|
|
|
| Een ijskern is een kernmonster dat doorgaans uit een ijskap of een hooggebergtegletsjer wordt gehaald. Omdat het ijs wordt gevormd door de geleidelijke opbouw van jaarlijkse sneeuwlagen, zijn de onderste lagen ouder dan de bovenste, en bevat een ijskern ijs dat in de loop van een aantal jaren is gevormd. Kernen worden geboord met handboren (voor ondiepe gaten) of elektrische boren; ze kunnen dieptes bereiken van meer dan 3,2 km en bevatten ijs dat tot 800.000 jaar oud is. |
| |
De fysieke eigenschappen van het ijs en van het materiaal dat erin vastzit, kunnen worden gebruikt om het klimaat te reconstrueren over de leeftijdscategorie van de kern.
De verhoudingen van verschillende zuurstof- en waterstofisotopen geven informatie over oude temperaturen, en de lucht die in kleine belletjes vastzit, kan worden geanalyseerd om het niveau van atmosferische gassen zoals koolstofdioxide te bepalen. |
| |
| Omdat de warmtestroom in een grote ijskap erg traag is, is de boorgattemperatuur een andere indicator van de temperatuur in het verleden. Deze gegevens kunnen worden gecombineerd om het klimaatmodel te vinden dat het beste past bij alle beschikbare gegevens. |
|
|
 |
| IJskernmonster genomen uit boor |
|
| |
Onzuiverheden in ijskernen kunnen afhankelijk zijn van de locatie. Kustgebieden bevatten vaker materiaal van mariene oorsprong, zoals zeezoutionen. Groenlandse ijskernen bevatten lagen door de wind opgeblazen stof die correleren met koude, droge periodes in het verleden,
toen koude woestijnen door de wind werden uitgehold. Radioactieve elementen, van natuurlijke oorsprong of gecreëerd door kernproeven, kunnen worden gebruikt om de lagen ijs te dateren. Sommige vulkanische gebeurtenissen die krachtig genoeg waren om materiaal over de hele wereld te sturen, hebben een handtekening achtergelaten in veel verschillende kernen die kunnen worden gebruikt om hun tijdschalen te synchroniseren. |
| |
| IJskernen worden al sinds het begin van de 20e eeuw bestudeerd en er werden verschillende kernen geboord. Er werden diepten van meer dan 400 m bereikt, een record dat in de jaren 60 werd verlengd tot 2164 m bij Byrd Station in Antarctica. Sovjet-ijsboorprojecten in Antarctica omvatten tientallen jaren werk bij Vostok Station, waarbij de diepste kern 3769 m bereikte. |
| |
| Structuur van ijskappen en -kernen |
| |
Een ijskern is een verticale kolom door een gletsjer, die monsters neemt van de lagen die
zijn gevormd door een jaarlijkse cyclus van sneeuwval en smelt. Naarmate de sneeuw zich ophoopt, drukt elke laag op de lagere lagen, waardoor ze dichter worden totdat ze in firn veranderen. Firn is niet dicht genoeg om te voorkomen dat er lucht ontsnapt; maar bij een dichtheid van ongeveer 830 kg/m3 verandert het in ijs en wordt de lucht erin opgesloten in bellen die de samenstelling van de atmosfeer vastleggen op het moment dat het ijs werd gevormd. |
| |
| De diepte waarop dit gebeurt, varieert per locatie, maar in Groenland en Antarctica varieert het van 64 m tot 115 m. Omdat de snelheid van sneeuwval van locatie tot locatie verschilt, varieert de leeftijd van de firn wanneer deze in ijs verandert enorm. Bij Summit Camp in Groenland is de diepte 77 m en is het ijs 230 jaar oud, bij Dome C in Antarctica is de diepte 95 m en de leeftijd 2500 jaar. Naarmate er meer lagen worden opgebouwd, neemt de druk toe en op ongeveer 1500 m verandert de kristalstructuur van het ijs van hexagonaal naar kubisch, waardoor luchtmoleculen in de kubische kristallen kunnen bewegen en een clathraat kunnen vormen. De bellen verdwijnen en het ijs wordt transparanter. |
|
|
 |
| Een wetenschapper in een kuil met sneeuw |
|
| |
| Twee of drie voet sneeuw kan veranderen in minder dan een voet ijs. Het gewicht erboven zorgt ervoor dat diepere lagen ijs dunner worden en naar buiten stromen. IJs gaat verloren aan de randen van de gletsjer door ijsbergen of door het smelten in de zomer, en de algehele vorm van de gletsjer verandert niet veel in de loop van de tijd. De naar buiten gerichte stroming kan de lagen vervormen, dus het is wenselijk om diepe ijskernen te boren op plaatsen waar er heel weinig stroming is. Deze kunnen worden gelokaliseerd met behulp van kaarten van de stromingslijnen. |
| |
| Onzuiverheden in het ijs geven informatie over de omgeving waarin ze zijn afgezet. Deze omvatten roet, as en andere soorten deeltjes van bosbranden en vulkanen; isotopen zoals beryllium-10 die zijn ontstaan door kosmische straling; micrometeorieten; en pollen. De onderste laag van een gletsjer, basaal ijs genoemd, bestaat vaak uit subglaciaal smeltwater dat opnieuw is bevroren. Het kan tot ongeveer 20 m dik zijn en hoewel het wetenschappelijke waarde heeft (het kan bijvoorbeeld subglaciale microbiële populaties bevatten), behoudt het vaak geen stratigrafische informatie. |
| |
| Kernen worden vaak geboord in gebieden zoals Antarctica en centraal Groenland waar de temperatuur bijna nooit warm genoeg is om smelten te veroorzaken, maar het zomerzonlicht kan de sneeuw nog steeds veranderen. In poolgebieden is de zon dag en nacht zichtbaar tijdens de lokale zomer en onzichtbaar de hele winter. Het kan ervoor zorgen dat wat sneeuw sublimeert, waardoor de bovenste centimeter of zo minder dicht wordt. Wanneer de zon zijn laagste punt aan de hemel nadert, daalt de temperatuur en vormt zich rijp op de bovenste laag. Begraven onder de sneeuw van de daaropvolgende jaren, comprimeert de grofkorrelige rijp tot lichtere lagen dan de wintersneeuw. Als gevolg hiervan zijn afwisselende banden van lichter en donkerder ijs te zien in een ijskern. |
| |
| IJskernboren |
| |
| IJskernen worden verzameld door rond een cilinder van ijs te snijden op een manier die het mogelijk maakt om het naar de oppervlakte te brengen. Vroege kernen werden vaak verzameld met handboren en ze worden nog steeds gebruikt voor korte gaten. Een ontwerp voor ijskernboren werd gepatenteerd in 1932 en ze zijn sindsdien weinig veranderd. Een boor is in wezen een cilinder met spiraalvormige metalen ribben (bekend als flights) die om de buitenkant zijn gewikkeld, aan het onderste uiteinde waarvan snijbladen zitten. Handboren kunnen worden gedraaid met een T-handgreep of een beugelhandgreep, en sommige kunnen worden bevestigd aan handbediende elektrische boren om de rotatie aan te drijven. Met behulp van een statief om de boor te laten zakken en te heffen, kunnen kernen tot 50 m diep worden opgehaald, maar de praktische limiet is ongeveer 30 m voor door motoren aangedreven boren en minder voor handboren. Onder deze diepte worden elektromechanische of thermische boren gebruikt. |
| |
 |
| IJsboor |
|
|
 |
| Mechanische boorkop, met snijtanden |
|
|
 |
| IJsboor machine |
|
|
 |
| Boren in de Rosszee op Antarctica. |
|
| |
Het snijapparaat van een boor bevindt zich aan het onderste uiteinde van een boorcilinder, de buis die de kern omringt terwijl de boor naar beneden snijdt. De stekken (ijsschilfers die door de boor zijn weggesneden) moeten in het gat worden getrokken en weggegooid, anders zal de snijefficiëntie van de boor verminderen. Ze kunnen worden verwijderd door ze in de wanden van het gat of in de kern te verdichten, door luchtcirculatie (droog boren) of door het gebruik van een boorvloeistof (nat boren). Droogboren is beperkt tot een diepte van ongeveer 400 meter, omdat onder dat
punt een gat zich zou sluiten als het ijs vervormt door het gewicht van het ijs erboven. Er worden boorvloeistoffen gekozen om de druk in evenwicht te brengen, zodat het gat stabiel blijft. De vloeistof moet een lage kinematische viscositeit hebben om de uitschakeltijd te verkorten (de tijd die nodig is om de boorapparatuur uit het gat te trekken en terug te brengen naar de bodem van het gat). |
| |
| Omdat het terughalen van elk segment van de kern, kan door een lagere verplaatsingssnelheid van de boorvloeistof een project aanzienlijk langer duren, een jaar of langer voor een diep gat. De vloeistof moet het ijs zo min mogelijk vervuilen; het moet een lage toxiciteit hebben, met het oog op de veiligheid en om de gevolgen voor het milieu tot een minimum te beperken. Historisch gezien zijn er drie hoofdtypen vloeistoffen voor ijsboren geweest: tweecomponentenvloeistoffen op basis van kerosine-achtige producten gemengd met fluorkoolwaterstoffen om de dichtheid te verhogen; alcoholverbindingen, waaronder waterige ethyleenglycol- en ethanoloplossingen; en esters, waaronder n-butylacetaat. |
| |
| Roterend boren is de belangrijkste methode voor het boren naar mineralen en wordt ook gebruikt voor ijsboren. Het maakt gebruik van een reeks boorpijpen die vanaf de bovenkant worden gedraaid, en boorvloeistof wordt door de pijp naar beneden gepompt en eromheen weer omhoog gepompt. De stekken worden bovenaan het gat uit de vloeistof verwijderd en de vloeistof wordt vervolgens weer naar beneden gepompt. Deze aanpak vereist lange reistijden, aangezien de gehele boorkolom uit het gat moet worden gehesen en elk stuk pijp afzonderlijk moet worden losgekoppeld en vervolgens opnieuw moet worden aangesloten wanneer de boorkolom opnieuw wordt geplaatst. Samen met de logistieke problemen die gepaard gaan met het brengen van zwaar materieel naar ijskappen, maakt dit traditionele boormachines onaantrekkelijk. Bij draadgebonden boren is het daarentegen mogelijk de kerncilinder uit het boorsamenstel te verwijderen terwijl deze zich nog op de bodem van het boorgat bevindt. Het kernvat wordt naar de oppervlakte gehesen en de kern verwijderd; de loop wordt weer neergelaten en opnieuw verbonden met het boorsamenstel. Een ander alternatief zijn flexibele boorsteelinstallaties, waarbij de boorkolom flexibel genoeg is om aan de oppervlakte te worden opgerold. Hierdoor is het niet meer nodig om de leidingen tijdens een reis los te koppelen en opnieuw aan te sluiten. |
| |
Thermische boren, die ijs snijden door de boorkop elektrisch te verwarmen, kunnen ook worden gebruikt, maar deze hebben enkele nadelen. Sommige zijn ontworpen om in koud ijs te werken; ze hebben een hoog stroomverbruik en de warmte die ze produceren kan de kwaliteit van de teruggevonden ijskern aantasten. Heetwaterboren gebruiken heetwaterstralen op de boorkop om het water rond de kern te smelten. De nadelen
zijn dat het moeilijk is om de afmetingen van het boorgat nauwkeurig te controleren, dat de kern niet gemakkelijk steriel kan worden gehouden en dat de hitte een thermische schok voor de kern kan veroorzaken. |
| |
| Met enige variatie tussen projecten moeten de volgende stappen plaatsvinden tussen het boren en de definitieve opslag van de ijskern. |
| |
| De boor verwijdert een ijsring rond de kern, maar snijdt er niet onderdoor. Een veerbelaste hefboomarm, een zogenaamde kernhond, kan de kern afbreken en op zijn plaats houden terwijl deze naar de oppervlakte wordt gebracht. De kern wordt vervolgens uit de boorcilinder gehaald, meestal door deze plat neer te leggen, zodat de kern naar buiten kan glijden op een voorbereid oppervlak. De kern moet tijdens het uitschuiven worden ontdaan van boorvloeistof en het oppervlak dat de kern ontvangt, moet zo nauwkeurig mogelijk worden uitgelijnd met de boorcilinder om mechanische spanning op de kern, die gemakkelijk kan breken, tot een minimum te beperken. De omgevingstemperatuur wordt ruim onder het vriespunt gehouden om thermische schokken te voorkomen. |
| |
Er wordt een logboek bijgehouden met informatie over de kern, inclusief de lengte en de diepte waaruit deze is gehaald, en de kern kan worden gemarkeerd om de oriëntatie ervan aan te geven. Het wordt meestal in kortere stukken gesneden, waarbij de standaardlengte in de VS één meter is. De kernen worden vervolgens ter plaatse opgeslagen, meestal in een ruimte onder het sneeuwniveau, om het temperatuurbehoud te
vereenvoudigen word er extra koeling kan gebruikt. Als er meer boorvloeistof moet worden verwijderd, kan er lucht over de kernen worden geblazen. Alle monsters die nodig zijn voor voorlopige analyses worden genomen. De kern wordt vervolgens verpakt in polyethyleen, en opgeslagen voor verzending. Er wordt extra verpakking toegevoegd, inclusief opvulmateriaal. Wanneer de kernen vanaf de boorlocatie worden gevlogen, wordt de cockpit van het vliegtuig onverwarmd om de temperatuur laag te houden; wanneer ze per schip worden vervoerd, moeten ze in een koelunit worden bewaard. |
 |
| Opslagruimte van ijskernen. |
|
|
 |
Bellen in een Antarctisch ijsmonster.
Verlicht met gepolariseerd licht. |
|
|
 |
Een stukje Antarctisch ijs met opgesloten
luchtbellen. Beelden van CSIRO. |
|
| |
| Breekbaar ijs |
Over een dieptebereik dat bekend staat als de brosse ijszone, worden luchtbellen onder grote druk in het ijs opgesloten. Wanneer de kern naar de oppervlakte wordt gebracht, kunnen de bellen een spanning uitoefenen die groter is dan de treksterkte van het ijs, wat resulteert in scheuren en spatten. Op grotere diepte verdwijnt de lucht in clathraten en wordt het ijs weer stabiel. Op de WAIS Divide-locatie lag de broze ijszone tussen
520 m en 1340 m diep. |
| |
| De brosse ijszone retourneert doorgaans monsters van slechtere kwaliteit dan voor de rest van de kern. Er kunnen enkele stappen worden ondernomen om het probleem te verlichten. Er kunnen voeringen in het boorvat worden geplaatst om de kern te omsluiten voordat deze naar de oppervlakte wordt gebracht, maar dit maakt het moeilijk om de boorvloeistof te verwijderen. Bij het boren van mineralen kunnen speciale machines kernmonsters met druk in de bodem naar de oppervlakte brengen, maar dit is te duur voor de ontoegankelijke locaties van de meeste boorlocaties. Door de verwerkingsfaciliteiten op zeer lage temperaturen te houden, worden thermische schokken beperkt. Kernen zijn het meest broos aan de oppervlakte, dus een andere benadering is om ze in het gat in stukken van 1 m te breken. Door de kern uit de boorcilinder in een net te extruderen, wordt de kern bij elkaar gehouden als deze breekt. Brosse kernen mogen ook vaak enige tijd in opslag blijven op de boorlocatie, tot een heel jaar tussen de boorseizoenen, om het ijs geleidelijk te laten ontspannen. |
| |
| IJskern analyses |
| |
Hoe dieper de laag van een jaar in het ijs ligt, hoe ouder en dunner deze is, omdat het gewicht van de lagen erboven het samendrukt en ervoor
zorgt dat het zijwaarts stroomt. Als je deze afzonderlijke lagen onderzoekt, kun je zeer nauwkeurige informatie over specifieke jaren achterhalen door de lagen van bovenaf te tellen. De dikte van de afzonderlijke jaarlagen geeft informatie over de hoeveelheid neerslag. |
| |
| Verwijzingen naar gebeurtenissen worden zowel onderzocht op het tijdstip waarop ze plaatsvinden als op de eventuele periodiciteit in de tijd. IJskernen worden altijd vergeleken, d.w.z. er wordt nagegaan of een gebeurtenis kan worden aangetroffen in een andere ijskern, mogelijk vanaf een geheel andere locatie, die sporen vertoont uit dezelfde tijd. |
| |
| Analyses van ijskernen zijn een unieke kans om informatie te verkrijgen over het klimaat in het Noordpoolgebied en Antarctica van de afgelopen decennia, eeuwen, millennia en zelfs nog verder gelegen perioden. Ze worden van groot belang geacht voor klimaatonderzoek, vooral voor onderzoek naar klimaatverandering, de opwarming van de aarde en de vraag welk deel van de klimaatverandering door de mens veroorzaakt is. |
 |
| Lengtedoorsnede van een boorkern van de Groenlandse ijskap |
|
| |
| Gasanalyse |
| Het ijs bevat kleine luchtbelletjes die duizenden jaren geleden vastzaten. Spoorgassen zijn van belang, hun aandeel in de lucht is veel minder dan 1%. Er wordt gekeken naar de concentraties kooldioxide en methaan, omdat deze broeikasgassen destijds het klimaat beïnvloedden. Uit de analyse van de berylliumisotopen en koolstofisotopen kunnen conclusies worden getrokken over de zonneactiviteit op dat moment. Met behulp van het zuurstofisotoop-18O-signaal wordt onder meer een temperatuuranalyse gedaan. Daarnaast wordt ook de verhouding 2H/1H (deuterium/waterstof) bepaald, wat extra informatie geeft over verdampings- en condensatietemperaturen. IJskernen kunnen worden gebruikt om de vormingstemperatuur van neerslag en daarmee de luchttemperatuur in de poolgebieden van de aarde over bijna een miljoen jaar te reconstrueren. De verhouding van Helium-3 tot Helium-4 levert bewijs voor veranderingen in de oriëntatie van het magnetische veld van de aarde. Door de opgesloten Krypton-81 te analyseren, kan ijs dat ouder is dan 50.000 jaar worden gedateerd. |
| |
| Analyse van ingesloten vaste stoffen |
| Het stofgehalte, de ionen- of bepaalde elementconcentraties maken het mogelijk conclusies te trekken over de atmosferische circulatie en de gemiddelde windsnelheden die heersten op het moment van ontstaan. |
| |
| Lagen stof die in ijskernen worden aangetroffen, kunnen afkomstig zijn van vulkaanuitbarstingen, die soms klimaatveranderingen hebben veroorzaakt. Het dateren van de uitbarstingen met behulp van ijskernen is aanzienlijk nauwkeuriger dan koolstofdatering. De geleidbaarheid van ijs geeft informatie over de hoeveelheid vulkanische afzettingen van eerdere uitbarstingen. Petrografisch wordt glas van vulkanische oorsprong onderzocht met behulp van elektronenmicroscopen en secundaire ionenmassaspectrometers. De specifieke concentratie van bepaalde oxiden en sporenelementen kan vervolgens worden vergeleken en toegewezen aan monsters van mogelijke vulkaanuitbarstingen. Hierin wordt niet alleen met een tijdsresolutie van decennia en eeuwen onderzocht of een vulkaanuitbarsting klimaatrelevante gevolgen heeft gehad. Omgekeerd wordt ook onderzocht of de effecten van klimaatverandering zoals deglaciatie een aantoonbare invloed hebben gehad op de vulkanische activiteit. |
|
|
 |
Dun gedeelte gemaakt van delen van een ijskern in
gepolariseerd licht |
|
| |
Bovendien kan worden vastgesteld of de gevonden stofdeeltjes van terrestrische of buitenaardse oorsprong zijn en mogelijk afkomstig zijn van meteoriet- of micrometeorieteninslagen. Er wordt gezocht naar sporen van iridium (Ir) en osmium (Os). De verhouding 187Os / 186Os bepaalt of
de deeltjes van vulkanische oorsprong zijn of kunnen worden toegeschreven aan een meteorietinslag. Als de elementen uit de aardkorst komen, is deze verhouding 400 op 1, voor meteorieten is deze 3 op 1. |
| |
| Andere stoffen geven aanwijzingen over de milieugeschiedenis en de menselijke invloed. In de Groenlandse ijskappen die bestonden in de periode 1100 voor Christus. Er zijn bijvoorbeeld zware metalen zoals lood gevonden die dateren van 800 voor Christus tot 800 na Christus, die werden gebruikt bij de zilverwinning in Europa en de Middellandse Zee en door luchtstromen naar het noorden werden getransporteerd en opgeslagen in de ijskap. Loodconcentraties die in het exacte jaartal worden gedateerd, komen nauw overeen met de economische geschiedenis van de Europese oudheid, zoals crises in het Romeinse rijk of het zilvergehalte van Romeinse munten. Tussen 2014 en 2015 werden tussen 33 en 75.143 microplasticdeeltjes per liter ijs in het Arctische zee-ijs aangetroffen. In 2022 werden voor het eerst microplastics ontdekt in de sneeuw van Antarctica. |
| |
|
|
|
|
|
|
