В ста метрах от тайны
Почти полвека назад огромные вездеходы 2-й Советской антарктической экспедиции после тяжелейшего пути достигли глубинных районов Центральной Антарктиды. Мощные машины остановились у Южного геомагнитного полюса — на этом месте прибывшим людям предстояло основать новую антарктическую научную станцию «Восток». Тогда, в 1957 году, никто из создателей станции и подумать не мог, что именно здесь, в самом сердце студеного шестого континента, где зимой царит буквально космический холод, под многокилометровой ледяной толщей будет обнаружен уникальный реликтовый водоем — крупнейшее в Антарктиде озеро, названное впоследствии Восток.
Последнее географическое открытие
Существование пресной воды — и не просто воды, а обширного озера, сравнимого по площади с Онежским, — под огромным пластом чрезвычайно холодного льда только на первый взгляд кажется фантастичным. Географ и геолог князь П.А. Кропоткин еще в конце XIX века высказал предположение, что в толще больших и холодных сверху ледников температура, так же как и в других горных породах, с глубиной повышается.
В середине 1950-х годов с помощью сейсмических методов было установлено, что толщина ледников, расположенных в центральной части Антарктиды, достигает необычайно больших значений — 3 500—4 000 метров. В это же время известный советский океанолог Н.Н. Зубов ввел понятие критической толщины ледника, то есть такой его мощности, при которой благодаря колоссальному давлению температура льда может достигать точки плавления. Зубов считал, что именно в удаленных от берега местах Антарктический ледниковый покров способен таять под собственным огромным весом, несмотря на очень низкую температуру воздуха и поверхности ледника.
В 1961 году советский гляциолог И.А. Зотиков, используя материалы первых четырех советских антарктических экспедиций, обосновал возможность таяния на ложе ледника в центральной части Антарктиды. Расчеты Зотикова говорили о том, что часть тепла, поступающего к основанию ледникового покрова из недр Земли, постоянно затрачивается на таяние придонного льда, невзирая на царящий на поверхности холод. При этом появляющаяся вода выдавливается на те участки, где толщина льда меньше, и там вновь замерзает. Но в углублениях подледного ложа она может скапливаться и даже формировать перекрытые километрами льда резервуары воды — озера. Значение таких реликтовых озер невозможно переоценить — их воды несут в себе информацию о древней атмосфере планеты, масштабах вулканической деятельности в отдаленном прошлом Земли, в них сохранились бактериальные формы жизни, возраст которых, возможно, исчисляется сотнями тысяч лет.
Согласно расчетам Зотикова, непрерывное подледниковое таяние в Центральной Антарктиде должно достигать 3—5 мм в год.
Чуть позже ученый построил карту-схему областей непрерывного таяния у ложа Антарктического ледникового покрова, согласно которой под ледяным панцирем шестого континента разливается целое море пресной воды. Окрестности же станций «Амундсен— Скотт» (США), «Бэрд» (США) и «Восток» (СССР) Зотиков выделил как наиболее перспективные с точки зрения поиска подледных озер.
Тогда, в начале 1960-х годов, подобные предположения многими были встречены с нескрываемым скепсисом. Впрочем, вода, хлынувшая в скважину, пробуренную на станции «Бэрд» до глубины 2 164 м, смыла все сомнения в правоте Зотикова — столь наглядным было практическое подтверждение постоянного донного таяния и наличия подледниковой воды в Ан-
тарктиде.
Так, в начале 1960-х годов стало ясно, что существует определенная критическая толщина ледника, при превышении которой на ледниковом ложе начинается таяние льда. Расчеты показали, что уже в 350 км от станции «Мирный», находящейся на берегу континента, реальная толщина льда начинает превышать ее критическое значение, так что почти во всей Центральной Антарктиде, несмотря на очень низкие средние годовые температуры, у ложа идет непрерывное таяние.
В 1959 и 1964 годах сейсмические исследования, проведенные молодым географом А.П. Капицей в Центральной Антарктиде, принесли неожиданные результаты. В районе станции «Восток» сигнал выдавал два пика отражения вместо одного — у отметок 3 730 и 4 130 м. Из этого можно было сделать вывод, что до глубины 3 730 м простирается толща ледника, а на глубине 4 130 м начинаются коренные горные породы Антарктиды. Но что находится между этими двумя отметками?
Тогда эти 400 метров неизвестности решили считать менее плотными осадочными породами, нижнюю и верхнюю границы которых и зафиксировало «эхо» сейсмических волн. Теперь мы знаем уже наверняка, что сейсмические волны «наткнулись» не на осадочные отложения, а на водную толщу, превышающую 400 м.
В 1970-х годах Британский полярный институт имени Р. Скотта выполнил большую программу авиаполетов с зондированием радиоволнами ледников Центральной Антарктиды. На лентах радиозондирования маршруты в некоторых местах пересекали участки, где отражения подо льдом принимали своеобразный характер. Можно было предположить, что именно в этих точках полетные линии пересекали крупные скопления подледниковых вод, которые тогда, в 1970-х годах, получили название подледных озер.
Плотность полетных галсов в антарктические летние сезоны 1971/72 и 1974/75 годов с зарегистрированными «водными отражениями» от дна ледника в районе станции «Восток» была столь велика, что британские ученые предположили существование в центральной части Восточной Антарктиды большого подледного озера с центром примерно в 150 км к северо-западу от станции «Восток».
Надо сказать, что еще в 1959 году флаг-штурман авиационного отряда 4-й Советской антарктической экспедиции Р.В. Робинсон при полетах в районе станции «Восток» обратил внимание на значительные участки ледника, резко отличавшиеся от остальной поверхности в тот момент, когда самолет пролетал в стороне от них и угол зрения наблюдателя по отношению к поверхности ледового щита был очень мал. На монотонной белой ледяной равнине вырисовывались темные пятна, которые летчики окрестили «озерами». Наши пилоты, убедившись в том, что эти приметные участки всегда находятся в одних и тех же местах, даже использовали их для навигации. Теперь понятно, что летчики видели именно тот участок, где впоследствии было обнаружено огромное подледное озеро.
Еще через некоторое время удалось получить данные со спутника ERS-1, орбита которого позволяла провести радарную съемку большей части Антарктического материка. На картине, полученной со спутника, обозначилась крупная необычная форма рельефа в районе станции «Восток» — это на ледниковом щите проступали очертания огромного водоема.
«Безотходная» Антарктида
В 1960-х годах широко обсуждалась идея о захоронении в Антарктиде опасных, и в частности радиоактивных, отходов. Предполагалось, что за время движения вместе со льдом к побережью эти отходы полностью распадутся и станут безопасными. Однако это далеко не так. Основным требованием к любой идее захоронения в ледниковом покрове веществ с высоким уровнем радиации должна быть уверенность в том, что окружающие океаны или атмосфера не будут заражены в результате неконтролируемой утечки радиоактивных отходов.
Однако этого нельзя гарантировать, если хранящие устройства выйдут из строя и радиоактивный материал начнет, вытаивая, опускаться к ложу ледника.
Для решения вопроса о захоронении в Антарктиде тепловыделяющих веществ очень важно определить степень устойчивости ее ледникового покрова. За последние 250 тыс. лет ледниковые покровы Северного полушария появлялись и исчезали под действием естественных процессов, в то время как размеры Антарктического ледникового щита изменялись лишь на 10—20%. Наши знания о механизме возникновения и исчезновения ледниковых покровов, изменении солнечной постоянной, геотермическом потоке тепла и последствиях влияния человеческой деятельности на изменения климата пока еще недостаточны, чтобы предсказать будущее ледникового покрова Антарктиды.
Поскольку во многих районах Центральной Антарктиды в обширных областях ледниковое ложе имеет температуру таяния, под ледниковым покровом могут существовать подледные резервуары воды, а подо льдом — каналы, по которым происходит сток воды в океан за очень короткий промежуток времени. Таким образом, хотя сейчас можно более твердо, чем ранее, говорить о мерзлом состоянии некоторых областей подледникового ложа, эти области все же относительно малы, и нет никакой уверенности в том, что они и впредь будут оставаться мерзлыми. Стоит добавить, что к настоящему времени выяснена большая чувствительность ледникового покрова, а следовательно, и глобальная опасность, к захоронению тепловыделяющих радиоактивных материалов даже в его верхних слоях.
В стационарных условиях частицы льда или термически инертные загрязнения будут находиться в некоторых районах Восточной Антарктиды в течение 100 тыс. лет. Мы можем предсказать время пребывания частицы в ледниковом покрове на тысячу или десять тысяч лет вперед, но пока не имеем возможности предвидеть поведение самого ледникового покрова.
Таким образом, Антарктический ледниковый покров не должен служить местом захоронения опасных веществ, которые необходимо изолировать от биосферы на период в несколько сотен тысяч лет. Однако для определенного ответа на этот вопрос с научных позиций наших знаний о физике и термодинамике ледниковых покровов пока еще не хватает.
Глядя сквозь лед
На новейших картах Антарктиды хорошо видна пологая, пониженная часть ледникового покрова, под которой, очевидно, и находится подледное озеро. В настоящее время исследуются все косвенные сведения, свидетельствующие о наличии озера. С их помощью мы можем составить представление об этом уникальном водоеме.
Анализ разнообразных данных, собранных за четыре десятка лет, позволяет с уверенностью сказать, что озеро Восток расположено под мощной (до 3 500—4 000 м) толщей материкового льда на значительном (более 500 км) удалении от окраины континента (местоположение водоема 76°30’ ю.ш., 102°—106° в.д.).
Озеро занимает обширное понижение земной коры длиной около 300 км, шириной от 40 до 80 км, которое вытянуто в меридиональном направлении и имеет слегка изогнутую, коленчатую, форму. Средняя глубина водоема, по сейсмическим данным, составляет около 1 000 м ниже уровня моря и около 1 500 м относительно его берегов, то есть толщина воды в озере превышает 500 м.
Восточный берег озера имеет почти прямолинейную форму, тогда как западный берег осложнен многочисленными заливами и выступами коренного ложа. На возвышенности западного побережья обнаружены глубокие (более 400 м) и узкие (до 2 км) каньоны. Береговые склоны с обеих сторон озера представляют собой крутые уступы высотой до 1 500 м, часто осложняющиеся небольшими ступенями. Такие же уступы замечены и внутри самого озера на сейсмическом профиле, пересекающем самую южную его оконечность. В этой части на дне озера с помощью сейсмических исследований обнаружена осадочная толща мощностью до 300—400 м. Во всяком случае, возможная мощность осадков на дне озера составляет не менее 100—200 м.
Антарктический Байкал
Особенности строения озера Восток обнаруживают много общего с другим уникальным водоемом — Байкалом. Как известно, воды Байкала заполняют рифтовый участок литосферы — узкую глубокую впадину, образовавшуюся на месте растяжения земной коры — зародыш будущего океана. Все говорит о том, что в схожей структуре земной коры разместилось и озеро Восток — ширина впадины, составляющая десятки километров, значительная амплитуда смещений блоков горных пород, ограничивающих озеро, и их ступенчатая форма, очевидно, связанная с растяжением земной коры, так же как и коленчатая конфигурация и картина развития разломов — на западном берегу озера.
О существовании рифтовых зон в Антарктике известно давно. Так, рифт обнаружен в районе ледников Ламберта—Эймери и залива Прюдс. Эта рифтовая зона продолжается в глубь континента вдоль восточного подножия гор Гамбурцева до 110° в.д. Здесь выявлена протяженная долина шириной 50—100 км и глубиной до 500 м ниже уровня моря, внутри которой коренной (не подвергавшийся изменениям) фундамент материка опущен местами на 5 км.
Впадина озера Восток, расположенная в 400 км от продолжения зоны ледника Ламберта параллельно ее основному направлению, может представлять собой отдельное звено единой крупной рифтовой системы, возникшей еще на древнем материке Гондвана 150 млн. лет назад.
Ледяные объятья Востока
Южнополярная станция «Восток» — полюс холода Земли (здесь зарегистрирована самая низкая на нашей планете температура воздуха –89,2°С) находится в глубине антарктического материка, в тысячах километров от побережья и других станций, на высоте 3 488 метров от уровня моря. Вокруг «Востока» на тысячи километров — ничего, кроме льда и снега. Сюда из «Мирного» саннотракторный поезд добирается более чем за месяц, самолет долетает за 5 часов. Единственным ориентиром для летчиков служит тракторная колея. Если самолет проскочил «Восток», по правилам ему дается 20 минут на поиски станции. По прошествии этого времени нужно возвращаться.
На «Востоке» иногда бывают метели; ураганные ветры и пурга — редкость. Но каждый, кто хоть раз побывал на станции, знает сколь тяжела «восточная» жизнь. Здесь нельзя торопиться, быстро ходить и уж тем более бегать, невозможно глубоко дышать, порой нельзя даже выйти на улицу больше чем на 15—20 минут. И еще много всяких «нельзя» из-за значительной высоты над уровнем моря, на которой находится станция, акклиматизация проходит очень тяжело и практически постоянно наступает истощение физиологических резервов организма.
Вновь прибывшие вынуждены как можно меньше двигаться, иногда просто все время лежать. Словно огромная тяжесть давит на человека, не давая ему свободно вздохнуть. Те грузы, которые в «Мирном» (на побережье) легко поднимал один человек, на «Востоке» перетаскивают вдвоем-втроем. Эвакуация со станции людей, казавшихся совершенно здоровыми, в общем-то, не редкость.
С начала антарктической осени (с марта и по декабрь) связь с «Востоком» возможна только по радио. Зимующим на станции в течение восьми, а то и девяти месяцев приходится рассчитывать исключительно на свои силы. Чтобы ни случилось, помощь прийти не сможет.
Есть ли жизнь в Востоке?
Подледное озеро, скорее всего, оставалось изолированным от внешнего мира в течение миллиона лет, а может быть, и дольше. Расчеты показывают, что термические условия в разных частях озера неодинаковы, и это вызывает внутренние течения и активный энергообмен. Изо льда, тающего на верхней кровле озера, постоянно поступает некоторое количество атмосферного воздуха, попавшего в лед из атмосферы сотни тысяч и миллионы лет назад. Из-за постоянного подледникового таяния к нижней поверхности ледника попадают не только свежая пресная вода, но и пыльца, и другие органические вещества, принесенные на ледник вместе с атмосферными осадками. В этих условиях в озере, очевидно, обитают микрофауна и микрофлора, что представляет исключительный научный интерес. Доказательства органической жизни уже налицо. Они были получены еще при бурении скважины на станции «Восток».
Надо сказать, что по счастливому стечению обстоятельств бурение льда началось задолго до того, как под станцией было обнаружено озеро. Еще в 1959 году начальник станции «Восток» В.С. Игнатов при помощи термобура сумел достичь 40-метровой глубины. Годом позже термобур, сконструированный И.А. Зотиковым, смог пройти на 10 метров больше. Из-за несовершенства техники достичь более впечатляющих результатов тогда не удалось — бур попросту вмерзал в лед. Ситуация изменилась с приходом в 1967 году специалистов Ленинградского горного института, которые вот уже три десятка лет занимаются бурением льда на станции «Восток», сумев углубиться в ледяную толщу на 3 623 м. Первоначальной, основной целью этого глубинного бурения было получение непрерывного ледяного керна — цилиндрической колонки льда — своеобразного среза ледника, изучение которого позволило реконструировать все изменения климата нашей планеты за последние 420 тыс. лет.
Для проходки скважины до глубины 2 755 м использовали термоэлектробурение, позволяющее доставать очень хороший ледяной керн диаметром примерно 10 см. В Институте микробиологии РАН был сконструирован пробоотборник для получения стерильных проб сразу после извлечения керна из скважины. Анализ таких проб уже принес положительные результаты: обнаружены микроорганизмы на больших глубинах во льду. Кроме того, огромный интерес представляют найденные в кернах и сохранившиеся практически без каких бы то ни было изменений пыльца, споры, вулканический пепел, пузырьки воздуха, частицы метеоритов, пробывшие в ледяном плену не одну тысячу лет.
Совершенно новые микробиологические данные удалось получить в середине 1990-х годов. В образцах льда с глубин 3 551 и 3 607 м были обнаружены три вида термофильных бактерий, аналоги которых развиваются в гидротермальных источниках активных областей океанов и континентов при температурах 40—60°С. Найденные бактерии, по-видимому, обитают в горячих источниках на дне озера, используя для своей жизнедеятельности только неорганические соединения — водород, углекислый газ, тиосульфаты. Конечно, это только начальные результаты, но уже из них следуют важные и интересные заключения, позволяющие предположить, что гидротермальная деятельность в озере Восток в основном определяется местной циркуляцией талых вод в земной коре, когда они мигрируют вниз по разломам и трещинам на глубину нескольких километров, а затем возвращаются к поверхности озера, обогащенные неорганическими соединениями, служащими источником питания бактерий.
От Востока до Европы
Значение подледного озера Восток неизмеримо выросло после того, как на спутнике Юпитера Европе был открыт гигантский водный резервуар, изолированный лежащим сверху многокилометровым покровом льда. Дело в том, что, как полагают ученые, ядро Европы из-за тяготения самого Юпитера и двух других его спутников — Ио и Ганимеда, сильно раскалено, в то время как внешняя поверхность Европы охлаждена до –170°С. Такой контраст и создает соседство огромного панциря льда, прикрывающего гигантское подледное озеро или море. Таким образом, озеро Восток представляет собой земной аналог того, что можно ожидать на других планетах. Исследователей Европы особенно заинтересовали сообщения о возможности обнаружения в озере Восток биологической жизни. Сегодня подобная перспектива считается более чем вероятной, несмотря на то что микроскопические обитатели подледного озера должны существовать в экстремальных условиях — при полном отсутствии света, давлении в 350 атмосфер и постоянно низких температурах. Находка микроорганизмов в воде озера Восток будет означать, что, быть может, первая встреча с внеземной жизнью состоится именно на Европе.
О пользе чистоплотности
Исследование воды озера Восток, его донных осадков, отбор стерильных проб для биологических анализов — все это станет чрезвычайно важным этапом на пути познания прошлого нашей планеты, ее эволюции.Но по мере того как бурение на станции «Восток» близится к завершению, возникают и весьма серьезные проблемы. Ведь из-за высокой пластичности льда бурение в нем возможно только при заполнении скважины незамерзающей жидкостью с такой же, как у льда, плотностью. В настоящее время для этих целей используются жидкости типа керосина, растворы спиртов и сложные эфиры. Все эти соединения имеют один общий и очень существенный недостаток — они токсичны.
Причем к отравляющему действию этих жидкостей особенно восприимчивы низшие формы жизни. Когда скважина дойдет до дна и проткнет весь его 4-километровый слой, какая-то часть заливочной жидкости попадет в озеро, что, конечно же, нежелательно.
Возникает непростая инженерная задача — предотвратить загрязнение озера в конце бурения льда. Правда, расчеты отечественных специалистов показывают, что такое загрязнение будет пренебрежимо мало — одна молекула на один кубометр воды в озере. Но все равно возражения ряда ученых, опасающихся загрязнения этого уникального водоема, существуют.
Чтобы не допустить попадания в озеро токсичных веществ, в 1998 году на заседании SCAR (Scientific Counsil for Antarctic Research) — Международного научного комитета по антарктическим исследованиям — было принято решение о приостановке бурения до выработки экологически безопасного способа проникновения в подледный водоем. На сегодня скважина пройдена до глубины 3 623 м, а это означает, что до поверхности озера осталось около 150 м.
К сожалению, вокруг чисто научной и технологической проблемы соблюдения стерильности при проникновении в уникальное озеро стали разгораться страсти, не имеющие к науке никакого отношения. Российские исследователи столкнулись с явным нежеланием ряда государств отдавать приоритет в изучении озера Восток нашей стране. Появились даже предложения вообще запретить бурение российским специалистам, законсервировать скважину и начать проникновение в озеро, используя, например, американские технологии. Решение вопроса о возобновлении бурения на станции «Восток» затягивается под различными, подчас надуманными, предлогами. Более того, российским ученым стало очень трудно публиковать свои работы, относящиеся к исследованию озера Восток, в зарубежных научных журналах. В то же время из любого сообщения на ту же тему их иностранных коллег делается сенсация. Все это происходит из-за опасений некоторых зарубежных организаций лишиться мощного финансирования, если Россия первой достигнет реликтового озера. Отечественные специалисты накопили колоссальный опыт глубинного бурения, именно они на протяжении нескольких десятков лет заботились о стерильности керна и скважины, и нет никаких причин для сомнений в их профессионализме.
В настоящее время в Санкт-Петербургской горной академии разработана экологически чистая технология проникновения в подледниковое озеро, основанная на использовании безопасных кремнийорганических заливочных жидкостей и получившая положительное заключение специалистов. В ближайших планах Российской антарктической экспедиции — пробурить оставшиеся 125 м ледниковой толщи над озером. Сначала предполагается преодолеть 50 м, чтобы получить новый ледяной керн и на новых образцах подтвердить гипотезу о существовании термофильных бактерий в водной среде озера, а затем и войти в озеро, не загрязнив его, чтобы определить характеристики газового и химического состава озерной воды и микробных сообществ, населяющих озеро и его донные осадки. Итак, близится к концу грандиозный научный проект бурения скважины на станции «Восток», начатый в 1970-х годах. Ему на смену идет не менее грандиозное исследование подледного озера Восток. И сегодня есть все основания полагать, что очень скоро мы получим из Антарктиды данные о прошлом климате Земли на протяжении последних 800 тыс. лет, что имеет не только познавательный интерес, но, безусловно, поможет понять проблему глобальных изменений в грядущем столетии.
Лед, нефть и газ