Na tropie prehistorycznego rdzenia lodowego

Rdzenie lodowe, czyli wydobywane za pomocą specjalnych wierteł próbki z głębi lądolodów, pomagają nam w badaniu historii klimatu. Im starszy lód, tym dalej w przeszłość pozwala zajrzeć. Naukowcy namierzyli miejsce, z którego być może uda się wydobyć rdzeń lodowy sprzed 1,5 miliona lat. Jak to zrobili?

Badania dawnego klimatu pozwalają lepiej zrozumieć działanie ziemskiej „maszyny klimatycznej” oraz przewidywać do jakich zmian doprowadzą powodowane przez nas zaburzenia w systemie klimatycznym. Wyróżniającym się źródłem danych paleoklimatycznych są rdzenie lodowe, gdyż stanowią ciągły zapis tego jak rok po roku zmieniał się klimat (więcej w cyklu Paleoklimatologia: o co w tym w ogóle chodzi?).

Lądolody powstają w wyniku opadów śniegu – co roku pokrywa je nowa warstwa puchu, który z czasem osiada, jest przygniatany kolejnymi warstwami opadów, częściowo topnieje i znów zamarza, z czasem tworząc twarde pokłady lodu. Możemy w nim wykonywać odwierty i wydobywać z głębi lodowe cylindry, których kolejne warstwy odpowiadają kolejnym latom opadów śniegu.

Możemy odróżniać roczne warstwy lodowe i datować je na wiele sposobów. Z uwięzionych w lodzie pęcherzyków powietrza, drobin pyłu i na podstawie proporcji izotopów węgla, tlenu, wodoru i innych pierwiastków możemy uzyskać wiele informacji, np. odtworzyć historię zmian koncentracji gazów cieplarnianych, temperatury czy aerozolu atmosferycznego.

Rekordowy rdzeń lodowy EPICA z Antarktydy Wschodniej, wydobyty z kopuły lodowej Dome C, długości 3 kilometrów, sięga blisko 800 tys. lat wstecz. Dzięki jego badaniom udało się poznać historię zmian klimatu ostatnich setek tysięcy lat: cykle epok lodowych składające się z długich okresów chłodnego klimatu co ok. 100 tys. lat, przerywanych krótkimi okresami ciepłymi.

Zmiana okresu epok lodowych 800 tys. lat temu

Naukowcy bardzo chcieliby wejść w posiadanie rdzenia lodowego sięgającego znacznie dalej w przeszłość. Pozwoliłoby to w szczególności zebrać więcej informacji na temat zmiany zachowania cyklu epok lodowych. Sterują nim niewielkie zmiany orbity i ustawienia osi obrotu Ziemi, spowodowane oddziaływaniem innych planet. Znane są one pod nazwą cykli Milankovicia, od nazwiska serbskiego naukowca. Kształtują je:

• zmiany eliptyczności (ekscentryczności, mimośrodu) orbity Ziemi, od prawie kołowej do lekko wydłużonej, zachodzące w okresie około 400 tys. lat, z nałożonymi na niego cyklami 95 tys. i 125 tys. lat, łącznie w przybliżeniu dającymi zmiany w okresie ok. 100 tys. lat;
• precesja, czyli zmiany kierunku ustawienia w przestrzeni osi obrotu Ziemi (która cyklicznie zakreśla w przestrzeni stożek) oraz przesuwania się peryhelium orbity, w sumie mające cykl o okresie ok. 21 tys. lat;
• nutacja, czyli zmiany kąta odchylenia osi obrotu Ziemi od prostej prostopadłej do jej orbity, od 22,1 stopnia do 24,5 stopnia co około 41 tys. lat.

O ile w ostatnich 800 tys. lat Ziemia przechodziła przez cykl epok lodowych co ok. 100 tys. lat, związany ze zmianami eliptyczności orbity Ziemi, to we wcześniejszym okresie, trwającym przez ponad 2 mln lat, dominował cykl liczący 41 tys. lat. Ponieważ jednak szczegóły tych cykli wciąż nie są dobrze zbadane, zdobycie rdzenia lodowego sięgającego znacząco poza moment zmiany okresu cyklu epok lodowych jest tak istotne dla poszerzenia naszej wiedzy.

Dysponujemy już próbkami lodu z tamtego okresu – najstarsze, jakie udało się pozyskać, pochodzące z lądolodu Antarktydy, liczą sobie 2,7 mln lat. Ocenia się, że głębokich warstwach lądolodu, pod około 1% powierzchni Antarktydy znajduje się bardzo stary, tzw. „niebieski lód”. Gdzieniegdzie, w miejscach takich jak skaliste łańcuchy górskie, przepływ lądolodu powoduje wynoszenie głębokich warstw takiego starego lodu bliżej powierzchni.

W takim przypadku nie występują niestety stosunkowo łatwe do datowania warstwy, trzeba więc sięgać po metody datowania izotopowego, bazujące np. na analizie koncentracji izotopów potasu 40K i argonu 40Ar w próbkach. Są one znacznie mniej dokładne od metod datowania „standardowych” rdzeni lodowych i pozwalają na oszacowanie wieku lodu z dokładnością do jedynie ok. 100 tys. lat (Bender i in., 2007). Obrazowo mówiąc, o ile rdzenie lodowe przypominają ciągłe nagranie filmu o dawnym klimacie, to kawałki niebieskiego lodu przypominają króciutkie migawki dużo mniej precyzyjnie zlokalizowane w czasie (więcej na ten temat w artykule Rekordowo stary, liczący sobie 2,7 mln lat rdzeń lodowy z Antarktydy).

Gdzie szukać najstarszych rdzeni lodowych?

Lądolód Antarktydy liczy sobie ok. 30 mln lat, dlaczego więc tak trudno znaleźć stary lód?

Przyjrzyjmy się życiu lądolodu. Powstaje on, gdy kolejne warstwy padającego na lądzie śniegu ulegają ściśnięciu i zamianie w lód, stopniowo formując system powiązanych ze sobą lodowców, a ostatecznie gigantyczną lodową kopułę, która – podobnie jak zwykły lodowiec – nabiera plastyczności i zaczyna pod wpływem grawitacji spływać w dół, jak masa gęstego miodu. W rezultacie kopuła lądolodu znajduje się w ciągłym ruchu i jest drenowana przez liczne lodowe „rzeki” – strumienie lodowe – które, wciskając się w obniżenia, formują na obrzeżach szerokie jęzory. Gdy lądolód ma stały rozmiar, masa zasilających go opadów śniegu równa jest masie traconej w wyniku topnienia powierzchniowego i cielenia się gór lodowych do oceanu. Tak więc lodu uformowanego przed milionami lat dawno już nie ma…

…chyba że znalazł się w takim miejscu, z którego lód nie rozpływał się na boki. Jednak nawet wtedy nie znaleźlibyśmy lodu sprzed 30 mln lat. Wynika to z tego, że w miarę jak lądolód staje się coraz grubszy, rośnie jego opór termiczny – do tego stopnia, że płynące z wnętrza Ziemi ciepło powoli topi jego najgłębsze warstwy, znajdujące się w kontakcie ze skałami.

W stabilnych warunkach klimatycznych lądolód pozostaje w równowadze i ma stałą grubość: przy braku rozpływania się lodu na boki na dole topnieje w takim tempie, w jakim przyrasta na górze w wyniku opadów. Aby znaleźć jak najstarszy lód powinniśmy więc szukać w miejscach, gdzie lodowiec jest gruby, a opady śniegu są jak najmniejsze. Większe opady śniegu mają miejsce tam, gdzie jest cieplej, np. blisko wybrzeży Antarktydy Zachodniej (przy czym przez „ciepło” oznacza średnioroczne temperatury rzędu –30°C). Mniejsze zaś tam, gdzie jest zimniej, w szczególności na położonych wysoko terenach Antarktydy Wschodniej.

Namierzanie idealnego miejsca

Podczas antarktycznego lata 2019–2020 grupa naukowców udała się w okolice miejsca, gdzie pozyskano rdzeń EPICA – na kopułę Dome C, uważaną za jeden z najbardziej obiecujących obszarów do pozyskania rdzenia lodowego liczącego ponad milion lat. W opublikowanym ostatnio artykule (Lilien i in., 2021) badacze stawiają znak ‘X’ na mapie lokalizacji skarbu – miejsca, gdzie należy wiercić, aby pozyskać rdzeń lodowy nawet dwukrotnie starszy od rdzenia EPICA. To tzw. Little Dome C, 35 km od francusko-włoskiej stacji badawczej Concordia.

Z pomocą stratygrafii radarowej oraz zaawansowanych metod numerycznych naukowcy wykonali pomiary rzeźby dna oraz określili izochrony lodu (czyli na jakiej głębokości znajduje się lód o określonym wieku). W kalibracji izochron wykorzystano dane pozyskane w niedaleko położonym projekcie EPICA, pozwalające powiązać głębokość z wiekiem lodu.

W oparciu o te izochrony określono miejsce optymalne do przeprowadzenia odwiertu. Nazwano je BELDC (Beyond EPICA Little Dome C). Powinien znajdować się tam lód dużo starszy niż w miejscu wydobycia rdzenia EPICA. W BELDC pod izochroną 600 tys. lat znajduje się jeszcze 375 metrów starszego lodu.

Według modelu przemieszczania się lodu w tym miejscu, skalibrowanego w oparciu o profil terenu i izochrony, lód liczący 1,5 mln lat powinien występować aż 265 metrów powyżej skał podłoża i 65 metrów powyżej granicy warstwy, w której interakcje z podłożem mogą poważnie zakłócać jego strukturę. Co więcej, rozdzielczość czasowa w warstwie liczącej 1,5 mln lat, szacowana jest na 19 tys. lat lodu na metr głębokości, co byłoby wystarczające do zbadania liczących 41 tys. lat cykli epok lodowych.

Wyniki badań zespołu Davida Liliena stanowią ważne odkrycie. Prawdopodobnie szybko doczekamy się wyprawy badawczej, której celem będzie pozyskanie rdzenia lodowego dwukrotnie starszego od dotychczasowego rekordzisty.

Marcin Popkiewicz