Segregation, transport, and interaction of climate proxies in polycrystalline ice

摘要

The most detailed records of the Earth's climate during the past few hundred millennia are derived from ice cores retrieved from Greenland and Antarctica. The analyses of these records assume that the distributions of the trace constituents that are used as proxies for past climate have not significantly altered since deposition at the surface, and yet careful studies, at high spatial resolution, have identified core segments where appreciable post-depositional changes have occurred. To improve the reliability and resolution of paleoclimate interpretations, we have examined the mechanisms underlying the transport and interaction of climate proxies in polycrystalline ice, many of which are soluble impurities that are found principally in premelted liquid that lines the boundaries between ice grains. We find that the rate of post-depositional alteration depends critically on where the trace constituents reside; whether in the premelted liquid, in which case they exert a controlling influence on the total volume fraction of liquid that is present, or in the grains themselves. In the former case, the premelted liquid reservoir contains the principle conduits through which many of the impurities are transported and interact, and in the latter case, the temporal evolution of impurity concentration is both slower and more complex. We provide quantitative models that describe these processes and highlight the importance of impurity segregation for our understanding of past climates. PACS Nos.: 66.30Jt, 91.60Ed, 92.40Sn, 92.40Vq, 92.70-jLe meilleur registre que nous ayons du climat des dernières centaines de milliers d'années se trouve dans les carottes de glace retirées des glaciers du Groenland et de l'Antarctique. L'analyse de ces carottes suppose que la distribution des éléments en trace (impuretés de faible concentration) utilisés comme indicateurs des climats passés n'a pas changé significativement depuis leur dépôt en surface. Néanmoins, des études minutieuses à haute résolution saptiale ont identifié des segments de carotte où apparaissent des variations post-dépôt significatives de concentration de ces éléments. Afin d'améliorer la fiabilité et la résolution des interprétations paléoclimatiques, nous avons étudié les mécanismes responsables du transport et de l'interaction des éléments indicateurs dans de la glace polycristalline, dont plusieurs sont des impuretés solubles retrouvées surtout dans les liquides de pré-fonte qui couvrent les interfaces entre les cristaux de glace. Nous trouvons que le taux d'altération post-dépôt dépend de façon critique de l'endroit où les impuretés résident : soit dans le liquide de pré-fonte, auquel cas ils contrôlent la fraction totale du volume de liquide, soit dans les cristaux eux-mêmes. Dans le premier cas, le réservoir de liquide de pré-fonte fournit les conduits principaux où les impuretés migrent et interagissenent. Dans le dernier cas, l'évolution temporelle des concentrations est plus lente et plus complexe. Nous proposons des modèles quantitatifs de ces mécanismes et soulignons l'importance de séparer les impuretés dans notre compréhension des climats passés. [Traduit par la Rédaction]