Войти
Образец ледяного керна, взятый из бурового снаряда. Фото Лонни Томпсон, Центр полярных исследований Берда Керн льда - это образец керна, который обычно удаляется из льда лист или высокогорный ледник. Ледяное ледяное покрытие выше верхних, образовавшееся в ряде лет. Керны просверливаются ручными шнеками (для неглубоких скважин) или механическими бурами; они могут достичь глубины более двух миль (3,2 км) и содержать лед возрастом до 800 000 лет.
Физические свойства льда и материала, заключенного в нем, могут быть использованы для реконструкции климата во всем возрастном диапазоне ядра. Соотношения различных изотопов кислорода и водорода дают информацию о древних температурах, а воздух, соответствующий заключенный в крошечные пузырьки, может быть проанализирован для определения уровня атмосферных газов, таких как как диоксид углерода. Тепловой поток в большом ледяном покрове очень медленный, температура в скважине еще одним показателем в прошлом. Эти данные можно объединить, чтобы найти климатическую модель, которая наилучшим образом соответствует всем имеющимся данным.
Примеси в ледяных кернах могут зависеть от местоположения. Прибрежные районы с большей вероятностью содержат материалы морского происхождения, такие как ионы морской соли . Гренландия ледяные керны содержат слои переносимой ветром пыли, которые коррелируют с холодными и засушливыми периодами в прошлом, когда холодные пустыни размывались ветром. Радиоактивные элементы либо естественного происхождения, либо созданные в результате ядерных испытаний, можно использовать для определения возраста льда. Различные временные масштабные механизмы, которые можно использовать для различных временных масштабов, были достаточно мощными, чтобы разнести материал по всему земному шару.
Ледяные керны изучаются с начала 20-го века, и несколько кернов были пробурены в результате проведения Международного геофизического года (1957–1958). Были достигнуты глубины более 400 м, рекорд, который был увеличен в 1960-х годах до 2164 м на станции Берд в Антарктиде. Советские проекты ледового бурения в Антарктиде включают десятилетия работы на станции Восток с глубиной керна 3769 м. За прошедшие годы было завершено множество других глубоких кернов в Антарктике, включая проект Западно-антарктический ледяной щит и керны, находящиеся под управлением Британской антарктической службы и Международная транс- Антарктическая научная экспедиция. В Гренландии серия совместных проектов началась в 1970-х годах с проекта «Гренландский ледяной щит» ; Было реализовано несколько последних проектов, в том числе самый последний, Проект Ice-Core в Гренландии, который, как ожидается, завершит глубокое строительство в Гренландии в 2020 году.
Образцы поверхности ледника Таку на Аляске. Между поверхностным снегом и голубым ледниковым льдом все более плотный фирн. Ледяное ядро представляет собой вертикальный столб в леднике, отбирающий образцы слоев, образовавшихся в течение годового цикла снегопада и таяния. По мере накопления снега каждый слой давит на нижние слои, их плотнее, пока они не превратятся в фирн. Фирн недостаточно плотный, чтобы воздух не выходил; но при плотности около 830 кг / м он превращается в лед, а воздух внутри запечатывается в пузырьки, которые отражают состав атмосферы во время образования льда. Глубина, на которой это происходит, зависит от местоположения, но в Гренландии и Антарктике она колеблется от 64 до 115 метров. Скорость снегопада для проведения переговоров по участку в участку, возраст компании, когда он превращается в лед, регионально. В Summit Camp в Гренландии, глубина 77 м, возраст льда 230 лет; на Куполе C в Антарктиде глубина 95 м и возраст 2500 лет. 1500 м кристаллическая структура лед изменяется с гексагональной на кубическую, позволяя молекулам воздуха перемещаться в кубические кристаллы и образовывать клатрат. Пузырьки исчезают, и лед становится более прозрачным.
Два или три фута снега могут превратиться в лед толщиной менее фута. Из-за веса выше более глубокие слои льда становятся тонкими и вытекают наружу. Лед теряется по краям ледника до айсбергов или из-за летнего таяния, и общая форма ледника не меняется со временем. Уходящий поток может исказить слои, поэтому желательно пробурить глубокие керны льда в местах с очень слабым потоком. Их можно найти с помощью карт линий потока.
Примеси во льду информацию об окружающей среде с момента их осаждения. Лесных пожаров и вулканов ; изотопы, такие как бериллий-10, созданные космическими лучами ; микрометеориты ; и пыльца. Самый нижний слой ледника, называемый базальным льдом, состоит из подледниковой воды, повторно замерзла. Его толщина может достигать около 20 м, и хотя он имеет научную ценность (например, он может содержать подледниковые микробные популяции), он часто не поддерживает стратиграфическую информацию.
Керны часто пробурены в таких областях, как Антарктида и центральная Гренландия, где температура почти никогда не бывает достаточно высокой, чтобы вызвать таяние, но летнее солнце все еще может изменить снег. В полярных регионах днем и ночью в течение местного лета и невидимо всю зиму. Он может сделать немного снега сублимирующим, оставляя верхний слой на дюйм или около того менее плотным. Когда солнце приближается к своей самой низкой точке на небе, температура падает и иней образуется на верхнем слое. Погребенный под снегом Первый лет, крупнозернистый иней сжимается в более светлые слои, чем зимний снег. В результате в керне льда можно увидеть чередующиеся полосы более светлого и темного льда.
Ледяной бур, запатентованный в 1932 году; конструкция очень похожа на современные шнеки, используемые для мелкого бурения. Ледяные керны собираются путем разрезания ледяного цилиндра таким образом, чтобы его можно было поднять на поверхность. Ранние керны часто собирали с помощью ручных шнеков, и они все еще используются для коротких скважин. Конструкция шнеков для ледового керна была запатентована в 1932 году, и с тех пор они мало изменились. Шнек представляет собой цилиндр со спиральными металлическими ребрами , обернутыми вокруг внешней стороны, на нижнем конце которых расположены режущие лезвия. Ручная шнеку можно вращать с помощью Т ручка или скобки ручки, и некоторые из них могут быть присоединены к ручным электробурам к мощности вращения. С помощью штатива для опускания и шнека можно извлекать керны глубиной до 50 м, но подъемный предел составляет около 30 м для шнеков с приводом от двигателя и меньше для ручных шнеков. Ниже этой возможности используются электромеханические или термические сверла.
Режущее устройство сверла находится на нижнем конце бурового ствола, труба, которая окружает керн, когда сверло режет вниз. Обломки (кусочки льда, срезанные сверлом) должны собираться в отверстие и утилизироваться, иначе они снизят режущую способность. Их можно удалить, утрамбовывая их в стенках скважины или в керне, путем циркуляции воздуха (сухое бурение) или с помощью бурового раствора (мокрое бурение). Сухое бурение ограничено глубиной около 400 м, так как ниже этой точки скважина закроется, поскольку лед деформируется под весом льда выше.
Буровые растворы выбираются для уравновешивания давления, чтобы скважина оставалась стабильный. Жидкость должна иметь низкую кинематическую вязкость, чтобы сократить время срабатывания (время, необходимое для извлечения бурового оборудования из скважины и возврата его на дно скважины). Более низкая скорость прохождения через буровой раствор может значительно увеличить время проекта - год или более для глубокого ствола. Жидкость должна как можно меньше загрязнять лед; он должен иметь свою токсичность в целях безопасности и минимизации воздействия на окружающую среду; он должен быть доступным по разумной цене; и его должно быть относительно легко транспортировать. Исторически существовало три основных типа ледяных буровых растворов: двухкомпонентные растворы на основе керосин -подобных продуктов, с фторуглеродами для увеличения плотности; соединения спиртов, включая водные растворы этиленгликоля и этанола ; и сложные эфиры, включая н-бутилацетат. Были предложены новые жидкости, включая новые жидкости на основе сложных эфиров, низкомолекулярные диметилсилоксановые масла, сложные эфиры жирных кислот и жидкости на основе керосина, смешанные с пенообразователями.
Вращательное бурение - основной метод бурения полезных ископаемых, он также использовался для бурения льда. В нем используется колонна бурильных труб , вращающаяся сверху, и буровой раствор закачивается вниз по трубе и обратно вокруг нее. Шлам удаляется из жидкости наверху ствола скважины, а затем жидкость закачивается обратно вниз. Этот подход требует длительного времени спуска, так как вся бурильная колонна должна быть поднята из скважины, и каждая длина трубы должна быть отдельно подключена, а затем повторно подключена при повторной установке бурильной колонны. Наряду с логистическими трудностями, связанными с доставкой тяжелого оборудования на ледовые щиты, это делает традиционные роторные буровые установки непривлекательными. Напротив, буровые установки на кабеле позволяют извлекать колонковый ствол из бурового снаряда, пока он все еще находится на забое скважины. Колонковый ствол поднимается на поверхность и керн удаляется; ствол снова опускается и снова присоединяется к буровой установке. Другой альтернативный вариант - это гибкая бурильная установка, в которой бурильная колонна является достаточно гибкой, чтобы ее можно было свернуть в бухту при нахождении на поверхности. Это устраняет необходимость отсоединения и повторного соединения труб во время спуска.
Механическая бурильная головка с режущими зубьями Необходимость в колонне бурильных труб, простирающейся от поверхности до забоя скважины, может быть устранена путем подвешивания вся скважинная сборка на армированном кабеле, который передает мощность на забойный двигатель. Эти сверла с тросовой подвеской друг как для мелких, так и для глубоких отверстий; для них требуется устройство против крутящего момента, такое как пластинчатые пружины, которые прижимаются к стволу скважины, чтобы предотвратить вращение бурового агрегата вокруг буровой головки при резке керна. Буровой раствор обычно циркулирует вниз по внешней стороне бура и обратно между керном и колонковым стволом; Шлам хранится в скважинной компоновке в камере над керном. После извлечения керна камера для шлама опорожняется для следующего прохода. Некоторые сверла были разработаны для извлечения второго кольцевого керна за пределами центрального керна, и в этих сверлах между двумя кернами может быть циркуляции. Буры с тросовой подвеской оказались наиболее надежной конструкцией для глубокого бурения льда.
Также можно использовать термические буры, которые режут лед через систему буровой головки, но они имеют некоторые недостатки. Некоторые из них были разработаны для работы в холодном льду; Они могут иметь плохое качество извлеченного ледяного керна. Ранние термические сверла, предназначенные для использования без бурового раствора, в результате были ограничены по глубине; более поздние версии модифицированы для работы в скважинах, заполненных жидкостью, но это уменьшило время проходки, и эти сверла сохранили проблемы предыдущих моделей. Кроме того, термические дрели обычно громоздки и могут оказаться непрактичными в использовании в областях, где возникают логистические трудности. Более поздние расширения включают использование антифриза, который устраняет необходимость нагревания сверла и, следовательно, снижает потребности сверла в энергии. Сверла с горячей водой использовать струи воды на буровой головке, чтобы растопить воду керна. Недостатки заключаются в том, что трудно точно контролировать размеры ствола скважины, керн нельзя легко сохранить стерильным, а тепло может вызвать тепловой удар керн.
При бурении в умеренного льда термические сверла имеют преимущество перед электромеханическими (ЭМ) сверлами: лед, растаявший под давлением, может повторно замерзнуть на буровых долотах с ЭМ, сниженная эффективность резания и забивая другие части механизма. ЭМ-буровые установки также более склонны к разрушению кернов льда там, где лед находится под высоким напряжением.
При бурении глубоких скважин, требующих бурового раствора, скважина должна быть обсаженной (оснащенной цилиндрической футеровкой), так как иначе буровой раствор будет впитываться снегом и фирном. Кожух должен доходить до непроницаемых слоев льда. Для установки обсадной колонны можно использовать неглубокий шнек для создания пилотного отверстия, затем расширяют (расширяют) до тех пор, пока оно не станет достаточно широким для установки обсадной трубы; Также можно использовать шнек большого диаметра. Альтернативное использование воды в скважине для насыщения пористого снега и фирна; вода в конечном превращается в лед.
Не все ледяные керны с разной глубиной одинаково востребованы научными исследователями, что может привести к нехватке ледяных кернов на определенных глубинах. Чтобы решить эту проблему, была проделана работа над технологией повторяющихся кернов: дополнительных кернов, извлекаемых путем бурения в боковой стенке ствола скважины на глубинах, представляющих особый интерес. Реплики керна были успешно извлечены на водоразделе WAIS в сезоне бурения 2012–2013 гг. На четырех разных глубинах.
Логистика любого проекта по керновому бурению сложна, потому что места обычно трудны достичь, и может быть на большой высоте. Международные консорциумы выполняют международные консорциумы. Например, проект EastGRIP, с 2017 года ведет бурение в восточной Гренландии, реализуется (Институт Нильса Бора, Копенгагенский университет ) в Дания, и в его руководящий комитет входят представители 12 стран. В течение сезона бурения в лагере работают десятки людей, а материально-техническая поддержка включает возможности доставки по воздуху, предоставляемые Национальной гвардией США, с использованием транспортных самолетов Hercules, принадлежащих Национальный научный фонд. В 2015 году команда EastGRIP переехала в лагерь с бывшей Гренландской площадки для бурения кернового льда на площадках EastGRIP. Ожидается, что бурение будет продолжаться как минимум до 2020 года.
Распиловка GRIP керна При некоторых вариациях между проектами следующие этапы производства между бурением и окончательным хранением
Бур удаляет ледяное кольцо вокруг керна, но не режет под ним. Подпружиненный рычаг, называемый сердечником-собачкой, может сломать сердечник и удерживать его на месте, пока он поднимается на поверхность. Затем керн извлекается из буровой трубы, обычно раскладывая его плоско, чтобы керн мог выскользнуть на подготовленную поверхность. При выдвижении керн необходимо очистить от бурового раствора; Для проекта отбора керна WAIS Divide была создана система вакуумирования, чтобы облегчить это. Поверхность, на которую устанавливается керн, должна быть как можно точнее совмещена с буровым каналом, чтобы минимизировать механическое напряжение на керн, которое может легко сломаться. Окружающая температура поддерживается значительно ниже точки замерзания, чтобы избежать теплового удара.
Ведется журнал с информацией о керне, включая его длину и глубину, с которой он был извлечен, и керн может быть помечен, чтобы показать его ориентацию. Обычно его разрезают на более короткие секции, стандартная длина в США составляет один метр. Затем стержни хранятся на месте, обычно в пространстве ниже уровня снега, чтобы упростить поддержание температуры, хотя можно использовать дополнительное охлаждение. Если необходимо удалить больше бурового раствора, керны могут продуваться воздухом. Берутся любые пробы, необходимые для предварительного анализа. Затем сердцевина упаковывается в мешки, часто в полиэтилен, и хранится для транспортировки. Добавлена дополнительная упаковка, включая набивочный материал. Когда керны вылетают с буровой площадки, кабина экипажа самолета не нагревается, чтобы поддерживать низкую температуру; когда они перевозятся на корабле, они должны храниться в холодильном агрегате.
Есть несколько мест по всему миру, где хранятся ледяные керны, например, Национальная лаборатория ледяных кернов в США. Эти места предоставляют образцы для тестирования. Значительная часть каждого керна заархивирована для будущих анализов.
Пузырьки в образце антарктического льда Освещение поляризованным светом 
Кусочек антарктического льда, показывающий захваченные пузырьки. Изображения из CSIRO.В диапазоне глубин, известном как зона, пузырьки воздуха задерживаются во льду под большим давлением. Когда ядро поднимается на поверхность, пузырьки могут создавать напряжение, превышающее предел прочности льда, что приводит к образованию трещин и сколов. На большей глубине воздух превращается в клатраты, и лед снова становится устойчивым. На участке водораздела WAIS зона хрупкого льда находилась на глубине от 520 м до 1340 м.
Зона хрупкого льда обычно дает пробы более низкого качества, чем остальная часть керна. Некоторые шаги могут быть предприняты, чтобы облегчить проблему. Вкладыши могут быть размещены внутри бурового ствола, чтобы закрыть керн до того, как он будет выведен на поверхность, но это затрудняет очистку бурового раствора. При бурении полезных ископаемых специальная техника может поднимать образцы керна на поверхности при забойном давлении, но это слишком дорого для труднодоступных местных буровых площадок. Хранение производственных помещений при очень низких температурах ограничивает тепловые удары. Керны наиболее хрупкими на поверхности, поэтому другой подход - разбить их на куски длиной 1 м в отверстии. Выдавливание керна из бурового ствола в сетку помогает удерживать его вместе, если он расколется. Хрупкие керны также часто могут храниться в хранилище на буровой в течение некоторого времени, до одного года между сезонами бурения, чтобы лед постепенно расслабился.
На ледяных кернах выполняется множество различных видов анализа, включая визуальный подсчет слоев, тесты на электропроводность и физические свойства, а также анализы на наличие газов, частиц, радионуклидов и различные молекулярные разновидности. Чтобырезультаты этих испытаний были полезны при реконструкции палеообстановки, должен быть способ определения взаимосвязи между глубиной и возрастом льда. Самый простой подход - подсчитать слои льда, первоначальным годовым слоям снега, но это не всегда возможно. Альтернативой является моделирование скопления льда и потока, чтобы предсказать, сколько времени потребуется данному снегопаду, чтобы достичь высшего уровня. Другой метод - коррелировать радионуклиды или следы атмосферных газов с другими временными шкалами, такими как периодичность орбитальных параметров Земли.
. Сложность датировки ледяных кернов состоит в том, что газы могут диффундировать через фирн, поэтому лед на глубине может быть значительно старше, чем захваченные в ней газы. В результате данного ледяного керна существует две хронологии: одна для льда и одна для захваченных газов. Были разработаны модели моделирования, на которые рассчитываются методы прогнозирования в данном месте, но их прогнозы не всегда оказывались надежными. В местах с очень малым количеством снегопадов, таких как Восток, погрешность в разнице между возрастом льда и газа может составлять более 1000 лет.
Плотность и размер пузырьков во льду обеспечение размера кристаллов во время их образования. Размер кристалла зависит от скорости его роста, в свою очередь, зависит от температуры, поэтому свойства пузырьков можно комбинировать с информацией о скорости накопления и плотности фирмы для расчета температуры при образовании фирмы.
Радиоуглерод датирование можно использовать для углерода в захваченном CO. 2. В полярных ледяных покровах содержится около 15–20 г углерода в форме CO. 2в каждом килограмме льда, а также могут быть частицы карбоната из переносимой ветром пыли (мкёсс ). CO. 2можно использовать сублимацией в вакууме, поддерживая температуру достаточно низкой, чтобы лёсс не отдавал углерода. Результаты быть скорректированы на . C, образовавшееся непосредственно во льду космическими лучами, а величина поправки сильно зависит от местоположения ледяного ядра. Поправки на., полученные в результате ядерных испытаний, оказывают гораздо меньшее влияние на результаты. Углерод в твердых частицах также можно определить путем тестирования нерастворимых веществ в воде проверить компонентов пыли. Обычно устанавливаемые очень небольшие количества требуют использования не менее 300 методов определения глубины льда.
Временные шкалы для ледяных кернов из одного и того же полушария обычно можно синхронизировать с использованием слоев, включающих материал вулканических событий. Сложнее связать шкалы времени в разных полушариях. Событие Лашампа, геомагнитный разворот около 40 000 лет назад, можно идентифицировать по кернам; вдали от этой точки измерения газов, таких как CH. 4(метан ), можно использовать для связи хронологии ядра Гренландии (например) с ядром Антарктики. В случаях, когда вулканическая тефра перемежается льдом, ее можно датировать с помощью аргон / аргонового датирования и, следовательно, указать фиксированные точки для датировки льда. Распад урана имел также использовались для датировки кернов льда. Другой подход - использовать методы байесовской вероятности для поиска оптимальной комбинации независимых записей. Этот подход был разработан в 2010 году и с тех пор превратился в программный инструмент DatIce.
Граница между плейстоценом и голоценом, около 11700 лет назад, теперь формально основано на данных по кернам льда Гренландии. Формальные определения стратиграфических границ позволяют ученым из разных мест сопоставить свои выводы. Это часто используется в статистических целях, которые используются в статистических целях.
Датировка ледяных щитов доказала свою эффективность. быть ключевым элементом в предоставлении палеоклиматических записей. Согласно Ричарду Элли, «во многих отношениях ледяные керны являются« розеттовыми камнями », которые позволяют создать глобальную сеть точно датированных палеоклиматических записей с использованием лучших возрастов, в определенной точке планеты».
Участок ледяного керна GISP 2 длиной 19 см с высотой 1855 м, показывающий состояние годового слоя, освещенную снизу оптоволоконным устройством. Разрез содержит 11 годовых слоев с летними слоями (отмечены стрелками), зажатыми между более темными зимними слоями. Керны показывают видимые слои, которые соответствуют годовому снегопаду на участке керна. Наблюдатель в яме с крышей увидит слои, показываемые сквозь солнечный свет. Шестифутовая яма может показать что угодно - от менее одного года снега до нескольких лет снега, в зависимости от местоположения. Столбы, оставленные в снегу за год, показывают количество накопленного снега за год, и это может быть использовано для проверки, что видимый слой в снежной яме соответствует годовому снегопаду.
В центральной Гренландии в типичном году может выпадать два-три фута зимнего снега плюс несколько дюймов летнего снега. Когда он превращается в лед, два слоя составляют не более фута льда. Слои, соответствующие летнему снегу, содержат более крупные пузыри, чем зимние слои, поэтому чередующиеся слои остаются видимыми, что позволяет вести обратный отсчет ядра и определять возраст каждого слоя. По мере увеличения глубины до точки, где структура льда меняется на клатратную, пузырьки больше не видны, а слои больше не видны. Слои пыли теперь могут стать видимыми. Лед из кернов Гренландии содержит пыль, переносимую ветром; пыль проявляется особенно сильно в конце зимы и выглядит как мутные серые слои. Эти слои более прочны и их легче было увидеть в прошлом, когда климат Земли был холодным, сухим и ветреным.
Любой метод подсчета слоев в конечном итоге сталкивается с трудностями, поскольку поток льда заставляет слои сжиматься. более тоньше и труднее видеть с трехмерного эффекта. Проблема стоит более остро в месте с высоким уровнем накопления; места с низким уровнем накопления, такие как центральная Антарктида, необходимо датировать другими методами накопления. Например, на Востоке подсчет слоев возможен только до возраста 55 000 лет.
При таянии летом талый снег снова замерзает ниже в снеге и фирне, образовавшийся слой льда очень несколько пузырьков, поэтому их легко распознать при визуальном осмотре керна. Идентификация этих слоев, как визуально, путем и путем измерения плотности в зависимости от глубины, позволяет рассчитать процентное соотношение свойств таяния (MF): MF, равное 100%, будет означать, что ежегодные отложения снега показывают признаки таяния. Расчеты MF усредняются по нескольким сайтам или за длительные периоды времени для сглаживания данных. Графики данных MF с течением времени показывают изменения климата и показывают, что с конца 20-го века скорость таяния увеличивается.
В дополнение к ручному осмотру и регистрации, идентифицированным при визуальном осмотре, керны могут быть оптически сканированным, чтобы была доступна цифровая визуальная запись. Для этого необходимо, чтобы керн был разрезан по длине, чтобы получить плоскую поверхность.
Изотопный состав кислорода в керне можно использовать для моделирования температурной истории ледяной покров. Кислород имеет три стабильных изотопа: . O, . O и . O. Отношение между. O и. O указывает температуру, когда выпал снег. Форма. O легче, чем. O, вода, содержащая. O, с несколько большей вероятностью превратится в пар, а вода, содержащая. O, с несколько большей вероятностью будет конденсироваться из пара в кристаллы дождя или снега. При более низких температурах разница более заметна. Стандартный метод регистрации отношений. O/. O заключается в вычитании отношений в стандарте, известном как стандартное среднее значение океанской воды (SMOW):
где знак ‰ указывает частей на тысячу. Образец с таким же созданием. O/. O, что и SMOW, имеет δO 0; образец, обедненный. O, имеет отрицательное значение δO. Объединение измерений δO образца керна льда с температурой в скважине на глубине, с помощью которой он был получен, дает дополнительную информацию, в некоторых случаях приводящую к значительным корректировкам температуры, выведенных из данных δO. Не все скважины можно использовать в этих анализах. Если в прошлом на площадке произошло значительное плавление, в стволе скважины больше не будет сохраняться точная запись температуры.
Соотношение водорода также можно использовать для расчета температурной истории. Дейтерий (. H или D) тяжелее водорода (. H), поэтому вероятность конденсации воды выше, а вероятность ее испарения меньше. Отношение δD может быть определено таким же образом, как δO. Между δO и δD существует линейная зависимость:
где d - избыток дейтерия. Показано, что избыток дейтерия отражает температуру, относительную влажность и скорость ветра в океане, где возникла, что это означает, что это означает, что нет необходимости измерять оба отношения в данном ядре, но в 1979 году Мерливат и Джузель показал что избыток дейтерия. влага. С тех пор принято измерять и то, и другое.
Записи изотопов воды, проанализированные в кернах из Camp Century и Dye 3 в Гренландии, сыграли важную роль в открытии События Дансгаарда-Ошгера - быстрое потепление в начале межледниковья с последующим более медленным похолоданием. Были изучены и другие изотопные отношения, например, соотношение между. C и. C может предоставить информацию о прошлых изменениях в углеродном цикле. Объединение этой информации с помощью этого об уровне углекислого газа, также полученных из ледяных кернов, дает механизм, лежащий в основе изменений CO. 2во времени.
График CO 2 (зеленый), реконструированная температура (синий) и пыль (красный) из ледяного керна Востока за последние 420 000 лет 
Озоноразрушающие газы в фирне Гренландии. Это было понято в 1960-х годах анализ воздуха, заключенного в ледяных кернах, полезную информацию о палеоатмосфере, но только в конце 1970-х годов был разработан надежный метод извлечения. Первые результаты включают демонстрацию того, что CO. 2был на 30% меньше на последнем ледниковом максимуме, чем непосредственно перед началом индустриальной эпохи. Дальнейшие исследования надежную корреляцию между уровнями CO. 2и температурной, используемой на основе данных изотопов льда.
Гороскопы CH. 4(метан) производятся в озерах и заболоченных территориях, количество в атмосфере коррелирует силой муссонов, которые, в свою очередь, коррелируют с силой низкоширотной летней инсоляции. Временная инсоляция зависит от орбитальных циклов, для которых используются временные шкалы из других источников, CH. 4можно использовать для определения взаимосвязи между глубиной керна и возрастом. Уровни N. 2O (закиси азота) также коррелируют с ледниковыми циклами, хотя при низких температурах график несколько отличается от графиков CO. 2и CH. 4. Точно так же соотношение между N. 2(азот) и O. 2(кислород) можно использовать для датирования ледяных кернов: поскольку воздух постепенно захватывается снегом, превращаясь в фирн, а лед, O. 2теряется больше. легче, чем N. 2, а относительное количество O. 2коррелирует с местной летней инсоляции. Это означает, что захваченный воздух обеспечивает летнюю инсоляцию O. 2к N. 2, и, следовательно, объединение данных с данными орбитального системы позволяет создать схему датирования цикла ледяного керна.
Распространение внутри слоя фирна вызывает другие изменения, которые можно измерить. Гравитация заставляет более тяжелые молекулы обогащаться в нижней части газовой колонны, причем степень обогащения зависит от разницы в массе между молекулами. Более низкие температуры приводят к большему обогащению более тяжелых молекул в нижней части колонны. Эти процессы фракционирования в захваченном воздухе определяются путем измерения отношения. N/. N и неона, криптона и ксенона, были использованы для определения толщины слоя фирна и определения другой палеоклиматической информации, такой как средние температуры океана в прошлом. Некоторые газы, такие как гелий, могут быстро диффундировать сквозь лед, поэтому для получения точных данных может потребоваться проверка на наличие этих «летучих газов» в течение нескольких минут после извлечения керна. Хлорфторуглероды ( ХФУ), которые способствуют парниковому эффекту, а также вызывают потерю озона в стратосфере, могут быть обнаружены в кернах льда примерно после 1950 г.; почти все ХФУ в атмосфере были созданы в результате деятельности человека.
Гренландские керны во время климатических изменений могут показывать избыток CO2 в пузырьках воздуха при анализе из-за образования CO2 кислотными и щелочными примесями.
Летний снег в Гренландии содержит немного морской соли, унесенный из окружающих вод; зимой его меньше, когда большая часть поверхности покрыта паковым льдом. Точно так же перекись водорода появляется только в летнем снегу, поскольку ее образования в атмосфере требуется солнечный свет. Эти сезонные изменения можно использовать, поскольку они приводят к изменениям электропроводности льда. Размещение двух электродов с высоким напряжением между ними на поверхности ледяного ядра позволяет измерить проводимость в этой точке. Перетаскивая их по длине жилы и записывая проводимость в каждой точке, вы получаете график, показывающий годичную периодичность. Такие графики также определяют химические изменения, вызванные несезонными явлениями, такими как лесные пожары и крупные извержения вулканов. Когда известное вулканическое событие, такое как извержение Лаки в Исландии в 1783 году, может быть идентифицировано в записи ледяного керна, это обеспечивает перекрестную проверку возраста, определенного подсчетом слоев. Материал из Лаки можно идентифицировать в кернах Гренландии, но он не распространился до Антарктиды; Извержение Тамбора в Индонезии в 1815 году привело к выбросу материала в стратосферу, и его можно идентифицировать как в гренландских, так и в антарктических ледяных кернах. Если дата извержения не известна, но она может быть идентифицирован в нескольких ядер, то начиная со льдом в свою очередь может дать дату извержение, которое затем может быть использовано в качестве опорного слоя. Это было сделано, например, при анализе климата за период с 535 по 550 год нашей эры, на который, как полагается, повлияло иначе неизвестное тропическое извержение примерно в 533 году нашей эры; но это оказалось вызвано двумя извержениями, одним в 535 году или в начале 536 года нашей эры, а вторым в нашей 539 или 540 году эры. Есть и более древние ориентиры, такие как извержение Тоба около 72000 лет назад.
Многие другие элементы и молекулы были обнаружены в ледяных кернах. В 1969 году было обнаружено, что уровни свинца во льдах Гренландии увеличились более чем в 200 раз., кадмий и цинк. Можно показать, что присутствие азотной и серной кислоты (HNO. 3 и H. 2SO. 4 ) в осадках коррелирует с образованием сгорания топлива с течением времени. Метансульфонат (MSA) (CH. 3SO. 3) вырабатывается в атмосфере морскими организмами, поэтому данные о ледяных кернах MSA использует информацию об истории океанической среды. Были изучены как перекись водорода (H. 2O. 2 ), так и формальдегид (HCHO ), а также органические молекулы, такие как углеродная сажа, которые связаны с выбросами растительности и лесными пожарами. Некоторые виды, такие как кальций и аммоний, демонстрируют сильные сезонные колебания. В некоторых случаях вклад в один вид одного вида вносит несколько источников: например, Са поступает из пыли, а также из морских источников; Обычный сигнал морской пыли намного больше, чем поступление пыли в разное время, когда входной сигнал с морской среды максимален. Сезонные сигналы могут быть стерты в местах с низким накоплением из-за приземных ветров; в этих случаях невозможно датировать отдельные слои льда между двумя эталонными слоями.
Некоторые из отложенных химических веществ могут взаимодействовать, поэтому они появляются в ледяном керне. Примеры включают HCHO и H. 2O. 2. Еще одна проблема заключается в том, что в атмосфере может быть увеличена глубина в снегу, иногда до точки, когда в атмосфере может быть завышена в два раза.
| Источник | Через | Измерено в полярных льдах |
|---|---|---|
| Океаны | Волны и ветер | Морская соль: Na., Cl., Mg., Ca., SO. 4, K. |
| Земля | Засушливость и ветер | Земные соли : Mg., Ca., CO. 3, SO. 4, алюмосиликаты |
| Выбросы человека и биологические газы: SO. 2, (CH. 3). 2S, H. 2S, COS, NO. x, NH. 3, углеводороды и галогенуглеводороды | Химия атмосферы: O. 3, H. 2O. 2, OH, RO. 2, NO. 3, | H., NH. 4, Cl., NO. 3, SO. 4, CH. 3SO. 3, F., HCOO., другие органические соединения |
Cl, полученные в результате ядерных испытаний 1960-х годов Галактические космические лучи производят. Быть в атмосфере со скоростью зависит от магнитного поля Солнца. Сила поля связана с интенсивностью солнечного излучения, поэтому уровень. Be в атмосфере прокси для климата. Ускорительная масс-спектрометрия может обнаруживать низкие уровни. Будьте в ледяных кернах, около 10 000 элементов в грамме льда, и их можно использовать для долгосрочных записей солнечной активности. Тритий (. H), созданный в результате испытаний ядерного оружия в 1950-х и 1960-х годах, был обнаружен в ледяных кернах, и оба Cl и . Pu были обнаружены в ледяных кернах в Антарктиде и Гренландии. Хлор-36, период полураспада которого составляет 301000 лет, использовался для датирования ядер, как и криптон (. Kr, с периодом полураспада 11 лет), свинец (. Pb, 22 года) и кремний (. Si, 172 года).
Метеориты и микрометеориты, приземляющиеся на полярный лед, иногда концентрируются в результате местных экологических процессов. Например, в Антарктиде есть места, где ветры испаряют поверхностный лед, концентрируя твердые частицы, которые остаются, включая метеориты. Пруды с талой водой также могут содержать метеориты. На Южнополярной станции лед в колодце растапливают, чтобы обеспечить водоснабжение, оставляя после себя микрометеориты. Они были собраны роботом-пылесосом и исследованы, улучшенным оценкам их потока и массового распределения. Колодец не является ледяным керном, но возраст растаявшего льда известен, поэтому можно определить возраст извлеченных частиц. Каждый год скважина становится глубже примерно на 10 м, поэтому микрометеориты, собранные в данном году, примерно на 100 лет старше, чем в предыдущем году. Пыльца, важный компонент кернов отложений, также может быть найдена во льду. ядра. Он информацию об изменениях в растительности.
Помимо примесей в керне и изотопного состава воды, исследуются физические свойства льда. Такие характеристики, как размер кристаллов и ориентация оси , могут раскрыть структуру ледяных потоков в ледяном покрове. Размер кристалла также можно использовать для определения дат, но только в неглубоких кернах.
Хранилище образцов керна В 1841 и 1842 годах, Луи Агассис пробурил отверстия в Унтераарглетчер в Альпах ; они были пробурены железными прутьями и не давали стержней. Самая глубокая скважина составила 60 м. Во время антарктической экспедиции Эриха фон Дрыгальского в 1902 и 1903 годах в айсберге к югу от островов Кергелен были пробурены 30-метровые скважины и сняты показания температуры. Первым ученым, создавшимся инструментом для отбора проб снега, был Джеймс Э. Черч, которого Павел Талалай назвал «от современной снегомеханики». Зимой 1908–1909 годов Чёрч построил стальные трубы с прорезями и режущими головками для извлечения кернов снега длиной до 3 метров. Сегодня используются аналогичные устройства, модифицированные для отбора проб с глубины около 9 м. Их просто вдавливают в снег и вращают вручную.
Первое систематическое исследование слоев снега и компании было выполнено Эрнстом Зорге, который участвовал в экспедиции Альфреда Вегенера в центральной Гренландию в 1930–1931 гг. Зорге выкопал яму длиной 15 м, чтобы исследовать слои снега, и его результаты были позже формализованы в Законе уплотнения Зорге Анри Бадером, который в 1933 году провел дополнительные керновые работы на северо-западе Гренландии. В начале 1950-х годов Экспедиция SIPRE взяла пробы из карьера на большей части ледникового щита Гренландии, получив ранние данные о использовании изотопов кислорода. Три экспедиции в 1950-х годах начали ледовые исследования: совместная (NBSAE) на Земле Королевы Мод в Антарктиде; (JIRP) в Аляске ; и в центральной Гренландии. Качество керна было плохим, но некоторые научные работы были выполнены на извлеченном льду.
В Международный геофизический год (1957–1958) увеличилось количество гляциологических исследований во всем мире., с одной из приоритетных исследовательских целей - глубокое ядро в полярных регионах. SIPRE провела пробное бурение в 1956 г. (до 305 м) и 1957 г. (до 411 м) на Площадке 2 в Гренландии; второй керн с учетом опыта бурения в предыдущем году был извлечен в гораздо лучшем состоянии с меньшим зазоров. В Антарктиде 307-метровый керн был пробурен на станции Берд в 1957–1958 гг., И 264-метровый керн был пробурен на Маленькая Америка V на шельфовом леднике Росс, в следующем году. Успех колонкового бурения IGY привел к повышенному интересу к расширению возможностей отбора керна льда, и за ним последовал проект CRREL в Camp Century, где в начале 1960-х годов были пробурены три скважины, самая глубокая из которых достигла основания ледниковый щит на высоте 1387 м в июле 1966 года. Буровая установка, использованная в Camp Century, затем была направлена на станцию Берд, где была пробурена скважина длиной 2164 м до коренной породы, прежде чем буровая установка была заморожена в скважине талой подледной водой, и от нее пришлось отказаться.
Французские, австралийские и канадские проекты 1960-х и 1970-х годов включают керн 905 м на Купол C в Антарктиде, пробуренный CNRS ; керны на Law Dome, пробуренные компанией, начиная с 1969 г., с керна 382 м; и керны Devon Ice Cap, обнаруженные канадской группой в 1970-х гг.
Составные данные для купола C, уровни CO 2 (ppm) возрастом почти 800000 лет и связанными с ними ледниковыми циклами. Советские проекты бурения льда начались в 1950-х годах на Земле Франца-Иосифа, Урал, Новая Земля, а также Мирный и Восток в Антарктике; не все эти ранние отверстия извлекали керны. В последующие десятилетия работа продолжалась во многих регионах Азии. Бурение в Антарктике было сосредоточено в основном на Мирном и Востоке, с серией глубоких скважин на Востоке, начатой в 1970 году. Первая глубокая скважина на Востоке достигла 506,9 м в апреле 1970 года; к 1973 г. была достигнута глубина 952 м. Следующая скважина Восток 2, пробуренная с 1971 по 1976 год, достигла 450 м, а Восток 3 - 2202 м в 1985 году после шести сезонов бурения. Восток-3 был первым ядром, извлекшим лед из предыдущего ледникового периода, 150 000 лет назад. Бурение было прервано пожаром в лагере в 1982 году, но дальнейшее бурение началось в 1984 году, и в итоге оно достигло 2546 м в 1989 году. Пятая керна Восток была начата в 1990 году, достигла 3661 м в 2007 году и позже была увеличена до 3769 м. Расчетный возраст льда составляет 420 000 лет на глубине 3310 м; ниже этой точки трудно надежно интерпретировать данные из перемешивания льда.
Сравнение ледяных кернов EPICA Dome C и Vostok EPICA, европейское сотрудничество по исследованию ледяных кернов, было разработано в 1990-х годах, и две скважины были пробурены в Восточной Антарктиде: одна на Куполе C, которая достигла 2871 м всего за два сезона бурения, но потребовалось еще четыре года, чтобы достичь достижения коренной породы на высоте 3260 м; и один на станции Конен, который достиг коренной породы на высоте 2760 м в 2006 году. Ядро купола C имело очень низкие темпы накопления, что означает, что климатические рекорды простирались далеко; к концу проекта пригодные для использования данные расширились до 800000 лет назад.
Другие глубокие антарктические керны включали японский проект на Купол F, который достиг 2503 м в 1996 году с предполагаемым возрастом 330 000 лет для нижней части ядра; и последующая дыра на том же месте, которая достигла 3035 м в 2006 году, возраст льда оценивается в 720 000 лет. Американские группы пробурили Станцию Мак-Мердо в 1990-х годах, а также Тейлор Доум (554 м в 1994 г.) и Сипл Доум (1004 м в 1999 г.), причем оба ядра, достигают льда с последнего ледникового периода. Проект Западно-антарктический ледяной покров (WAIS), завершенный в 2011 г., достиг высоты 3405 м; на этом месте выполнено большое количество снега, поэтому возраст льда составляет всего 62000 лет, но, как следствие, керн предоставляет данные с высоким разрешением за период, который он охватывает. Керн длиной 948 м был пробурен на о-ве Беркнер в рамках проекта осуществляемого Британской антарктической службой с 2002 по 2005 гг., До последнего ледникового периода; и проект ITASE, управляемый Италией, завершил 1620 м керна на Talos Dome в 2007 году.
В 2016 году керны были извлечены с Аллан Хиллз в Антарктиде, в районе, где старый лед лежал у поверхности. Керны датированы калий-аргоновым датированием; традиционное датирование ледяных кернов невозможно, поскольку присутствовали не все слои. Было обнаружено, что самое древнее ядро включает лед, возникший 2,7 миллиона лет назад - безусловно, самый старый лед, который был датирован ядром.
В 1970 году начались научные дискуссии, в результате Проект ледового ядра Гренландии (GISP), международное исследование ледникового ядра Гренландии, которое длилось до 1981 года. Потребовались годы полевых работ, чтобы определить идеальное место для глубокого ядра; полевые работы включают несколько кернов средней глубины, в том числе месторождения Дай 3 (372 м в 1971 г.), Милсенте (398 м в 1973 г.) и Крите (405 м в 1974 г.). Место в качестве северо-центральной части Гренландии было выбрано в идеальную, но финансовые ограничения вынудили группу, начавшую бурение на Dye 3, начиная с 1979 года. В 1981 году скважина достигла коренной породы на глубине 2037 м. В итоге были пробурены две скважины на расстоянии 30 км друг от друга. в северо-центральном районе в начале 1990-х двумя группами: GRIP, европейский консорциум, и GISP-2, университетов США. GRIP достиг коренной породы на высоте 3029 м в 1992 году, а GISP-2 достиг коренной породы на высоте 3053 м в следующем году. Оба керна были ограничены климатической информацией примерно за 100000 лет, поскольку считалось, что это связано с топографией породы, лежащей под ледяным покровом на площадках бурения, было выбрано новое место в 200 км к северу от GRIP и новый проект, NorthGRIP, был создан как международный консорциум, управляемый Данией. Бурение началось в 1996 году; первая скважина должна быть заброшена на высоте 1400 м в 1997 году, а новая скважина была начата в 1999 году, достигнув 3085 м в 2003 году. Яма не достигла коренной породы, но оканчивалась у подледниковой реки. Ядро предоставило климатические данные до 123000 лет назад, охватывают часть последнего межледниковья. В ходе последующего проекта в Северной Гренландии (NEEM ) в 2010 г. была извлечена керна 2537 м с участка, расположенного дальше на север, что расширило климатический рекорд до 128 500 лет назад; За NEEM последовал EastGRIP, который начался в 2015 году в восточной Гренландии и, как ожидается, будет завершен в 2020 году.
Ледяные керны пробурены на вдали от полюсов, особенно в Гималаях и Андах. Некоторые из этих кернов восходят к последнему ледниковому периоду, но они более важны как записи Эль-Ниньо и сезонов муссонов в Южной Азии. Керны также пробурены на горе Килиманджаро, в Альпах, а также в Индонезии, Новой Зеландии, Исландии, Скандинавии, Канаде и США.
(Международное партнерство в области науки о ледяных кернах) подготовило серию официальных документов, в которых излагаются будущие задачи и научные цели для сообщества ученых, занимающихся изучением ледяных кернов. Сюда входят планы:
 | Викиучебник Историческая геология имеет страницу на тема: Ледяные ядра |
 | На Викискладе есть материалы, связанные с Ледяными ядрами. |
