Ledová jádra a analýza uzavřeného vzduchu

Jak čteme záznam v ledovém jádru

Ledové jádro je válec ledu vyvrtaný z ledovce nebo ledového příkrovu. Uchovává postupně navrstvený sníh, příměsi, které s ním dopadly na povrch, a vzduch uzavřený později v bublinkách. Analýza těchto složek umožňuje zkoumat minulé prostředí. Zde se zaměříme na měření oxidu uhličitého v zachovaném vzduchu, konkrétně na postup používaný pro antarktický Law Dome. (Australian Antarctic Program)

Jak se vzduch uzavře do ledu

Tam, kde se sníh každoročně hromadí a v létě neroztaje, překrývají nové vrstvy ty starší. Zatížení roste, sněhová zrna se přeskupují a spojují a volného prostoru mezi nimi ubývá. Vzniká firn, starý zrnitý sníh, který je hustší než čerstvá sněhová pokrývka, ale stále obsahuje propojené vzduchové póry. (Fourteau a kol. 2020, oddíl 2)

Těmito póry mohou molekuly plynů pronikat do hloubky i zpět k povrchu. Jejich náhodný pohyb postupně promíchává vzduch a vyrovnává rozdíly v jeho složení. Tento děj se nazývá difuze. Vzduch ve firnu se tak dál vyměňuje s atmosférou, zatímco sníh, který ho obklopuje, už stárne. Teprve při dalším zhutnění se spojení mezi póry přeruší a vzniknou uzavřené bublinky. (Trudinger a kol. 2013, oddíl 2)

Vzduch je proto mladší než led, ve kterém se nachází.Navíc se všechny póry neuzavřou současně a už před uzavřením obsahují směs vzduchu různého stáří. Jednomu vzorku tedy přiřazujeme reprezentativní datum vzduchu a časové rozpětí, které vzorek zachycuje. Právě tento způsob vzniku záznamu určuje, jak podrobně lze sledovat změny dávné atmosféry. (Fourteau a kol. 2020)

Kde vrtat a jak odebrat vzorek

Pro podrobný záznam posledních staletí je výhodné místo s vydatným pravidelným sněžením, dobře zachovanými vrstvami a malým výskytem tání. Takové podmínky nabízí Law Dome při pobřeží východní Antarktidy. Jeho rychle přibývající sníh vytváří silné roční vrstvy a vzduch se uzavírá dostatečně brzy, aby nejmladší ledové vzorky časově navazovaly na přímé měření atmosféry. (Rubino a kol. 2019, oddíly 2.1 a 3.1)

Vrták odebírá jádro postupně po kratších úsecích. Po každém záběru se vytáhne na povrch, ledový válec se vyjme a vrtání pokračuje hlouběji. Hloubka každého úseku zachová jeho místo v původním sledu vrstev. Jádro se rozděluje mezi jednotlivé analýzy a část zůstává v archivu. Do laboratoře putuje zmrazené, aby se zachoval led i uzavřený vzduch. (Australian Antarctic Program) (Stauffer a kol. 1988)

Pro rozbor plynu se odřízne vnější povrch vybraného kusu jádra. Tím se odstraní část, která byla v kontaktu s okolím při vrtání a manipulaci. V laboratoři australské Organizace pro vědecký a průmyslový výzkum Commonwealthu (CSIRO) se obvykle připraví přibližně kilogram ledu a před uvolněním vzduchu se důkladně ochladí. Tento vzorek obsahuje mnoho bublinek, jejichž společný obsah bude analyzátor měřit. (Rubino a kol. 2019, oddíl 2.2)

Jak se změří vzduch z bublinek

Led se vloží do uzavřené nádoby s děrovaným vnitřním válcem, který funguje jako struhadlo. Z nádoby se nejprve odčerpá okolní vzduch. Při mechanickém třepání se pak led strouhá o stěny válce. Bublinky se otevřou a jejich obsah zaplní vyčerpaný prostor. Led přitom zůstává zmrzlý, proto se postup označuje jako suchá extrakce, tedy uvolnění plynu bez roztavení vzorku. (Rubino a kol. 2019, oddíl 2.2)

Uvolněný vzduch projde silně ochlazeným úsekem aparatury, takzvanou studenou pastí. Vodní pára se zde usadí jako led, zatímco ostatní plyny pokračují dál. Další past je ochlazená natolik, že se v ní zachytí i samotný vzduch. Z rozptýleného plynu tak vznikne vzorek soustředěný v malé nádobce. Po zahřátí této pasti se plyny znovu uvolní a promíchají. Z připraveného ledu laboratoř získává obvykle jen desítky mililitrů vzduchu, které musí rozdělit mezi jednotlivé rozbory. (Rubino a kol. 2019, oddíly 2.2–2.3)

CO₂ se v tomto provedení měří plynovou chromatografií. Vzduch prochází trubicí s náplní, která různé plyny zadržuje různě dlouho. CO₂ tak přichází na výstup odděleně od ostatních složek. Před detektorem se chemicky převede na metan, na který detektor reaguje. Jeho průchod vyvolá krátký elektrický signál. Velikost tohoto signálu se porovná se signály referenčních směsí o známém složení. Podrobněji vznik a převod signálu vysvětluje metoda plynové chromatografie. (Rubino a kol. 2019, oddíl 2.3)

Výsledná koncentrace říká, jaký podíl molekul suchého vzduchu tvoří CO₂. Vyjadřuje se v ppm, tedy v miliontinách. Hodnota 280 ppm znamená 280 molekul CO₂ na milion molekul vzduchu po vyloučení vodní páry. Reference musí pokrýt také nižší koncentrace starého vzduchu. Publikovaný soubor Law Dome používá pro CO₂ kalibrační stupnici X2007 Světové meteorologické organizace (WMO). Ta přiřazuje referenčním směsím navzájem porovnatelné hodnoty koncentrace. (Rubino a kol. 2019)

Součástí zpracování je také měření známého vzduchu, který projde aparaturou spolu s laboratorně připraveným ledem bez viditelných bublinek. Rozdíl proti známému složení ukáže příspěvek samotné extrakce a umožní jej opravit ve výsledku vzorku. (Rubino a kol. 2019, oddíl 2.2)

Další oprava se týká vzduchu ještě před uzavřením bublinek. Vlivem gravitace se ve spodní části firnu mírně zvyšuje zastoupení těžších molekul, mezi něž patří CO₂. Změřenou koncentraci proto zpracování sníží o tento vypočtený příspěvek, aby odpovídala složení atmosféry nad povrchem. (Rubino a kol. 2019, doplněk S1.2)

Jak měření přiřadíme k datu

Nejdřív potřebujeme určit datum sněhu, ze kterého vznikl led. Na Law Dome se počítají roční vrstvy podle pravidelných změn jeho složení. Vodík a kyslík ve vodě mají i těžší varianty atomů, izotopy. Jejich zastoupení ve sněhu se v průběhu roku mění. Opakování tohoto průběhu spolu se sezónními změnami chemických příměsí umožňuje postupovat jádrem rok po roce. Plummerová a kolegové tak sestavili datování více než dvou tisíciletí jádra DSS bez přizpůsobování předem známým datům sopečných erupcí. (Plummer a kol. 2012, oddíl 2)

Datum vzduchu vyžaduje ještě popis jeho pohybu ve firnu. Vědci odebírají vzduch z různých hloubek otevřených pórů a měří plyny, jejichž nedávný vývoj v atmosféře už znají. Model počítá, jak se takový vývoj postupně šíří do hloubky. Rychlost promíchávání se nastavuje tak, aby vypočtené složení odpovídalo odebranému vzduchu. Výsledkem je odhad, jak starý vzduch a v jakých podílech daná hloubka obsahuje. (Trudinger a kol. 2013)

Pro datování uzavřeného vzduchu se tento popis propojí se stářím ledu a uzavíráním pórů. Rozdíl stáří pak umožní přiřadit naměřenou koncentraci ke správnému místu na časové ose. Pokud používáme letopočty, datum mladšího vzduchu získáme přičtením tohoto rozdílu k datu ledu:

$y_{\mathrm{led}}$ je kalendářní rok vzniku vrstvy sněhu a $y_{\mathrm{vzduch}}$ reprezentativní kalendářní rok vzduchu. Kladné $\Delta t$ udává, o kolik let je led starší než vzduch. Jde o přepočet mezi dvěma způsoby datování téhož vzorku. Velikost rozdílu se určuje pro daný vrt a podmínky tvorby ledu. (Rubino a kol. 2019, doplněk S1)

Co datovaný výsledek umožňuje zjistit

Každý vzorek nyní poskytuje koncentraci CO₂ přiřazenou k datu vzduchu. Postupným proměřením jádra vzniká záznam jeho změn. Law Dome umožňuje podrobně sledovat poslední dvě tisíciletí a spojit starší vzduch s měřením z otevřeného firnu a dnešní atmosféry. Tím prodlužuje přístrojová pozorování do doby před jejich začátkem. (Rubino a kol. 2019) Celkový průběh rozebírá článek Oxid uhličitý v atmosféře.

Z jiných částí jádra lze měřit například prach nebo izotopové složení samotné vody. Příměsi nesou informace o přenosu materiálu atmosférou. Izotopy vody pomáhají rekonstruovat teplotní podmínky vzniku sněhu, protože jejich poměr se mění při vypařování a srážení vody. Jde o nepřímý ukazatel, jehož převod vyžaduje vlastní vztah k teplotě. U bublinek naproti tomu analyzujeme zachovaný vzorek vzduchu. Při vzájemném porovnání těchto záznamů proto používáme jejich příslušná data, datum ledu pro vodu a datum plynu pro složení atmosféry. (Australian Antarctic Program) (Fourteau a kol. 2020)

Záznam prostředí oceánu doplňují také usazeniny na jeho dně. Jejich odběr, spojování vrstev z více vrtů a přiřazení stáří vysvětluje metoda sedimentárních jader a stratigrafie.

Vývoj metody a další provedení

Suché rozbíjení ledu a optické měření uvolněného CO₂ bylo použitelné už na začátku 80. let. Stauffer a kolegové v roce 1984 popsali analýzu malých vzorků pomocí drtiče a infračerveného laseru. Vývoj později přinesl jemnější rozmělňování a automatizaci. Odstředivý mikrotom popsaný Bereiterem a kolegy v roce 2013 při otáčení ořezává led pevným nožem. Z analyzovaných vzorků uvolňoval alespoň 90 % vzduchu a následně měřil CO₂ infračerveným analyzátorem. (Stauffer a kol. 1984) (Bereiter a kol. 2013)

Vedle mechanického rozmělňování se používá sublimace, při níž led přechází přímo v páru. Umožňuje úplné uvolnění plynů i z hlubokého ledu, v němž tlak uzavřel část vzduchu do krystalových struktur zvaných klatráty. Tavení je další možností, využívanou například při analýze metanu. Pro CO₂ je vhodnější suchý postup, protože při tavení se část CO₂ může rozpouštět a kapalná voda umožňuje chemické reakce. Volba způsobu uvolnění proto závisí na sledovaném plynu i podobě ledu. (Bereiter a kol. 2013, úvod)

Nejistoty a ověření výsledku

Přesnost záznamu ovlivňuje uvolnění a analýza plynu, určení data i promíchání vzduchu před uzavřením. Krátké výkyvy se ve směsi různě starého vzduchu zeslabují. Kontrolu poskytuje porovnání vrtů: revidovaný záznam CO₂ z Law Dome se záznamy z vrtu EPICA v Zemi královny Maud a z jižního pólu shodoval s náhodnými rozdíly do 4 ppm. Přetrvávají i nevysvětlené rozdíly, například záznam WAIS Divide ze západní Antarktidy ležel v průměru přibližně o 3 ppm výše. Tyto rozdíly jsou podstatné při posuzování drobných změn. (Rubino a kol. 2019, oddíly 1 a 3.2)

Příklad: dvě měření z Law Dome

Z veřejného souboru CSIRO vybereme dva vzorky jádra DE08. Pracujeme už s publikovanými koncentracemi po kalibraci a opravách a s převzatým datováním. Ukázka proto začíná čtením hotových výsledků, nikoli původním elektrickým signálem chromatografu. Tabulka uvádí kalendářní roky. Číslice za desetinnou čárkou určují polohu uvnitř roku. (Rubino a kol., data CSIRO, verze 3)

U prvního vzorku je vzduch o 31 let mladší než led. Proto naměřených 285,47 ppm přiřazujeme roku 1851,30:

Stejný odstup mají i data druhého vybraného vzorku. Jeho vzduch odpovídá přibližně roku 1969,69. Odečtením koncentrací zjistíme, o kolik se zachycený podíl CO₂ mezi těmito dvěma vzorky změnil. S koncentracemi uvedenými na tři desetinná místa dostaneme:

$\Delta c$ označuje rozdíl koncentrací. Pozdější vzorek má přibližně o 38,3 ppm více CO₂. Porovnáváme dvě měření směsí různě starého vzduchu přiřazených k uvedeným datům. Samotné odečtení nerozhoduje o příčině nárůstu, ukazuje však konkrétní výsledek, kterým ledový archiv doplňuje přímé pozorování atmosféry. (Data CSIRO)

Shrnutí