Diffusion: Den begrænsende faktor for δ¹⁸O-baseret iskernedatering

I de øverste 80 meter af en iskappe bliver sneen langsomt presset sammen til is (læs mere om processen her). I denne dybde er der åbne luftporer mellem iskrystallerne, og i disse porer kan vanddamp bevæge sig, og dermed flytte sig forhold til den omkringliggende firn. Denne proces medvirker til at udglatte de årlige svingninger i δ¹⁸O-værdierne.

Hvis årlagene er tyndere end 15-20 cm, bliver det årlige signal helt udvisket af diffusionsprocessen. Det vil sige at iskerner, der blive boret steder hvor det årlige nedbør er mindre end 15 cm (dvs. en mængde sne, der efter sammenpresning bliver til 15 cm) ikke kan dateres ved hjælp af de årlige svingninger i δ¹⁸O-værdierne. Dette gælder fx områder i det nordøstlige Grønland, hvor den årlige nedbørsrate ligger betydeligt under 20 cm.

For iskerner boret i områder med nedbørsrater omkring 20 cm eller lidt højere, vil diffusionen også udviske de årlige udsving; men ikke mere end at det årlige signal kan genskabes ved brug af matematiske teknikker, hvor man korrigerer for effekten af diffusion.

Langsommere diffusionsprocesser foregår dybere nede i iskapperne. Disse processer svækker langsomt den årlige δ¹⁸O-svingning, mens isen bliver ældre og lagene bliver tyndere på grund af isens flydning.

Grænsen for hvor langt tilbage man kan bruge δ¹⁸O/δD målinger til sikker årlagstælling, før diffusionen har svækket det årlige signal i δ¹⁸O for meget, er cirka 8500 år før nu i DYE-3 iskernen. En heldigere kombination af årlig nedbør og temperaturer på toppen af den grønlandske indlandsis har muliggjort δ¹⁸O-baseret datering helt tilbage til godt 14.000 år før nu i GRIP-iskernen, mens NGRIP og NEEM-kernerne generelt set ikke kan dateres ud fra δ¹⁸O data alene på grund af lavere årlig nedbørsrate.

Kurverne på figuren nedenfor illustrerer diffusionens virkning. De tre sektioner viser hver især cirka 26 års data med cirka 1000 års mellemrum (sektionerne er fra 6000, 7000 og 8000 b2k; "b2k" betyder "år før 2000 e.Kr."). Det ses hvordan amplituden (årlagenes udsvingsstørrelse) reduceres for de ældre sektioner, og hvordan toppe, der ligger tæt ved siden af hinanden, begynder at flyde sammen i de ældste sektioner.

Den årlige svingning i δ¹⁸O og δD-værdierne i de grønlandske iskerner bliver, som tiden går, langsomt udglattet af diffusionsprocesser. Figurerne viser hvordan de årlige toppe dæmpes fra 6000 b2k til 8000 b2k i DYE-3 iskernen (b2k er en forkortelse for "år før 2000 e.Kr."). De grå striber markerer vinterminima. Bemærk at kurverne øverst og nederst viser δD-data, mens den midterste kurve viser δ¹⁸O-data. Aksernes skalaer er justeret tilsvarende, så kurvernes udsving kan umiddelbart sammenlignes på trods af forskellen i datatype.

I den del af GRIP kernen der indeholder den tidlige del af Holocæn, har diffusion svækket det årlige signal i δ¹⁸O-måleserien så meget, at årlagstoppene tilsyneladende er forsvundet. Da diffusionsprocessens påvirkning af iskernedata er velforstået, kan man imidlertid af matematisk vej korrigere for effekten af diffusion, og genskabe en del af den oprindelige information.

Eksemplet nedenfor viser et datastykke fra GRIP-kernen, hvor årlagene er bestemt ved hjælp af målinger af mængden af urenheder i isen (de 4 øverste kurver - læs mere her). De grå striber viser årlagsmarkeringen, og δ¹⁸O-kurven er vist forneden (den bløde, tykke, grå kurve). Det ses at kurven ikke indeholder klare årlagstoppe, men at årlagstoppene gendannes efter at der er korrigeret for diffusion (den tynde grå linje).

Urenheder, isotopdata for stabile isotoper og markeringer af årlag (de grå vertikale striber) fra GRIP-iskernen, cirka 8.800 år b2k. Årlagene findes som matchende par af forårs- og sommerindikatorer: forår er karakteriseret ved højt støvindhold, hvilket fører til toppe i [Ca²⁺] og dyk i [H₂O₂]-kurverne, mens sommer er karakteriseret ved høje [NH₄⁺]-værdier og et hertil svarende minimum i ECM-kurven (ECM - elektrisk ledningsevne). Bemærk at ECM og [H₂O₂]-akserne er vendt om. Årlagsidentifikationen støttes af højtopløste δ¹⁸O-data som viser klare årlagstoppe efter korrektion for diffusion (rå data: tyk, grå kurve, korrigerede data: tynd, grå kurve). Korrektionen er beskrevet i Johnsen [1977] og Johnsen et al. [2000].

Læs mere om
- Hvordan DYE-3-iskernen er dateret ved hjælp af isotopforhold
- Årlagstælling ved hjælp af urenhedsmålinger
- Hvordan stabile isotopforhold måles
- Hvordan stabile isotoper i is kan bruges til at bestemme fortidens temperaturer