Paleoclimate reconstructions from greenhouse gas and borehole temperature of polar ice cores, and study on the origin of greenhouse gas in permafrost ice wedges

Abstract

20세기 이후 지속된 지구온난화는 다가올 수십 년 간 이어질 것으로 예상된다. 미래 기후 환경 변화를 정확히 예측하기 위해 기후변화 기작을 이해하는 것이 중요하다. 고기후 프락시 자료는 관측으로는 획득할 수 없는 백 년 규모의 자연적 기후변동성과 강제력에 대한 정보를 제공한다. 이러한 고기후 프락시 자료들 중, 지구 표면의 약 사분의 일을 차지하는 빙권 자료는 기후변화 기작에 대한 정보를 제공하지만, 최근의 지구온난화와 극 증폭 현상에 의해 소실될 위험에 처해 있다. 따라서, 본 학위논문은 극지 빙하코어, 시추공 온도, 얼음 쐐기 및 해빙 시료를 이용한 고기후 복원 가능성에 대해 연구하였다.

본 논문에서는 빙하코어에 포집된 오래된 공기의 온실기체 조성을 분석하기 위한 습식기체추출장비를 새롭게 개발하였다. 동일 시료의 반복 측정 실험 및 미국 오레곤 주립 대학교와의 비교 실험 결과 우수한 성능을 확인했다. 또한, 얼음쐐기 및 해빙 시료에 대한 장비의 신뢰도를 검증하기 위해 건식추출법과 염화수은을 첨가한 습식추출법으로 측정한 결과와 비교 실험을 진행했다. 그 결과, 얼음 시료를 녹인 후 다시 얼리는 습식추출과정에서 다시 활성화된 미생물 대사 작용에 의해 메탄 조성 분석 결과가 오염될 수 있음을 발견했다. 토양을 포함한 인공 빙하를 이용한 실험 결과 얼음을 파쇄하는 건식추출과정 또한 메탄 농도를 오염시킬 수 있음을 발견했다. 따라서, 얼음쐐기에 포집된 메탄 농도를 분석하는 데에는 염화수은을 첨가한 습식추출법이 건식추출법 및 일반적인 습식추출법보다 더 정확하다. 얼음쐐기의 산화이질소 농도는 습식추출과정에 의해 유의미한 영향을 받지 않는다. 한편, 극미량의 기체함량으로 인해 해빙에 대한 비교실험에서는 유의미한 결과를 도출하지 못하였다.

새롭게 개발한 기체추출장비와 남극 사이플돔 빙하 시료를 이용하여 초기 홀로세(약 11600년 전부터 7700년 전까지) 동안의 대기 중 메탄 변동성을 복원하였다. 새롭게 복원한 초기 홀로세 메탄 기록은 약 1000년 주기로 발생했던 네 차례의 급격한 메탄 감소 사건을 나타낸다. 각 메탄 감소 사건은 그린란드의 급격한 기온 감소, 적도수렴대의 남하, 그리고 아시아 및 인도 몬순의 약화 현상과 유사한 시기에 발생했다. 그린란드 빙하코어의 메탄 자료와 비교하여 계산한 메탄의 양극간 차이는 홀로세 시작부터 약 9500년 전까지 점진적으로 증가했고, 이는 빙하의 후퇴에 따라 고위도 메탄 배출량이 증가했음을 의미한다.

시추공 온도를 이용한 남극 북빅토리아랜드의 스틱스 빙하의 과거 표면 온도 복원 결과 20세기 평균 온도는 16-18세기에 비해 약 1.7도 상승한 것으로 나타난 반면, 20세기 중반 이후에는 유의미한 기온 상승이 관찰되지 않았다. 남극 연평균 표면 온도 복원 자료를 이용하여 남반구 극진동 지수, 아문젠해 저기압의 중심기압과 중심위치에 대해 계산한 합성값 편차에서 남반구 극진동과 유의미한 음의 상관관계를 관찰하였다. 또한, 빙하코어에서 복원한 과거 2000년 간 남반구 극진동 지수와 비교한 결과 지난 수백 년 동안 남반구 극진동에 의한 영향을 받았음을 발견했다.

얼음쐐기에 포집된 온실기체 농도는 미생물 활동에 의해 온실기체가 생성되었음을 나타낸다. 하지만, 유입된 유기물의 종류와 상태에 따른 얼음쐐기의 산화 환원 전위의 차이에 의해 얼음쐐기 내 메탄과 산화이질소 생성 작용이 달라질 수 있다. 또한, 플라이스토세 연령의 얼음쐐기의 수 센티미터 규모의 온실기체 조성은 얼음 내 온실기체 확산 작용에 의해 영향을 받을 수 있음을 발견했다.

The Earths climate has been warming since the 20th century, and the current warming trend is expected to continue in the upcoming decades. For better projection and mitigation, it is essential to understand mechanisms for climate changes. The paleoclimate proxy archives provide invaluable information on natural climate variability and forcing mechanisms longer than centennial time scale that cannot be obtained from instrumental observations. Among the various natural proxy archives, the cryospheric archives that occupy about a quarter of the Earths surface, provide essential information on climate forcing factors in the past, however, due to polar amplification, the cryosphere is vulnerable to ongoing global warming. Therefore, this thesis aims to explore the possibility of paleoclimate reconstructions using various cryospheric proxy archives – polar ice cores, borehole temperature, permafrost ice wedges, and sea ice.

Firstly, a new gas extraction system is developed for analyzing greenhouse gas compositions of the ancient air trapped in polar ice cores. Replicate analysis and comparison with previous data measured at Oregon State University demonstrate a good reproducibility and integrity for polar ice cores. The reliability of the extraction system was further examined for ice wedge ice and sea ice by comparison with needle-crushing dry extraction and biocide-treated wet extraction. It is found that the wet extraction could bias the methane composition of the gas trapped in the ice wedges due to reactivated microbial activity during the melting and refreezing. Tests with soil-bearing bubble free ice show that the needle-crushing dry extraction also contaminate CH4 results. Therefore, the biocide-treated wet extraction appears to be more reliable method than wet extraction and needle-crushing dry extraction. In the meanwhile, the ice wedge N2O measurements appear not to be significantly affected by wet extraction. For sea ice, it is difficult to observe the bias due to wet extraction because of extremely low air content.

Using the newly developed gas extraction system, the atmospheric CH4 variability during the early Holocene (7.7 to 11.6 ka) was reconstructed from Siple Dome ice core, Antarctica. The new early Holocene CH4 records exhibit four abrupt CH4 drops in quasi 1000-year spacing. Each event occurred in similar timings with abrupt cooling in Greenland, southward shift of ITCZ, and reduction of Asian- and Indian monsoon intensity. Comparing with the early Holocene CH4 records from Greenland ice core, the inter-polar difference of CH4 shows a gradual increase from the onset of the Holocene to around 9.5 ka, implying the extension of boreal CH4 source regions following deglaciation.

The borehole temperature profile at Styx Glacier, northern Victoria Land, Antarctica, exhibits a warming signal between the 16th–18th century and the mid-20th century, while no recent warming is found since the mid-20th century. Using the annual-mean surface temperature data, the composite differences with Southern Annular Mode (SAM) index, center pressure and positon of Amundsen-Bellingshausen Sea Low show a significant negative correlation with annual mean SAM index. Comparison with the reconstructed SAM index indicates that the Styx Glacier temperature has been affected by SAM variability during the last centuries.

The greenhouse gas compositions in permafrost ice wedges reflect the in-situ production of CO2, CH4, and N2O by microbial metabolism within ice wedge ice, despite abiotic N2O production cannot be ruled out. However, the microbial production of greenhouse gases are at least partly affected by reduction-oxidation potentials of ice, probably because different type of organic matter was input. In addition, gas diffusion in ice can significantly affect the greenhouse gas compositions and distributions in centimeter scale for the Pleistocene-aged ice wedges.