Антарктида

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 102↑

22.04.2002 Хронометраж

47:11

Стенограмма эфира

Что такое подледное озеро? Каковы его размеры и есть ли в нем жизнь? Почему оно тает, если температура на поверхности ледника не поднимается выше 30 градусов мороза? Как и когда это таяние может сказаться на климате планеты? — академик РАН Владимир Котляков и член-корреспондент РАН Игорь Зотиков.

Смотрите также выпуск № 134 «Антарктида: климат».

Ключевые вопросы:

• Перипетии открытия озера в начале 1960-х годов и основные подходы к его изучению (радиолокация, лазер, спутник и пр.)

• Отечественные и англо-американские дистанционные исследования.

• Нынешнее состояние знаний об озере — его размеры, физические процессы в нем.

• Вероятность нахождения в озере живых микроорганизмов, относящихся к генерации 500 тыс. и даже миллиона лет.

• Озеро «Восток» и подобные природные объекты на других планетах Солнечной системы.

Обзор темы

В фантастическом фильме «Нечто» режиссера Карпентера сотрудники американской научной антарктической станции обнаруживают под толщей льда космический корабль пришельцев, врезавшийся много тысяч лет назад в шестой континент нашей планеты. При этом земляне невольно реанимируют замороженную чужеродную форму жизни, которая грозит истреблением всему человечеству.

Подобный сюжет может оказаться не таким уж и неправдоподобным — в открытом в Антарктиде в районе российской станции «Восток» под четырехкилометровой толщей льда огромном озере жидкой воды четвертичного периода могут быть обнаружены неизвестные ранее формы жизни.

Открытие гигантского подледникового озера в Антарктиде вблизи российской станции Восток справедливо причисляется к крупнейшим географическим открытиям XX в. Длина озера около 250 км, ширина — 50 км, глубина — до 750 м. Однако скважина, пробуренная над ним в толще льда и остановленная на глубине 3623 м (всего в нескольких десятках метров от озера), пока не коснулась воды. Бурение прекращено из-за опасности нестерильного отбора проб, способного повредить уникальную реликтовую систему озера. Это решение было принято в 1998 г. на заседании SCAR (Scientific Counsil for Antarctic Research) — международного научного комитета по антарктическим исследованиям.

Вода под ледником. История изучения проблемы.

Мысль о том, что при очень большой толщине ледника температура у его нижней границы может стать равной температуре плавления льда, известна с конца прошлого века. Она следовала из представлений П. А. Кропоткина, полагавшего, 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.

Исходя из этого положения, уже в 1950-х годах нашего века океанолог Н. Н. Зубов ввел понятие критической толщины ледника, при которой у его дна достигается температура плавления льда (при соответствующем давлении). Он был первым, кто высказал предположение о том, что необычайно большая толщина ледниковых щитов в удаленных от берегов местах, обнаруженная при первых сейсмических исследованиях ледников в Антарктиде, может послужить причиной существования воды в нижних частях, даже когда температура льда на поверхности очень низка.

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.

В 1961 г. И. А. Зотиковым были проведены теплофизическис расчеты, основанные на решении уравнения теплопроводности в леднике, рассматриваемом как движущаяся жидкость. Учтен был и конвективный перенос холода сверху вниз. На этой основе проанализированы данные о ледниковом покрове центральной части Восточной Антарктиды, полученные и первых четырех советских антарктических экспедициях (САЭ), и показано, что по профилю от станции Мирный к станции Восток и далее к Южному географическому полюсу центральные области ледникового покрова Антарктиды находятся в условиях, когда отвод тепла от нижней поверхности ледника вверх из-за большой его толщины очень мал. В связи с этим часть геотермического потока должна постоянно затрачиваться на непрерывное таяние у границы лед — твердое ложе. В тех же работах было приведено рассчитанное из указанных выше соображений 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 и областях, где идет непрерывное донное таяние, и можно ожидать, что здесь существуют подледниковые озера.

Впервые реальное подтверждение гипотезы И. А. Зотикова были получены в результате бурения самой глубокой в 1960-е годы скважины (два с лишним километра) на американской станции Берд, которая относилась к области, где должно было происходить подледниковое таяние. Когда бур достиг дна ледника, в скважину хлынула пресная вода.

Признание факта постоянного донного таяния и подледниковой воды в центральной части Антарктиды в дальнейшем создало новые подходы к реконструкции четвертичных ледниковых покровов, поискам скоплений полезных ископаемых (в особенности нефти и газа), выдавливаемых к краям ледников водой, оно стало главным теоретическим фактором отклонения проекта захоронения радиоактивных отходов на дне ледникового покрова в Центральной Антарктиде.

Сейсмическое зондирование под станцией Восток.

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.

Исследования подледниковых озер с помощью радиолокации.

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. Для объяснения необычно сильных отражений от дна ледника вблизи станции Советская, где толщина льда около 4200 м., Г. Робин с коллегами предложил считать эту аномалию сигналом, поступающим от границы лед — вода. Дальнейший анализ был проведен английским геофизиком Г. Освальдом на основе данных, полученных в полевых работах 1971–1972 гг. Оказалось, что гладкие поверхности дна ледника (с аномальным отражением) имеют протяженность в несколько километров, причем нередки и в других частях Восточной Антарктиды.

Эту работу продолжили во время полетов в 1974–1975 гг. Оказалось, что 17 других исследованных участков в центральной части Восточной Антарктиды располагались там, где ложе ледника сложено скорее всего скальными породами; скорость ледника (а значит, и интенсивность его эрозионно-транспортирующсй деятельности) маленькая, а поверхность ледника почти горизонтальная. Это дало основание авторам назвать такие места озерами. Правда, толщина слоя воды в них оставалась неизвестной. Ясно было лишь, что она больше длины радиолокационной волны и достаточна для образования ровной границы лед — вода.

Количество полетов, в которых проводились радиолокационные исследования в 1971–1972 и 1974–1975 гг. и зарегистрировано «водное отражение» от дна ледника в районе станции Восток, было так велико, что это позволило Робину и его группе сделать предположение о наличии в центральной части Восточной Антарктиды большого подледникового озера с центром, расположенным примерно в 150 км к северо-западу от самой станции.

Визуальные свидетельства существования подледниковых озер.

Приоритет обнаружения водных массивов при визуальном исследовании ледникового покрова с самолета принадлежит флагштурману авиационного отряда 4-й Советской антарктической экспедиции Р. В. Робинсону. Он, как затем и другие летчики при полетах со станции Мирный в район станции Восток видели довольно большие участки поверхности, резко отличавшиеся от остальных и условно названные «озерами». Они встречались всегда в одних и тех же местах, поэтому даже использовались для навигации.

Свидетельства лазерной альтиметрии со спутника «ERS-1».

В 1993 г. английский исследователь Д. Ридли при обработке данных лазерной альтиметрии со спутника «ERS-1» получил компьютерные отметки высот ледникового покрова по точкам для каждых 10 кв. км и построил с большой точностью карту изолиний высоты поверхности Антарктиды: на трехмерной поверхности ледникового щита обозначились контуры огромного озера, расположенного как раз над местом, где радиолокационные отражения Г. Робина и его коллег показывали поверхность подледного озера. Так называемое «озеро Ридли» простиралось и под станцией Восток.

Озеро под станцией Восток. Проблемы, связанные с озером, условно названным «Восток» по имени станции, были представлены на рабочем совещание в Британской антарктической службе в Кембридже (ноябрь 1993 г.). Кроме сотрудников самой службы, среди участников — специалисты из Полярного института им. Р. Скотта, Миллардской космической лаборатории и российские ученые.

Один из обсуждаемых вопросов — сомнение в том, что озеро существует именно как озеро, т. е. в нем достаточно толстый слой воды, и лед не лежит на слое жидкой ледниковой грязи. Ведь лед над озером — это ледник, пришедший к нему от ледораздела, который расположен хоть и близко, но все же в ста с лишним километрах. Он приближается к озеру и проходит над ним сверху со скоростью 3 м/год. А это значит, что ледник постоянно несет в озеро и, по причине таяния, откладывает у дна моренный материал в виде ледниковой грязи.

Средняя величина «шероховатости» подледникового ложа в Центральной Антарктиде на отрезках, близких к 200 км (примерная длина подледникового озера), была оценена тогда в 500 м. Поскольку по всей этой длине радиолокационные отражения от дна ледника показали водную поверхность, можно с достаточной уверенностью утверждать, что под ней «спрятан» рельеф дна той же шероховатости, т. е. с глубинами до 500 м. (Конечно, в том случае, если бы ледник не заполнял озеро ледниковой грязью.)

Расчеты И. А. Зотикова показали, что за время существования озера Восток ледник смог принести в него около 100 м ледниковых отложений. Следовательно, есть много свидетельств тому, что озеро существует, и средняя толщина воды в нем — несколько сотен метров.

Совещание согласилось с версией И. А. Зотикова, согласно которой скорость осадконакопления в озере Восток так мала потому, что оно расположено очень близко к ледоразделу и скорость движения ледника, проходящего через озеро, тоже мала. Другие «озера», которые находятся в более отдаленных от ледораздела и быстро движущихся частях ледникового щита, могут быть заполнены до краев отложениями в виде ледниковой грязи (что и обнаружено бурением до дна ледяных струй Западной Антарктиды).

В отчете совещания констатировалось: 1) глубина слоя воды в озере пока неизвестна (где-то между несколькими десятками и первыми сотнями метров) 2) второе отражения от ложа ледника, которое А. П. Капица интерпретировал как отражение от слоя осадочных пород, могло прийти от нижней границы слоя воды под ледником, поэтому данные сейсмики в районе озера должны быть пересмотрены.

Шельфовая природа ледника над озером Восток предоставляет ученым дополнительную информацию об озере. В ходе исследований выяснилось, в частности, что интервалы между сигналами, отраженными от верхней и нижней поверхностей льда, а, значит, и толщина ледника в разных местах озера — неодинакова: от 3700 м у южного края озера, вблизи станции Восток, до 4100 м у северного берега. Более того, изолинии высот ледяного покрова над озером оказались параллельны друг другу и перпендикулярны к длинной оси озера. Другими словами, это не просто толстый озерный лед, но лед движущийся, растекающийся по озеру вдоль его длинной оси, т. е. ледник плавающий, а, значит, шельфовый. Только ледник не имеет края, обрывающегося в открытое море, поэтому правильнее называть его гигантским «внутренним» шельфовым ледником. Разница в его толщине обусловлена именно сопротивлением растеканию.

Анализ показал, что именно неодинаковая толщина и высота поверхности ледяного покрова под озером дает возможность оценить среднюю плотность воды в подледниковом озере, а значит, и ее соленость. Специальные расчеты, выполненные И. А. Зотиковым, показали, что вода в озере пресная или очень мало соленая (по сравнению с обычной морской водой).

Полученные данные позволили ученому также определить высоту (уровень) свободной поверхности воды, в которой плавает этот ледяной покров. Оказалось, что она на 3100 м выше уровня моря, т. е. вода озера не имеет прямого контакта с океаном, окружающим со всех сторон Антарктиду.

Кроме того, если считать ледник шельфовым, то в озере Восток, т. е. в подледниковой, заполненной водой пещере под станцией Восток должны существовать течения. Они обусловлены различием высоты нижней границы этого ледника в разных его частях и подобны той циркуляции, которая хорошо изучена, например, для подледниковой, заполненной водой пещеры под шельфовым ледником Росса. В этом случае можно ожидать подъема воды у одной стороны озера и опускания водных масс у другого его конца с возникновением соответствующих горизонтальных течений противоположной направленности у верхней и нижней границ. Это может не только существенно повлиять на формы жизни в озере, на их разнообразие в разных частях озера, что должно учитываться при выборе мест поиска, если при первом контакте с озером жизнь в нем не обнаружится.

Озеро Восток — живое озеро. Главной темой второго совещание в Кембридже (1995 г.) стало обсуждение вопроса о жизни в озере Восток и мерах предосторожности по сохранению ее древних форм.

Российский микробиолог С. С. Абызов в результате исследований керна из глубочайшей в Антарктиде скважины на станции Восток показал, что микроорганизмы существуют в состоянии анабиоза во льду вплоть до самых глубоких горизонтов. Пока считается, что жизнь, которая может быть найдена в воде озера или его донных отложениях, тоже ограничена микроорганизмами. При этом ни один из тех, что известны на сегодня, не смог бы существовать достаточно долго в этой воде. Однако вполне возможно наличие бактерий, которые находятся в самых близких к воде озера слоях льда (где он уже частично плавится), и которые могут быть оживлены, когда озерная вода войдет в нижнее устье скважины и проникнет в его стенки.

В настоящее время биологи проявляют большую заинтересованность к воде, которая ни разу не контактировала с современной внешней атмосферой и возраст которой возможно около миллиона лет. Даже если там присутствуют только микроорганизмы, за такой отрезок времени они могли существенно разойтись в своем развитии с теми организмами, которые существуют в обычных наших условиях. Озером Восток уже заинтересовались некоторые фармацевтические фирмы в надежде с помощью обнаруженных реликтовых микроорганизмов найти какие-то новые лекарственные вещества.

Космические аналоги озера Восток.

Открытие озера Восток вызвало большой интерес среди специалистов, изучающих спутник Юпитера — Европу поверхность которой, по некоторым данным, покрыта ледяным щитом. Под ним предположительно должен существовать слой талой воды в виде системы озер или даже подледникового океана. И если будет найдена жизнь в озере Восток, растут шансы, что она существует и в подледной воде спутника Европа, а может, и на Марсе.

Неудивительно поэтому, что дальнейшее изучение антарктического озера, создание необходимой аппаратуры для проникновения в воду и донные осадки, а также стерильное извлечение проб воды и кернов готовы финансировать сегодня космические агентства, в частности НАСА. Это тем более актуально, что буквально на днях по тем же финансовым причинам запуск летательного аппарата к Юпитеру — Европе отложен с США на несколько лет.

Перспективы исследования озера Восток.

Работа Российской антарктической экспедицией продолжаются. Группа геофизиков под руководством В. А. Мосолова повторила сейсмическую съемку озера с цель(о детального изучения толщи воды и рельефа дна. Оказалось, что максимальная глубина озера — 750 м, а на дне имеется слой осадочных пород. При поперечном профилировании выявилось, что часть озера мелководна (полярники назвали эти места болотами). Пока исследования ограничены двумя десятками километров от станции. Планируется расширить район сейсмических работ.

Специалисты из Санкт-Петербургского горного института и Арктического и Антарктического научно-исследовательского института заняты созданием новой экологически чистой технологии, которая обеспечит стерильное проникновение в коду (именно эта группа выиграла конкурс, объявленный РФФИ и Министерством науки и технологий РФ на лучший проект).

Технологические подходы «чистого» проникновению в озеро.

Итак, бурение на станции Восток приостановлено — за шаг до цели. Что дальше? Иногда высказывается мнение, что пробуренную нашими учеными скважину нужно законсервировать и начать проникновение в озеро в другом месте и другими способами.

Еще в 1970-е годы ХХ века И. А. Зотиков и А. П. Капица предложили оригинальный проект: «Подледниковая автоматическая станция». В нем предусматривалось сделать контейнер с научной аппаратурой, а в нижней части контейнера — автоматической станции — поместить маленький атомный реактор. За счет вырабатываемого реактором тепла эта станция должна была протаять лед и опуститься ко дну ледника, а потом и озера. Не нужно заботиться ни о какой скважине. Идея была поддержана П. Л. Капицей, но не была реализована вовремя. Сегодня возвращение к ней вряд ли возможно: станция «Восток» помешается в секторе, на который предъявляет права Австралия — член Британского Содружества наций. Англия категорически против использовать атомный источник в Антарктиде, хотя 30 лет назад на главной американской антарктической станции Мак-Мердо работала атомная электростанция на 2 тысячи киловатт.

Сегодня, в частности, предлагается, бурение горячей водой, отработанное в последние годы на американской станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе. Еще один вариант — создание криобота — подледниковой автоматической станции. В этой установке, разрабатываемой американскими специалистами для протаивания ледяного панциря Европы, вместо атомного нагревателя предполагается использовать электрический, с подачей энергии с поверхности. Кроме того, в криоботе планируется устройство для плавания в подледниковом море. По мнению российский исследователей и участников встречи гораздо более рациональным и, главное, справедливым, было бы проникновение в озеро российской буровой установки — у наших ученых из Санкт-Петербурга бесценный опыт глубокого бурения в Антарктиде. Именно они постоянно заботятся о биологической чистоте скважины и керна, именно они отобрали образцы льда, из которых стало известно о жизни в нижних слоях толщи под станцией Восток и о климате планеты.

Вопросы для дискуссии:

• Известно, что толщина ледяного панциря несколько меньше к краям и существует градиент давления, который «толкает» воду на периферию. Можно ли в качестве рабочей гипотезы говорить о том, в какой-то момент вода может «приподнять» ледниковый покров и выплеснуться, подобно тому как кипящая вода поднимает крышку кастрюли?

• Какое место в гляциологии следующего столетия займет вплотную изучением озера Восток, и в частности прогноз динамики движения этой «ледяной крышки», периоды которого могут длиться сотни тысяч лет.

• Если жизнь в озере действительно существует, то могут ли там сформировались виды на основе кормовой цепочки, не связанной с привычным для нас белковым питанием?

Библиография

Абызов С. С., Бобин Н. Е., Липенков И. Я. и др. Характеристики различных слоев ледника Центральной Антарктиды в связи с микробиологическими исследованиями//Антарктика: Докл. Комиссии. М., 1993. Вып.32.

Зотиков И. А. Тепловой режим ледникового покрова Антарктиды. Л., 1977.

Зотиков И. А. Теплофизика ледниковых покровов. Л., 1982.

Зотиков И. А. За разгадкой тайн ледяного континента. М., 1984.

Зотиков И. А. Подледниковое озеро Восток. Антарктида: гляциологический, биологический, планетологический аспекты//Мат. гляц. иссл. 1998. Вып. 86.

Зотиков И. А. О генезисе озера Восток: Антарктида//Доклады РАН. 2000. Т. 374. № 6.

Зотиков И. А. Термодинамика природных процессов (оплавление метеоритов, донное таяние-намерзание в Антарктиде, открытие и исследование озера Восток)//Труды отделения океанологии, атмосферы и географии. М.: Наука, 2000.

Зотиков И. А. Антарктический феномен — озеро Восток//Природа. 2000. № 2.

3убов Н. И. О льдах Арктики и Антарктики. М., 1959.

Kapitsa A. P., Kotlyakov V.M., Zоtikоv I. A. Subglasial lakes in Central Antarctic: geographic discovery of global value//Global Change and Geography: The IGU Conference. Moscow, 1995.

Kapitsa A. P., Robin G. Q. de, Ridley J. K., Zоtikоv I. A. A Large Deep Freshwater Lake Between the Ice Sheet//Nature. 1996. V. 381.

Mosolov V.N., Kudryashov G. A. Earth Science Studies in the Lake Vostok Region: Existing Data and Proposed Activities. SCAR. Cambridge, 1999.

Тема № 102

Эфир 22.04.2002

Хронометраж 47:11

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz