Сергей Сысоев: Восток — дело тонкое

«Популярная механика» №3, 2011

Антарктическое лето коротко. В центре континента это всего два месяца — декабрь и январь. На станции «Восток», расположенной на полпути от океана к Южному полюсу, стоит жара: температура колеблется около –30°C. На станции кипит работа: быть может, в этот сезон полярникам удастся завершить более чем 20-летний труд — пробурить почти 4-километровую ледяную толщу и достичь озера Восток.

Эта история началась в 1957 году, когда в Институт географии АН СССР устроился молодой и тогда никому не известный кандидат технических наук Игорь Зотиков, ранее работавший в ракетостроении. Как вспоминал Игорь Алексеевич через полвека, процессы, идущие на поверхности обтекателя и в глубине ледников, на взгляд теплофизика выглядели одинаково — описывались практически одними и теми же уравнениями. В 1960 году он опубликовал расчеты, показывавшие, что мощный ледник должен обладать теплоизолирующими свойствами, достаточными, чтобы приходящий из недр тепловой поток мог растопить низ ледяной толщи. Этот процесс должен идти по всей Антарктиде, а там, где рельеф местности таков, что талой воде есть, где задержаться, под ледяной толщей должны существовать незамерзающие водоемы.

За несколько лет до этого на южном геомагнитном полюсе была заложена станция «Восток». Неудивительно, что Зотиков применил свои расчеты к антарктическому рельефу на линии от Южного полюса до океанского побережья через «Восток» и высказал предположение о том, что там, под ледником, должна быть жидкая вода.

За несколько лет до Зотикова похожие взгляды высказывал океанолог Николай Зубов. Предположив, что температура ледника с глубиной должна расти так же, как это происходит в любых горных породах, он подсчитал, что в паре километров от поверхности достигается температура плавления. К тому времени было известно, что мощность антарктических ледников обычно превышает 3 км — стало быть, ниже должна быть вода или смесь льда с водой.

Коллеги восприняли идею скептически. В 1958 году английский гляциолог Гордон Робин показал расчетами, что температура ледниковой толщи меняется с глубиной нелинейно и по большей части не слишком отличается от поверхностной, то есть концепция Зубова не работает. Неудивительно, что и выводы Зотикова не вызвали энтузиазма — уж очень нетривиально звучала мысль о незамерзающих озерах там, где температура не поднималась выше нуля уже миллионы лет.

И все-таки она жидкая!

В 1966 году американцы начали масштабную программу бурения льда на станции Берд. Разумеется, они знали о прогнозах ученого из России, тем более что были лично с ним знакомы: полярники — народ общительный и дружелюбный. Однако скептицизм, обычно уместный во всякой науке, на этот раз сыграл с исследователями злую шутку. Под 2  км льда и впрямь оказалась жидкая вода, к контакту с которой они не были готовы. Весной 1968 года вода под высоким давлением хлынула в скважину, гидравлическим ударом уничтожила дорогущее буровое оборудование и замерзла, «заморозив» американскую буровую программу на полтора десятка лет.

По прихоти судьбы в мае того года Игорь Зотиков должен был защищать докторскую диссертацию, посвященную именно наличию жидкой воды под антарктическими ледниками. Оппонент, профессор П. А. Шумский, гляциолог с мировым именем, подготовил разгромный отзыв на 30 страницах, в котором доказывал, что диссертация несостоятельна: под ледниками воды нет. На другую чашу весов легла коротенькая телеграмма со станции Берд: вода есть. Экспериментальный результат перевесил.

В истории мало примеров столь впечатляющего подтверждения научной гипотезы.

Подтверждение теории еще не было географическим открытием — никакой конкретный объект на карте в этот момент не появился. Сейсмические зондирования, проведенные в окрестностях станции «Восток» в 1960-х годах, вместо одной ожидавшейся границы — льда с горными породами — выявили две. Геофизики посчитали, что между льдом и коренными породами залегает слой осадочных отложений, принесенных ледником. При отсутствии априорных данных о геологии района (а взять их неоткуда: все подо льдом) такая ошибка совсем неудивительна.

Аргументов за озеро стало больше в 1970-х годах, после радиолокационного зондирования ледника, проведенного англичанами с самолета. Они обнаружили отраженный сигнал, форма которого резко отличалась от ответных сигналов от коренных пород. В этом случае перепутать воду с осадочными породами было сложнее. Окончательная ясность наступила к началу 1990-х, после того как по данным спутника ERS-1 (European Remote-Sensing Satellite) была впервые построена точная карта рельефа антарктических ледников. На ней стало видно, как поверхность ледника, сквозь толщу которого в других местах проступают неровности подстилающей поверхности, в районе «Востока» становится абсолютно ровной: в этом месте лед плывет по воде.

Размеры озера составляют приблизительно 250 × 50 км — меньше Байкала, но сопоставимо с Онежским.

Именно в этом месте в 1980-х годах было начато глубокое бурение для сбора образцов древнего льда. К середине 1990-х скважина достигла 3 км. В 1998 году бурение было остановлено на отметке 3623 м, приблизительно в 130 м от уровня озера.

Климатический экстрим

Местность в районе станции «Восток» отличается крайне суровым климатом. Именно здесь в 1983 году был зарегистрирован абсолютный минимум температуры воздуха на Земле — минус 89,2°C. Самая «жаркая» погода была здесь в декабре 1957 года — тогда столбик термометра поднялся до 13,6°C ниже нуля. В среднем температура в этих местах летом (которое приходится на декабрь–январь) колеблется около –30°C, зимой — около –60–65°C. Средняя температура ледника под станцией — 55° ниже нуля.

Станция расположена на высоте около 3900 м над уровнем моря, но из-за низкой температуры воздуха его давление с высотой падает быстрее, чем в средних широтах, и содержание кислорода в нем эквивалентно высоте 5 км над уровнем моря.

Полярная ночь на станции продолжается с 24 апреля по 20 августа.

Не навреди!

Восточные жители. Изображение: «Популярная механика»

С середины 1990-х и по сей день в Антарктиде открыто около полутора сотен подледных озер, преимущественно небольших. Занятно, что «урожай» находок по времени совпал со значительными достижениями в такой очевидно далекой (во всех смыслах) сфере, как поиски планет за пределами Солнечной системы. Эта забавная подробность наглядно показывает, что речь идет о задачах сопоставимой сложности, хотя расстояния до объектов изучения различаются на множество порядков.

Особенностью водоемов является длительная изоляция — сотни тысяч или даже миллионы лет. Перед тамошними экосистемами встает суровый выбор — кто не приспособился, того больше нет. Приспосабливаться надо к отсутствию света и, соответственно, фотосинтеза и крайне малому поступлению органики из внешнего мира. Пыльца, принесенная с другого континента и медленно вытаивающая изо льда, — это скудный рацион.

Земная жизнь может адаптироваться и к такому, но результаты выглядят порой почти инопланетно.

Несколько лет назад в «кровавом водопаде» (Blood Falls), вытекающем из подледникового озера Бонни (Lake Bonney), были обнаружены микробы, которые за неимением кислорода в окружающей среде дышат железом.

Восторгу биологов не было границ. Такой способ обмена веществ раньше «наблюдался» лишь на кончике пера — и вот он в реальном биоценозе! Можно думать, что подо льдами Антарктиды скрывается еще множество уникальных форм жизни, и очень вероятно, что не все из них хотя бы теоретически предсказаны.

И вот тут встает вопрос: как не навредить? Ведь даже очень небольшое загрязнение может привести к изменению сложившейся экосистемы, после чего изучать ее станет намного сложнее, если вообще возможно.

Микроорганизмы, обнаруженные в ледяном керне. Некоторые из них могут быть озерными обитателями, но утверждать это можно, только получив пробы непосредственно из озера. Изображение: «Популярная механика»

Надо сказать, что в отношении большинства меньших по размерам субгляциальных озер научное сообщество выказывает несколько меньшую щепетильность. В то же озеро Бонни пару лет назад даже нырял американский подводный (или правильнее — подледный) зонд ENDURANCE — прототип аппарата, который, возможно, когда-то будет исследовать океаны Европы — спутника Юпитера. С очень высокой вероятностью на этом небесном теле под толщей льда находится жидкая вода — возможно, образующая глобальный «общеевропейский» океан. Условия водоемов под ледниками Антарктики кажутся похожими на океан Европы, насколько такое сходство вообще возможно на Земле, поэтому неудивительно, что специалисты НАСА отправили прототип будущего зонда именно на Южный континент.

Капсула времени

Воды Востока заполняют рифтовый разлом, расположенный на окраине докембрийского Антарктического щита. Сверху разлом перекрыт ледником, медленно (примерно 3 м в год) сползающим с находящегося в сотне километров ледораздела. Мощность ледника над озером неодинакова: от примерно 3800 м у южного берега до 4250 — у северного. Это, вероятно, единственный на Земле крупный природный водоем, имеющий наклонную поверхность. Озеро делится на две части — северную и южную (с глубинами 1000–1265 м), — соединенные относительно мелководной перемычкой.

Неравномерность ледникового покрова оказалась замечательным свойством: она дала возможность вычислить плотность воды, а значит, ее соленость. Озеро оказалось практически пресным.

Возраст нижних слоев ледника над озером оценивается в 420–470 тысяч лет. О времени изоляции водоема под ледником ученые обычно говорят что-то вроде «порядка миллиона лет» и, вполне вероятно, осторожничают. По современным взглядам, оледенение Восточной Антарктики началось примерно 35–40 млн лет назад, и вроде бы с тех пор льды там не таяли. Сказать что-то более определенное невозможно: геологическая история Южного континента изучена до сих пор плохо, ведь ее «летопись» — осадочные породы — спрятана от нас под толщей ледников.

С глубины 3538 м структура керна меняется. Скважина дошла до толщи, образовавшейся при намерзании озерной воды на подошву ледника снизу. Обмен веществами между озером и ледником идет в обе стороны. Один из важнейших результатов — перенасыщение воды кислородом, «запечатанным» во льду. По расчетам, концентрация кислорода в воде превышает характерную для открытых водоемов примерно в 50 раз. Для гипотетической озерной жизни это может быть скорее угнетающим фактором: в таком количестве кислорода можно «сгореть» даже под водой.

Изучение образцов принесло неожиданный результат: в пробах нашлись следы, напоминающие ДНК термофильных бактерий, обитающих в горячих источниках при температуре 40–50°C. Находка термальных источников и связанных с ними форм жизни не является сенсацией, но список возможных вариантов биоразнообразия при этом становится очень широким — от микробов, обитающих при температуре замерзания воды, до термофилов.

Способ проникновения

После остановки бурения учеными из Санкт-Петербургского горного института была разработана технология забора воды из озера, которая, по мысли авторов, исключает возможность загрязнения.

При бурении сколько-нибудь глубокой скважины во льду (да и не только) ее ствол заполняется буровой (заливочной) жидкостью. Делается это для многих целей и в первую очередь для того, чтобы давление окружающей толщи не «схлопнуло» небольшое отверстие в ней. На станции «Восток» используется смесь керосина и фреона.

Обе жидкости не смешиваются с водой и не замерзают. Их соотношение подобрано так, чтобы плотность смеси равнялась плотности льда — так давление столба жидкости на стенки скважины уравновешивает давление льда.

Поскольку ледник плавает на поверхности воды, создаваемое им давление можно вычислить с большой точностью — важнейший факт, на котором основан метод.

В момент контакта бурового снаряда с озерной водой уровень жидкости в скважине должен быть ниже того, который требуется для уравнения давлений, и, соответственно, давление на забое скважины будет ниже озерного.

Поступающая в скважину вода поднимется на высоту, соответствующую перепаду давления (30–40 м) и замерзнет. После этого бурение возобновится (очевидно, это будет уже в следующем сезоне), и на поверхность будет поднят керн, состоящий из свежего озерного льда. Второго проникновения в озеро при этом не будет — оно так и останется закупоренным.

Похожая схема фактически была опробована в июле 2003 года в Гренландии. На глубине 3085 м скважина вскрыла подледный водоем, после чего вода поднялась по стволу на 45 м. Изучение керна, поднятого год спустя, показало, что керосин-фреонной жидкостью были загрязнены лишь первые 10–15 см — дальше сколько-нибудь заметных следов смеси не было.

Чтобы исключить загрязнение, внизу скважины будет создан слой из кремнийорганической жидкости, не смешивающейся с водой и имеющей плотность больше заливочной смеси, но меньше воды.

Ищите — и обрящете. Изображение: «Популярная механика»

Последние два десятка метров будут пройдены термобуром, включающим два нагреваемых элемента: пилот-долото — тонкую шестиметровую штангу, плавящую отверстие диаметром около пары сантиметров, и находящуюся выше широкую термокоронку, формирующую основной ствол. Как только под пилот-долотом исчезнет твердая опора (будет достигнута поверхность), сработает автоматика. Специальный агрегат – пакер — прервет связь призабойной части скважины с остальным объемом, нагрев прекратится, а термокоронка будет прижата к забою весом снаряда. Бур станет «пробкой», преграждающей озерной воде путь вверх, а заливочной жидкости — вниз.

После этого будет проверено соотношение давлений. Если в расчеты вкралась неточность и давление подо льдом окажется меньше расчетного, то из скважины будет удален избыток жидкости. Гипотетически возможен вариант, при котором давление внизу окажется достаточно высоким, чтобы выдавить буровой снаряд вверх, — но уж в этом-то случае в озеро ничего лишнего точно не попадет.