Blue iceberg, Most icebergs are white but if the ice doesn’t contain bubbles they can appear black or emerald green or, like this one, brilliant blue.”
KUTUPSAL BUZ ÖRNEKLERİ ve ATMOSFERİN TARİHİ
Murat AYDIN
University of California, Irvine
Dünyamızın oluşumundan bu yana ciddi iklim değişiklikleri geçirdiği bilinmektedir. Bu bilginin önemli kaynaklarından biri de kutup bölgelerinde özel matkaplarla toplanan buz örnekleridir (Şekil 1). Kutup bölgelerinde ilk buz sondajları 1960’lı yıllarda Grönland ve Antarktika’da yapıldı. Bu ilk çalışmalar buz örneklerinin bilimsel potansiyelinin ortaya çıkmasını sağladılar. Takiben 1980 ve 1990’lı yıllarda Antarktika ve Grönland’da Amerikalı ve Avrupalı bilim insanlarının öncülüğünde daha geniş çaplı sondaj çalışmalarına girişildi. Elde edilen buz örnekleri üzerinde yapılan ölçümler dünyamızın geçmiş birkaç yüz bin yıl boyunca geçirdiği başlıca iklim değişiklerinin ortaya çıkarılmasında önemli rol oynadılar. Dünyada buz çağı ve ılıman dönem olmak üzere iki ana iklim rejimi bulunduğu ve yaklaşık her yüz bin yılda bir ılıman döneme girildiği ve sonrasında yavaş yavaş tekrar buzul çağı koşullarına geri dönüldüğü bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar sayesinde bilimsel bir gerçek haline gelmiştir. Ayrıca buzul çağları ve ılıman iklim süreçlerinden çok daha kısa süren, ama çok ani ve sert gerçeklesen iklim değişikleri de yaşandığını ve bu tip hadiselerin tekrar etme olasılığının bulunduğunu da kutup bölgelerinden elde edilen buz örnekleri üzerinde yapılan ölçümlere borçluyuz.
Şekil 1. İki uzman orta büyüklükteki bir buz matkabını sondaja hazırlıyorlar.
Gelecekte meydana gelecek iklim değişikliklerini öngörebilmek için dünyamızın iklimini belirleyen fiziksel etmenleri öğrenmemiz ve buz çağlarıyla ılıman dönemler arasındaki geçişleri neyin tetiklediğini ve sürecin nasıl çalıştığını anlamamız gerekir. Aynı şekilde, çoğunluğu kutup bölgelerinde bulunan buz tabakalarında meydana gelecek değişiklerin deniz seviyesini nasıl etkileyeceğini öngörebilmemiz için buz tabakalarının oluşumunu ve bugünkü ölçülerini belirleyen etmenlerin neler olduğunu öğrenmemiz gerekir. Bu sorulara cevap verebilmenin bir yolu geçmiş değişikler hakkında bilgi toplamak, iklim ve buz tabakalarının hangi zamanlarda, ne hızda, ne büyüklükte ve en önemlisi nasıl değiştiklerini öğrenmektir. Bu bilgilere ulaşmanın en direk yolu da kutup bölgelerinde bulunan buz tabakalarına sondaj yaparak buz örnekleri toplamak, toplanan örnekler üzerinde kimyasal ölçümler yapmaktır (Şekil 1 ve 2).
Şekil 2. Antarktika’da çıkardığımız yaklaşık bir metre uzunluğunda ve 13 cm çapında bir buz örneği. Şekilde farklı saydamlıktaki kış ve yaz katmanları ve bir adet kalın volkanik kül katmanı görülüyor. Buz örneklerinde volkanik kul katmanlarına sıkça rastlansa da, bu örnekteki gibi net bir katman nadir görülen özelliklerdendir ve muhtemelen buzun toplandığı yerin yakınlarında patlamış bir volkandan gelmektedir.
Kutup bölgelerinde gerçekleşen kar yağışı alt tabakalarda bulunan, önceki senelerde düşmüş olan kar katmanlarını sıkıştırır. Soğuk hava nedeniyle yüzeyde her sene biriken ve yazın dahi erimeyen kar, alt katmanları giderek daha fazla ağırlık altında bırakır ve daha derine gömülmesine sebep olur. Üzerindeki ağırlık gittikçe artan kar sıkışır, sıkıştığı için hacmi küçülür, yoğunluğu artar ve buza dönüşür. Bu oluşum sırasında ilk başlarda içinde oldukça büyük hava boşlukları barındıran kar ya da düşük yoğunluktaki buz, ihtiva ettiği hava oranı iyice azalmış yoğun ve sert buza dönüşür. On binler ve yüz binlerce yıl süren bu süreç Antarktika’nın bazı bölgelerinde kalınlığı 4 kilometreyi bulan buz tabakalarının oluşmasına yol açmıştır. En derinlerdeki buz katmanlarının yaşının bir buçuk milyon seneyi bulduğu tahmin edilmektedir. Buz, viskozitesi yüksek bir akışkan olduğundan, kalın buz tabakaları yer çekiminin etkisiyle üç boyutlu hareket halindedirler. Bunlar üzerinde bulundukları kara parçalarını çevreleyen okyanuslara doğru yavaşça akarlar. Bu hareket kıyılara yaklaştıkça daha dar alanlara sıkışır, hızlanır, ve buz nehirlerinin doğmasına yol açar. Buzun denizde erimesiyle sonuçlanan bu süreç kıtanın iç kesimlerindeki buz tabakasının en fazla ne kadar kalınlaşabileceğini de belirler.
Buz tabakalarının derinliklerine sondaj yaparak elde edilen eski buzlar laboratuarlarda incelendiklerinde buzu oluşturan kar yağışının olduğu zamana ait çeşitli bilgiler edinmek mümkündür. Buzu oluşturan su moleküllerinin isotopik yapısı, buzun içinde çözünmüş kimyasallar, rüzgarlarla uzak yerlerden gelmiş ve buz tabakası üzerine serpilmiş toz ve volkanik kül tabakaları (Şekil 2), ve oluşum aşamasında buzun içinde sıkışıp kalmış hava kabarcıkları (Şekil 3) bize geçmiş zamanlara ait çeşitli bilgiler sunar. Çeşitli ölçümler sonucu elde edilen bilgileri değerlendirebilmek için ilk olarak ölçümleri yapılan buzun ne zaman oluştuğunun (yaşının) belirlenmesi gerekir. Kutup bölgelerinde de mevsimsel sıcaklıklar arasında büyük farklılıklar bulunduğundan, yıl boyunca yağan karın kristal yapısı da mevsimlere göre farklılıklar gösterir. Hava soğukken yağan kar, hava nispeten daha sıcak ve nemliyken yağan kara göre farklı bir kristal yapıda olduğundan, oluşturduğu buz da farklı bir saydamlıktadır. Bu şekilde oluşan gözle görülebilir mevsimsel katmanların tek tek sayılması buz örneklerinin yaşının belirlenmesinde kullanılan birincil yöntemdir. Ek olarak, buz üzerine yapılan birçok kimyasal ölçümlerde de mevsimlerin, daha doğrusu sadece yazın görünen güneş ışınlarının etkilerini görmek mümkündür. Bu teknikler bize buzun hangi derinlikte kaç yaşında olduğunu (ne zaman oluştuğunu) belirleme olanağı sağlar.
Şekil 3. İnce bir buz kesiti içinde sıkışmış eski hava kabarcıkları.
Buzun içinde sıkışmış hava kabarcıklarının, oluşumları sırasında buzun içinde sıkışıp kalarak o zamandan bu yana atmosferle ilişkileri kesilmiş olduğundan atmosferimizin kimyasal tarihinin muhafaza edildiği bir arşiv niteliğindedirler. Bu havayı kullanarak sadece atmosferi oluşturan ana gazlar azot ve oksijen değil, onlardan çok daha düşük oranlarda bulunan binlerce gazın oranlarının zaman içerisinde ne kadar değişkenlik gösterdiğini ölçebilmek mümkündür. Bunun en güzel örneklerinden biri buz örneklerinden çıkarılan hava kabarcıklarında yapılan ölçümlerle son 800 bin yıllık atmosfer tarihi belirlenmiş olan karbon dioksit (CO2) gazıdır (Şekil 4).
Günümüz atmosferinde yaklaşık her 400 milyon molekülden biri CO2 dir, yani CO2’nin atmosferdeki karışım oranı 400 ppm’dir (parts per million). Atmosferde nadir bulunan gazlardan (trace gases) olmasına rağmen, CO2’ye önem veriyor ve atmosfer tarihini öğrenmek istiyor olmamızın sebebi bu gazın yeryüzünden yansıyan ısı enerjisini çok verimli bir şekilde emip atmosferin ısınmasına yol açmasıdır. Bu özelliği dolayısıyla en önemli “sera gazı” olarak da anılan CO2’nin atmosferdeki bugünkü düzeyi fosil yakıtların kullanımı dolayısıyla olması gerekenin 100 ppm kadar üzerindedir ve artmaya devam etmektedir. CO2’nin 800 bin yıllık tarihine baktığımızda, atmosferdeki düzeyinin hava sıcaklığıyla doğru orantılı olarak değiştiğini, buz çağlarında düşük, ılıman dönemlerde ise yüksek oranlarda bulunduğu görülmektedir (Şekil 4).
Şekil 4. Dünyanın son 800,000 yılda yaşadığı iklim değişiklikleri (yukarıdaki panel) ve sıcaklık değişiklikleriyle doğru orantılı olarak değişen atmosferdeki CO2 oranı (aşağıdaki panel). Grafik Luthi et al. (Nature, 2008) çalışmasından alınmıştır.
Daha önce de belirtildiği gibi, buz örneklerinde sıkışmış hava kabarcıkları üzerinde yapılan ölçümler CO2 ile sınırlı değildir. Atmosferdeki oranları CO2’den çok daha düşük düzeyde bulunan ve çok nadir gazlar (ultra-trace gases) diye tanımlanan ayrı bir sınıfa ait gazların atmosfer tarihleri de artık ilgi alanımızdadır. Karbon monoksit (CO), karbonil sülfit (COS), metil klorür (CH3Cl), metil bromür (CH3Br) ve etan (C2H6) gibi gazların atmosferdeki oranlarının geçmiş binlerce yıl boyunca ne kadar ve ne sebeple değiştiğini anlamak buz örnekleri kullanılarak yapılan bilimsel çalışmaların en önemli hedefleri haline gelmiştir. Çok nadir gazların ölçümleri sayesinde iklim değişikliklerinin sebepleri, stratosferik ozonda yaşanmış olan doğal değişikliklerin boyutları ve en önemlisi dünya üzerindeki okyanus, atmosfer ve kara sistemleri arasındaki biojeokimyasal döngülerin zaman içinde geçirdiği değişikleri araştırma olanağı bulunacaktır. Günümüzde endüstriyel faaliyetlere bağlı olarak bu tip gazların bazıları çok hızlı değişimler gösterebilmektedir. Buz ölçümleri ayni zamanda bize endüstriyel ve yakıt tüketimine bağlı salınımların olmadığı zamanlarda atmosferin doğal dengesinin ne olduğunu öğrenme ve dengeyi sağlayan unsurları araştırma olanağı sağlayacaktır.
Kısaca buz içine sıkışmış hava kabarcıklarının kimyasal analizini yapan bilim insanları olarak başlıca amaçlarımız; hali hazırda meydana gelen değişikleri zaman içinde daha geniş bir perspektiften görmek, doğal dengeleri ve bizim buna yaptığımız etkileri anlamak, gerektiğinde geleceğe yansıyacak istenmeyen etkileri önlemek için çözümler üretmektir. Bu amaçlara ulaşma yolunda bilim dünyasının elindeki en önemli araçlardan biri kutup bölgelerindeki buz tabakalarında saklı olan tarihtir. Geçmişimizi öğrenerek, geleceğe doğru daha güvenli adımlar atabileceğiz.