Processing ice cores in the Mount Brown South drill tent. Photo: Sharon Labudda
The Australian Antarctic Division is gearing up to lead one of the most ambitious and challenging scientific projects yet undertaken in Antarctica – the quest to drill an ice core containing a million-year record of Earth’s climate and atmospheric composition.
This record will help solve a long-standing mystery about the timing of past ice ages – why, almost one million years ago, the cycle of ice ages shifted from a regular 41,000 year cycle to an ice age every 100,000 years.
Witness to the past
The Antarctic ice cap is formed by layers of snowfall, which are compressed at depth into ice. Trace chemicals and particles trapped in the ice layers provide data on how the climate and atmosphere has changed over time: past temperature, the frequency and intensity of volcanic eruptions, sea ice extent, dustiness and wind patterns are all recorded.
Air pockets in the snow become trapped as bubbles in the ice. Each bubble is a pristine sample of the atmosphere, from the time the snow was transformed to ice. Carbon dioxide, methane, oxygen and other gasses can be extracted from the bubbles to reveal their past atmospheric concentrations.
The 41,000 year ice age cycle matches a known periodicity in the tilt of Earth’s axis. The 100,000 year cycle matches a periodicity in the shape of the Earth’s orbit. Why the ice age cycles shifted from being paced by one orbital parameter to the other is unresolved. The Antarctic ice sheet witnessed these changes and the answer to the puzzle may lie in the ancient ice.
A leading theory is that declining atmospheric CO2 levels were the cause of the longer, colder ice ages. The million year ice core record will provide the essential CO2 record to test this theory. Alternately, progressive erosion of material beneath the ice sheets may have made the ice sheets more stable and longer lasting. We can test this theory too, because the ice records gasses emitted by bedrock.
There are also other big questions to be addressed. The changes in energy the Earth receives from the sun as a result of orbital variations is small. Yet the climate response is profound. During the depths of the ice ages, kilometre-thick ice sheets advanced over the northern American and Eurasian continents. Sea levels fell by over 100 metres due to the huge volume of water transferred to these ice sheets, and global temperatures fell by 5 to 10 degrees. The million year ice core will provide crucial data to better understand how and why the climate system responds so strongly to these relatively small changes in energy input.
By greatly extending the detailed record of Earth’s climate history, the million year ice core will also place current changes in climate and greenhouse gas concentrations into a deeper context.
Drilling deep
Australia’s contribution to international geophysical surveys has helped narrow the location of the ice that is likely to contain a one million year climate record. A site high on the Antarctic plateau, called Little Dome C, will be targeted. Surveys indicate that this location has approximately 2.8 kilometre-thick ice, with ice layers that are undisturbed and continuously preserved. Importantly, the site also appears free from melting at the base by geothermal heat.
Australia and a European team will lead two drill operations near Little Dome C. Each team is building ice core drills to suit the conditions they will face and their operational methods and experience.
Australia has also assembled a fleet of tractors, snow groomers and sleds, to tow a mobile station and drill camp infrastructure and equipment the 1200 kilometres from Casey research station to the drill site.
The first tractor traverse in support of the Australian component of the project is expected in 2022–23, with delivery of much of the mobile station and camp infrastructure. Options to begin the drilling in 2021–22, with air support, are currently being explored.
Once drilling starts in earnest, seven or eight people will work two 8–9 hour shifts on the drill.
The team expect to drill about 150 metres per week, so that over a field season of 6–8 weeks, they could drill between 900 and 1200 metres of ice core. This will produce between 6.5 and 8.5 tonnes of ice core a year.
Four to five years of drilling will be required to drill to the base of the ice sheet. Ice exceeding one million years old, ideally reaching up to 1.5 million years, is expected in the few hundred metres above the bedrock.
The cores will be transported by traverse to the ship at Casey research station, for the journey back to Tasmania. Many years of careful laboratory work at the Australian Antarctic Division, and with national and international partners, will be undertaken to measure the gasses and trace chemicals in the ice cores. Competing theories on the cause of the ice age cycles will then be tested by the cold hard data!
Australian Antartic Program
La División Antártica Australiana se está preparando para liderar uno de los proyectos científicos más ambiciosos y desafiantes emprendidos hasta ahora en la Antártida: la búsqueda para perforar un núcleo de hielo que contiene un registro de un millón de años del clima y la composición atmosférica de la Tierra.
Este registro ayudará a resolver un misterio de larga data sobre el momento de las edades de hielo pasadas: por qué, hace casi un millón de años, el ciclo de las edades de hielo pasó de un ciclo regular de 41.000 años a una era de hielo cada 100.000 años.
Testigo del pasado
La capa de hielo de la Antártida está formada por capas de nieve, que se comprimen en profundidad en hielo. Los rastros de sustancias químicas y partículas atrapadas en las capas de hielo proporcionan datos sobre cómo el clima y la atmósfera han cambiado con el tiempo: se registran la temperatura pasada, la frecuencia e intensidad de las erupciones volcánicas, la extensión del hielo marino, el polvo y los patrones del viento.
Las bolsas de aire en la nieve quedan atrapadas como burbujas en el hielo. Cada burbuja es una muestra prístina de la atmósfera, desde el momento en que la nieve se transformó en hielo. Se puede extraer dióxido de carbono, metano, oxígeno y otros gases de las burbujas para revelar sus concentraciones atmosféricas pasadas.
El ciclo de la edad de hielo de 41.000 años coincide con una periodicidad conocida en la inclinación del eje de la Tierra. El ciclo de 100.000 años coincide con una periodicidad en la forma de la órbita de la Tierra. No se ha resuelto por qué los ciclos de la edad de hielo pasaron de ser controlados por un parámetro orbital al otro. La capa de hielo de la Antártida fue testigo de estos cambios y la respuesta al rompecabezas puede estar en el hielo antiguo.
Una de las principales teorías es que la disminución de los niveles de CO2 atmosférico fue la causa de las edades de hielo más largas y frías. El registro del núcleo de hielo de un millón de años proporcionará el registro de CO2 esencial para probar esta teoría. Alternativamente, la erosión progresiva del material debajo de las capas de hielo puede haber hecho que las capas de hielo sean más estables y duraderas. También podemos probar esta teoría, porque el hielo registra los gases emitidos por el lecho rocoso.
También hay otras grandes cuestiones que deben abordarse. Los cambios en la energía que la Tierra recibe del sol como resultado de variaciones orbitales son pequeños. Sin embargo, la respuesta climática es profunda. Durante las profundidades de las edades de hielo, capas de hielo de un kilómetro de espesor avanzaron sobre los continentes norteamericano y euroasiático. El nivel del mar cayó más de 100 metros debido al enorme volumen de agua transferido a estas capas de hielo, y las temperaturas globales cayeron de 5 a 10 grados. El núcleo de hielo de un millón de años proporcionará datos cruciales para comprender mejor cómo y por qué el sistema climático responde con tanta fuerza a estos cambios relativamente pequeños en la entrada de energía.
Al extender en gran medida el registro detallado de la historia climática de la Tierra, el núcleo de hielo de un millón de años también colocará los cambios actuales en el clima y las concentraciones de gases de efecto invernadero en un contexto más profundo.
Perforando profundo
La contribución de Australia a los estudios geofísicos internacionales ha ayudado a reducir la ubicación del hielo que probablemente contenga un récord climático de un millón de años. Un sitio en lo alto de la meseta antártica, llamado Little Dome C, será el objetivo. Las encuestas indican que esta ubicación tiene aproximadamente 2,8 kilómetros de hielo de espesor, con capas de hielo que no se han perturbado y se conservan continuamente. Es importante destacar que el sitio también parece libre de derretirse en la base por el calor geotérmico.
Australia y un equipo europeo liderarán dos operaciones de perforación cerca de Little Dome C. Cada equipo está construyendo perforadoras de testigos de hielo para adaptarse a las condiciones que enfrentarán y sus métodos operativos y experiencia.
Australia también ha reunido una flota de tractores, aplanadoras de nieve y trineos para remolcar una estación móvil y la infraestructura y el equipo del campamento de perforación a lo largo de 1200 kilómetros desde la estación de investigación Casey hasta el sitio de perforación.
La primera travesía del tractor en apoyo del componente australiano del proyecto se espera en 2022-23, con la entrega de gran parte de la infraestructura de la estación móvil y el campamento. Actualmente se están explorando opciones para comenzar la perforación en 2021-22, con apoyo aéreo.
Una vez que la perforación comience en serio, siete u ocho personas trabajarán en dos turnos de 8 a 9 horas en la perforación.
El equipo espera perforar unos 150 metros por semana, de modo que durante una temporada de campo de 6 a 8 semanas, puedan perforar entre 900 y 1200 metros de núcleo de hielo. Esto producirá entre 6,5 y 8,5 toneladas de núcleo de hielo al año.
Se requerirán de cuatro a cinco años de perforación para perforar hasta la base de la capa de hielo. Se espera hielo de más de un millón de años, idealmente hasta 1,5 millones de años, en los pocos cientos de metros por encima del lecho de roca.
Los núcleos serán transportados por travesía al barco en la estación de investigación Casey, para el viaje de regreso a Tasmania. Se llevarán a cabo muchos años de cuidadoso trabajo de laboratorio en la División Antártica Australiana, y con socios nacionales e internacionales, para medir los gases y trazas de sustancias químicas en los núcleos de hielo. ¡Las teorías en competencia sobre la causa de los ciclos de la edad del hielo serán probadas por los datos duros y fríos!
