Флориан Краусс, облачившись в две пары перчаток, аккуратно помещает ледяной куб в позолоченный цилиндр, который подсвечивается красным светом от лазера наведения. Он отступает, чтобы полюбоваться машиной, опутанной проводами и датчиками, которая превращает полярный лед в климатические данные.
Если бы это был настоящий образец драгоценного, миллионолетнего льда из Антарктиды, а не просто тестовый куб, следующий шаг заключался бы в герметизации экстракционной ёмкости под вакуумом и включении основного 150-ваттного лазера. Это заставило бы весь ледяной образец сублимироваться напрямую в газ. Для Краусса, аспиранта Бернского университета в Швейцарии, это откроет его секреты, выявив концентрации парниковых газов, таких как углекислый газ, запертых внутри.
Чтобы лучше понять роль атмосферного углекислого газа в циклах климата Земли, ученые давно обращаются к ледяным кернам, извлеченным в Антарктиде. Там слои снега накапливались и уплотнялись на протяжении сотен тысяч лет, захватывая образцы древнего воздуха в решетке пузырьков, служащих крошечными капсулами времени. Анализируя эти пузырьки и другие компоненты льда, такие как пыль и изотопы воды, ученые могут сопоставить концентрации парниковых газов с температурами, уходящими в прошлое на 800 000 лет.
Инициатива Европы Beyond EPICA (Европейский проект по бурению ледяных кернов в Антарктике), которая сейчас идет третий год, надеется в конечном итоге извлечь самый старый керн, возраст которого достигнет 1,5 миллиона лет. Это расширит климатическую летопись до самого Перехода средней фазы плейстоцена — таинственного периода, ознаменовавшего кардинальное изменение частоты климатических осцилляций Земли, то есть циклов повторяющихся ледниковых и теплых периодов.
Успешное бурение такого древнего керна — многолетние усилия — может оказаться самой легкой частью. Затем ученым придется кропотливо высвобождать захваченный воздух изо льда. Краусс и его коллеги разрабатывают инновационный новый способ сделать это.
«Нас не интересует сам лед — нас интересуют только образцы воздуха, поэтому нам нужен был новый способ извлечения воздуха изо льда», — говорит он.
Плавление исключено, поскольку углекислый газ легко растворяется в воде. Традиционно ученые использовали методы механического извлечения: перемалывая образцы отдельных слоев льда для высвобождения воздуха. Но измельчение не будет эффективно работать с ледяными кернами Beyond EPICA, хранящимися в морозильной камере университета при температуре минус 50 °C. Самый старый лед на самом дне керна будет настолько сжат, а отдельные годовые слои настолько тонки, что пузырьки будут невидимы — они будут впрессованы в кристаллическую решетку льда, образуя новую фазу, называемую клатратом.
«На самом дне мы ожидаем, что 20 000 лет климатической истории будут спрессованы всего в одном метре льда», — отмечает Хубертус Фишер, руководитель группы по изучению прошлого климата и ледяных кернов Берна. Это в сто раз меньше толщины любой существующей записи ледяного керна.
Новый метод, разрабатываемый Крауссом и Фишером, называется deepSLice. (На боку устройства, прямо под знаками предупреждения о лазере, приклеено меню пиццерии — подарок от пиццерии с таким же названием из Австралии.) DeepSLice состоит из двух частей. Устройство извлечения с помощью лазерной сублимации (LISE) занимает половину комнаты в лаборатории команды. LISE непрерывно направляет ближний инфракрасный лазер на 10-сантиметровый срез ледяного керна, заставляя его переходить непосредственно из твердого состояния в газ при сверхнизком давлении и температуре. Сублимированный газ затем конденсируется в шести металлических трубках, охлажденных до 15 К (-258 °C), каждая из которых содержит воздух из одного сантиметра ледяного керна. Наконец, образцы загружаются в изготовленный на заказ абсорбционный спектрометр на основе технологии лазеров с квантовым каскадом, который пропускает фотоны через газообразный образец для одновременного измерения концентраций углекислого газа, метана и закиси азота. Еще одним большим преимуществом этой системы является то, что она требует значительно меньше льда (и работы), чем старый метод анализа, при котором ученые измеряли метан путем плавления льда (он не растворяется в воде), а углекислый газ — путем измельчения льда.
DeepSLice предлагает «уникальную возможность, которой больше ни у кого нет», — говорит Кристо Буизерт, ученый-ледник в Университете штата Орегон и руководитель анализа льда в COLDEX (Центр исследования самого старого льда) — американском эквиваленте Beyond EPICA, который в настоящее время находится в «дружеской гонке» с европейцами за бурение сплошного керна до льда возрастом 1,5 миллиона лет.
«То, что они пытаются сделать, — сублимировать лед, — люди пытаются уже долгое время, но это один из самых сложных способов извлечения газов изо льда», — заявляет Буизерт. «Это очень многообещающий путь, потому что вы извлекаете 100% газов, но это невероятно сложно реализовать. Так что тот факт, что им удалось заставить это работать, впечатляет».
У Краусса и Фишера остается около трех лет до того, как они получат в руки этот критически важный образец льда. Им еще предстоит устранить некоторые недочеты, например, как извлекать образцы из спектрометра для дополнительного анализа, но они уверены, что будут готовы, когда лед прибудет в контейнерах-рефрижераторах на корабле из Антарктиды через Италию.
«Наши последние результаты показали, что мы на верном пути, и, по сути, мы достигли желаемой точности», — говорит Краусс. «Так что я уверен, что все будет готово».
