцов. После завершения военного проекта Camp Century ученые собрали финансирование из ряда стран для бурения на новых участках.

Этот судьбоносный телефонный звонок от Дансгаарда 4 июля 1980 года поставил Штеффенсена в авангард науки о ледовых кернах. Несмотря на то, что молодой 20-летний парень не имел опыта бурения льда, Дансгаард приглашал его принять участие в международном буровом проекте в Гренландии под названием Dye 3. Через четыре дня Штеффенсен вылетел.

Команда Dye 3 использовала сверло ISTUK, разработанное Данией, названное в честь гренландского слова «ледоруб» или «сверло», а также датское слово «лед». Бурь длиной 11,5 метров производил около 120 метров керна диаметром 10 сантиметров в неделю.

Штеффенсен быстро увлекся идеей, что по мере того, как команда углубилась глубже, они получили доступ к записи новой части истории. Правление Марка Аврелия. Извержение Везувия. Время августа. Пунические войны. «Мы стояли с тем льдом в руках, – говорит он. – Это было очень круто».

Работая в три смены в течение 24 часов, команда достигла 901 метра, прежде чем их электроника вышла из строя из-за неисправной барокамеры.

Эта поездка положила начало делу жизни Штеффенсена со льдом. Во время своей следующей поездки в Гренландию в 1981 году Штеффенсен работал в ночную смену бурения с Дортом Даль-Йенсеном, сокурсницей Копенгагенского университета. Позже Дансгаард писал о них: «Мы обнаружили двух молодых людей (и они друг друга), которые впоследствии должны стать выдающимися участниками наших гляциологических исследований». В 1985 году Даль-Йенсен и Стеффенсен поженились, и у них родилось четверо детей. Даль-Йенсен стала ведущей силой в этой области и в конечном счете заняла должность Дансгаарда в Копенгагенском университете.

Проект Dye 3 стал фундаментом в августе 1981 года, и проект дал керн протяженностью более двух километров, который был разделен на 61 000 образцов и отправлен в Копенгаген. Хотя исследователи не достигли столь далекого прошлого, как ядро ??Camp Century, образцы Dye 3 подтвердили противоречивый вывод Дансгаарда о температурных колебаниях во время последнего ледникового периода. Штеффенсен постепенно стал ответственен за хранение основных сегментов и координацию с международными партнерами по их курированию, готовя основу для своей карьеры библиотекаря.

Архив морозильной камеры в Копенгагене начался в подвале здания университетской лаборатории как место для хранения образцов керна льда из проекта Гренландского ледяного покрова, осуществлявшегося в 1970-х и 1980-х годах и включавшего Dye 3.

Пребывание Стеффенсена как куратора началось в 1991 году, когда он разработал расширенную установку для хранения льда по европейскому проекту Greenland Icecore. Этот крупный объект, расположенный в заброшенном промышленном комплексе недалеко от кампуса Копенгагенского университета, пришел на помощь, когда американским исследователям понадобилось хранить большое количество льда, первоначально пробуренного десятилетиями назад с гренландского Кемп Сенчури и станции Берд в Антарктиде.

К 2001 году команда Штеффенсена превратила прежнее ядерное бомбоубежище в здании университета в хранилище, доведя общую коллекцию примерно до 750 ящиков льда. Архив еще больше расширился, поскольку в начале 2010-х годов проект бурения льда Северной Гренландии Eemian вернул образцы керна на 2,5 километра, а также образцы, возвращенные из продолжающегося Проекта льда Восточной Гренландии.

Когда в 2019 году ледяной архив переехал на свое настоящее место, Штеффенсен воспользовался возможностью, чтобы подробнее проинвентаризировать его содержимое. Именно так он и Даль-Йенсен обнаружили 30 стеклянных банок с илом и камнем со дна Керна Camp Century, собранного в 1966 году, а также бумажный журнал, установивший глубину, из которой попал каждый образец.

Благодаря лучшим инструментам и технологиям, чем могли представить ученые времен холодной войны, исследователи теперь имели возможность открыть новые подробности о далеком прошлом Гренландии. Замороженный материал с того места, где начались исследования керна льда, мог поведать больше историй.

Мощная пара датских гляциологов сообщила Национальный научный фонд США и пригласила ведущих экспертов в Копенгаген, чтобы лично увидеть это вновь открытое сокровище. Пол Бирман, профессор Университета Вермонта, изучающий древнюю грязь для подсказок к истории нашей планеты, был ошеломлен — он думал, что осадка Кэмп-Сенчури была потеряна.

Увидеть эти образцы грязи из Camp Century, хранящиеся в стеклянных банках, было одним из тех моментов, которые вызывают муравьи, — говорит Бирман. – Ты говоришь: Вау, это существует».

Датчане сначала послали группе Бирмана два образца для исследования в своей лаборатории в Вермонте. Запах жидкости, которая была использована для удержания начального бурового отверстия открытым – смеси дизельного топлива и химикатов для химчистки – был сильным в пакетах с образцами. Но команда была еще больше удивлена, когда быстрый взгляд под микроскопом обнаружил окаменелость древних растений в талой воде из образца осадка.

Чтобы более полно исследовать древнюю экосистему и определить точную дату, когда эти растения жили, Вермонтской группе понадобилось больше материала для анализа и распространения среди других ученых. Дрю Крист, сотрудник Бирмана и докторский научный сотрудник Университета Вермонта в то время, провел три недели в октябре 2021 года, тщательно вырезая образцы в том, что Штеффенсен называет «читальной комнатой Копенгагенского ледохранилища — прихожей, присоединенной к морозильнику, который хранит приятной» -18 °C.

Поскольку окружающие потолочные фонари могут повлиять на вещества в глубоких образцах, Кристу пришлось выполнять работу по точной резке во тьме, освещая оборудование маленькими красными велосипедными фонарями. Это был «опыт сенсорной депривации», говорит он, с жужжанием вентиляторов в качестве саундтрека.

В прошлом году Бирман, Крист и их сотрудники охарактеризовали наслоение осадка и нашли макроископаемые веточки растений ивы, стебли и листьев мхов и даже остатки некоторых насекомых. Эти новые сведения из отложений из глубины 1,39 километра под Кемп Сенчури помогают этому большому международному сотрудничеству ученых нарисовать более подробную картину того времени в древнем прошлом, когда эта часть Гренландии была покрыта зеленой землей и случившегося потом.

«В какой-то момент между 1,4 и 3,2 миллионами лет назад, – говорит Христос, – ледяной покров отступил, и ландшафт был свободен ото льда». С тех пор эта территория циклически двигалась сквозь ледниковый покров, продвигаясь, отступая, чтобы сделать возможным появление экосистемы тундры, и снова продвигаясь, чтобы покрыть ландшафт.

Исследовательская группа хочет точно установить, когда лед покинул северо-западную Гренландию, насколько это повлекло за собой повышение уровня моря и сколько времени просуществовали свободные ото льда экосистемы, прежде чем ледниковый покров снова вернулся. Понимание связи между динамикой ледникового покрова и климатическими изменениями позволяет ученым прогнозировать будущую скорость таяния Гренландии и будущее повышение уровня моря. Это актуально для миллиардов людей по всему миру, особенно в прибрежных общинах. «Они уже подвергаются воздействию с высоких уровней моря во время ураганов и сильных зимних штормов», — говорит Крист.

Изменение климата еще не сильно повлияло на участок, где Штеффенсен и его команда надеются завершить бурение глубокого керна этим летом на проекте East Greenland Ice-Core. Но Кэмп Сенчури, это гренландский «город под льдом», может стать открытым примерно к 2090 году из-за таяния. Радиоактивные отходы с атомной электростанции на месте и другие токсичные материалы могут попасть в океан.

Среди мрачных последствий изменения климата Стеффенсен все еще восхищается историческими капризами, содержащимися в копенгагенском архиве морозильной камеры. «Рождественский снег» идет примерно с 430 метров под поверхностью Гренландии. Штеффенсен рассказывает, что под ней лежало 44 года снегопада, там лежит лед, соответствующий тому времени, когда был убит Юлия Цезарь, а солнце якобы исчезло, что повлекло за собой сельскохозяйственное и экономическое разрушение.

В морозильной камере также сохранились положительные изменения, – рассказывает Стеффенсен. Количество радиоактивного материала во льду росло с 1945 по 1963 год, а затем снизилось из-за моратория на ядерное оружие. Следы фреона упали после Монреальского протокола 1987 г. о восстановлении озонового слоя путем уменьшения содержания хлорфторуглеродов.

«Ледяные керны действительно могут рассказать историю успехов в контроле всех этих выбросов», — говорит он. «Надеемся, что когда-нибудь в будущем мы сможем также отслеживать падение парниковых газов».

По материалам: Hakaimagazine.com

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

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

Євген
Євген
Евгений пишет для TechToday с 2012 года. По образованию инженер,. Увлекается реставрацией старых автомобилей.

Vodafone

Залишайтеся з нами

10,052Фанитак
1,445Послідовникислідувати
105Абонентипідписуватися