Firn air age and snow density layers at Styx Glacier, East Antarctica

Abstract

펀 공기(Firn air)는 비교적 최근 과거의 공기를 다량으로 제공하기 때문에 인간활동에 의한 대기 조성 변화를 이해하는 데 유용하게 사용될 수 있다. 기존에 연구된 대부분의 펀 공기 기록은 지난 수십 년(일반적으로 40년에서 55년)에 해당되며, 이는 인간이 대기에 영향을 미치기 시작한 초기 부분을 다루기에는 불충분하다. 이와 반대로, 온도와 적설량이 매우 낮은 내륙지역의 일부 펀 공기 자료는 약 한 세기 전까지의 펀 공기를 보존하고 있다. 이 연구에서 우리는 남극 로스해 연안 인근의 스틱스 빙하로부터 약 89년에 해당되는 오래된 펀 공기를 발견하였다. 이는 비교적 따뜻한 연안 지역에서 오래된(60년 이상) 펀 공기를 발견한 첫 번째 연구이다. 스틱스 빙하의 또 다른 특징으로 잠금구간(Lock-in zone)의 두께는 12.4 m로 비슷한 온도와 적설량을 갖는 다른 지역에 비해 두꺼웠다. 그 원인을 알기 위해 고해상도 X-선 밀도측정을 수행했고, 스틱스 빙하의 높은 밀도 변동성을 확인하였다. 닫힌 공극 속의 메탄의 몰분율과 총 공기함량 또한 cm 규모에서 큰 변동성을 지시하고, 이는 밀도층(Layering)을 의미한다. 우리는 펀에서의 큰 밀도 변동성이 잠금구간의 두께를 증가시키고 결과적으로 펀 공기의 연령을 증가시킨다는 가설을 세웠다. 왜냐하면 펀 공기의 연령은 잠금구간에서 깊이에 따라 급격하게 증가하기 때문이다. 우리의 연구는 비록 온도와 적설량이 상대적으로 높더라도, 밀도 변동성이 잘 발달되기 유리한 기상조건을 갖는 지역에서는 더 오래된 펀 공기가 보존됨을 보여주었다.

Firn air provides plenty of old air from the near past, and can therefore be useful for understanding human impact on the recent history of the atmospheric composition. Most of the existing firn air records cover only the last several decades (typically 40 to 55 years) and are insufficient to understand the early part of anthropogenic impacts on atmosphere. In contrast, a few firn air records from inland sites, where temperatures and snow accumulation rates are very low, go back in time about a century. In this study, we report an unusually old firn air age of 89 years from Styx Glacier, near the Ross Sea coast in Antarctica. This is the first report of such an old firn air age (> 55 years) from a warm coastal site. The lock-in zone thickness of 12.4 m is larger than at other sites where snow accumulation rates and air temperature are similar. High-resolution X-ray density measurements demonstrate a high variability of the vertical snow density at Styx Glacier. The CH4 mole fraction and total air content of the closed pores also indicate large variations in cm-scale depth intervals, indicative of layering. We hypothesize that the large density variations in the firn increase the thickness of lock-in zone and consequently increase firn air ages because the age of firn air rapidly increase with depth in the lock-in zone. Our study demonstrates that sites where weather conditions are favorable for the formation of large density variations at the lock-in zone preserve very old air within their open porosity, making them ideal places for firn air sampling.