Tønder med gammel antarktisk luft sigter mod at spore historien om sjælden gas

Gamle luftprøver fra et af Antarktis mest snefulde iskernesteder kan tilføje et nyt molekyle til registreringen af ​​ændringer i Jordens atmosfære i løbet af det sidste halvandet århundrede, siden den industrielle revolution begyndte at afbrænde fossile brændstoffer i massiv skala.

Mens kuldioxid og metan er velkendte, forskere ved University of Washington og University of Rochester er en del af et team, der arbejder på at spore en meget sjældnere gas, til stede ved mindre end én ud af en billion molekyler. Selvom det er sjældent, det atmosfæriske rengøringsmiddel kendt som hydroxyl kan skrubbe atmosfæren og bestemme skæbnen for mere rigelige gasser, der påvirker Jordens klima.

En antarktisk feltkampagne sidste vinter ledet af USA og Australien har med succes udvundet nogle af de største prøver af luft fra 1870'erne og frem til i dag. Disse prøver er et første skridt til at lære ændringerne i hydroxylkoncentrationen over de sidste 150 år. Tidlige resultater fra feltarbejdet blev delt i denne uge ved American Geophysical Unions årlige efterårsmøde i San Francisco.

"Det er nok den mest ekstreme atmosfæriske kemi, du kan lave fra iskerneprøver, og logistikken var også ekstrem, sagde Peter Neff, en postdoc-forsker med dobbelte ansættelser ved UW og ved University of Rochester.

Men de måneder, holdet brugte på at slå lejr på isen på den sneklædte Law Dome-plads, gav pote.

"Dette er, mig bekendt, den største luftprøve fra 1870'erne, nogen nogensinde har fået, " sagde Neff. Hans 10 ugers lejr på isen omfattede minus-20 grader Fahrenheit temperaturer og adskillige snestorme, nogle af dem delte han fra Antarktis via Twitter.

Luft fra dybere iskerner boret i Antarktis og Grønland har givet en registrering af kuldioxid og metan, to drivhusgasser, går tusinder af år tilbage. Mens kuldioxid har en levetid på årtier til århundreder, en endnu mere potent gas, metan, har en levetid på kun ni eller 10 år.

Fastlæggelse af den nøjagtige levetid for metan, og hvordan det har ændret sig gennem årene, afhænger af koncentrationen af ​​hydroxyl. Det tal er vigtigt for de globale klimamodeller, der bruges til at studere tidligere og fremtidige klima.

For at spore historien om hydroxyl, et flygtigt molekyle med en levetid på mindre end en milliontedel af et sekund, en feltkampagne i slutningen af ​​2018 og begyndelsen af ​​2019 boret is for at studere denne meget reaktive gas ved at undersøge dens lidt mere rigelige ledsager, kulstof med 14 neutroner bundet til et oxygenatom, eller "kul-14-monoxid, " som ødelægges kemisk af hydroxyl og dermed sporer hydroxyls koncentrationer.

Forskere får kulilte-14-gassen fra bobler i isen, der dannes, når sne komprimeres.

"Det særlige ved gletsjeris er, at den altid har disse luftbobler, " sagde Neff. "Enhver gletscher i verden vil have den boblende tekstur, fordi det startede som en bunke seksfingrede snefnug, og mellem de fingre er luft."

Et eller flere årtier efter at have ramt jorden, bobler bliver fuldstændig lukket af fra deres omgivelser på grund af kompression under snelag. Den kraftige sneophobning ved Law Dome betyder masser af luftbobler om året, og giver et tykt nok skjold til at beskytte kulilte-14 mod solstråling.

Det internationale hold udtog omkring to dusin 3-fod lange sektioner af is om dagen, sæt derefter isrørene i en snehule for at beskytte dem mod kosmiske stråler, der er stærkere nær polerne. Disse stråler kan zappe andre molekyler og forvrænge den historiske rekord.

"Når prøverne er på overfladen, det er varme kartofler, " sagde Neff.

Dagen efter udtrækning af en kerne, holdet ville rense isen og placere den i en enhed af Neff og hans University of Rochester postdoc-vejleder Vasilii Petrenkos design:et 335-liters vakuumkammer i et varmt bad for at smelte isen og behandle prøverne ved deres kilde, for at undgå forurening og indsamle de største luftprøver.

"En enkelt prøvestørrelse var omkring 400 eller 500 kg is, omtrent samme vægt som et flygel, at få nok af det kul-14-monoxid-molekyle, " sagde Neff. "På feltlejren forvandlede vi 500 kilo is til en 50-liters dunk med luft."

Holdet hentede 20 tøndeformede luftbeholdere fra forskellige tidsperioder.

Analyse over de kommende måneder vil sigte mod at producere en koncentrationskurve for carbon-14-monoxid og hydroxyl over årtier, svarende til de nu kendte kurver for kuldioxid og metan. Kurverne viser, hvordan gaskoncentrationerne har ændret sig i atmosfæren siden den industrielle æra.

Under hele indsatsen Neff har også udforsket mere muntre kombinationer af is og luft. Under en rejse i begyndelsen af ​​2016 for at forberede denne indsats, Neff lavede et uofficielt eksperiment, der gik viralt på sociale medier, da han postede det i februar 2018. Videoen fanger lyden, som et stykke is laver, når det falder ned i tunnelen skabt af et iskernebor.

Han delte flere billeder og videoer under den sidste vinters ekspedition til Antarktis, nogle gange inden for timer efter hjemkomst fra en fjernlejr til en internetforbundet forskningsstation.

"Det er fantastisk at kunne dele noget om Antarktis, fra Antarktis, " sagde Neff. "Det er en måde, hvorpå vi som geoforskere kan dele med folk det arbejde, som de hjælper med at støtte."