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氷床コアは、通常、氷床または高山の氷河から採取されるコアサンプルです。氷は毎年積もる雪の層から形成されるため、下層は上層よりも古く、氷床コアにはさまざまな年数にわたって形成された氷が含まれています。コアは、手掘りオーガー（浅い穴用）または電動ドリルで掘削され、2 マイル（3.2 km）以上の深さまで到達し、最大 80 万年前の氷が含まれています。
氷とその中に閉じ込められた物質の物理的特性は、核の年代範囲にわたる気候を再構築するために使用できます。さまざまな酸素と水素の同位体の割合は、古代の気温に関する情報を提供し、小さな泡に閉じ込められた空気は、二酸化炭素などの大気ガスのレベルを決定するために分析できます。大きな氷床の熱の流れは非常に遅いため、ボーリングホールの温度は過去の気温のもう1つの指標です。これらのデータを組み合わせると、利用可能なすべてのデータに最も適合する気候モデルを見つけることができます。
氷床コアの不純物は場所によって異なる。沿岸地域には海塩イオンなどの海洋起源の物質が含まれる可能性がより高い。 グリーンランドの氷床コアには、風で運ばれた塵の層が含まれており、これは冷たい砂漠が風で削られた過去の寒くて乾燥した時期に相関している。 自然起源または核実験によって生成された放射性元素を使用して、氷層の年代を測定できる。物質を世界中に飛ばすほどの強力な火山活動の中には、さまざまなコアに痕跡を残しているものがあり、それを使用して時間スケールを同期させることができる。
氷床コアは20世紀初頭から研究されており、国際地球観測年（1957～1958年）の結果としていくつかのコアが掘削された。深さは400メートルを超え、1960年代には南極のバード基地で2164メートルに記録が伸ばされた。 南極におけるソ連の氷掘削プロジェクトには、ボストーク基地での数十年にわたる作業が含まれており、最も深いコアは3769メートルに達している。西南極氷床プロジェクトや、英国南極調査隊および国際南極横断科学探検隊が管理するコアなど、南極では長年にわたり多数の深層コアが完成している。グリーンランドでは、1970年代にグリーンランド氷床プロジェクトを皮切りに一連の共同プロジェクトが始まった。複数の後続プロジェクトがあり、最新のものは東グリーンランド氷床コアプロジェクトで、当初は2020年に東グリーンランドの深部コアを完成させる予定でしたが、その後延期されました。[1]
氷床と氷核の構造
氷床コアは氷河を貫く垂直の柱で、年間の降雪と融解のサイクルで形成された層のサンプルです。[2]雪が積もると、各層が下の層を圧迫して密度が増し、最終的に氷床になります。氷床は空気の逃げ道を防ぐほど密度は高くありませんが、密度が約 830 kg/m 3になると氷に変わり、内部の空気は泡の中に閉じ込められ、氷が形成された時点での大気の組成が保持されます。[3]これが起こる深さは場所によって異なりますが、グリーンランドと南極では 64 メートルから 115 メートルの範囲です。[4]降雪量は場所によって異なるため、氷床が氷に変わる年齢は大きく異なります。グリーンランドのサミット キャンプでは深さは 77 メートルで、氷は 230 年前のものです。南極のドーム Cでは深さは 95 メートルで、氷の年齢は 2500 年です。[5]さらに層が積み重なると圧力が高まり、約1500メートルで氷の結晶構造が六方晶から立方晶に変化し、空気分子が立方晶に移動してクラスレートを形成できるようになります。気泡は消え、氷はより透明になります。[3]
2～3フィートの雪が1フィート未満の氷に変わることもあります。[3]上記の重みにより、深い層の氷は薄くなり、外側に流れます。氷は氷河の端で氷山になったり、夏に溶けたりして失われ、氷河の全体的な形状は時間の経過とともにあまり変化しません。[6]外向きの流れにより層が歪む可能性があるため、流れがほとんどない場所で深い氷床コアを掘削することが望ましいです。これらは、流線の地図を使用して見つけることができます。[7]
氷の中の不純物は、それが堆積した当時の環境に関する情報を提供します。不純物には、森林火災や火山からのすす、灰、その他の粒子、宇宙線によって生成されたベリリウム10などの同位体、 微小隕石、花粉などがあります。[2]氷河の最下層は基底氷と呼ばれ、氷河下の融解水が再凍結して形成されることがよくあります。その厚さは最大で約20メートルになり、科学的価値（例えば、氷河下の微生物群集を含む場合がある）はあるものの、[8]地層情報は保持されていないことがよくあります。[9]
コアは、南極や中央グリーンランドなど、気温が溶けるほど暖かくなることはほとんどありませんが、夏の太陽光が雪を変化させる可能性がある地域でよく掘削されます。極地では、太陽は夏の間は昼夜を問わず見えますが、冬の間は見えません。太陽は一部の雪を昇華させ、上部の 1 インチほどの密度を低下させます。太陽が空の最も低い位置に近づくと、気温が下がり、最上層に霜が形成されます。翌年の雪の下に埋もれた粗い粒子の霜は、冬の雪よりも軽い層に圧縮されます。その結果、氷床コアには、明るい氷と暗い氷が交互に並ぶ帯が見られます。[10]
コアリング
氷床コアは、氷の円筒の周囲を切断して地表に持ち上げることで採取されます。初期のコアは手持ちのオーガーで採取されることが多く、今でも短い穴を掘るときに使用されています。氷床コアオーガーのデザインは 1932 年に特許を取得しましたが、それ以来ほとんど変わっていません。オーガーは基本的に円筒で、外側にらせん状の金属リブ (フライトと呼ばれる) が巻かれており、下端には切断ブレードがあります。手持ちのオーガーはT ハンドルまたはブレース ハンドルで回転させることができますが、回転を駆動するために手持ちの電動ドリルに取り付けることができるものもあります。オーガーを上下させる三脚の助けを借りて、最大 50 メートルの深さのコアを採取できますが、実際の限界はエンジン駆動のオーガーで約 30 メートル、手持ちのオーガーではそれより浅いです。この深さより下では、電気機械式または熱ドリルが使用されます。[11]
ドリルの切削装置はドリルバレルの下端にあり、ドリルが下向きに切削する際にコアを取り囲むチューブです。切削物（ドリルによって切り取られた氷の破片）は穴から引き上げて処分する必要があります。そうしないと、ドリルの切削効率が低下します。[12]切削物は、穴の壁やコアに押し固めるか、空気循環（乾式掘削）[12] [13]または掘削液の使用（湿式掘削）によって除去できます。 [14]乾式掘削は約400メートルの深さに制限されています。それより深いところでは、上部の氷の重みで氷が変形して穴が閉じてしまうためです。[15]
掘削流体は、圧力のバランスをとって穴が安定した状態を保つように選択される。[13]流体は、トリッピング時間（掘削装置を穴から引き出して穴の底に戻すのにかかる時間）を短縮するために、低い動粘度を有する必要がある。コアの各セグメントを回収するにはトリッピングが必要であるため、掘削流体内の移動速度が遅いと、プロジェクトにかなりの時間がかかり、深い穴の場合は1年以上かかる可能性がある。流体は、氷をできるだけ汚染しないようにする必要があり、安全のため、また環境への影響を最小限に抑えるために毒性が低くなければならず、妥当なコストで入手でき、比較的輸送が容易でなければならない。[16]歴史的に、氷掘削流体には主に3つのタイプがあった。密度を高めるためにフルオロカーボンを混合した灯油のような製品をベースにした2成分流体、エチレングリコール水溶液やエタノール水溶液などのアルコール化合物、およびn-ブチルアセテートなどのエステルである。新しいエステルベースの流体、低分子量ジメチルシロキサン油、脂肪酸エステル、発泡剤を混合した灯油ベースの流体など、より新しい流体が提案されている。 [17]
ロータリー掘削は鉱物の掘削の主な方法であり、氷の掘削にも使用されています。上部から回転するドリルパイプの列を使用し、掘削流体がパイプを通って下方に送り出され、パイプの周りで再び上方に送り出されます。掘削片は穴の上部で流体から取り除かれ、流体は再び下方に送り出されます。[14]この方法では、ドリルストリング全体を穴から引き上げる必要があり、各パイプの長さを個別に切断し、ドリルストリングを再挿入するときに再接続する必要があるため、移動時間が長くなります。[12] [18]重機を氷床に持ち込むことに関連する物流上の困難さに加えて、これは従来のロータリードリルを魅力的でないものにしています。[12]対照的に、ワイヤーラインドリルでは、ドリルアセンブリがまだボーリングホールの底にある間に、コアバレルをドリルアセンブリから取り外すことができます。コアバレルを地表に持ち上げてコアを取り外し、バレルを再び降ろしてドリルアセンブリに再接続します。[19]もう一つの選択肢はフレキシブルドリルステムリグで、ドリルストリングは地表で巻けるほど柔軟である。これにより、航海中にパイプを外したり再接続したりする必要がなくなる。[18]
掘削孔の表面から底まで延びるドリルパイプの列は、ダウンホール モーターに電力を送る装甲ケーブル上にダウンホール アセンブリ全体を吊り下げることによって不要になります。ケーブルで吊り下げられたこれらのドリルは、浅い穴にも深い穴にも使用できます。コアを切削する際にドリル アセンブリがドリル ヘッドの周りを回転するのを防ぐために、掘削孔に押し付けるリーフ スプリングなどのトルク防止装置が必要です。 [20]掘削液は通常、ドリルの外側を下方に循環し、コアとコア バレルの間を上に戻ります。切削片は、ダウンホール アセンブリ内のコア上部のチャンバーに保管されます。コアが回収されると、切削片チャンバーは次の稼働のために空になります。一部のドリルは、中央コアの外側にある 2 番目の環状コアを回収するように設計されており、これらのドリルでは、2 つのコア間のスペースを循環に使用できます。ケーブルで吊り下げられたドリルは、深部氷掘削用の最も信頼性の高い設計であることが証明されています。[21] [22]
ドリルヘッドを電気的に加熱して氷を削る熱ドリルも使用できますが、欠点がいくつかあります。冷たい氷の中で作業するように設計されたものもありますが、消費電力が高く、発生する熱によって採取した氷床コアの品質が低下する可能性があります。掘削流体なしで使用できるように設計された初期の熱ドリルは、結果として深度が制限されていました。後期バージョンは流体で満たされた穴で作業できるように変更されましたが、これにより移動時間が遅くなり、これらのドリルは以前のモデルの問題を抱えていました。さらに、熱ドリルは通常かさばり、ロジスティックスが困難な地域では使用が実用的ではありません。最近の変更には不凍液の使用が含まれており、ドリルアセンブリを加熱する必要がなくなり、ドリルの電力要件が削減されます。[23]温水ドリルは、ドリルヘッドで温水を噴射してコアの周りの水を溶かします。欠点は、掘削孔の寸法を正確に制御することが難しいこと、コアを滅菌状態に保つのが難しいこと、熱がコアに熱衝撃を引き起こす可能性があることです。 [24]
温帯氷の掘削では、熱ドリルは電気機械式（EM）ドリルよりも有利です。圧力によって溶けた氷がEMドリルビット上で再凍結し、切削効率が低下し、機械の他の部分が詰まる可能性があります。また、EMドリルは氷に高い圧力がかかっている場所では氷床コアを破壊しやすくなります。[25]
掘削液を必要とする深い穴を掘る場合、穴はケーシング（円筒形のライニングを装着）されなければならない。そうしないと、掘削液が雪や氷に吸収されてしまうからである。ケーシングは不浸透性の氷層まで届く必要がある。ケーシングを設置するには、浅いオーガーを使用してパイロット穴を開け、その後、ケーシングが入る幅になるまでリーミング（拡張）する。リーミングの必要がないように、直径の大きいオーガーを使用することもできる。ケーシングの代わりに、掘削孔に水を入れて多孔質の雪や氷を飽和させる方法もある。水は最終的に氷に変わる。[4]
異なる深さの氷床コアは、科学研究者によってすべて同じように需要があるわけではないため、特定の深さで氷床コアが不足することがあります。これに対処するために、複製コアを掘削する技術の研究が行われてきました。複製コアとは、特に関心のある深さでボーリング孔の側壁を掘削して採取される追加のコアです。複製コアは、2012～2013年の掘削シーズンにWAIS分水嶺で4つの異なる深さで正常に採取されました。[26]
大規模なコアリングプロジェクト
いかなるコアリングプロジェクトのロジスティクスも複雑である。なぜなら、その場所は通常アクセスが困難で、標高が高い場合があるからである。最大のプロジェクトは何年もの計画と実行を必要とし、通常は国際コンソーシアムとして運営される。例えば、2017年現在グリーンランド東部で掘削を行っているEastGRIPプロジェクトは、デンマークの氷と気候センター（コペンハーゲン大学ニールス・ボーア研究所）によって運営されており、[27]その運営委員会には12か国の代表者が参加している。[28]掘削シーズン中、数十人がキャンプで作業し、[29]ロジスティクスサポートには、米国空軍州兵による、国立科学財団所有のハーキュリーズ輸送機を使用した空輸機能が含まれる。[30] 2015年、EastGRIPチームは、以前のグリーンランド氷床コア掘削現場であったNEEMからキャンプ施設をEastGRIP現場に移した。[31]掘削は少なくとも2020年まで継続されると予想されている。[32]
コア処理
プロジェクトによって多少の違いはあるものの、掘削から氷床コアの最終保管までの間に以下の手順を踏む必要がある。[33]
ドリルはコアの周りの氷の輪を削り取るが、その下を削ることはない。コアドッグと呼ばれるバネ仕掛けのレバーアームがコアを折り取り、地表に運ばれるまでその場に留めておくことができる。その後、コアはドリルバレルから取り出されるが、通常は平らに広げて準備された表面に滑り出せるようにする。[33]コアは、滑り出す際に掘削液を洗い流す必要がある。WAIS Divideコアリング プロジェクトでは、これを容易にするために真空システムが設置された。コアを受ける表面は、コアへの機械的ストレスを最小限に抑えるために、ドリルバレルとできるだけ正確に位置合わせする必要がある。コアは簡単に壊れる可能性がある。周囲温度は、熱衝撃を避けるために氷点下を大きく下回るように保たれる。[34]
コアに関する情報（長さや採取深度など）を記録し、コアの向きを示すマークを付けることもある。コアは通常、より短いセクションに切断され、米国での標準の長さは1メートルである。コアはその後、現場で保管される。通常は温度管理を簡素化するために雪面より下のスペースに保管されるが、追加の冷蔵設備を使用することもできる。掘削流体をさらに除去する必要がある場合は、コアに空気を吹き付けることもある。予備分析に必要なサンプルがあれば採取する。コアはその後、多くの場合ポリエチレンで袋詰めされ、出荷のために保管される。緩衝材などの追加の梱包材が加えられる。コアが掘削現場から飛行機で運ばれる際、航空機の操縦室は低温を維持するために暖房されていない。船で輸送される場合は、冷蔵ユニットに保管する必要がある。[34]
米国の国立氷床コア研究所など、氷床コアを保管している場所は世界中にいくつかあります。これらの場所ではサンプルを検査用に提供しています。各コアのかなりの部分は将来の分析のために保管されています。[34] [35]
脆い氷
脆性氷帯として知られる深さの範囲では、空気の泡が大きな圧力を受けて氷の中に閉じ込められています。核が表面に出てくると、泡は氷の引張強度を超える応力を及ぼし、ひび割れや破砕を引き起こします。[36]さらに深くなると、空気はクラスレートに消え、氷は再び安定します。[36] [37] WAISディバイドサイトでは、脆性氷帯は深さ520メートルから1340メートルにありました。[36]
脆い氷のゾーンから得られるサンプルは、コアの他の部分よりも品質が悪いのが一般的です。この問題を軽減するために、いくつかの対策を講じることができます。コアを地表に出す前に、ドリルバレル内にライナーを設置してコアを囲むことができますが、掘削液をきれいにするのが難しくなります。鉱物掘削では、特別な機械で底圧でコアサンプルを地表に出すことができますが、ほとんどの掘削現場のアクセスできない場所では、これは高価すぎます。処理施設を非常に低い温度に保つと、熱衝撃が制限されます。コアは地表で最も脆いので、別の方法として、穴の中で 1 メートルの長さに分割します。コアをドリルバレルからネットに押し出すと、砕けた場合でもまとまりやすくなります。脆いコアは、掘削シーズンの合間に、氷が徐々に緩むように、掘削現場でしばらく保管されることもよくあります。[36] [38]
氷床コアデータ
デート
氷床コアには、目視による層数え、電気伝導度や物理的特性の検査、ガス、粒子、放射性核種、さまざまな分子種の含有率の検査など、さまざまな種類の分析が行われます。これらの検査結果を古環境の再構築に役立てるには、氷の深さと年齢の関係を決定する方法が必要です。最も単純な方法は、元々の年間の積雪層に対応する氷の層を数えることですが、これは常に可能であるとは限りません。別の方法としては、氷の蓄積と流れをモデル化して、特定の降雪量が特定の深さに達するのにかかる時間を予測する方法があります。別の方法としては、放射性核種やトレース大気ガスを、地球の軌道パラメータの周期性などの他の時間スケールと相関させることです。[39]
氷床コアの年代測定の難しさは、ガスが氷河を通じて拡散するため、特定の深さの氷がその中に閉じ込められたガスよりもかなり古い可能性があることである。その結果、特定の氷床コアには2つの年代学がある。1つは氷の年代学、もう1つは閉じ込められたガスの年代学である。この2つの関係を決定するために、特定の場所のガスが閉じ込められている深さに関するモデルが開発されてきたが、その予測は常に信頼できるとは限らない。[40] [41]ボストークのような降雪量が非常に少ない場所では、氷とガスの年代の差の不確実性は1,000年以上になることがある。[42]
氷の中に閉じ込められた気泡の密度と大きさは、それが形成されたときの結晶の大きさの指標となる。結晶の大きさは成長速度と関係があり、成長速度は温度に依存するため、気泡の特性と蓄積速度や氷河の密度の情報を組み合わせることで、氷河が形成されたときの気温を計算することができる。[43]
放射性炭素年代測定は、閉じ込められたCO中の炭素に使用できる。
2極地の氷床には、 COの形で約15～20μgの炭素が含まれています。
2氷1キログラムあたりには、風で運ばれた塵（黄土）からできた炭酸塩粒子も含まれている可能性がある。CO
2真空中で氷を昇華させることで、黄土が炭素を放出しない程度に温度を低く保つことで分離できる。結果は、炭素の存在を考慮して補正する必要がある。14
Cは宇宙線によって氷の中で直接生成されるため、補正量は氷床コアの位置によって大きく異なります。14
核実験で生成された炭素は、結果に与える影響がはるかに少ない。[44]微粒子中の炭素は、水に溶けない塵の有機成分を分離して検査することでも年代測定できる。通常、非常に少量の炭素しか検出されないため、少なくとも300gの氷が必要となり、この技術ではコアの深さに応じて年代を正確に特定することができない。[45]
同じ半球の氷床コアのタイムスケールは、火山活動の物質を含む層を使用することで、通常は同期させることができます。異なる半球のタイムスケールを接続することはより困難です。約4万年前の地磁気逆転であるラシャンプイベントは、コアで特定できます。[46] [47]その時点から離れた場所では、CH
4（メタン）は、例えばグリーンランドのコアの年代を南極のコアと結び付けるのに使用できます。[48] [49]火山灰が氷に混ざっている場合は、アルゴン/アルゴン年代測定を使用して年代を測定できるため、氷の年代測定の固定点を提供できます。[50] [51] ウランの崩壊も氷床コアの年代測定に使用されています。[50] [52]別のアプローチは、ベイズ確率法を使用して複数の独立した記録の最適な組み合わせを見つけることです。このアプローチは2010年に開発され、その後ソフトウェアツールDatIceに変わりました。[53] [54]
約11,700年前の更新世と完新世の境界は、現在、グリーンランドの氷床コアのデータを参考にして正式に定義されています。地層の境界が正式に定義されることで、さまざまな場所にいる科学者がそれぞれの発見を相関させることができます。これには氷床コアには存在しない化石記録が含まれることが多いのですが、コアには他の気候指標と相関できる非常に正確な古気候情報が含まれています。 [55]
氷床の年代測定は、古気候記録の年代を提供する上で重要な要素であることが証明されている。リチャード・アリーによれば、「多くの点で、氷床コアは、地球上のどこででも決定された最良の年代を使用して、正確に年代測定された古気候記録のグローバルネットワークを開発することを可能にする『ロゼッタストーン』である」[43] 。
視覚分析
コアには、コアサイトの年間降雪量に対応する目に見える層が示されています。新雪の中に薄い壁を挟んで一対のピットを掘り、そのうちの 1 つに屋根をかぶせれば、屋根付きのピットにいる観察者は、太陽光を通して現れる層を見ることができます。場所によっては、6 フィートのピットには 1 年未満の積雪から数年間の積雪まで、さまざまな積雪が見られることがあります。毎年雪の中に残されるポールは、その年に積もった雪の量を示しており、これを使用して、雪ピットの目に見える層が 1 年間の降雪量に対応しているかどうかを確認できます。[57]
グリーンランド中央部では、例年、冬に2～3フィートの積雪があり、夏に数インチの積雪がある。これが氷になると、2つの層を合わせても氷は1フィート以下になる。夏雪に相当する層には冬雪の層よりも大きな気泡が含まれるため、交互の層は目に見えるままであり、これにより、コアを数えて各層の年齢を判定することができる。[58]深さが増して氷の構造がクラスレートに変化すると、気泡は見えなくなり、層も見えなくなる。ここで、塵の層が見えるようになるかもしれない。グリーンランドのコアの氷には、風によって運ばれた塵が含まれている。塵は晩冬に最も強く現れ、曇った灰色の層として現れる。これらの層は、地球の気候が寒く、乾燥していて、風が強かった過去の時期には、より強く、より見やすくなっていた。[59]
層を数える方法はどれも最終的には困難に陥る。氷の流れにより、深さが増すにつれて層が薄くなり、見えにくくなるためだ。[60]この問題は、堆積量が多い場所ではより深刻であり、中央南極など堆積量が少ない場所では、他の方法で年代測定する必要がある。[61]たとえば、ボストークでは、層を数えられるのは55,000年前までである。[62]
夏季に雪が解けると、雪と氷の下部で溶けた雪が再凍結し、その結果できた氷の層には気泡がほとんどないため、コアを目視で確認すると簡単に判別できます。これらの層を目視とコアの密度を深さに対して測定して特定することで、融解特徴率 (MF) を計算できます。MF が 100% であれば、毎年の積雪に融解の兆候が見られることを意味します。MF の計算は、データを平滑化するために複数の場所または長期間にわたって平均化されます。MF データを時間とともにプロットすると、気候の変化が明らかになり、20 世紀後半から融解率が上昇していることが示されています。[63] [64]
目視検査で特定された特徴を手動で検査し記録するだけでなく、コアを光学的にスキャンしてデジタルの視覚記録を作成することもできます。そのためには、コアを縦方向に切断して平らな面を作成する必要があります。[65]
同位体分析
核内の酸素の同位体組成は、氷床の温度履歴をモデル化するために使用できます。酸素には3つの安定同位体があります。16
おお、17
Oと18
O . [66]の比率は18
Oと16
Oは雪が降ったときの気温を示す。[67]16
Oはより軽い18
O、水を含む16
Oはわずかに蒸気になりやすく、水を含む18
Oは水蒸気から雨や雪の結晶に凝縮する可能性がわずかに高くなります。低温では、その差はより顕著になります。18
お/16
O比は、標準平均海洋水（SMOW）と呼ばれる基準の比率を差し引くことである：[67]
ここで‰記号は千分率を示す。[67]同じ18
お/16
SMOWのO比はδ18Oである。0‰のサンプル18
Oは負のδ18Oを持つ[67] δ18Oとδ18Oを結合すると氷床コアサンプルの測定と、そのサンプルが採取された深度のボーリング孔温度の測定は、追加の情報を提供し、場合によってはδ18Oから推定される温度に大幅な修正をもたらす。データ。[68] [69]これらの分析にはすべてのボーリング孔を使用できるわけではありません。過去にその場所で大規模な融解が起こった場合、ボーリング孔は正確な温度記録を保存しなくなります。[70]
水素比は温度履歴を計算するのにも使えます。重水素（2
H、またはD）は水素（1
H ) となり、水が凝縮しやすくなり、蒸発しにくくなります。A δD比はδ18Oと同様に定義できる。[71] [72] δ18Oとδ18Oの間には直線関係がある。δD : [ 73]
ここでdは重水素過剰である。かつては、特定のコアで両方の比率を測定する必要はないと考えられていたが、1979年にメルリヴァトとジュゼルは、重水素過剰は水分の発生源である海の温度、相対湿度、風速を反映していることを示した。それ以来、両方を測定するのが慣例となっている。[73]
グリーンランドのキャンプセンチュリーとダイ3のコアで分析された水の同位体記録は、間氷期の始まりに急激な温暖化が起こり、その後ゆっくりと寒冷化するダンガード・オシュガー現象の発見に役立った。 [74]他の同位体比も研究されており、例えば、13
Cと12
Cは炭素循環の過去の変化に関する情報を提供することができます。この情報を氷床コアから得られる二酸化炭素レベルの記録と組み合わせると、COの変化の背後にあるメカニズムに関する情報が得られます。
2時間の経過とともに[75]
古大気のサンプリング
1960年代には、氷床コアに閉じ込められた空気を分析することで古大気に関する有用な情報が得られることがわかっていたが、信頼性の高い抽出方法が開発されたのは1970年代後半になってからだった。初期の結果には、CO
2最終氷期極大期の濃度は、産業革命開始直前に比べて30％低かった。さらなる研究により、 CO
2氷の同位体データから計算されたレベルと温度。[77]
CHだから
4（メタン）は湖沼や湿地で生成され、大気中の量はモンスーンの強さと相関しており、モンスーンは低緯度の夏季日射の強さと相関している。日射は軌道周期に依存しており、その時間スケールは他の情報源から入手できるため、CH
4コアの深さと年齢の関係を決定するために使用することができます。[61] [62] N
2O（亜酸化窒素）レベルも氷河サイクルと相関しているが、低温ではグラフはCOとは多少異なる。
2およびCH
4グラフ。[77] [78]同様に、N
2（窒素）とO
2（酸素）は氷床コアの年代測定に使用できる。空気は雪に閉じ込められ、徐々に氷になり、そして氷になる。
2Nよりも失われやすい
2、およびOの相対量
2夏の日射強度と相関関係にある。これは、閉じ込められた空気がO
2北へ
2夏の日射量の記録であり、このデータと軌道周期データを組み合わせることで氷床コアの年代測定法を確立できる。[61] [79]
フィルン層内の拡散は、測定可能な他の変化を引き起こします。重力により、重い分子がガス柱の底に濃縮されますが、濃縮の量は分子間の質量の差によって異なります。温度が低いほど、重い分子が柱の底に濃縮されます。閉じ込められた空気中のこれらの分別プロセスは、15
いいえ/14
窒素比とネオン、クリプトン、キセノンの混合比は、氷床の厚さを推測したり、過去の平均海水温などの他の古気候情報を決定するために使用されてきた。[69]ヘリウムなどの一部のガスは氷を通じて急速に拡散するため、正確なデータを得るためには、コアを採取してから数分以内にこれらの「逃散ガス」を検査する必要があるかもしれない。[34] クロロフルオロカーボン（CFC）は温室効果に寄与し、成層圏のオゾン層の減少も引き起こすが、[80] 1950年頃以降の氷床コアで検出されている。大気中のCFCのほとんどは人間の活動によって生成されたものである。[80] [81]
グリーンランドのコアは、気候の移行期に分析すると、酸性およびアルカリ性の不純物によるCO2生成により、気泡中に過剰なCO2が現れることがあります。 [82]
氷河化学
グリーンランドの夏の雪には、周囲の海から吹き寄せられた海塩がいくらか含まれている。海面の大部分が流氷で覆われる冬には、海塩の量は少なくなる。同様に、過酸化水素は、大気中で生成するためには日光が必要であるため、夏の雪にのみ存在する。これらの季節的変化は、氷の電気伝導率の変化につながるため、検出できる。氷床コアの表面に、間に高電圧をかけた 2 つの電極を置くと、その地点での伝導率を測定できる。それらを氷床コアの長さに沿って引きずり、各地点での伝導率を記録すると、年間の周期性を示すグラフが得られる。このようなグラフは、森林火災や大規模な火山噴火など、季節を問わないイベントによって引き起こされる化学変化も特定する。1783年のアイスランドのラキ火山の噴火など、既知の火山イベントが氷床コアの記録で特定できる場合、層を数えることによって決定された年代とのクロスチェックが可能になる。[83]ラキ火山の物質はグリーンランドの氷床コアで確認できるが、南極まで広がっていない。1815年にインドネシアで起きたタンボラ火山の噴火で成層圏に物質が注入され、グリーンランドと南極の両方の氷床コアで確認できる。噴火の日付が不明でも、複数のコアで確認できる場合は、氷の年代測定によって噴火の日付がわかり、それを基準層として使用できる。[84]たとえば、西暦535年から550年までの気候の分析では、西暦533年頃の未知の熱帯噴火の影響を受けたと考えられていたが、実際には535年か536年初頭の噴火と、539年か540年の噴火の2回の噴火が原因であることが判明した。[85]約72,000年前のトバ山の噴火など、さらに古い記録も存在します。 [84]
氷床コアでは、他にも多くの元素や分子が検出されている。[86] 1969年、グリーンランドの氷中の鉛濃度が産業革命以前から200倍以上に増加していることが発見され、銅、カドミウム、亜鉛など、工業プロセスで生成される他の元素の増加も記録されている。[87]硝酸と硫酸（HNO
3とH
2それで
4）の降水量は、時間の経過とともに燃料燃焼の増加と相関することが示されています。 メタンスルホン酸（MSA）（CH
3それで−
3)は海洋生物によって大気中に生成されるため、MSAの氷床コアの記録は海洋環境の歴史に関する情報を提供します。過酸化水素（H
2お
2) やホルムアルデヒド ( HCHO ) などの有機分子が、植生の放出や森林火災に関連するカーボンブラックなどとともに研究されてきた。 [86]カルシウムやアンモニウムなどの一部の種は、季節変動が激しい。場合によっては、特定の種に対して複数の発生源からの寄与がある。たとえば、Ca ++は塵からも海洋発生源からも発生するが、海洋からの流入は塵からの流入よりもはるかに大きいため、2つの発生源は年間の異なる時期にピークを迎えるが、全体的なシグナルは海洋からの流入が最大となる冬にピークを示す。[88]季節シグナルは、堆積量が少ない場所では地表風によって消去される可能性があり、このような場合、2つの基準層の間にある個々の氷層の年代を特定できない。[89]
堆積した化学種の中には氷と相互作用するものがあるかもしれないので、氷床コアで検出されたものが必ずしも元々堆積したものとは限りません。例としては、HCHOやHなどがあります。
2お
2もう一つの複雑な点は、堆積率が低い地域では霧からの沈着によって雪中の濃度が上昇し、大気中の濃度が2倍も過大評価されることがある点である。[90]
放射性核種
銀河宇宙線は10
大気中に存在する割合は太陽磁場に依存します。磁場の強さは太陽放射の強さに関係しているので、10
大気中の濃度は気候の指標となる。 加速器質量分析計は、低濃度の10
氷床コアには1グラムの氷に約10,000個の原子が含まれており、太陽活動の長期記録を提供するのに使用できます。[92] トリチウム（3
H）は、1950年代から1960年代の核兵器実験によって生成されたが、氷床コアで確認されており、[ 93] 36 Clと239
Puは南極とグリーンランドの氷床コアで発見されている。 [94] [95] [96]半減期が301,000年である塩素36は、クリプトン（85
Kr（半減期11年）、鉛（210
Pb、22年）、シリコン（32
Si、172歳）。 [89]
その他の内容
極地の氷に落下する隕石や微小隕石は、地元の環境プロセスによって濃縮されることがある。例えば、南極には風が表面の氷を蒸発させ、隕石を含む固体が濃縮される場所がある。融解水池にも隕石が含まれることがある。南極点基地では、水を供給するために井戸の氷が溶かされ、微小隕石が残る。これらはロボット「掃除機」によって収集され、調査され、そのフラックスと質量分布の推定精度が向上した。[97]井戸は氷床コアではないが、溶けた氷の年代はわかっているので、回収された粒子の年代を判定できる。井戸は毎年約10メートル深くなるため、ある年に収集された微小隕石は前年のものより約100年古いものとなる。[98]堆積物コアの重要な成分である 花粉も氷床コアで見つかることがある。植生の変化に関する情報を提供します。[99]
物理的特性
コア内の不純物や水の同位体組成に加えて、氷の物理的特性も調べられます。結晶の大きさや軸の向きなどの特徴から、氷床内の氷の流れのパターンの履歴が明らかになります。結晶の大きさは、浅いコアの場合のみ、年代を決定するためにも使用できます。[100]
歴史
幼少期
1841年と1842年に、ルイ・アガシーはアルプス山脈のウンターアルグレッチャーに穴を掘りました。この穴は鉄の棒で掘られたため、コアは採取されませんでした。達成された最も深い穴は60メートルでした。 1902年と1903年のエーリッヒ・フォン・ドリガルスキの南極探検では、ケルゲレン諸島の南の氷山に30メートルの穴が掘られ、温度が測定されました。雪のサンプル採取ツールを最初に作成した科学者は、パベル・タラレイが「近代雪調査の父」と評したジェームズ・E・チャーチでした。1908年から1909年の冬、チャーチは最大3メートルの雪のコアを採取するために、スロットとカッティングヘッドを備えた鋼管を製作しました。同様の装置が今日も使用されており、約9メートルの深さまでサンプルを採取できるように改良されています。これらは単に雪に押し込んで手で回転させるだけです。[101]
雪とフィルンの層に関する最初の体系的な研究は、 1930年から1931年にかけて中央グリーンランドへ向かったアルフレッド・ウェゲナー探検隊の一員であったエルンスト・ゾルゲによるものである。ゾルゲは雪の層を調べるために15メートルの穴を掘り、その結果は後にアンリ・バダーによってゾルゲの緻密化の法則として公式化され、バダーは1933年にグリーンランド北西部で追加のコアリング作業を行った。[102] 1950年代初頭、SIPRE探検隊はグリーンランド氷床の大部分でピットサンプルを採取し、初期の酸素同位体比データを得た。1950年代には他の3つの探検隊が氷床コアリング作業を開始した。南極のクイーン・モード・ランドでのノルウェー・イギリス・スウェーデン合同南極探検隊( NBSAE)グリーンランド中央部では、Expéditions Polaires Françaisesが回収した氷の採取に成功した。コアの品質は悪かったが、回収された氷について科学的な研究が行われた。[103]
国際地球観測年（1957年～1958年）には世界中で氷河学研究が増加し、極地の深部コアは最優先の研究対象の一つとなった。SIPREは1956年（305メートル）と1957年（411メートル）にグリーンランドのサイト2でパイロット掘削試験を実施した。2番目のコアは前年の掘削経験を生かし、ギャップが少なく、はるかに良い状態で採取された。 [104]南極では、1957年～1958年にバード基地で307メートルのコアが掘削され、翌年にはロス棚氷のリトルアメリカVで264メートルのコアが掘削された。[105] IGYのコア掘削の成功により、氷床コア掘削能力の向上への関心が高まり、キャンプ・センチュリーでのCRRELプロジェクトが続き、1960年代初頭に3つの穴が掘削され、最も深いものは1966年7月に氷床の底1387メートルに到達した。[106]キャンプ・センチュリーで使用されたドリルはその後バード基地に移され、そこで2164メートルの穴が岩盤まで掘削されたが、氷床下の融解水によってドリルが掘削孔内に凍結し、放棄された。[107]
1960年代から1970年代にかけてのフランス、オーストラリア、カナダのプロジェクトには、 CNRSが掘削した南極のドームCの905メートルのコア、 1969年にANAREが382メートルのコアから掘削したロードームのコア、および1970年代にカナダのチームによって回収されたデボン氷帽のコアが含まれています。 [108]
南極深部コア
ソ連の氷の掘削プロジェクトは1950年代にフランツヨシファ諸島、ウラル山脈、ノヴァヤゼムリャ、南極のミールヌイとボストークで始まったが、これらの初期の掘削孔の全てでコアが採取されたわけではない。 [109]その後の数十年間、作業はアジアの複数の場所で続けられた。[110]南極での掘削は主にミールヌイとボストークに集中し、ボストークでの一連の深掘削は1970年に始まりました。 [111]ボストークでの最初の深掘削孔は1970年4月に506.9メートルに達し、1973年までに952メートルの深さに到達しました。その後のボストーク2号は1971年から1976年にかけて掘削され、450メートルに達し、ボストーク3号は6回の掘削シーズンを経て1985年に2202メートルに到達しました。[112]ボストーク3号は、15万年前の前回の氷河期の氷を採取した最初のコアでした。[113]掘削は1982年にキャンプの火災により中断されましたが、1984年にさらなる掘削が開始され、1989年には最終的に2546メートルに到達しました。5番目のボストークコアは1990年に開始され、2007年に3661メートルに到達し、後に3769メートルまで延長されました。[108] [113]氷の推定年齢は、深さ3310メートルで42万年です。その地点より下では、氷が混ざるため、データを確実に解釈することは困難です。[114]
ヨーロッパの氷床コア掘削協力団体EPICAは1990年代に結成され、東南極に2つの穴が掘られた。1つはドームCで、わずか2シーズンの掘削で2871メートルに到達したが、3260メートルの岩盤に到達するまでにさらに4年を要した。もう1つはコーネン基地で、2006年に2760メートルの岩盤に到達した。ドームCのコアの蓄積率は非常に低く、気候記録がかなり遠くまで及んでいたことを意味しており、プロジェクトの終了時には使用可能なデータは80万年前まで広がった。[114]
その他の南極深部のコアには、ドームFでの日本のプロジェクトがあり、1996年に2503メートルに達し、コアの底の年齢は33万年と推定されています。また、同じ場所でのその後の掘削では、2006年に3035メートルに達し、72万年前の氷に達したと推定されています。 [114]米国のチームは1990年代にマクマード基地で掘削し、テイラードーム（1994年に554メートル）とサイプルドーム（1999年に1004メートル）で掘削し、両方のコアから最終氷河期の氷に達しました。[114] [115] 2011年に完了した西南極氷床（WAIS）プロジェクトは3405メートルに達しました。この場所は積雪量が多いため、氷は62,000年前までしか遡りませんが、その結果、コアはカバーする期間の高解像度データを提供します。 [ 61] 2002年から2005年にかけて英国南極調査局が管理するプロジェクトによってバークナー島で948メートルのコアが掘削され、最終氷期まで延長された。 [61]イタリアが管理するITASEプロジェクトは2007年にタロスドームで1620メートルのコアを完成させた。[61] [116]
2016年、南極のアランヒルズの地表近くに古い氷が横たわっていた地域でコアが採取された。コアの年代はカリウムアルゴン年代測定で測定された。従来の氷床コアの年代測定は、すべての層が存在しなかったため不可能である。最も古いコアには270万年前の氷が含まれていたことが判明した。これは、コアから年代測定された氷としてはこれまでで最も古いものである。[117]
グリーンランド深部コア
1970年に科学的な議論が始まり、その結果、グリーンランド氷床プロジェクト（GISP）が始まりました。これは、1981年まで続いたグリーンランド氷床の多国籍調査です。深層コアの理想的な場所を決定するために何年もの現地調査が必要でした。現地調査には、ダイ3（1971年、372メートル）、ミルセント（1973年、398メートル）、クレタ（1974年、405メートル）など、いくつかの中深度コアが含まれていました。北中部グリーンランドの場所が理想的として選択されましたが、財政的制約により、グループは代わりに1979年からダイ3で掘削を始めました。1981年に、穴は2037メートルの岩盤に到達しました。1990年代初頭、ヨーロッパのコンソーシアムであるGRIPと米国の大学グループのGISP-2の2つのグループによって、最終的に北中部の場所で30キロ離れた2つの穴が掘削されました。 GRIPは1992年に3029メートルの岩盤に到達し、GISP-2は翌年に3053メートルの岩盤に到達した。[118]両方のコアは約10万年分の気候情報に限定されており、これは掘削地点の氷床の下にある岩の地形に関連していると考えられたため、GRIPの200km北に新しい場所が選ばれ、デンマーク主導の国際コンソーシアムとして新しいプロジェクトであるNorthGRIPが開始された。掘削は1996年に開始され、最初の穴は1997年に1400メートルで放棄され、1999年に新しい穴が開始され、2003年に3085メートルに到達した。この穴は岩盤には達しなかったが、氷河下の川で終了した。コアは123,000年前までの気候データを提供し、これは最終間氷期の一部をカバーしていた。その後の北グリーンランド・エミアン（NEEM）プロジェクトでは、2010年にさらに北の場所から2537メートルのコアを採取し、気候記録を128,500年前まで延長しました。[113] NEEMに続いてEastGRIPが2015年に東グリーンランドで始まり、2020年に完了する予定でした。 [119] 2020年3月、2020年のEGRIPフィールドキャンペーンは、進行中のCOVID-19パンデミック のためキャンセルされました。EastGRIPは2022年にフィールドワークのために再開され、CryoEggは200バールを超える圧力と約-30℃の温度の下で氷の新たな深さに到達しました。[120] [121]
非極性コア
氷床コアは、特にヒマラヤ山脈やアンデス山脈など、両極から離れた場所でも掘削されている。これらのコアの中には最終氷期にまで遡るものがあるが、エルニーニョ現象や南アジアのモンスーンシーズンの記録としてより重要である。 [61]コアはキリマンジャロ山[61]、アルプス山脈[61]、インドネシア[122] 、ニュージーランド[123] 、アイスランド[124]、スカンジナビア[125] 、カナダ[126] 、米国[127]でも掘削されている。
今後の計画
IPICS（国際氷床コア科学パートナーシップ）は、氷床コア科学コミュニティの将来の課題と科学的目標を概説した一連の白書を発行しました。これには以下の計画が含まれています。[128]
- 120 万年以上前の氷床コアを採取し、当時発生していたとされる 4 万年の気候サイクルに関する氷床コア記録を複数回繰り返し取得します。現在のコアは 80 万年以上前のもので、10 万年のサイクルを示しています。
- 複数のコアの年代記を接続するなど、氷床コアの年代記を改善します。
- 氷床コアから、海氷、海洋生物の生産性、森林火災などの追加のプロキシを特定します。
- 詳細な気候モデリングの入力として使用するために、過去 2,000 年間の高解像度データを提供するために追加のコアを掘削します。
- 改良された掘削流体を特定する
- 掘削中、輸送中、保管中の脆い氷の取り扱い能力を向上
- 岩盤に加圧水が入ったコアを処理する方法を見つける
- 湿式穴と乾式穴の両方を掘削でき、最大 1000 メートルの深さまで到達できる標準化された軽量ドリルを開発します。
- コア処理を改善して、各コアから取得できる情報を最大化します。
温暖化により氷河の融解水が生成され、研究者が環境イベントの歴史的記録として使用している、閉じ込められたエアロゾルの時間的に整列した層が洗い流されることが判明しています。[129]アイスメモリー財団は、差し迫ったデータ損失に備えて、南極に追加の氷床コアを保管することを計画しています。[129]
参照
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外部リンク
ウィキブック歴史地質学には、氷床コアに関するページがあります。
ウィキメディア・コモンズには、氷床コアに関連するメディアがあります。
- 米国国立氷床コア研究所のコアの保管と処理を示すビデオ
- 氷床コアゲートウェイ
- バード極地研究センター – 氷床コア古気候学研究グループ
- 誤解を招くグラフが少なくとも2010年からインターネット上で出回っている
- 270万年前の核
- EPICAを超えて-最古の氷のミッション
- 第三極の氷