«Открытие большого подледникового озера в Антарктиде вблизи российской станции Восток справедливо причисляют к крупнейшим географическим открытиям  XX  века»

Озеро Восток в Антарктиде, скрытое под четырехкилометровой толщей льда, является уникальной водной экосистемой, изолированной от земной атмосферы и поверхностной биосферы на протяжении миллионов лет.

Сотрудники нашего института принимают активное участие в его освоении.

Как все начиналось? Что следует делать в Антарктиде и что следует изучать в озере Восток, - обо всем этом обстоятельно рассказал зам. директора по научной работе Виктор Федорович Ежов, а молодой специалист Сергей Сильнов, недавно вернувшийся из Антарктиды, поделился своими впечатлениями. Их доклады прозвучали в «Зимней школе» физиков и на конференции Совета ЛОРАН в марте 2012 г.

Немного истории. Континент Антарктида разбит на секторы различными странами, претендующими на ее территорию. Среди претендентов нет только России и США. Еще в 1959 году был составлен международный договор, по которому земли Антарктиды должны быть свободны от каких-либо притязаний со стороны различных государств, и Антарктида в силу своей уникальности должна оставаться открытой для научных исследований всего мирового сообщества. Здесь существует запрет на ядерные взрывы и не разрешено ввозить ядерные отходы. Климат обусловлен тем, что Антарктида – самый высокий и самый большой материк на Земле. В Антарктиде расположен полюс холода, самая низкая точка влажности на Земле, самый сильный продолжительный ветер и самая интенсивная солнечная радиация. Холодный воздух с полюса сползает в океан, образуя стоковый ветер, который непрерывно дует со скоростью, примерно, 20 м/сек., толщина слоя стокового воздуха - 200-300 м.

Согласно существующей теории эволюции Земли миллионы лет тому назад существовал единый материк «Пангея». В дальнейшем он раскололся на два - Гондвану и Лавразию, которые затем раскололись еще, и т.д. Доказательством этой теории послужило изучение палеомагнетизма. Палеомагнетизм — геомагнитное поле прошлых геологических эпох, запечатленное в естественной остаточной намагниченности горных пород. Величина и направление древней, или первичной, остаточной намагниченности горной породы соответствуют магнитному полю, существовавшему в данной точке земной поверхности в момент образования горной породы.

Когда из вулканов извергаются такие элементы как железо, никель, в расплавленном состоянии они не намагничены, и только при остывании они намагничиваются, и при этом сохраняют вектор направления на полюс - южный или северный. Остается только определить дату этого извержения, и фиксировать положение полюса ей соответствующее.

Изучение палеомагнетизма подтверждает существование единого материка.

На основе данных, полученных из ледяных и снежно-фирновых кернов (фирн – многолетний нетающий слой снега) в районе станции «Восток», восстанавливают историю климата на Южном полюсе. В Антарктике снег идет непрерывно и не тает, а уплотняется. Пробурив скважину, мы уходим вглубь веков и можем посмотреть климат тех времен - палеоклимат. В Антарктиде бурить начали с 1966 года, и теперь скважины имеются на Куполе «С», Куполе «F», американская скважина Бэрд, российская скважина «Восток» и т.д. В разных местах выпадает разное количество осадков – так называемая аккумуляция - добавление снега и льда к леднику составляет от 14.4 до 2.2 г/см² (у озера «Восток» ее величина 2.1г/см²). Что при этом изучается?

Изучают соотношение изотопов водорода – легкого и тяжелого - дейтерия, либо изотопов кислорода. В теплую погоду дейтерия и тяжелого изотопа кислорода испаряется в атмосферу больше, чем в холодную. Сравнивают донные отложения и образцы льда из кернов. И таким образом, в теплый период в отложениях океана содержание дейтерия или кислорода будет меньше, а в осадках Антарктиды – больше, и, наоборот, в холодные годы.

Блестящим подтверждением гипотезы о периодических изменениях температуры стали данные, полученные при бурении антарктического льда на российской станции «Восток». Поднятый там на поверхность ледовый керн (колонка льда), имея общую протяженность 3600 м, охватил слой льда, сформировавшийся за 420 тысяч лет.

Данные, полученные на Куполе «С», совпадают с данными со скважины «Восток» по дейтерию и кислороду. Наличие пыли, которая попадает в Антарктиду при извержении вулканов, также обнаруживается в кернах. По данным видно, что потепление климата на 1.5-2 градуса происходило в 16-17 веках.

Теперь о подледниковых озерах. О том, что может происходить таяние ледника снизу, впервые высказался Кропоткин, сидя в тюрьме – в Петропавловской крепости. Там он написал труд «Записки о ледниковом периоде». От поверхности Земли всегда идет какое-то тепло. Он полагал, что в толще крупных, холодных сверху ледников, где не сказываются временные колебания температуры, последняя линейно повышается с глубиной, как это происходит в скважинах, пробуренных в других горных породах.

В 1950-х годах океанолог Н. Н. Зубов ввел понятие критической толщины ледника, и был первым, кто высказал предположение о том, что необычайно большая толщина ледниковых щитов в удаленных от берегов местах может послужить причиной существования воды в нижних частях даже при очень низкой температуре льда на поверхности.

В 1955 г. английский гляциолог Гордон Робин опубликовал ставшую классической работу, в которой показал, что поле температуры формируется в толстых антарктических ледниках под сильным воздействием вертикального переноса холода опускающимися вниз частичками льда, и отнюдь не линейно. Поэтому использовать подход Зубова для оценки условий в глубинах таких ледников нельзя.

Наконец, в 1961 г., петербургским ученым И. А. Зотиковым были проведены теплофизические расчеты, основанные на решении уравнения теплопроводности в леднике, рассматриваемом как движущаяся жидкость. Было рассчитано поле температур по всей толщине льда под станцией Восток и показано, что температура льда у его нижней границы равна температуре плавления (минус 2 гр. С) при давлении у ложа более 300 атм. Вывод: талая вода в виде сравнительно тонкой пленки выдавливается в те места, где толщина ледника меньше, и намерзает там вновь, двигаясь к краям ледника уже в виде льда. В отдельных углублениях подледного ложа эта вода может скапливаться в виде озер под самой толстой центральной частью Антарктического ледяного щита.

Таким образом, возникла гипотеза, что подо льдом Антарктиды, на площади, почти равной площади Европы, разливается море пресной воды. Она должна быть богата кислородом, который доставляют постепенно опускающиеся в глубины верхние слои льда и снега. И очень может быть, что в этом подледниковом озере есть жизнь. Была составлена расчетная карта областей непрерывного таяния у ложа в центральной части ледникового покрова Антарктиды. Из карты следовало, что станции Восток, Амундсен-Скотт, Берд находятся в областях, где идет непрерывное донное таяние, и можно ожидать, что здесь существуют подледниковые озера.

«Сейсмическое зондирование ледникового щита под станцией Восток, проведенное под руководством А. П. Капицы в 1959 и 1964 гг., позволило определить его толщину. При этом оказалось, что помимо главного пика отражения от дна ледника в приемном сигнале выявлялся еще один. Тогда он был интерпретирован как отражение от нижней границы слоя осадочных пород под ледником. Позже стало очевидным, что это был сигнал отражения от границы льда с водой». Первые убедительные и достаточно подробные экспериментальные данные о  подледниковых озерах в центральной части Восточной Антарктиды были получены британскими учеными в 1970-х годах с помощью радиолокации.

В 1994 году А.П. Капица снова проанализировал свои данные, полученные в 1964 году, и пришел к выводу, что второй отраженный пик был от дна озера, на сессии SCAR в Риме он сообщил о существовании озера Восток, хотя открытие фактически было сделано 30 лет назад. Методом радиолокации на сегодня в Антарктиде обнаружено много озер. Но озеро Восток является самым большим. Размер озера 350х50 км, глубина 1000 м, по запасам воды оно соразмерно Ладоге. Содержание кислорода в 50 раз выше, чем где-либо на Земле. Возраст озера 14 млн. лет, за все это время лед постоянно уплотнялся сверху, и пузырьки кислорода вдавливались в озеро. Ожидаемая температура – 10-18 град по Цельсию в глубине, там же ожидаются геотермальные источники, на границе лед-вода температура -3-2 град. Давление около 300 атм., что определяется толщиной льда. Это озеро наименее приспособлено к жизни из того, что имеется на земле. Почему? Да потому, что наша жизнь основана на фотосинтезе, а там, на глубине 4000 м подо льдом солнца нет.

Станция Восток расположена на расстоянии 1260 км от побережья. Здесь зарегистрирована самая низкая температура -89.2 градуса по Цельсию, средняя же составляет –55 гр.С. Толщина льда над озером здесь 3760 м.

Лед существует двух типов - атмосферный над озером, и лед конжеляционный – это лед озерный, в котором уже можно будет искать какие-либо бактерии.

В основном, на станции работают ученые из Петербурга. Первое бурение начато профессором Кудряшевым и сотрудниками Санкт-Петербургского Горного института. Оно осуществлялось тепловым методом. В 1972 году было проведено бурение до отметки 952 м на скважине № 1. Потом добурились до отметки 2200 м., в 1985 г. – 2299 м, в 1993 г, - 2750 м. После отметки 2750 м поняли, что дальше этим методом продвинуться будет сложно. И тогда пришли к методу электро-механического бурения.

История бурения не проста. Так, на глубине 2503 м оторвался буровой снаряд. Тогда в Горном институте была разработана техника отклонения от оси скважины, и снаряд был обойден. За 2008-2009 годы отметка достигла уже 3599 м

Добываемый лед в кернах обычно делят пополам, одна половина остается на хранение в Антарктиде, а другая половина передается на материк для научных исследований

Когда до озера оставалось 130 м, на сессии SCAR было заявлено, что Россия должна прекратить бурение до тех пор, пока не получит одобрения методики проникновения в воду. В скважине находится 60 т буровой жидкости (смеси керосина с фреоном), что необходимо, чтобы скважина не затягивалась под давлением льда. Нельзя допустить проникновение этой смеси в озеро. Наши буровики, правда, всегда говорили, что легко сделать давление в скважине меньше, чем в озере. Достаточно понизить уровень буровой жидкости в скважине, тогда вода из озера пойдет в скважину, а не наоборот.

Экспериментальное подтверждение пришло неожиданно.

В 2003 г. в Гренландии датчане сверлили ледник, и попали в озеро, у них был керосин с утяжелителем, вода поднялась на 43 м. Эта скважина замерзла, они ее рассверлили, получили образцы, причем, слой смеси керосина с водой не превышал 30 см.

Запрет на бурение был снят.

В 2005 г. бурение на станции Восток возобновили. В 2011 году добурили до отметки 3720,47 м. Работать на станции можно только 2 месяца в году – это декабрь и январь, т.к. температура понижается до -50 град., и самолеты уже не могут приземлиться, навигация прекращается. И люди, которые остаются на зимовку на 10 месяцев, оказываются изолированными.

Как ПИЯФ оказался в проекте озера Восток?

В 2000 году биологи нашего института подключились к исследованию по поиску микроорганизмов в образцах льда из скважины на станции Восток. Они использовали метод ДНК, позволяющий отличить современную «жизнь» от древней. Было показано, что все, что было обнаружено ранее, не имеет никакого отношения к древней жизни, а привнесено не достаточно чистым оборудованием, используемым при работе.

В институте нет соответствующих лабораторий, образцы исследовались в гляциологической лаборатории в Гренобле (Франция), в чистых помещениях с температурой -16 град. Поэтому ученые работают там в ватниках. Наши биологи сначала керн отмывают от керосина, снимают верхний слой, готовят образцы, а анализ ДНК проводят уже у нас в институте.

Биологи нашего института продемонстрировали высокую эффективность своей работы. И Институт Арктики-Антарктики, который больше ориентирован на метеорологические исследования, обратился к нам с предложением возглавить работы по созданию оборудования для проникновения в озеро.

Наш институт имеет большую производственную базу, мы создаем оборудование для международных проектов. Фактически наша работа сейчас только начнется. В этом году мы попробовали опустить камеру, чтобы посмотреть состояние скважины. К озеру Восток был командирован наш сотрудник Сергей Сильнов. Камера опускалась на глубину 3769.3м. Образцы воды, которые удалось получить в этом году, прибудут в Петербург в мае, движутся они медленным ходом на теплоходе «Академик Федоров».

Само озеро интересно изучать еще и потому, что предполагается, что нечто подобное существует на спутнике Юпитера – Европе, корка льда там толщиной 10 км, а под ним вода – океан. В 1990-2000 годах существовал проект НАСА, где разрабатывалось оборудование для проникновения в подледниковую воду - криобот. Мы создаем аналогичную аппаратуру.

Что можно еще ожидать в этом озере?

При давлении в 300 атмосфер воздух, поступающий в озеро, не растворяется в воде, а может образовывать газовые гидраты (клатраты). И в этом случае кислород вряд ли остается доступным для поддержания жизни в нашем понимании. Жизнь в озере, если она есть, может сильно отличаться от всего известного до сих пор.

Исследование озера только начинается.

По материалам доклада В.Ф. Ежова

подготовила Т.Волкова

Фотографии Сергея Сильнова