130.000 års klima gemt i tre km is

De store iskapper i Grønland og Antarktis

Iskapperne består af mere end 3 km tykke skjolde af is, som dækker kontinentet Antarktis og øen Grønland. Hvis al den is smeltede i morgen, ville verdenshavene stige med mere end 90 m. Iskapperne udgør i sig selv mere end 3 km høje bjerge bestående af ét mineral, nemlig is.

I sidste istid, for 25.000 år siden, lå der desuden et 3 km tykt lag over hele Canada, og et 2,5 km tykt skjold over Skandinavien. Dengang var verdenshavene 120 m lavere end i dag. Iskapperne er opbygget af lag på lag af årligt snefald, som ikke smelter væk, men som bare bliver liggende og dækket af næste års snefald.

Efterhånden som et snelag bliver dækket af mere og mere sne, stiger trykket på grund af vægten ovenpå. Sneen bliver presset sammen til is, og i ca. 80 m dybde bliver luften mellem snepartiklerne spærret inde i bobler i isen.

Selvom der kommer nye snelag ovenpå hele tiden, vokser iskapperne ikke ind i himlen, fordi iskapperne hele tiden synker sammen under deres egen vægt og flyder ud til kanten hvor isen enten smelter væk eller knækker af som isbjerge. I det store og hele er der en balance mellem det årlige snelag som kommer ovenpå, og den årlige nedsynkning, således at isens overflade stort set ligger samme sted som året før.

Iskapperne har med andre ord hele tiden indtægter i form af tilført sne i midten, og på samme tid udgifter i form af is som forsvinder ude ved kanten. Balancen mellem indtægter og udgifter hedder massebalancen. Når massebalancen er positiv, vokser iskappen over tid og hvis den er negativ, skrumper isen.

I øjeblikket taber Indlandsisen i Grønland mere is ved smeltning og produktion af isbjerge ved randen end der bliver tilført inde på midten. Indlandsisen skrumper lige nu, og det skyldes at klimaet i Grønland er blevet varmere de sidste 25 år.

De centrale dele af iskapperne er således kæmpestore lagkager af årlige snefald stablet ovenpå hinanden. Lagene blandes ikke sammen, men bliver langsomt mast tyndere efterhånden som de synker ned. Al den sne som i årtusinder er faldet ligger i isen i en ubrudt lagsekvens med den yngste sne/is foroven og den ældste forneden.

En iskerne er en cylinder af is på typisk 10 cm diameter, som er boret op af sneen/isen på en givet dybde. Meter for meter indeholder iskernen lag af sne/is, som bliver ældre og ældre med dybden.

Ved en iskerneboring er man meget omhyggelig med, at alle udborede iskerner kan sættes sammen i rækkefølge, så man sikrer sig at ingen lag mangler. 12 gange er det lykkedes at udbore mere end 2 km lange iskerner gennem iskapperne og helt ned i underlaget under isen.

I stor dybde, tæt ved underlaget, bliver lagene meget tynde og blandet op på grund af isens bevægelse hen over underlaget; men i det meste af iskernernes længde ligger lagene i uforstyrret sekvens.

Iskernerne fra Grønland når 130.000 år tilbage i tiden og kernerne fra Antarktis op til 800.000 år tilbage I tiden.

Boring af iskerner

Boring af iskerner forgår på en anden måde end f.eks. olieboring, hvor man roterer et langt rør med et borehoved for enden ved hjælp af motorer i selve boretårnet.

Et iskernebor hænger i et kabel og er en enhed på mellem 3 m og 12 m længde afhængig af typen. Selvom der findes iskernebor som smelter en iskerne ud med et ringformet varmelegeme, så er det mest anvendte bor elektromekanisk, hvor man med skarpe skær skærer en ring bort omkring iskernen.

Det tager cirka en måneds arbejde at klargøre boret, så på en standard sommersæson på godt 3 måneder kan man have 8 ugers effektiv boring. Derfor er det nødvendigt at oprette en borelejr som er aktiv i mere end tre sommersæsoner og bygge et borested som er i læ for vejr og vind.

Da temperaturerne på Indlandsisen kan nærme sig 0 C om sommeren, bygger vi borestedet i en snehule under overfladen, hvor temperaturen kan holdes under -20 C.

Ligesom i vand, stiger trykket i isen med dybden. I 1000 m dybde er trykket ca. 90 gange atmosfæretrykket, og isen vil hurtigt begynde at flyde sammen og lukke hullet. Et bor som bliver fanget i hullet vil blive mast.

Dybe iskerneboringer bliver derfor udført som “våd” boring, dvs. at borehullet bliver fyldt med en væske som ikke fryser ved -32 C (i Antarktis -56 C) og som har en massefylde svarende til isens.

På denne måde er der ligevægt mellem isens og væskens tryk og boringen kan foregå uhindret. I projekterne ved NEEM og EGRIP anvender vi en væske som er baseret på planteolier og som er biologisk nedbrydelig.      

Klimahistorien og atmosfærens historie aflæst fra iskerner

Det var prof. Willi Dansgaard fra København, som gennem en banebrydende videnskabelig opdagelse i 1950’erne gjorde iskerner til en helt central kilde for information om fortidens klima. Ved at måle på isotopsammensætningen af isen i lagene i iskernerne, kunne han bestemme temperaturen på det tidspunkt hvor sneen faldt. 

Metoden er følsom nok til både at skelne sommerlag fra vinterlag, og til at følge udviklingen af gennemsnitstemperaturen tilbage i tiden. Ved at måle tusindvis af isotopprøver langs dybe iskerner, og samtidig måle indholdet af f.eks. svovlsyre, salpetersyre, støv, havsalt, tungmetaller og radioaktivitet, kan man tælle alle årlagene tusindvis af år tilbage i tiden.

I både Grønland og Antarktis har man talt ca. 60.000 år tilbage, år for år. For lag som er ældre og ligger dybere benytter man sig af aldersberegninger baseret på isens flydemønster.

Efter man har bestemt alderen af snelagene kan man opbygge en kronologisk fortegnelse over bl.a. ændringer i klimaet, store vulkanudbrud, mængden af støv i atmosfæren, solstorme/kosmiske begivenheder, ændringer i jordens magnetfelt og menneskelig forurening med tungmetaller og radioaktive stoffer.

Iskerneanalyse

Siden Dansgaards tid, hvor man skar en sektion af en iskerne i mere end 60.000 nummererede små isterninger, som hver især blev målt på et massespektrometer, er der sket en voldsom teknisk udvikling.

I dag kan man måle mere end 15 forskellige kemiske komponenter, isens isotopsammensætning, støv og sammensætningen af gasserne i boblerne kontinuerligt og i takt med at en lodret stang af iskernen smelter på en varm plade med afløb direkte ind i laboratoriet.

Parametrene bliver registreret med millimeter opløsning. Iskernen bliver desuden scannet med en optisk scanner og isens elektriske ledningsevne bliver registreret.  Der bliver på denne måde opbygget et meget stort datamateriale over isens (og luftens) kemiske og fysiske sammensætning som funktion af dybden.

Mange målinger foretages af 10-15 personer i en snehule ved siden af borestedet; men man har også målekampagner på flere måneder i laboratorier rundt om i Europa.

Det er meget vigtigt at bestemme alderen af islagene. Når først alderen er kendt, kan iskernedata bruges som en meget stor opslagsbog bl.a. over klimahistorien, over forholdene for mennesker i forhistorisk tid, over kosmiske begivenheder, over variationer i Jordens magnetfelt, over historiske begivenheder, over drivhusgassernes vekselvirkning med klimaet og over menneskeskabt global forurening de sidste 300 år.

Man kan i sagens natur ikke måle så mange parametre på een gang, at man vil kunne svare på alle spørgsmål som dukker op, og derfor der det så vigtigt, at et væsentlig tværsnit af en iskerne i sin fulde længde bliver arkiveret i et iskernelager.   

Iskernearkivet i Brøndby

Københavns Universitets nye iskernearkiv blev taget i brug i slutningen af 2019 og en officiel indvielse blev planlagt til den 11. marts 2020 – og aflyst – da Danmark blev Coronalukket. Arkivet består af et 400 m² frostlager med plads til 2.000 iskernekasser i 13 reoler.

Temperaturen holdes konstant på -30 C. Foran frostlageret er der et prøvetagningsrum på -18 C, hvor iskernerne kan pakkes ud og inspiceres og nye prøver kan tages. Hele frostanlægget en opbygget inde i en tidligere fabrikshal i Brøndby. Der er desuden opsat en skurvogn i hallen, så besøgende forskere har en varm kaffestue, bad, toilet og omklædning.

Mere end 20 km iskerne opbevares her, og samlingen af dybe iskerner er helt enestående I verden. Her er is fra verdens første iskerne fra Camp Century boret i 1966, fra Byrd (Antarktis) 1968, fra Dye-3 1981, fra GRIP 1992, fra NGRIP 2003, fra NEEM 2012 og fra EGRIP 2024. Desuden består samlingen af kortere iskerner fra både Grønland og Antarktis samt fra Island, Chile, Canada og sågar en iskerne fra en hule i Slovakiet.

Da frysehuset blev taget i brug, var det også første gang i 15 år, at vi kunne få et samlet overblik over isbeholdningen. De tidligere frysere var overfyldte, og en stor del af isen var opbevaret i et fjernlager hos et frostfirma. Det samlede overblik førte til nogle overraskende og ganske sensationelle fund.

I tre kasser fandt vi en samling af glas med plastskruelåg, som hver indeholdt en plastpose med frossen jord og sten. Det viste sig, at vi havde genfundet de 7 m sten- og grus-kerne som U. S. Army havde boret op af underlaget under 1370 m indlandsis ved Camp Century.

Efter et ophold på 54 år i fryseren er disse prøver nu ved at blive analyseret i et fælles projekt med forskere fra Frankrig, Belgien og USA. Foreløbig er to prøver blevet målt: Den øverste er mellem 500.000 og 1 mill. år gammel og den nederste er 3,5 mill. år gammel.

Håbet er at bestemme noget af Grønlands flora før isen kom og bestemme Indlandsisens alder, dvs. hvor Grønland sidst var isfrit.

Nogle opslag I klimaarkivet

Optegnelserne fra den mere end 3 km lange iskerne fra NGRIP I Grønland udgør i dag hovedtabellen over klimabegivenheder på den nordlige halvkugle siden sidste mellemistid, EEM-tiden, for 130.000 år siden.

Her ser vi, at klimaet i istiden var ustabilt med mange bratte klimaændringer. I alt har vi registreret mere end 52 klimaændringer i istiden, og mange af dem var ganske voldsomme. Da sidste istid sluttede for 11,700 år siden slog vejret i Grønland om på eet år og temperaturen steg med 14 C på 30 år.

Iskernestykket med istidens afslutning er i dag verdens geologiske referencepunkt for overgangen mellem Pleistocæn og Holocæn.    

I de øverste og ganske unge snelag i kernerne har vi målt radioaktivitet og her ses atombombesprængningerne i 50’erne og 60’erne som helt tydelige lag med radioaktivitet med allerstørst radioaktivitet i laget fra 1963, hvor USA og USSR sprængte brintbomber i atmosfæren. Vi finder dog ikke spor af radioaktivitet fra atomreaktoren i Tjernobyl i Camp Century lejren, end ikke i iskerner som er boret ved Camp Century.

Indtil videre stammer de første tegn på forurening med tungmetaller fra 2,500 år gammel is. Koncentrationen af bly i isen følger den økonomiske udvikling i det romerske imperium. Vi ser effekten af de Puniske Krige (200tallet til 100-tallet før Kristi fødsel), ophøret af republikken (År 27 før Kristi fødsel), PAX ROMANUM (de to århundreder efter år 27 f. kr) og rigets ophør i år 480. Blyet stammer fra romernes udvinding af sølv især i Spanien.

Cæsar blev myrdet i marts år 44 f.v.t., og 8 måneder senere i 43 f.v.t. gik vulkanen Okmok på en af Alaskas øer i et kæmpeudbrud som svækkede sollyset i flere år, og førte til fejlslået høst i Italien og i Ægypten. Det bliver omtalt af Plutarch som gudernes straf for Cæsars mord. Askepartikler fra Okmok er fundet I iskernerne i laget fra 43 f.v.t. , og datoen stemmer i øvrigt med frostringe i træer.

Der er registreret mange hundrede vulkanudbrud i iskernetabellen. Spor efter vulkanudbrud er ganske nemme at finde i isen, da mange tydeligt fremstår som lag med højt indhold af svovlsyre.

Svovlsyren fortæller intet om hvilken vulkan der er tale om – her skal man være heldig at finde askepartikler; men det uregelmæssige mønster over tid med mange vulkaner, udgør en form for stregkode som gør det muligt tidsmæssigt at matche alle iskerner op med hinanden med års præcision.

Nogle af vulkanudbruddene er sket så tæt på Ækvator, at svovlsyren har bredt sig både til Grønland og til Antarktis og her er det blevet muligt at synkronisere iskernerne fra de to halvkugler, således at vi nu ved, at de bratte klimaændringer i nord ikke modsvares af de samme i syd.