A múltról mesélő jég – Hatvani István Gábor és Kern Zoltán (MTA CSFK) írása a jégfuratok kutatástörténetéről

Az éghajlatváltozás tényét egyre kevesebben kérdőjelezik meg, annak kimenetelét és volumenét viszont továbbra is sok kérdés övezi. Ahhoz, hogy láthassuk, mire számíthatunk Földünk éghajlatának közép- és hosszabb távú változásában, minél biztosabb ismeretekkel kell rendelkeznünk a múltbeli folyamatokról.

Az éghajlatváltozás tényét egyre kevesebben kérdőjelezik meg, annak kimenetelét és volumenét viszont továbbra is sok kérdés övezi. Ahhoz, hogy láthassuk, mire számíthatunk Földünk éghajlatának közép- és hosszabb távú változásában, minél biztosabb ismeretekkel kell rendelkeznünk a múltbeli folyamatokról. A föld-légkör-óceán-rendszer összefüggéseinek részletes megismerése biztosíthat alapot, hogy megértsük jelen korunk folyamatait, előre jelezhessük a közeljövő változásait, és eldönthessük, mekkora szerepe van ebben az antropogén (emberi) hatásoknak.

A jégfuratok egyik vitathatatlan erénye, hogy a csapadék (számos fizikai-kémiai jellemzőjével egyetemben) közvetlenül őrződik meg a jégrétegekben, és a firnképződés, hó-metamorfózis során buborékok alakulnak ki a jégben, amelyekben a légkör “egy darabja” is fagyos csapdába záródik. Ezek a furatok elsősorban a poláris jégtakarókból nyert információk okán vívtak ki kiemelt tudományos figyelmet, de például az európai, afrikai magashegységekben vagy barlangokban található jégfelhalmozódásokból is értékes jégfuratokat emeltek már ki, ám ez utóbbi előfordulásoknál a vizsgálható idő nagyságrendekkel kisebb, mint a poláris jégfuratoknál.

Az első sikerek

A jeges környezeti kalendárium titkait fejtegető úttörő munkák kapcsán három terület került a figyelem középpontjába: Grönland, az arktikus szigetek jégsapkái és természetesen az Antarktisz.

A vizsgálatok kezdetén – az 1930-as évek elején – a Spitzbergákon és Grönlandon árkolt szelvényekben kezdték vizsgálni a jég rétegeit a szakemberek, hogy átláthassák a jég részletesebb összetételbeli elemzésében rejlő lehetőségeket.

Körülbelül 20 évnek kellett eltelnie, hogy a jégrétegek ismét az érdeklődés középpontjába kerüljenek. A klasszikus jégfuratkutatás kezdetét az Első Geofizikai Évhez köthetjük (1957-1958). Ebben a két évben a széles körű nemzetközi támogatás (anyagi és szakmai) adott lendületet a magas szélességek jéggel borított területeinek vizsgálatához. A tudományág ötvenes évekbeli fellendülésében elévülhetetlen szerepe volt Willi Dansgaard dán geokémikusnak, aki kollégáival úttörőként határozta meg a kapcsolatot a jégben mért stabilizotóp-arány (pl. ¹⁸O/¹⁶O) és a csapadékképződés helyén mért hőmérséklet között.

Az első átütő eredményt, mély jégfuratok kinyerését az amerikai katonaság mérnökei által létrehozott Hó, Jég és Permafrosztkutató Intézetnek (SIPRE; Snow, Ice and Permafrost Research Establishment) sikerült elérnie Grönlandon 1956 és 1957-ben. Sikerességük többek között a katonai támogatásban – ami, akárcsak ma, jelentős technológiai előnyt jelentett – és az Amerikai Nemzeti Geofizikai Év Tanácsának támogatásában rejlett. A társaság kiemelt célja volt, hogy elsőként érjék el a jégrétegek alatt húzódó alapkőzetet, ezzel jelentősen hozzájárulva a Geofizikai Év célkitűzéseihez és a poláris területek kutatásához. Kitűzött céljaikat és erőfeszítésüket siker azonban csak részben koronázta. A fúrómagot ki tudták emelni, de az expedíciónak mégsem sikerült tökéletesen teljesíteni küldetését, mivel az alapkőzetet nem érték el, így nem tudtak információt nyerni a jégtakaró teljes keresztmetszetéről. Egy évtizednek kellett eltelnie, mire az első furat elért az alapkőzetig. Az 1387 méter-mélységig hatoló jégszelvényt a grönlandi Camp Century amerikai bázisnál emelték ki 1966-ban, azonban csak többszöri próbálkozásra sikerült elérni az alapkőzetet egy 1963-ban megkezdett, majd kétszer újranyitott furatból. A siker titka a fúrástechnika módosítása volt. Olvasztásos elven működő fúró helyett elektromechanikus fúrórendszert alkalmaztak. Érdekes megjegyezni, hogy ez a bázis egy jég alatti, kb. 200 fős falu volt, melynek áramellátást atomreaktorral biztosították. Ebből is érezhető, hogy milyen jelentős stratégiai szerepet játszott a “60-as években a jégfuratkutatás. Noha ritkábban kerül megemlítésre, de ez a verseny is a Holdra szálláshoz hasonló, tudományos köntösbe burkolt katonai erőfitogtatás része volt, továbbá ne felejtsük el, hogy a hidegháború is ez idő tájt csúcsosodott ki a kubai rakétaválságban.

A furatnak azonban tudománytörténeti jelentősége is lett, hiszen meghatározta a jégfuratkutatás teljes további pályáját. A jégfurat felső szakaszán a téli és nyári rétegeket a stabil oxigénizotóp-összetétel évszakos különbségei alapján tudták elkülöníteni, míg az alsóbb szakaszokon a jég mozgását/folyását leíró fizikai modelleket alkalmaztak a kor becslésére. A kiemelt legidősebb jégrétegekre nyert kor felpezsdítette a földtudományos közéletet, hiszen meghaladta az addig elérhetetlennek tűnő 100 000 évet.

A kezdeti időszak másik meghatározó alapkutatási eredménye a norvég Per Scholander nevéhez fűződik. A gázok jégben való diffúziójának vizsgálata nyomán arra a következtetésre jutott, hogy ha a firnesedés során légbuborék csapdázódik a jégbe, akkor az évezredekig változatlan formában őrzi meg a bezáródott gázkeverék összetételét. Ez a felismerés adta az alapját a későbbi “gázbuborék-vizsgálatoknak”.

A grönlandi kutatásokkal párhuzamosan az Antarktiszon, a Byrd-állomáson is megkezdődtek a munkák és 1968-ban sikerült is elérni az alapkőzetet (2164 m), de sajnos nem sikerült a teljes magot kinyerni. Mindössze 75 000 évről maradt információjuk. A további évtizedek sikertelenséggel teltek a kutatók számára. Egészen 1993-ig nem volt említésre méltó sikeres fúrás.

A Camp Century 1966-os, és a Byrd-állomás 1968-as fúrásai voltak a történelem első két, alapkőzetet is elérő jégfuratai. Az eredmények kiemelkedő jelentősége, hogy a kutatók képesek voltak leírni az utolsó glaciálist és az azt megelőző interglaciálist (115 000 év) jellemző klímaváltozásokat. Ezen eredmények nagyban inspirálták a glaciológia tudományában dolgozó szakembereket, így a későbbi években több nemzetközi kutatócsoport is sikeresen érte el az alapkőzetet, és a jégfúrási technológiák rohamos fejlődésnek indultak.

Vostok és Concordia

A Vostok- és Concordia jégdómokból kiemelt jégfuratok alapjaiban határozták meg XXI. századi paleoklimatológiai ismereteinket. A furatokkal elért legidősebb jégréteg kora messze meghaladja az 1970-es években még- lélektaninak tartott 150 000 éves határt.

A Vostok-furat 1996-ban érte el 3310 méteren a B. P. (jelenkor előtti) 420 000 évet. A Vostok-fúrásánál egy speciális orosz technológia lehetővé tette, hogy meghosszabbítsák a korábbi fúrásokat anélkül, hogy újra a felszínről kelljen azokat kezdeni. Igy vált lehetővé, hogy – ha nehézkesen is – túljussanak a legutóbbi glaciálison, majd 1994-ben 2755 méteres mélységet elérve már két teljes klimatikus cikluson. A furat teljes hossza végül négy ciklusról nyújtott információt. Rávilágított a légkör összetevőinek (aeroszoloknak, üvegházgázoknak stb.) és hőmérsékletének évezredes skálán bekövetkezett ingadozásaira mind a négy érintett klimatikus ciklusban. Kérdés volt, hogy a kirajzolódó kapcsolatrendszer (pl. léghőmérséklet-CO₂) fennállt-e korábbi korok esetében is, illetve hogy a Grönlandon tapasztalt legutóbbi glaciális időszak gyors klimatikus oszcillációi és az antarktiszi éghajlatingadozások között milyen összefüggés lehet.

Az itt, illetve Grönlandon elért eredmények és tapasztalatok nagyban inspirálták a másik, a XXI. századi glaciológiát meghatározó furat kutatását, amelyet a Concordiajégdómon mélyítettek, s röviden csak Dome C-ként vonult be a paleoklimatológia történetébe. A Dome C fúrását 1997-ben kezdték, majd két szezon után a 780 méteren beszorult fúró miatt le kellett állni a munkákkal. 2000-ben tudták folytatni újult erővel a kutatást és két szezon alatt sikerült elérni az 500 000 évet. 2004-re közel megduplázták a Vostok korát (kb. 740 000 év), majd végül 2005-ben 3260 méteren elérték az alapkőzetet és a 800 000 éves kort. A Dome C-jégfurat tanulmányozásával megállapítást nyert, hogy az üvegházgázok jelenlegi légköri koncentrációja túllépi az elmúlt 800 000 év legmagasabb tapasztalt (rekonstruált) szintjeit is. Mind a tengeri üledék-idősorok, mind pedig a jégfuratok a 450 000 éves kort megelőzően gyengébb interglaciális periodicitást mutatnak, jellemzően alacsonyabb felszíni hőmérséklettel, mint manapság, és 250 ppm CO₂-vel. Ezzel szemben a 450 000 éves kort követően magasabb hőmérséklet jellemezte az interglaciálisokat mint ma, és ez nagyobb, 280 ppm-et meghaladó légköri CO2-koncentrációval társult. Összehasonlításképp 2013-ban a CO₂ átlagos légköri keveredési aránya 395 ppm volt.

Duplázható az eddigi kor?

Abban konszenzusra jutott a szakma, hogy nagy szükség lenne egy több mint 1,5 millió évről információt biztosító magot kiemelni. Ezzel lehetővé válna a Dome C és a tengeri üledékfuratok alapján feltárt meglepő klímaváltozékonyság további vizsgálata, például a 1,2 millió évvel ezelőtti változás, amikor a 41 000 helyett 100 000 éves ciklusok váltak dominánssá. A kérdés jogosan merülhet fel, hol keressünk egy ilyen jégfuratot?

Erre legalkalmasabbnak az Antarktisz középső területei tűnnek, ahol alacsony a modern akkumuláció, és kizárható az olvadás az alapkőzet közelében. Az Argus-jégdómon 2009-ben létesített Új kínai kutatóállomás lehet egy megfelelő terület, de a korábbi Vostokfurat környéke, vagy a Fuji-jégdóm is szóba jöhet. Akármelyik területre is esik majd a végső választás a széles körű nemzetközi összefogás ez esetben is megkerülhetetlen, hisz a 2009-ben becsült fúrásköltség mintegy 50 millió euró (kb. 15 milliárd Ft).

Mint láthattuk, számtalan expedíció indult útnak jégfuratok és az elmúlt korok éghajlatának nyomában, hogy kaput nyissanak az emberi történelem előtti időkbe. A kapott tapasztalati adatok nagyban támogatják bolygónk éghajlati rendszerének évezredes skálán működő dinamikájának megértését. Negyven évvel az első alapkőzetig hatoló jégszelvény kiemelése után a föld-légkör-óceán-rendszerben bekövetkezett változások egyre újabb részletei tárulnak fel a jégfuratok vizsgálatával, amelyek segítségével minden alkalommal többet tudunk meg a múltról, ezzel elősegítve környezetünk várható változásainak pontosabb előrejelzését.

Firnesedés

A firn német eredetű szó, jelentése “múlt évi”, régi magyar megfelelője csonthó. A firnesedés folyamata során a hó jéggé alakul. Nedves és száraz firnesedést különböztetünk meg. Míg előbbi fagyponthoz közelebbi negatív hőmérsékleteken megy végbe, addig az utóbbi jelentősen hidegebb környezetben (például az Antarktisz és Grönland belső területein) zajlik le, s sokkal lassabban. A nedves firnesedés gyors lefolyásához nagyban hozzájárul, hogy olvadékvíz jelenik meg, ami beszivárog a jégösszletbe, míg ugyanez a jelenség a száraz firnesedés esetében nem következhet be. Ott nem történik olvadás, ellenben a rétegterhelés miatt kialakuló tömörödés és a páradiffúzióhoz köthető kristálynövekedés uralkodó szerepet játszanak.

A firnesedés során a felsőbb rétegek pórusai folyamatos kapcsolatban vannak a légköri levegővel. Amikor a sűrűség eléri a 830 kg/m3-es értéket, gleccserjégről beszélünk. Ennél nagyobb sűrűség felett záródnak el a kapillárisok, pórusok a külvilágtól. Ebből egyértelműen következik, hogy a buborékokba zárt gáz fiatalabb, mint az azt körülvevő jég, hiszen a jég már korábban kialakult, minthogy a benne közlekedő gáz elzáródott volna a környezetétől. Ez a korkülönbség száztól akár ezer év is lehet.

Köszönetnyilvánítás

A cikk eredeti megjelenési adatai: Hatvani I.G. – Kern Z. (2014) Furatok a sarkvidéken: A múltról mesélő jég. Élet és Tudomány 69/21: 646-648.