Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Cesty do hlubin zamrzlého času

Trudné řemeslo antarktických ledovcových vrtů má zlaté dno
 |  12. 7. 2012
 |  Vesmír 91, 438, 2012/7

Dne čtvrtého února letošního roku pronikl tým ruských vědců a inženýrů téměř čtyřmi kilometry antarktického ledu k vodám jezera Vostok – největšího z asi sto padesáti dosud známých antarktických jezer ukrytých dosud nedobytně pod mohutným ledovcovým příkrovem. [1] Vladimír Putin, před novými volbami ministerský předseda, celý tým pochválil a přislíbil jeho členům vysoká státní vyznamenání. Už v roce 1998 se Rusové tvrdým nadložním ledovcem provrtali 3623 metrů hluboko. Zbývalo jim sotva 130 metrů poměrně měkkého, houbovitého ledu, aby dosáhli volné vodní hladiny. Následujících sedm let váhali, nanečisto testovali technologii a prováděli výpočty, aby na konci roku 2005 opět započali s vrtáním. Ale odpor vědecké veřejnosti byl takový, že plánovaná akce byla znovu přerušena. Největší obavy vyvolávalo 60 tun směsi petroleje a freonu, kterou je dutina vrtu vyplněna a která neustále hrozila proniknout do podledovcových vod. Vzrušené debaty kolem možné kontaminace údajně 15 milionů let izolovaného vodního tělesa (minimálně tak dlouho totiž Antarktidu svírá souvislý ledovcový příkrov) [2] by mohly působit dojmem, že hlavním smyslem antarktických ledovcových vrtů je výzkum starých jezer. Původní cíle takových kampaní ovšem spočívají v něčem docela jiném.

Přírodopis ledovce

Když padá sníh na povrch ledovcového tělesa, jeho váha tlačí na starší vrstvy sněhu v podloží. Tím postupně vzniká kompaktní led s lehce bělavým nádechem – bělavým proto, že jsou v něm uzavřeny bublinky vzduchu. V horách se tlustá vrstva ledu neudrží, protože ledovce pomalu tečou ze svahu a na dně teplých údolí roztávají. Jenom v plochém Grónsku a v Antarktidě vznikly ledovcové příkrovy mocné hodně přes tři kilometry (největší mocnost – 4780 m – byla dosud zjištěna ve východní Antarktidě západně od evropské výzkumné stanice Dome C). Tlak nadložního ledu při bázi je obrovský, takže i kontinentální ledovce pod jeho vlivem nakonec odtávají. Jenomže se to děje odspodu, částečně pod vlivem geotermálního tepla pronikajícího z nitra Země. Voda pomalu odtéká do stran. Někdy na rozhraní ledu a horninového podloží vznikají jezera stejného typu, jako je právě Vostok. Skoro všechno, co o nich víme, ovšem pochází pouze z nepřímých zdrojů – radarových, seizmických a gravitačních měření. Dnes nejsme daleko od okamžiku, kdy se dozvíme, jestli tato jezera vůbec představují nějaký specifický ekosystém. Absolutní tma, teplota pod bodem mrazu, vysoký tlak a kritický nedostatek živin příliš mnoho naděje na existenci složitého života nedávají. Nejspíš se tam jako v lednici dochovaly jen staré zbytky organismů a možná nějakého oživení schopné řasy, sinice a bakterie. Život na naší planetě je ale houževnatý a tajuplný, takže žádné překvapení není vyloučeno. I hluboká naftová ložiska mají své živáčky, tak proč ne i mrazivé vodní sluje?

Mocnost ledovců nemůže narůstat nad určitý, teplotou a tlakem jasně určený limit. Mocnost obou velkých ledovcových těles – grónského a antarktického – je skutečně téměř identická a pohybuje se právě na horní hranici. Jenže v Grónsku je celkově mnohem vlhčeji. Akumulační rychlost sněhu, potažmo ledu, je tam o hodně vyšší. Bylo zjištěno, že 3 kilometry pod povrchem grónského ledovce je uložen led starý zhruba 100 000 let, zatímco v Antarktidě jsou ve stejné hloubce vrstvy ledu staré až tři čtvrtě milionu let. (Snadno si spočteme, že antarktický ledovec se skládá z asi 750 tisíců každoročně ukládaných vrstviček, jejichž průměrná tloušťka odpovídá čtyřem milimetrům. Naproti tomu v Grónsku vznikne za jediný rok vrstva ledu mocná 3 centimetry.) Masa ledu je plastická a pod vlivem zemské tíže se pomalu přelévá. Nejvíce směrem od vyklenutého středu do stran, kde se na hladině oceánů odlamují kry. Z toho důvodu není vůbec jednoduché ztotožnit určitou hloubku v ledovci s určitým stářím ledu. Dnes pro to existují složité matematické modely založené na fyzikálních vlastnostech ledu a na přímo naměřených pohybech ledovcových mas.

Z prehistorie ledovcových vrtů

Hmota ledovců se hromadí plynule a po velmi dlouhou dobu. Někdy jsou každoroční přírůstkové vrstvičky dokonce vidět pouhým okem a dají se snadno spočítat. Byl to nejspíš německý polární badatel Alfred Wegener (viz Vesmír 89, 164, 2010/3; 89, 242, 2010ú4), kdo si při pohledu na ně poprvé uvědomil, že se led může stát prvořadým archivem informací o vzdálené minulosti. Psala se ale dvacátá léta století minulého a tenkrát nikdo pořádně nevěděl, jak informační potenciál ukrytý v ledu zužitkovat. Snad změřit tloušťku jednotlivých vrstviček pro informaci o vývoji množství srážek, odhadnout množství prachových částic jako indikátor prašnosti atmosféry a změřit kyselost (pH) ledu pro informaci o intenzitě globální vulkanické činnosti (sopky totiž chrlí vysoko do stratosféry kyselinotvorné oxidy).

Až rozvoj geochemie po druhé světové válce připravil půdu pro opravdu mnohostranné využití ledovcových vrtů. Bohatství a vyspělá technologie Západu navíc otevřely podmínky pro to, aby vůbec bylo možné dostatečně dlouhé ledovcové vrty pořídit. V roce 1957 ukázal dánský paleoklimatolog Willi Dansgaard, že izotopické poměry mezi atomy kyslíku konzervovanými ve starém ledu mohou být využity k rekonstrukci dávných teplot v místě vrtu. [3] Proto byl v roce 1966 na americké vojenské základně Camp Century v severozápadním Grónsku pořízen první hluboký ledovcový vrt. Jeho chronologie byla sice hodně nejistá (roční přírůstky ledu nešly ve všech úsecích spočítat) a časový odstup jednotlivých analyzovaných vzorků byl hodně velký, nicméně se ukázalo, že analýzy ledu pro paleoklimatologické účely mají před sebou skvělou budoucnost. Ve vrtu se podařilo rozlišit klimatické události spojené s průběhem poslední ledové doby a na jeho bázi se dokonce rýsovalo jedno výrazně teplé období, které se dalo přisoudit poslední meziledové době (interglaciálu). A to byla nejlepší zpráva ze všech možných: Velké polární ledovce neodtály ani v mimořádně teplém posledním interglaciálu, a záznam se tudíž dochoval neporušený.

Teď konečně nastala chvíle pro Antarktidu. Očekávání bylo veliké, protože každý metr hloubky tady znamená několikanásobně víc let směrem do minulosti oproti vlhkému Grónsku. První solidní antarktický vrt byl získán hned v roce 1968 na americké stanici Byrd. Jeho analýza ukázala překvapivé podobnosti s grónským vrtem, a tak se vůbec poprvé podařilo prokázat, že kvartérní klimatické změny měly skutečně globální ráz. Tím byly položeny první kameny mozaiky vedoucí k složitému obrazu moderní paleoklimatologické vědy a ke komplikovaným úvahám o procesech řídících dlouhodobý vývoj klimatu, včetně vlivu lidské civilizace.

O nic snazší, než dovézt kámen z Měsíce

Inženýrské umění ledovcových vrtů je kapitola sama pro sebe. Na první pohled to nevypadá, ale provrtat se několika kilometry ledu je mnohem větší oříšek než dostat se stejně hluboko do nejtvrdší skály. Přesně řečeno provrtat se tam a nepřijít přitom o křehký a jemně zvrstvený ledovcový záznam.

Pro ilustraci si popíšeme technické obtíže spojené s jedním nedávným, dost ambiciózním projektem. [4] Ambiciózním proto, že si jeho protagonisté usmysleli dostat se až na úplné podloží antarktického ledovce. Jde o vrt na japonské základně Dome Fuji. Základna stojí v nadmořské výšce 3810 metrů ve východní Antarktidě (na kótě 39° 42′ východně a 77° 19′ jižně). Mocnost ledu pod základnou byla před počátkem vrtání odhadnuta na rovné tři kilometry a matematické modely dávaly naději, že horizontální pohyb ledu je na tomto místě relativně omezený. Chronologický model takového vrtu (křivka popisující vztah hloubky a času) by měl tedy být relativně jednoduchý a měl by poskytnout solidní oporu pro odhad stáří událostí zachycených následnými analýzami. Nepředpokládalo se ani, že by mezi ledovcem a podložím v daném místě vězelo nějaké jezero.

První pokus o vrt na základně Dome Fuji spadá ještě do devadesátých let. Až do prosince roku 1996 šlo všechno hladce. Byla použita dosud obvyklá technologie mechanického vrtání s vyplachováním ledových pilin rovnou do vyvrtaného otvoru. Každé z vyzvednutých ledových jader mělo délku dva metry. Zamrznutí vrtáku a kolapsu otvoru bránila směs na bázi petroleje (kerosenu). Jak vrtání postupovalo, byly potřeba další a další hektolitry této organické směsi. V okamžiku, kdy bylo dosaženo hloubky 2503 metry, nemrznoucí kapalina nečekaně došla. Ani to ještě nevypadalo jako velký problém. Tým jako už několikrát předtím zastavil průnik do větších hloubek a jal se pouze udržovat dosavadní otvor průchozí. Vrtákem pořád nahoru a pak zase dolů, než dorazí další cisterna s petrolejem. Jenže v jednom momentě zařízení nečekaně zatuhlo. Pokus o jeho záchranu nástřikem kapaliny s vysokou hustotou (hydrofluorokarbonu) se nezdařil, a tak nakonec musel být vrt úplně opuštěn.

Pět následujících let vyvíjeli v Japonsku novou technologii a v Antarktidě se připravovali na otevření nového vrtu ve vzdálenosti 43 metrů severně od toho původního. Nový vrták byl vyroben v průběhu roku 2001. Následující dva roky probíhaly přímo v Antarktidě testovací vrty a budovala se vyhřívaná stavba, ve které bude celé zařízení provozováno. V průběhu testování vyšlo najevo, že japonští inženýři dokázali vyrobit malý zázrak. Nejenže byly použity špičkové materiály, ale i celá konstrukce zařízení byla úplně jiného druhu než ta předchozí. Tubus vrtáku mohl odebírat naráz celé čtyři metry neporušeného ledového jádra. To znamená dvakrát méně vytahování a opětovného spouštění ve srovnání se starším zařízením. Aby se nepříjemné ledové piliny netrousily do vyvrtaného otvoru, byly jímány do dlouhé vnitřní komory nad odběrovým tubusem. Teprve nad komorou pro ledové piliny byl umístěn motor, který zajišťoval rotační pohyb níže položené řezné hlavice ze speciálně vyvinutých slitin. Celá soustava byla v průběhu operace hydraulicky proplachována butyl acetátem, což je nemrznoucí kapalina, která si při teplotách kolem –50 °C udržuje nízkou viskozitu a má zhruba stejnou hustotu jako okolní led. Brání proto zamrznutí a zároveň udržuje správný tlak ve vyvrtaném otvoru, takže v žádné hloubce nemůže dojít k jeho kolapsu. Touto kapalinou se vyvrtaný otvor celý napouštěl. (Jak velký objem butyl acetátu bylo v ten který moment potřeba zajistit, to si můžeme opět snadno spočítat – vrt o kruhovém průřezu měl poloměr 67,5 mm.)

V sezoně 2003/2004 se začalo s vrtáním naostro. Počasí bylo bídné a vázlo zásobování stanice. Technici časem získali potřebnou zručnost, a tak bylo v témže roce dosaženo hloubky 362 m. V následující sezoně 2004/2005 šlo všechno mimořádně hladce. Byla dosažena hloubka 1850,35 m, a co je nejdůležitější, byla vyzvednuta ledová jádra prvotřídní kvality. Pod dojmem zdárného průběhu sezony bylo na příští rok naplánováno triumfální dosažení podloží. Zbývalo zhruba 1200 metrů ledu. Na základnu bylo potřeba dorazit co nejdříve po skončení antarktické zimy.

Vrtání poslední plánované sezony začalo 17. listopadu 2005. Vrt postupoval rychlostí 133 metrů za týden a 12. ledna oslavili výzkumníci dosaženou hloubku 3000 metrů. Skalní podloží už muselo být nedaleko, protože vysoce stlačený led dosahoval téměř bodu tání. A tehdy nastaly další vážné problémy. Ledové piliny uvnitř vrtáku okamžitě tuhly v kompaktní ledovou masu a celé zařízení se začalo ucpávat. Vyvrtat jedno ledové jádro trvalo najednou víc než čtyři hodiny a situace se neustále zhoršovala. Nakonec se na každý zátah dařilo vyzvednout sotva 10 centimetrů jádra. Celou soustavu přitom bylo potřeba opakovaně nořit do hloubky tří kilometrů a zase ji vytahovat zpátky. 23. ledna bylo dosaženo hloubky 3028,52 m a na této úrovni byla práce zastavena. Nejvyšší čas balit kufry před vypuknutím polární zimy. Dome Fuji nepatří mezi základny uzpůsobené pro celoroční pobyt.

Zbývajících 6,7 metrů bylo dovrtáno během 39 dnů až v následující sezoně 2005/2006. V samotném závěru operace do vyvrtaného otvoru začala pronikat voda z podloží ledovce. Měla teplotu –55 °C, ve vrtáku ihned mrzla a úplně ho vyřadila z provozu. Byly v ní nalezeny částečky horniny z podloží ledovce. Nastal moment, kdy byla terénní část projektu Dome Fuji prohlášena za dovršenou. Podloží ledovce bylo dosaženo.

Co s nimi?

Po každém hlubokém ledovcovém vrtání jsou terénní sklady napěchovány několika kilometry ledových válců – vrtných jader. Může začít jejich převoz a zdlouhavá práce na analýzách. Jako první je třeba pokusit se o co nejpřesnější datování každého centimetru starého ledu. Některé chemické parametry (poměry stabilních izotopů, elektrická vodivost, obsahy určitých prvků) mají roční periodicitu a dají se použít k odpočítávání jednotlivých let v případě, že přírůstkové vrstvičky nejsou viditelné pouhým okem. V hlubokých částech vrtů, tam, kde už jsou rozdíly mezi ročními přírůstkovými vrstvičkami vysokým tlakem úplně setřeny, nezbývá než se pokusit o nepřímé datování srovnáním s jinými záznamy (nemusejí být jenom ledovcové, může jít třeba o kontinentální spraše nebo o vrty hlubokomořskými sedimenty). V nejhorších případech pomohou numerické modely rychlosti akumulace ledu a později, po provedení klimatických rekonstrukcí, přispěje k datování i korelace klimatického záznamu s vypočtenými harmonickými změnami Milankovićových orbitálních parametrů (viz Vesmír 74, 488, 1995/9; 89, 164, 2010/3 a 89, 242, 2010/4). Velmi vítané jsou stopy jednorázových událostí známých a přesně datovaných z nezávislých zdrojů – například velké sopečné výbuchy nebo přepólování magnetického pole Země (nejznámější, ale nikoliv jediná je magnetická reverze Brunhes-Matuyama, ke které došlo před 780 000 lety).

Věk nejstaršího ledu ve vrtu Dome Fuji, jehož získání bylo popsáno v předchozím odstavci, byl stanoven na 720 000 let. Záznam se tudíž zařadil mezi vůbec nejdelší. Absolutní rekord zatím drží 3259 metrů hluboký vrt ze stanice Dome C provozované Evropany. Led, který z něj pochází, dosahuje stáří 810 000 let. [5]

V ledovcových vrtech je možné provádět spoustu fyzikálních a chemických analýz a vztahovat je pak k různým aspektům minulých environmentálních změn. Takových postupů je dnes k dispozici nepřeberné množství, a proto jsou vzorky ledu ve světových laboratořích vyvažovány zlatem. Zřejmě nejzajímavější vlastností ledovcových vrtů je přítomnost vzduchových bublinek, které tam uvízly v průběhu postupné přeměny sněhu v led (děje se to hlavně na bázi firnu, typicky v hloubce 50–100 metrů pod povrchem). Bylo zjištěno, že mezi bublinkami uzavřenými v ledu téměř nedochází k difuzi plynů, a proto představují dokonalé vzorky někdejší atmosféry.

Literatura

[1] Gramling C.: A Tiny Window Opens Into Lake Vostok, While a Vast Continent Awaits. Science 335, 788–789, 2012.

[2] Inman M.: The Plan to Unlock Lake Vostok, Science 310, 611–612, 2005.

[3] Taylor T.: History of Research, Greenland and Antarctica, Encyclopaedia of Quaternary Sciences, s. 1284–1288. Elsevier 2007

[4] Motoyama H.: The Second Deep Ice Coring Project at Dome Fuji, Antarctica, Scientific Drilling 5, 41–43, 2007.

[5] Wolff E., Brook E.: Antarctic ice cores, PAGES News 15, 11–12, 2007/2.

Následující seznam stručně shrnuje tradičně sledované vlastnosti ledovcových vrtů a krátce komentuje smysl jejich zkoumání.

  • Tloušťka ročních přírůstkových vrstviček. Charakterizuje množství srážek z roku na rok. Pochopitelně pouze v případě, že lze vrstvičky vůbec nějak odlišit.
  • Přítomnost vrstev čirého ledu bez vzduchových bublinek. Jde o led vzniklý letním rozmrzáním sněhu na povrchu ledovce. Jeho výskyt nese rovněž paleoklimatologickou informaci, ale zároveň upozorňuje na možné trhliny (hiáty) v jinak souvislém ledovcovém záznamu.
  • Relativní obsah stabilních izotopů δ18O a δD. Jeden z hlavních parametrů využívaných k rekonstrukci dávné teploty. Teplotní závislost poměru izotopů souvisí s průběhem frakcionace při transportu molekul vody od zdroje odparu po místo definitivního uložení na povrchu ledovce. Proces je ve skutečnosti hodně komplikovaný a mnohastupňový. Základní princip spočívá v tom, že intenzita izotopické „destilace“ závisí na teplotě prostředí. Obecně platí, že čím chladnější je klima, tím víc je v ledu lehčích molekul vody.
  • Obsah biogenních plynů (CO2, metanu a oxidů dusíku). Protože jsou důležitou složkou biogeochemických cyklů, ukazují na minulé stavy globální biosféry. Jakožto skleníkové plyny navíc hrají důležitou roli ve zpětnovazebném fungování klimatického systému planety.
  • Teploty naměřené ve vrtech. Nechce se tomu pomalu ani věřit, ale tepelná kapacita ledu je taková, že je v jeho vrstvách přímo uchována minulá teplota. Prudké změny teploty v minulosti jsou pouze vyhlazeny tepelnou difuzí. Do ukončených vrtů plněných nemrznoucí kapalinou stačí zanořit přesný teploměr, spouštět ho pomalu dolů a průběžně registrovat teplotu. Takto se dají zjistit harmonické nárůsty a poklesy teploty, které odpovídají dávným oteplením a ochlazením. Funguje to pochopitelně pouze v relativním smyslu – tepleji/chladněji.
  • Stanovení obsahu rozpuštěných síranů. Jde o měřítko globální vulkanické aktivity, která má, jak známo, značný dopad na klima celé planety.
  • Obsah solí, hlavně NaCl. Parametr popisující obsah mořského aerosolu. Závisí na vzdálenosti místa od moře (i ta se mohla v minulosti měnit) a na vývoji lokální meteorologické situace.
  • Obsah rozpuštěného vápníku. Měřítko celkové prašnosti atmosféry, která mimo jiné ovlivňuje odrazivost – albedo.
  • Množství a kvalita minerálního prachu. Jiné měřítko prašnosti atmosféry. Lze rozlišit prach sopečného původu, meteorického původu a ostatní prachové částice, jejichž množství ukazuje na rozšíření pouští na Zemi. Na základě minerálního složení lze mnohdy určit i zdrojovou oblast prachu (v Antarktidě je to hlavně jižní polovina Jižní Ameriky, v Grónsku Sahara).
  • Obsah izotopů 10Be a 36Cl. Jde o kosmogenní izotopy, jejichž obsah odpovídá síle kosmického záření, která je modulována slunečním větrem. Tato měření mají největší význam mimo oblast vlastního studia ledovcových vrtů. Poskytují paralelní informaci důležitou pro kalibraci radiokarbonového datování. Vznik radioaktivního izotopu uhlíku (14C) v horních vrstvách atmosféry je na intenzitě kosmického záření totiž bezprostředně závislý.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Geologie

O autorovi

Petr Pokorný

Doc. Mgr. Petr Pokorný, Ph.D., (*1972) vystudoval biologii na Přírodovědecké fakultě UK a Biologické fakultě JČU. V Centru pro teoretická studia, společném pracovišti UK a AV ČR, se zabývá kvartérní paleoekologií. Přednáší na Přírodovědecké fakultě UK.
Pokorný Petr

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné