В Швейцарии изучают реликтовый лед уникальными методами

Гляциолог Флориан Краусс (Florian Krauss) хранит антарктический лёд в Университете Берна в помещении с температурой –50°C. Luigi Jorio / SWI swissinfo

Группа ученых-исследователей Университета Берна при помощи передовых технологий изучает древнейший на планете образец реликтового льда, надеясь разгадать одну из главных загадок земного климата.

Флориан Краусс, ученый-гляциолог из Университета Берна идёт быстрым шагом — времени в обрез. В специальной термосумке у него находится образец реликтового льда размером с кусок мыла и цены этому льду просто нет. Потому что это уникальный лед возрастом в более чем 1,2 млн лет. «Я не имею права на ошибку, но работать с таким особенным льдом невероятно увлекательно», — говорит Флориан Краусс. Лёд он только что извлек из университетской морозильной камеры, в которой постоянно поддерживается температура минус 50°C. 

Это единственное в Европе помещение с такими условиями, специально предназначенное для хранения древних ледяных кернов. Здесь, в Институте климатической и экологической физики (Klima und Umweltphysik/KUP), хранится часть образцов, добытых в Антарктиде в январе 2025 года с рекордной глубины более чем в 2500 метров. Работы ведутся в рамках европейского проекта Beyond EPICA Oldest IceВнешняя ссылка. Его цель — изучить лёд, образовавшийся на Земле более одного миллиона лет назад, чтобы лучше понять, как менялся климат планеты и точнее оценить влияние на его формирование антропогенных факторов.

Перед тем как отправить образец в лабораторию, Краусс тщательно очистил его от возможных загрязнений. Теперь он собирается исследовать микроскопические пузырьки воздуха, «запечатанные» в толще льда, с тем чтобы измерить степень концентрации в них углекислого газа (CO₂) и других парниковых газов.

>> Читайте также по теме:

Эти данные помогут восстановить состав атмосферы древней Земли и, как надеется учёный, пролить свет на один из главных вопросов палеоклиматологии: почему примерно миллион лет назад ледниковые и межледниковые циклы так сильно изменили свой характер? До сих пор удавалось изучить климатические показатели эпохи, отстоящей от нас на 800 тысяч лет. «Но причины изменения периодичности оледенений, произошедшего около одного миллиона лет назад, науке пока не известны», — поясняет ученый. Новые образцы реликтового льда могут дать ученым решающие подсказки, позволив не только глубже понять климатическое прошлое планеты, но и точнее прогнозировать ее климатическое будущее.

Лазерная сублимация реликтового льда

В лаборатории он помещает древний лёд в золотистого цвета цилиндр, установленный в центре исследовательской установки, опутанной десятками трубок и кабелей: «Именно здесь начинается магия». Внутри цилиндра находится вакуум. Там лёд подвергается воздействию инфракрасного лазера. Под его действием лёд мгновенно переходит из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Этот процесс называется сублимацией.

Он позволяет высвободить воздух, запечатанный в микроскопических пузырьках-кавернах внутри древнего льда. В отличие от традиционных механических методов, дробления или распила керна на тонкие пластины, лазерная сублимация обеспечивает стопроцентное извлечение воздуха из образца, не допуская примеси современного атмосферного воздуха. Возможность же «проскочить» жидкую фазу исключает растворение углекислого газа (CO₂) в воде, что могло бы исказить результаты эксперимента.

Образец льда, извлечённый в Антарктиде с глубины 2492 метров, готов к изучению. Luigi Jorio / SWI swissinfo

Высвободившийся воздух тут же замораживают при температуре около —258°C. В таком виде его можно хранить и затем анализировать на спектрометре, измеряя концентрации парниковых газов — CO₂, метана (CH₄) и закиси азота (N₂O), а также изотопный состав углекислого газа, важный для реконструкции древнего климата Земли. Университет Берна исследует ледяные керны с 1960-х годов.

Новый метод, разработанный совместно со Швейцарской федеральной лабораторией материаловедения и технологий (Empa), признан революционным и не имеет аналогов в мире. Во льду возрастом более 1,2 млн лет скрыта информация о десятках тысяч лет климатической истории. Чтобы уловить малейшие колебания концентраций парниковых газов в атмосфере, нужны непрерывные высокоточные измерения — именно это и обеспечивает технология лазерной сублимации.

У данного метода есть и дополнительное преимущество: извлечённый из образца воздух можно повторно использовать для других опытов. «Это вообще идеальный вариант повторного использования (древнего воздуха), — подчёркивает Хубертус Фишер (Hubertus Fischer), профессор экспериментальной климатической физики и руководитель группы ученых, в которой работает и Флориан Краусс. — Для обычного керна столь сложный подход вряд ли оправдан. Но если у тебя в руках крайне ограниченный объём весьма древнего льда, то другого пути просто нет».

Швейцарцы — пионеры лазерной сублимации

Лаборатории в США и Австралии пытаются разработать схожие технологии, но именно швейцарская группа стала в этой области неоспоримым лидером. «Показать коллегам, как работает установка, — пара пустяков, — говорит Хубертус Фишер. — Но на самом деле это очень сложная система: дьявол, как известно, кроется в деталях». Крайнюю сложность метода признают и зарубежные эксперты.

«Сублимация — это очень сложный для реализации метод, — отмечал ещё в 2023 году Кристо Буизерт (Christo Buizert), руководитель программы по исследованию древних ледяных кернов, реализуемой в рамках американского проекта Center for Oldest Ice Exploration (COLDEX), аналога европейской программы Beyond EPICA. — То, что бернской группе удалось довести его до практического применения, действительно впечатляет». Более того, в Берне ведь разработали ещё и методику определения количества благородных газов (аргона и криптона), содержащихся в пузырьках древнего воздуха. Эти элементы позволяют реконструировать температуру океанов в далёком прошлом.

Устройство для анализа реликтового льда, разработанное в Университете Берна, не имеет аналогов в мире. Luigi Jorio / SWI swissinfo

Университет Берна входит в число 12 институтов примерно из десяти стран, участвующих в проекте Beyond EPICA, стартовавшем в 2009 году. Каждая научная группа имеет свою специализацию: швейцарские исследователи отвечают за анализ парниковых газов и химических соединений, растворённых в льду; другие учёные изучают эволюцию температуры воздуха, состав вулканического пепла или кристаллографическую структуру льда. Общая цель одна — восстановить историю климата Земли по антарктическим ледяным кернам. Предыдущая программа бурения около двадцати лет назад позволила получить ледяные образцы возрастом до 800 тысяч лет.

В рамках Beyond EPICA учёные достигли глубины 2500 метров и теперь рассчитывают расширить свой «климатический архив» за счет образцов возрастом от 1,2 до 1,5 млн лет. Они помогут в теории объяснить, почему в среднем плейстоцене климатическая система Земли изменилась столь радикально — без всякого влияния антропогенного фактора. В самом деле, примерно между 900 000 и 1,2 млн лет назад ледниковые циклы на планете стали длиннее и интенсивнее: вместо 40-тысячелетнего ритма доминирующим стал 100-тысячелетний. Ледниковые щиты в Северном полушарии Земли наращивали большую массу и дольше сохранялись, а межледниковые эпохи становились короче и теплее. Изменение ритма и силы оледенений имело серьёзные последствия для климата всей Земли, причина таких изменений остаётся одной из ключевых загадок палеоклиматологии.

Загадка ледникового ритма Известно, что чередование ледниковых и тёплых фаз связано с орбитальными циклами Земли, так называемыми циклами Миланковича, включающими изменения формы земной орбиты, наклона оси Земли и её прецессии («качание» оси вращения планеты, цикл примерно в 19–23 тыс. лет, который определяет, в какой части планеты наступает лето или зима). Все вместе эти факторы регулируют объем солнечной энергии, поступающей на Землю и то, как тепло распределяется по её поверхности. Однако сами эти параметры за последние 2 миллиона лет существенно не менялись.

Вид с воздуха на буровую площадку Little Dome C в Антарктиде, где в рамках европейского проекта Beyond EPICA был извлечён реликтовый ледяной керн. PNRA_IPEV

«Следовательно, излучение Солнца не может стать фактором, способным объяснить подобное изменение частоты ледниковых эпох, — поясняет Хубертус Фишер (Hubertus Fischer). — Мы подозреваем, что в основе таких сдвигов лежали колебания концентрации парниковых газов в атмосфере. И единственный способ это проверить — проанализировать пузырьки древнего воздуха, заключённые в образцах древнего льда». Ледяные керны имеют для решения этой задачи ключевое значение. Они же помогают усовершенствовать существующие климатические модели, позволяющие точнее прогнозировать будущее развитие климата Земли.

На международном уровне, как отмечает Фишер, существует «здоровая научная конкуренция» за право первым получить самые древние образцы. «Европейский проект пока остаётся единственным, в рамках которого удалось извлечь непрерывный и полный керн такого возраста, тогда как японские и австралийские исследовательские группы лишь приступили к своим многолетним программам бурения». Флориан Краусс, со своей стороны, успел проанализировать лишь малую часть доставленных из Антарктиды образцов.

«Слишком рано пока делать какие-то окончательные выводы», — отмечает он. Тем не менее он убеждён: концентрация углекислого газа в пузырьках воздуха того времени примерно вдвое ниже нынешнего уровня. «Анализ ледяных кернов наглядно показывает, насколько сильно человек изменил атмосферу и климат», — подчёркивает Краусс. Первые итоговые результаты исследований будут опубликованы весной 2026 года.

Русскоязычная оригинальная версия материала создана, адаптирована для целевой аудитории и научно отредактирована русскоязычной редакцией Swissinfo / ип / нк / ап.