Древние пробы воздуха из одного из самых заснеженных участков ледяного керна Антарктиды могут добавить новую молекулу к отчету об изменениях в атмосфере Земли за последние полтора века, поскольку промышленная революция привела к массовому сжиганию ископаемого топлива.
Хотя углекислый газ и метан хорошо известны, исследователи из Университета Вашингтона и Университета Рочестера являются частью группы, работающей над отслеживанием гораздо более редкого газа, присутствующего в количестве менее одной молекулы на триллион. Хотя это редкость, атмосферный детергент, известный как гидроксил, может очищать атмосферу и определять судьбу более обильных газов, влияющих на климат Земли.
Антарктическая полевая кампания прошлой зимой под руководством США и Австралии успешно извлекла некоторые из самых больших проб воздуха, датируемых 1870-ми годами до наших дней. Эти образцы - первый шаг к изучению изменений концентрации гидроксила за последние 150 лет. Первые результаты полевых исследований были представлены на этой неделе на ежегодном осеннем собрании Американского геофизического союза в Сан-Франциско.
«Это, вероятно, самая экстремальная химия атмосферы, которую вы можете получить из образцов ледяных кернов, и логистика также была экстремальной», - сказал Питер Нефф, исследователь с докторской степенью, работавший одновременно в Университете Вашингтона и в Университете Рочестера.
Но месяцы, проведенные командой на льду на заснеженном стадионе Law Dome, окупились.
«Насколько мне известно, это самая большая проба воздуха 1870-х годов, которую кто-либо когда-либо получал», - сказал Нефф. Его 10-недельный лагерь на льду включал в себя минус 20 градусов по Фаренгейту и несколько метелей, о некоторых из которых он поделился из Антарктиды через Твиттер.
Воздух из более глубоких ледяных кернов, пробуренных в Антарктиде и Гренландии, обеспечил рекордное содержание двуокиси углерода и метана, двух парниковых газов, за тысячи лет. В то время как срок службы углекислого газа составляет от десятилетий до столетий, еще более мощный газ, метан, имеет срок службы всего девять или 10 лет.
Определение точного времени жизни метана и того, как оно изменилось с годами, зависит от концентрации гидроксила. Это число важно для моделей глобального климата, используемых для изучения прошлого и будущего климата.
Чтобы проследить историю гидроксила, мимолетной молекулы со временем жизни менее одной миллионной секунды, в ходе полевой кампании в конце 2018 и начале 2019 года был пробурен лед для изучения этого очень реактивного газа путем изучения его немного более обильного компаньон, углерод с 14 нейтронами, связанными с атомом кислорода, или «окись углерода-14», которая химически разрушается гидроксилом и, таким образом, отслеживает концентрацию гидроксила.
Исследователи получают угарный газ-14 из пузырьков во льду, которые образуются при сжатии снега.
«Особенностью ледникового льда является то, что в нем всегда есть пузырьки воздуха», - сказал Нефф. «У любого ледника в мире будет такая пузырьковая текстура, потому что он начинался как груда шестипалых снежинок, а между этими пальцами был воздух».
Через одно или несколько десятилетий после удара о землю пузыри становятся полностью изолированными от своего окружения из-за сжатия под слоями снега. Скопление большого количества снега в Law Dome означает большое количество пузырьков воздуха в год и обеспечивает достаточно толстый экран для защиты монооксида углерода-14 от солнечной радиации.
Международная команда извлекала около двух десятков участков льда длиной 3 фута в день, а затем помещала ледяные трубки в снежную пещеру, чтобы защитить их от космических лучей, которые сильнее вблизи полюсов. Эти лучи могут поражать другие молекулы и искажать исторические записи.
«Как только образцы оказываются на поверхности, они становятся горячей картошкой», - сказал Нефф.
На следующий день после извлечения керна команда очистит лед и поместит его в устройство, разработанное Неффом и его научным руководителем из Рочестерского университета Василием Петренко: 335-литровая вакуумная камера в теплой ванне для плавления льда и обрабатывать пробы у их источника, чтобы избежать загрязнения и собрать самые большие пробы воздуха.
«Размер одного образца составлял около 400 или 500 килограммов льда, примерно такого же веса, как рояль, чтобы получить достаточное количество этой молекулы монооксида углерода-14», - сказал Нефф. «В полевом лагере мы превратили 500 кг льда в одну 50-литровую канистру воздуха».
Команда извлекла 20 бочкообразных баллонов с воздухом из разных периодов времени.
Анализ в ближайшие месяцы будет направлен на построение кривой концентрации монооксида углерода-14 и гидроксила за десятилетия, аналогичной уже известным кривым для диоксида углерода и метана. Кривые показывают, как изменились концентрации газов в атмосфере с начала индустриальной эры.
На протяжении всей работы Нефф также исследовал более беззаботные комбинации льда и воздуха. Во время поездки в начале 2016 года, чтобы подготовиться к этой работе, Нефф провел неофициальный эксперимент, который стал вирусным в социальных сетях, когда он опубликовал его в феврале 2018 года. На видео запечатлен звук, который издает кусок льда, когда он падает в туннель, созданный ледяной колонковое сверло.
Он поделился еще фотографиями и видео во время прошлой зимней экспедиции в Антарктиду, иногда через несколько часов после возвращения из удаленного лагеря на исследовательскую станцию, подключенную к Интернету.
«Здорово иметь возможность поделиться чем-то об Антарктиде из Антарктиды», - сказал Нефф. «Это способ, которым мы, геофизики, можем поделиться с людьми работой, которую они помогают поддерживать».