Лед и пламя: открываем извержения вулканов с помощью ионной хроматографии

4 авг. 2022 г.

Статья

Некоторые ответы спрятаны во льдах и ждут своего часа

Исследования в области экологической химии завели меня в самые отдаленные уголки Земли. В аспирантуре мне посчастливилось работать с образцами с Южного полюса и проводить собственные исследования в Гренландии, а затем в Антарктиде. Что такого особенное мы искали, раз поиски завели нас в холодную глушь?

Извержения вулканов непредсказуемы. Среди самых активных и завораживающих вулканов с потоками лавы можно выделить гору Этна в Катании (Италия), Килауэа на Гавайях (США) и гору Фаградальсфьялль (Fagradalsfjall) в Исландии. Даже при небольших извержениях люди со всего мира приезжают посмотреть на чудеса природы. Однако не все извержения одинаковы…

В зависимости от ряда факторов, включая высоту извержения и состав выбросов, вулканы могут оказывать весьма существенное влияние на глобальный климат. Шкала вулканических извержений (VEI) представляет собой логарифмическую шкалу, показатель силы извержений и классификации от 0 (эффузивные, невзрывные – effusive) до 8 (мегаколоссальные, mega-colossal). В прошлом столетии крупнейшим стало извержение Пинатубо в 1991 году на Филиппинах (VEI 6, colossal, колоссальное). Столб пара поднялся высоко в стратосферу, выбрасывая огромное количество аэрозолей и газов, в том числе диоксид серы (SO₂), которые рассеивают и поглощают солнечный свет. Это привело к ощутимому глобальному похолоданию в последующие два года после извержения. На изображениях безоблачных дней в полдень в это время было видно плоское белое туманное небо. Это рассеивающий эффект стратосферных аэрозолей серы.

Другие крупные извержения привели к голоду, а также периодам «просвещения». Говорят, что фантастическое небо над Кракатау в 1883 году (VEI 6, colossal, колоссальное) вдохновило Эдварда Мунка на написание знаменитого шедевра «Крик». Если вы знакомы с Франкенштейном, то можете поблагодарить Мэри Шелли за зимний «год без лета» 1816 года, в результате извержения вулкана Тамбора (VEI 7).

Разгадка тайны на краю земли

Необычайный холод подробно изучался исследовательскими группами. Фактически, предыдущее десятилетие было аномально холодным, но не было никаких данных о другом извержении вулкана. В конечном счете именно первозданный лед содержал ключ к разгадке этой и многих других загадок.

Автор держит в руках ледяной керн длиной 1 метр, пробуренный в Саммит Кэмп, Гренландия (слева) и Купол Конкордия, Антарктида (справа).

Оксид серы, выделяемый при извержениях вулканов, окисляется в атмосфере до аэрозолей серной кислоты. В зависимости от достигаемой высоты аэрозоли могут оставаться в воздухе в течение нескольких дней или даже лет. Отложение вулканического сульфата на ледяных покровах Антарктиды и Гренландии хранит данные об извержениях благодаря постоянному накоплению снега в этих районах. Поэтому измеряя количество сульфата можно отследить вулканическую активность в кернах полярных льдов. Фантастический метод определения сульфата с набором основных анионов и катионов в образцах воды даже в следовых количествах, — это ионная хроматография (ИХ).

Газы, захваченные льдом, можно измерить с помощью специальных приборов и получить представление о доисторической атмосфере.

Безусловно, мы также можем измерить воздушные полости. Они задерживаются в пространстве между снежинками, которые прессуются в фирн, а воздух остается в ледяном покрове. Однако временного разрешения все еще недостаточно для подобных измерений, а объема воздуха не хватает для точной оценки вулканического происхождения.

Пропуска, выданные вспомогательному персоналу, отправляющемуся из Крайстчерча, Новая Зеландия, на станцию Мак-Мердо (США) в Антарктиде.

Бурение ледяных кернов для ионного анализа — задача не из легких. Логистика ужасает: перевозка оборудования и обученного персонала к сердцу ледяного покрова очень сложна. В таких условиях нет строгих графиков и сроков. Природа играет по своим правилам.

Исследователям необходим полный медицинский осмотр. Анализ крови, мониторинг сердца, полный рентген зубов и многое другое (в зависимости от вашего возраста и гендера). Эвакуация пострадавшего или больного человека в больницу займет несколько дней, поэтому хорошее здоровье и действующая медкарта являются частью подготовки к подобной специфичной работе.

Оборудование нужно доставить на площадку за несколько недель или месяцев. И зачастую приходится только надеяться, что все заработает исправно. В противном случае придется проявить изобретательность. В подобных условиях запасные части найти невозможно.

Ледяные керны, полученные из полярных районов и других отдаленных мест, десятилетиями используются для анализа и воссоздания событий прошлого. Необходимо учитывать множество факторов: где бурить, на какую глубину и так далее. Географическое расположение важно по нескольким причинам. Это и предотвращение загрязнений антропогенными выбросами, и ежегодная скорость накопления снегов, а также близость к вулканам или к животным (например, колониям пингвинов в Антарктике).

Удаленная буровая площадка, расположенная за пределами и с наветренной стороны от Саммит Кэмп, Гренландия.

Данные о сульфатах из ледяных кернов Гренландии и Антарктиды привели к открытию ранее неизвестных вулканических извержений. Ионная хроматография с двухканальной системой позволяет одновременно измерять катионы и анионы в одном образце. При работе с такими незаменимыми образцами и небольшими объемами параллельность анализа является огромным преимуществом. С добавлением автоматических средств пробоподготовки, таких, как Инлайн Ультрафильтрация Metrohm или Инлайн Разбавление, исключается человеческий фактор и возможные ошибки.

Читать подробнее про Metrohm Inline Sample Preparation (MISP) ниже.

Metrohm Inline Sample Preparation (MISP)

Слои тефры, образовавшиеся в результате извержения вулкана в Исландии.

За последние два десятилетия временное разрешение данных анализа ледяных кернов значительно увеличилось. Раньше для определения крупных вулканических явлений в ледяных кернах использовалась проводимость. Проводимость серной кислоты выше, чем у воды, но это суммарный параметр и он не раскрывает, какие именно компоненты входят в состав пробы.

Даже когда ионная хроматография становилась все популярнее в этом спектре исследований, размеры выборки позволяли определять не ежемесячные колебания, а годовые показатели. Это означало, что любые меньшие сульфатные пики можно было не заметить. Исследователи попытались преодолеть ограничение, сопоставив записи из ледяных кернов по всему миру, чтобы оценить размер, происхождение и влияние вулканов на климат. К сожалению, когда место бурения расположено рядом с активным вулканом (как в случае с Гренландией, с подветренной стороны от Исландии), даже небольшие извержения могут иметь слишком большой эффект.

Данные из пробуренного ледяного керна, измеренные с помощью ИХ. Анализ следов необходим из-за низких концентраций ионных частиц, отложенных в отдаленных местах. Здесь был возможен годовой подсчет слоев, о чем свидетельствуют годовые вариации нескольких измеренных аналитов. Серые полосы представляют летний сезон.

Усовершенствованное временное разрешение стало возможным благодаря более сложной подготовке образцов (т. е. установки с непрерывным потоком для плавления пробы без загрязнения) для использования небольшого объема образца. Это позволяет более точно датировать извержения вулканов без других очевидных исторических факторов.

В зависимости от годового количества снегопадов на месте бурения и глубины пробуренного керна можно определить, в каком месяце произошло отложение сульфата в результате извержения вулкана.

Эта информация в сочетании с другими данными (например, объемом отложений) помогает точно определить циркуляцию шлейфа извержения и оценить глобальное воздействие. Другие данные могут быть получены путем измерения изотопного состава отложившегося сульфата для определения высоты эруптивной колонны (более точный метод подтверждения стратосферных извержений), но это выходит за рамки нашей статьи.

С помощью ионной хроматографии можно даже в полевых условиях точно определить глубину, на которой во льду расположены конкретные вулканические явления. В одном и том же месте можно пробурить несколько ледяных кернов, чтобы получить больший объем льда для проведения детального анализа.

Читать про надежность ионной хроматографии Metrohm!

Metrohm Ion Chromatography

Чтобы решить эту конкретную загадку, мы сопоставили один и тот же пик сульфатов, измеренного с помощью ИХ в ледяных кернах из обоих полярных регионов, наряду с подтверждением стратосферной природы извержения, что привело к открытию ранее незарегистрированного вулканического извержения в тропиках в 1809 год н.э.

Второе извержение вулкана продлило холодный период

Покинуть антарктический континент можно несколькими способами: на лодке, военном или обычном самолете. Мне посчастливилось прокатиться первым классом на правительственном самолете с дополнительным бонусом в виде очень захватывающего кинематографического плана полета.

На самом деле извержению стратовулкана Тамбора в 1815 году уже предшествовало другое крупное климатическое явление всего за несколько лет до этого. Эта комбинация привела к одному из самых холодных периодов за последние 500 лет. Данные ионно-хроматографических измерений ледяных кернов сыграли важную роль в этом открытии и во многих других за последние пару лет.

Полезные данные

По мере совершенствования аналитических технологий открывали и другие извержения. Даты стали более точны, теперь можно ответить на вопрос, какие из них оказали влияние на климат, а какие нет. Данные помогают повысить точность климатических моделей, поскольку стратосферные сульфатные аэрозоли, образующиеся в результате крупных извержений, отражают солнце и вызывают длительные периоды глобального похолодания. Стала изучаться и геоинженерия, при которой контролируемое количество сернистых газов вводится высоко в атмосферу, чтобы имитировать эффекты стратосферного извержения.

Заключение

Я надеюсь, что наш краткий обзор ниши экологических исследований с помощью ионной хроматографии пробудил определенный интерес! Возможно, это подтолкнет молодых ученых к тому, чтобы выбрать путь сложной, но занимательной карьеры. Химия не всегда должна изучаться в запертых лабораториях!