Iskjerneprøve

En iskjerneprøve er en kjerneprøve som vanligvis fjernes fra en innlandsis, vanligvis fra iskappen over Antarktis, Grønland eller fra en isbre i høyfjellet andre steder. Fordi is dannes ved trinnvis oppbyggingen av årlige lag av snø, er lavere lag eldre enn de øvre. En iskjerne tatt ut vertikalt kan dermed inneholde is som er dannet over en svært lang årrekke. Isens egenskaper og rekrystalliserte innesluttinger i isen, som luft eller partikler, kan da brukes til å rekonstruere historiske temperaturer over aldersintervallet av kjernen, vanligvis gjennom isotopanalyse. Dette gjør det mulig å rekonstruere lokale historiske temperaturer og utviklingen av den atmosfæriske sammensetningen, der spesielt luftens konsentrasjon av karbondioksid er av stor interesse.

Iskjerner inneholder en mengde av informasjon om klimaet, de er derfor viktig for studier relatert til global oppvarming. Avsetninger i snøen hvert år forblir i isen, for eksempel vindtransportert støv, vulkansk aske, pollen, bobler av atmosfærens luft og radioaktive stoffer. Variasjonen av klimatiske proxyer er større enn i noen annen naturlig kilde om tidligere klima, som for eksempel årringer i trær eller sedimentlag. Iskjerneprøver kan gi informasjon om (proxier) temperatur, havvolum, nedbør, kjemiske egenskaper og gassammensetning av den nedre del av atmosfæren, vulkanske utbrudd, solvariasjoner, produktivitet i sjøoverflate, ørkenutbredelse og skogbranner. Det er samtidigheten av disse egenskapene registrert i isen som gjør iskjerner til et så kraftig verktøy innenfor paleoklimatologisk forskning.

Lengden på dataene avhenger av iskjernens dybde og varierer fra noen få år opp til  for iskjerner skaffet frem av European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA). Tidsoppløsningen, det vil si den korteste tidsperioden som nøyaktig kan skilles, avhenger av mengden årlig snøfall, og reduseres med dybde når isen komprimeres under vekten av lag som akkumuleres på toppen av den. Øvre lag av is i en kjerne tilsvarer et enkelt år eller noen ganger en sesong. Dypere i isen blir lagene tynne og de årlige lagene utviskes.

Struktur av iskapper og kjerner

Dannelse av firn og is 

Iskapper over landområder er dannet av snø, og fordi temperaturen på stedet sjeldent går mye over frysepunktet smelter ikke snøen om somrene. På mange steder i Antarktis er lufttemperaturen alltid godt under vannets frysepunkt. Både partikler og gasser vil være tilstede i snøen, og når denne senere blir til is vil dette bli innkapslet «for alltid».

Overflatelaget er snø i forskjellige former, med luftrom mellom snøflakene. Etter som snø fortsetter å samle seg, blir snøen lenger ned komprimert og danner firn, en kornete form for snø med en konsistens som ligner granulert sukker. Luftrommene er fremdeles tilstede og noe sirkulasjon av luft finner fortsatt sted. Etter som snøen akkumuleres over og tynger ned lagene under, fortsetter firn å tettes sammen, og på et tidspunkt stenges porene og luften blir innkapslet. Fordi luften har fortsatt å sirkulere helt til dette tidspunktet, er alderen til isen og alderen til den innkapslede gassen på samme sted ikke den samme, og kan variere med hundrevis av år. Forskjellen mellom gassalderen og isalderen er rundt 7000 år i breisen hentet ut fra forskningsstasjonen Vostok.

Under økende trykk og noe dybde vil firn komprimeres til is. Denne dybden kan variere mellom noen få til flere titalls meter, til typisk 100 m for antarktiske iskjerner. Under dette nivået er innkapslet gass eller materialer frosset ned i isen. Is kan her virke klar eller blå.

Lagene kan visuelt bli skilt i firn og i is ned til betydelige dyp. På steder på toppen av en iskappe hvor det er lite strømning, har isen en tendens til å bevege seg ned og bort, og skaper lag med minimal forstyrrelse. På et sted der underliggende is strømmer i horisontal retning, kan dypere lag ha stadig flere egenskaper og forvrengning. Borekjerner som tas ut nær berggrunn er ofte utfordrende å analysere på grunn av forvrengte strømningsmønstre og sammensetning som sannsynligvis inkluderer materialer fra den underliggende overflaten.

Et annet problem er sommertemperaturer som kommer over frysepunktet. Da vil en iskjerne bli alvorlig forringet eller helt ubrukelig, siden smeltevannet vil sive inn i snøen.

Laget av porøs firn fra iskappen over Antarktis er 50-150 m dyp. Dyden på isbreer er mye mindre. Luft i atmosfæren og firn blir sakte utvekslet ved molekylær diffusjon gjennom porerom, fordi gasser beveger seg mot regioner med lavere konsentrasjon. Termisk diffusjon forårsaker isotopfraksjonering i firn når det er raske temperaturvariasjoner, noe som skaper isotopforskjeller som er fanget i bobler når is er opprettet av firn. Det er gassbevegelse på grunn av diffusjon i firn, men ikke konveksjon unntatt svært nær overflaten. Løs firn er en sone der sesonglagene vekselvis har åpen og lukket porøsitet. Disse lagene er forseglet med hensyn til diffusjon. Gassalderen øker raskt med dybde i disse lagene. Forskjellige gasser blir fraksjonert mens bobler er fanget der firn omdannes til is.

Kjerneboring i is

Isbor for sylindriske prøver 
En iskjerne blir tatt ut som en prøve fra det omgivende materialet. For snø som er tilstrekkelig mykt, kan kjernen enkelt tas ut med en hul sylinder eller et rør. Dypkjerneboring i hard is og kanskje underliggende berggrunn innebærer bruk av et hult bor som aktivt skjærer en sylindrisk vei nedover rundt kjernen, se illustrasjon.

Pionerer innenfor uttak av iskjerneprøver var Johan Peter Koch og Alfred Wegener. De fikk bygget en hytte på isen i Nordøst-Grønland. Inne i hytta deres tok de ut iskjerner til en dybde av 25 m med et bor med form som en stor korkskrue. Deres undersøkelser fant sted i 1920-årene.

Når boring brukes er skjæreapparatet på bunnen av borerør, og røret omgir iskjernen når boret kutter nedover rundt kanten av den sylindriske prøven. Lengden på borehullet bestemmer maksimal lengde på en kjerneprøve (6 m ved Greenland Ice Sheet Project (GISP2) og Vostok). Innsamling av en lang iskjerneprøve krever dermed mange sykluser for senking av boret: Boring av en iskjerne på 4-6 m, heisning av boret til overflaten, uttømming av borerøret og forberedelse for ny boring. 

Fordi is på store dyp er under høyt trykk kan den deformeres. Det kan derfor oppstå problemer med  borehull dypere enn omtrent 300 m, ved at hullet vil ha en tendens til å lukke seg, hvis det ikke er noe tilbaketrykk. Hullet blir derfor fylt med et væske for å motvirke at hullet lukker seg. Væsken, eller blandingen av væsker, må samtidig tilfredsstille kriterier for tetthet, lav viskositet, frostmotstand, samt arbeidssikkerhet og miljøkrav. Væsken må også tilfredsstille andre kriterier, for eksempel at den ikke påvirker de analysemetoder som anvendes for iskjernen. En rekke forskjellige væsker og væskekombinasjoner har blitt utprøvd.

Prosjektene har brukt forskjellige strategier for kjernebehandling. Noen prosjekter har bare gjort studier av fysiske egenskaper senere, mens andre har gjort betydelig mer studie i felten. Det er vanlig at en stor del av hvert kjernesegment nå blir satt tilside for langtidsoppbevaring for fremtidige behov for undersøkelser.

Dekomprimering av isen  
Dyp is er under stort trykk. Når det kommer til overflaten, oppstår en drastisk endring i trykket. På grunn av det indre trykket og varierende sammensetning, spesielt av bobler, er iskjernene noen ganger veldig sprø. De kan dermed lett knekkes eller knuses under håndtering.

Dekomprimering forårsaker betydelig volumutvidelse på grunn av mikrosprekker og utskillelse av gasshydrat. Denne utvidelsen kan vare i flere måneder. På grunn av dette lagres iskjerner i temperatur under -10 °C for å forhindre sprekker på grunn av ekspansjon ved høyere temperaturer.

Data fra iskjerner

Datering av Iskjerner 
 

Kjerner som ikke er tatt ut fra store dyp, eller fra de øvre delene i områder med stor akkumulering av is, kan dateres nøyaktig bare ved å telle individuelle lag, som hvert representerer et år. Disse lagene kan være synlige og knyttet til isens natur, eller de kan være kjemiske og relatert til gasstransport gjennom forskjellige årstider. De kan også være isotopiske, som reflekterer det årlige temperatursignalet (for eksempel snø fra kaldere perioder har mindre av tyngre isotoper av hydrogen og oksygen). 

I iskjerner fra dypere områder blir lagene tynnere på grunn av isstrøm og høyt trykk, slik at til slutt kan ikke individuelle år skilles. Alder til isen i nedre lag rekonstrueres ved modellering av  akkumulasjonshastighet og isstrømer.

Paleoatmosfærisk prøvetaking  
 

Mange materialer kan være innkapslet i en iskjerneprøve. Lag kan måles på flere måter for å identifisere endringer i sammensetningen. Små meteoritter kan være fanget i isen. Vulkanutbrudd avgir identifiserbare askelag. Støv i kjernen kan knyttes til økning av ørkenområder eller vindhastighet. 

Isotopisk analyse av isen i kjernen kan knyttes til temperatur og globale havnivåvariasjoner. Analyse av luften som finnes i bobler i isen kan avsløre atmosfærens historiske sammensetning, spesielt variasjoner av innholdet av karbondioksid er av stor interesse. Det er store problemer knyttet til tidspunkt for de innkapslede gassboblene til tidspunkt for dannelse av selve isen, siden boblene bare sakte «lukkes» etter at isen er blitt deponert. 

For å hente disse naturlige prøvene av gassbobler, blir isen malt ved lave temperaturer, slik at den innkapslede luften kan unnslippe. Det kondenseres deretter for analyse ved gasskromatografi eller massespektrometri, som viser gasskonsentrasjoner og deres isotopiske sammensetning.

Paleoatmosfæriske firnstudier 
Ved sørpolen er overgangsdybden for dannelse av firn på 122 m, med alder på CO2 gassbobler på rundt 100 år. Gasser relatert til nedbryting av ozon, som KFK-gasser, klorkarboner og bromkarboner, er målt i firn. Liknende studier av Grønlandsisen har vist at KFK-gasser ikke er tilstede i en dybde av 69 m (med årstall for CO2 gassbobler er da 1929).

Analyse av iskjernen fra Upper Fremont Glacier i USA har vist store mengder av klor-36 som klart samsvarer med produksjonen av isotopen under atmsfæriske prøvespregninger av  atomvåpen.

Områder for uttak av iskjerneprøver 
Iskjerner er tatt fra mange steder rundt om i verden. Det har vært store anstrengelser å ta disse ut på Grønland og Antarktis. Grønlandsisen er mer utsatt for snøsmelting enn i Antarktis.  

I Antarktis har områder rundt Antarctic Peninsula og havene i vest funnet å bli påvirket av El Niño-effekter (ENSO). Begge disse egenskapene har blitt brukt til å studere slike variasjoner over lange tidsrom.

Iskjernelagring og transport 

Iskjerner lagres og transporteres vanligvis i egne kjølebeholdere. På grunn av den høye verdien og den temperaturfølsomheten til iskjerneprøvene, brukes ofte containersystemer med primære og reservekjøleenheter og generatorsett. Illustrasjonen viser et stort fryselager for iskjerneprøver.

Se også 
 Dendrokronologi

Referanser

Eksterne lenker 

 Ice Core Gateway
 National Ice Core Laboratory - Facility for storing, curating, and studying ice cores recovered from the polar regions
West Antarctic Ice Sheet Divide Ice Core Project
Byrd Polar Research Center - Ice Core

Klimaendringer
Is