Одним из главных научных событий начала нынешнего года стало открытие российскими полярниками подледного озера Восток. Теоретически его обнаружили

Размер: px
Начинать показ со страницы:

Download "Одним из главных научных событий начала нынешнего года стало открытие российскими полярниками подледного озера Восток. Теоретически его обнаружили"

Транскрипт

1 Одним из главных научных событий начала нынешнего года стало открытие российскими полярниками подледного озера Восток. Теоретически его обнаружили несколько десятилетий назад, более того, событие это по праву считается одним из величайших географических открытий прошлого века. Но физически до него добурились сквозь четырехкилометровый слой льда только теперь. И только сегодня перед учеными открылась поразительная возможность заглянуть в водоем, изолированный от земной биосферы десятки миллионов лет назад. 12 в мире науkи [05] май 2012

2 Михаил Ковальчук Восток - дело тонкое Фотографии и иллюстрации предоставлены: Национальным исследовательским центром «Курчатовский институт» Подо льдом Первые гипотезы о существовании подледниковых водоемов были высказаны еще в конце XIX в. известным анархистом, географом и путешественником князем Кропоткиным. Позже, уже в середине XX в., эти догадки развивал российский гляциолог, член-корреспондент РАН Игорь Алексеевич Зотиков. Он страстно увлекся Антарктидой, побывал там и теоретически рассчитал, что под мощным ледяным щитом Антарктиды при больших давлениях и определенных силах трения ледника о коренные породы могут возникать условия для плавления льда на его нижней поверхности. Вода не сжимаема, значит, она может скапливаться в углублениях рельефа вследствие таяния, и таким образом могут образовываться водоемы. Но подобный подледный водоем еще не обязательно озеро. Озеро по современной географической классификации замкнутый водоем, не имеющий связи с Мировым океаном и обладающий специфическим термическим режимом. Зная толщину льда и скорость его дрейфа, можно предположить теоретическую возможность существования подо льдом не водоема, а именно озера. Еще во второй половине 1950-х гг. летчики советской полярной авиации увидели на всхолмленной ледяной поверхности Антарктиды относительно ровные участки льда, плоские и протяженные. Между тем такой плоский лед может быть только на воде. В конце 1950-х начале 1960-х гг. географ, будущий членкорреспондент АН СССР Андрей Петрович Капица, работавший в комплексной Антарктической экспедиции Академии наук, выполняя сейсмические зондирования, получил в районе станции «Восток» интересный отраженный сигнал от какой-то непонятной поверхности. Тогда он интерпретировал ее как рыхлые осадки. Прошло много лет, в экспедициях появились радиолокаторы для измерения толщи ледника, используемые на самолетах с большим радиусом действия. В частности, эти методы применяли британо-американская экспедиция в центральных районах Антарктиды и советские исследователи. И в разных районах Антарктиды они получили уникальные отраженные сигналы. Если сигналы от коренных пород обычно имеют остроконечный пик, то при отражении от водного тела небольшой прямоугольный пик, который и получили недалеко от станции «Восток». Но тогда никто еще не мог определить, озеро ли это или просто тонкий слой воды. В довершение всего в начале 1990 х гг., когда европейцы запустили свой спутник ERS 1, оборудованный высокоточным альтиметром, который измерял профиль подстилающей поверхности, удалось определить, что в районе расположения станции «Восток» находится плоская равнина то, что видели летчики. Затем группа российских и британских исследователей, среди которых были А.П. Капица и И.А. Зотиков, проанализировала данные полученных наблюдений: сейсмику, радиолокацию и альтиметрические съемки. Зотиков рассчитал свои теоретические модели, предположив, что в районе станции «Восток» находится очень большое водное тело. Было предложено назвать его по имени станции Восток. Первое сообщение об этом прозвучало в 1994 г. в Риме на Открытой международной конференции Научного комитета антарктических исследований. Докладчиком выступал А.П. Капица. Первая публикация о крупнейшем географическом открытии появилась в журнале Nature в 1996 г. в мире науkи [05] май

3 «В ближайшей перспективе фундаментальные, особенно успешные исследования, дающие какое-то новое знание, повышают самооценку нации, укрепляют престиж страны на мировой арене». Добуриться до истины К 1990 г. советские исследователи пробурили в районе станции «Восток» и в других местах четыре разных по глубине скважины. По результатам работ был получен большой объем информации, одновременно отрабатывались технологии бурения, испытывались различные буровые снаряды, наземное оборудование, управление этим оборудованием. Оказалось, что бурить лед намного сложнее, чем горные породы, поскольку с физической точки зрения лед можно рассматривать, с одной стороны, как вязкотекучее тело, а с другой как твердое. Он имеет различные геологические свойства на разных глубинах, поэтому бурение в нем сложный процесс. В 1990 г. была заложена скважина под номером 5, которая сегодня и находится в центре внимания. Конечно, тогда про озеро никто не думал. Изначально геологи хотели взять пробы донных грунтов, которые находятся под ледником, и только потом, когда обнаружилось озеро, оказалось, что эта скважина самый простой способ достигнуть воды. В 1994 г. ее глубина достигала 3150 м. С 1995 г. Российская антарктическая экспедиция начала в районе скважины регулярные исследования в частности, с сейсмики. Нужно было доказать, что подо льдом действительно находится вода, а не газогидраты или что-то другое. Эти работы через три года дополнили наземной радиолокацией, более высокоточной по географической привязке, нежели авиационная. При этом были получены данные по конфигурации береговой черты, по толщине ледника, водного слоя и донных отложений. Ледник продолжали бурить, и на глубине 3539 м горняки вошли в слой абсолютно непонятного по своему составу льда. Обычный атмосферный лед, произошедший в основной массе из рыхлых осадков, атмосферных осадков, снега, содержит воздух, там есть азот, кислород. По газовому составу этого льда, по изотопам дейтерия, по водородному соотношению мы можем восстановить климатические условия в различное время. И вдруг лед совершенно иного качества, анализ которого показал отсутствие газов; по всем свойствам, по кристаллической структуре он напоминал замерзшую воду. Тогда и родилась гипотеза И.А. Зотикова о подледном озере. Подледный лов Озерный лед сразу заинтересовал биологов. С помощью методов молекулярной биологии специалисты отделения молекулярной и радиационной биофизики Петербургского института ядерной физики начали исследовать его на предмет наличия возможных фрагментов ДНК. Станция «Восток» находится практически в центре континента около 1,2 тыс. км до береговой черты и 3488 м над уровнем моря. Самое крупное животное в этой части Антарктиды почвенный клещ. С осадками ничего кроме микробов сюда попасть не может, и ученые первым делом начали искать микробную ДНК. Но оказалось, что лед нельзя исследовать в обычной лаборатории: он был кристально чистым по своему химическому составу, и вне специальных чистых комнат можно было загрязнить его посторонними ДНК. Поначалу так и произошло: и российские, и зарубежные исследователи нашли в пробах льда обыкновенные бактерии, которые живут вокруг нас. И только в специальных условиях, подходящих для работы с древней ДНК, выяснилось, что данный лед практически стерилен. Ледник движется по поверхности со скоростью 3 м в год, и во время движения он может прихватывать с грунта частички почвы, которые потом попадают под лед. Там, где лед был ближе к береговой черте, ученые нашли три вида микроорганизмов, которые отсутствуют в базе контаминантов (загрязнителей). Возможно, они как раз находились в озере. Но лед намерзает очень медленно, примерно по 10 мм в год. При такой скорости соли и газы, содержащиеся в нем, отторгаются в водную среду. Из-за очень низкой скорости его формирования мы не можем точно сказать, насколько чисто он представляет воду Востока. Другое дело, если бы в нем удалось найти «водный карман». Лед замерзает медленно, но в нем может образоваться замкнутая полость, из которой концентрат мог попасть в керн льда. Сегодня ученые продолжают изучать керн озерного льда в надежде наткнуться на такой карман, который может содержать в концентрированном состоянии вещества и бактерии. Однако шанс достаточно мал, поэтому исследователи продолжают искать жизнь во льду. Но истинную картину нам сможет дать лишь сама вода. По мнению многих исследователей, в воде озера Восток жизни нет. А если и есть, то настолько специфическая, что ее можно будет назвать неземной жизнью на планете Озеро имеет огромные размеры примерно 230 км в длину и 50 км в ширину. Глубина его под скважиной 700 м, а максимальная глубина, согласно сейсмическим замерам, достигает 1,5 км. Южная часть находится под более тонким ледовым щитом, там температура ниже, поэтому вода снизу намерзает на ледник. А в северной части оценочная толщина ледникового покрова достигает 4 км. На севере ледник тает, и вместе с ним в озеро попадают газы, а на юге, где расположена российская станция, намерзает. Если бы исследователи начали буровые работы на севере, они просто сразу вошли бы в воду, и этого озерного льда не было бы. 14 в мире науkи [05] май 2012

if ($this->show_pages_images && $page_num < DocShare_Docs::PAGES_IMAGES_LIMIT) { if (! $this->doc['images_node_id']) { continue; } // $snip = Library::get_smart_snippet($text, DocShare_Docs::CHARS_LIMIT_PAGE_IMAGE_TITLE); $snips = Library::get_text_chunks($text, 4); ?>

4 Земля. Никакой угрозы она не представляет: ведь она настолько адаптирована в озере Восток, что не выживет в любых других условиях. Предполагать какую-то бактериологическую опасность для человека, о которой сейчас говорят многие некомпетентные журналисты, неправильно. Толщина озерного льда, который изучают с 1999 г., 230 м, буровики берут его руками, плавят и пьют полученную воду, при этом за последние десять лет с ними ничего плохого не произошло. Без права на ошибку Согласно протоколу, вступившему в силу с 1998 г., любая деятельность, выполняемая в Антарктиде, должна иметь предварительную подготовленную оценку воздействия на окружающую среду. Ее рассматривают, высказывают свои замечания, предложения, и национальный уполномоченный орган после этого вправе принимать эти замечания или нет. В самом начале действия протокола Международный научный комитет по антарктическим исследованиям рекомендовал России остановить бурение до разработки экологически чистой технологии проникновения в озеро через эту скважину, чтобы не загрязнить девственный водоем и не убить возможные флору и фауну. Мы с этой рекомендацией согласились, и в конце января 1998 г. бурение на глубине 3623 м было остановлено. До воды оставалось м. В 2000 г. была разработана новая технология бурения. Вскоре она получила положительную оценку Российской государственной экологической экспертизы. Дальше начался сложный процесс согласования ее с международным сообществом, который закончился только в 2010 г. Общая площадь озера Восток кв. км, что всего в два раза меньше площади Байкала ( кв. км) Объем 6343 куб. км Длина береговой полосы 1010 км Максимальная глубина более 1200 м Российская полярная станция «Восток» расположена в районе Южного магнитного полюса Буровая Южный географический полюс Осадочный лед Скважина 5 Озерный лед Шкала глубин, м: Станция «Восток» и скважина 5 Озеро, жидкая переохлажденная вода Озеро Восток «Чистая лаборатория»: при исследовании проб, полученных из скважины, важно не загрязнить их посторонними микроорганизмами и микроскопическими примесями, поэтому стерильность в лаборатории поддерживается на уровне самых высоких стандартов в мире науkи [05] май

5 Государственные вопросы В первой половине XX в. семь стран Великобритания, Австралия, Новая Зеландия, Франция, Норвегия, Аргентина и чили заявили свои территориальные претензии на Антарктику и обозначили там свои сектора, которые в меридиональном плане сходятся в точке Южного географического полюса. Еще в 1939 г. Советский Союз., когда Норвегия выразила свои претензии, заявил в официальной ноте о том, что он не признает ничьих выраженных в одностороннем порядке территориальных претензий и оставляет за собой право первооткрывателя антарктического континента (поскольку первой Антарктиды достигла российская экспедиция Беллинсгаузена и лазарева гг.) претендовать на весь этот континент. Американцы долго обсуждали, стоит ли им объявлять свой сектор. В начале 1959 г. они также написали свое заявление о сохранении за собой права территориальных претензий на весь антарктический континент на правах первооткрывателей со ссылкой на плавание Натаниэля Палмера в гг. В 1959 г. был принят международный договор об Антарктике. К нему присоединились 12 стран, среди которых был и советский Союз. Этот договор не определил правового статуса территории Антарктиды, он обозначил всего лишь правовой режим управления ее территорией. Статья 4 договора установила, что все территориальные права на континенте замораживаются. Это означает, что никакая другая страна не может заявить территориальных претензий, а те стороны, которые их заявили, не имеют права расширять свой государственный суверенитет на этих территориях дальше уровня 1959 г. В связи с этим любая страна, которая присоединилась к договору и ратифицировала протокол по охране окружающей среды, должна в установленном порядке сделать всестороннюю оценку воздействия на окружающую среду и доложить о ней на консультативном совещании по договору об Антарктике. Только тогда она что-то может предпринимать. Безусловно, можно открыть станцию в 5 км от станции «Восток», никто возражать не будет. Но только если Россия не заявит, что новый объект мешает проведению каких-либо научных исследований. Можно открыть станцию и ближе: расстояние между нашей станцией «Беллинсгаузен» и чилийской полярной базой немногим превышает 300 м. Сегодня Антарктида находится под международным управлением, а участниками договора стали 48 государств, представляющих все континенты. Он и сейчас открыт для присоединения. Договор сразу после принятия стал «обрастать» другими правовыми актами, его регулирующими: на территории Антарктиды запрещена любая военная деятельность, нельзя проводить испытания оружия, строить военные базы, не разрешается производить захоронения радиоактивных или других опасных веществ. А в 1991 г. появился Протокол по охране окружающей среды, который внес очень жесткие природоохранные ограничения на этой территории. В частности, туда нельзя ввозить инородных представителей флоры и фауны. Из-за этого с материка убрали всех собак и запретили выращивать овощи в теплицах. Операционные расходы Российской Антарктической экспедиции на 2012 г. составили около 1 млрд руб. (примерно $34 млн). В Федеральном бюджете РФ они проводятся через Росгидромет отдельной строкой. Сумма эта покрывает всю деятельность в Антарктиде. Для сравнения: бюджет антар- програм- ктической мы США составляет $282 млн. Американцы тоже активно пытались исследовать озеро Восток. В сезон гг. они провели крупнейшее аэрогеофизическое исследование и заказали своим инженерным корпорациям технологию разработки быстрого бурения ледника при помощи горячей воды. Но оказалось, что применить ее экономически эффективно только при условии, что температура на поверхности ледника не ниже -35 С. А в условиях станции «Восток» постоянная температура ледника составляет -57 С. Всего в мире на сегодня существуют три технологии бурения льда: российская и европейская, где в качестве буровой жидкости применяется смесь керосина и фреона; японская с применением ацетилбутана; американская с помощью горячей воды. Лучшие результаты получены россиянами и европейцами, по этой технологии были пробурены самые большие и глубокие скважины. Специально для забора чистой реликтовой воды разработана особая технология каким образом проникать, опускать приборы, в том числе и пробоотборники, в озеро, чтобы доставлять воду и чтобы не загрязнить приборы при прохождении через керосиновую жидкость. Разработан специальный транспортировочный узел, абсолютно герметичный, внутри которого будет находиться либо зондирующее устройство, либо пробоотборники. Этот зонд будет проходить до границы льда и воды, останавливаться там, после чего будет открываться нижний герметичный блок, и все это будет опускаться на собственном тросе и точно так же подниматься изолированно от озерной среды. Чтобы не допустить загрязнения, транспортировочный узел, пробоотборники и зонды будут деконтаминироваться с помощью озона и гамма-излучений. Исследования озера Восток пример успешной реализации междисциплинарности и конвергенции в научном проекте. Озеро объект по сути географический было предсказано математическими вычислениями, на основе механики и теплофизики, технологии бурения были разработаны инженерами-геологами и экологами, а сегодня ключевые фигуры в исследованиях биологи и биофизики из Петербургского института ядерной физики, который представляет собой часть НИЦ «Курчатовский институт». Такие проекты существенно укрепляют не только национальную гордость, но и международный престиж государства, с одной стороны, и демонстрируют важность науки для улучшения качества жизни, для здравоохранения, для построения цивилизации с другой. В этом смысле исследование озера Восток один из камешков в фундамент новой, научно значимой биографии России. Кроме того, из его результатов в перспективе может появиться масса 16 в мире науkи [05] май 2012

6 Потерянный материк В 1950-х гг. высказывались мысли о том, что Антарктида архипелаг. Только в середине 1960-х гг. было окончательно доказано, что это единый континент, большая часть поверхности которого находится ниже современного уровня Мирового океана. Ледяной покров здесь оказывает огромное давление, под которым проседает земная кора. Геологи тогда высказали гипотезу, что Антарктида часть суперконтинента Гондвана, который состоял из современной Южной Америки, Африки, полуострова Индостан, Мадагаскара, Австралии, Антарктики и Новой Зеландии. В свое время он раскололся на части, материки дрейфовали, и Антарктида стала двигаться в район полюса, где на ней стал образовываться лед. Это произошло примерно млн лет назад. Недаром в прибрежных территориях, там, где есть выходы коренных пород, обнаружены окаменелости высших форм растений, деревьев. Это доказывает, что изначально Антарктида находилась в других климатических условиях. Но сегодня основная часть этого самого южного континента покрыта льдом. Толщина ледника в разных районах сильно варьирует, глубина же океана в прибрежных районах относительно невелика. Этому льду больше 10 млн лет Бур с намерзшей водой сразу после «открытия» озера конкретных и важных прикладных следствий. Получив возможность изучить ДНК живого организма, который существовал миллионы лет назад, на определенном периоде эволюции Земли, можно прийти к созданию новых лекарств, понять причины различных болезней, получить ответы на многие волнующие человечество вопросы. Мы сможем понять наше место во Вселенной и в эволюционной системе мира. А от этого понимания мы сделаем следующий шаг к продлению жизни, улучшению ее качества. Подготовил Валерий Чумаков Озеро Восток, вид из космоса Исследования озера Восток имеют значение даже для астрономии и астрофизики. В озере создался уникальный аналог условий, наблюдаемых на спутнике Юпитера Европе. Полагают, что на Европе есть океан, покрытый сверху коркой льда толщиной до 100 км. Условия очень похожи также на спутник Сатурна Энцелад. автор Михаил Валентинович Ковальчук директор Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН. Консультанты Владимир Валерьевич Лукин заместитель директора Арктического и антарктического НИИ Росгидромета (ААНИИ), начальник Российской антарктической экспедиции (РАЭ). Сергей Алексеевич Булат начальник лаборатории криоастробиологии отделения молекулярной и радиационной биофизики Санкт-Петербургского института ядерной физики НИЦ «Курчатовский институт». При подготовке статьи использованы материалы передачи «Истории из будущего с Михаилом Ковальчуком» от 1 апреля 2012 г. в мире науkи [05] май