Малоизученные льды: как осваивали Антарктиду

Антарктида — самый загадочный материк Земли. Многовековые льды скрывают тайны, которые могут пролить свет на происхождение человечества, и причины, по которым климат на нашей планете время от времени меняется. В этом году на шестом континенте начала работать очередная — уже 67-я — Российская антарктическая экспедиция. Гляцио-буровой отряд в её составе — самый многочисленный за последние годы на станции «Восток». Полярники сумели добыть самый древний на сегодня керн. «Фонтанка» рассказывает, каких успехов уже добились отечественные ученые.

Уникальные находки

В феврале 2022 года из Антарктиды вернулись члены гляцио-бурового отряда из 67-й Российской антарктической экспедиции. В ней приняли активное участие и сотрудники Горного университета. Это их разработки позволяют добыть уникальные образцы керна из скважины 5Г на станции «Восток». Используя собственные современные технологии и конструкторские наработки, ученые сумели отобрать керн самого древнего льда возрастом 500 000 лет из бокового ствола скважины, забуренной в 64-й экспедиции.

Какие открытия сделали отечественные ученые в Антарктиде? Смотрите наше видео.

В этом году в Антарктиду доставили новый зимовочный комплекс, построенный под Гатчиной. Теперь его предстоит собрать на месте. Это займет несколько лет, но зато после этого ученым станет куда проще работать. Комплекс обеспечит будущие экспедиции теплыми помещениями для комфортного пребывания и многофункциональными лабораториями для исследовательской работы. Станции «Восток» уже много лет — она морально и материально устарела, выработала ресурс и требует реконструкции. Сейчас она находится под 3-метровой толщей снега и фирна, что создаёт определённые бытовые неудобства.

Интересный факт

Если сложить все скважины, которые пробурили за время работы в Антарктиде сотрудники Горного университета, получится общая глубина более 18 тысяч погонных метров. Ученые поставили при этом несколько мировых рекордов в бурении ледников.

Почему советским ученым не разрешали исследовать Антарктиду

Антарктиду открыли российские исследователи более 200 лет назад. 28 января 1820 года русские моряки под командованием капитана II ранга Фаддея Беллинсгаузена и лейтенанта Михаила Лазарева на трехмачтовых шлюпах «Мирный» и «Восток» обошли неизведанную землю по всему периметру, определив ее границы.

Активное изучение Антарктиды Советский Союз начал в 1956 году. Страна открыла среди льдов шестого континента обсерваторию, назвав ее по имени одного из шлюпов — «Мирный». И с тех пор регулярно отправляла туда экспедиции, постепенно расширяя свое присутствие.

Интересный факт

Сейчас в Антарктиду запрещено привозить животных, чтобы случайно не нарушить уникальную экосистему континента. Полярники не берут с собой даже собак, поскольку те гоняют пингвинов.

«Восток» — вторая русская станция, названная в честь второго парусного шлюпа экспедиции Беллинсгаузена и Лазарева. Она внутриконтинентальная, что редкость, и находится на высоте 3488 метров над уровнем моря в самом центре антарктического континента, в районе южного геомагнитного полюса. Там сходятся линии силового напряжения магнитного поля, самые интенсивные потоки энергии из космического пространства приходят к земной поверхности. Также это точка, в которой находится «полюс относительной недоступности» и «полюс холода», характеризующийся самой низкой температурой воздуха за всю историю метеорологических наблюдений — минус 89,2 ⁰С. Впоследствии оказалось, что место выбрано исключительно удачно: станция оказалась над крупнейшим в Антарктиде подледниковым озером, получившим одно с ней название. В 1957 году, когда открывали «Восток», никто ещё не знал о его существовании.

— Сначала это было предположением, — рассказывает один из старейших работающих нынче исследователей Антарктиды, доцент кафедры бурения скважин нефтегазового факультета Горного университет Андрей Дмитриев. — На наличие озера указывали косвенные признаки: летчики полярной авиации при полётах на станцию «Восток» отмечали в рельефе ровное плато, а оно должно копировать форму подлёдного ложа. Была проведена наземная и авиационная радиолокация, сейсмическое зондирование, геофизическое моделирование. Географ и геоморфолог Андрей Капица предположил, что под толщей льда есть озеро. Игорь Алексеевич Зотиков из института географии РАН высказал мнение: при такой мощности ледника под ним должна обязательно находиться водная прослойка. Это оказалось правдой.

Позже выяснилось, что под станцией, под ледяным щитом мощностью 3700 метров, — не просто озеро, а огромный водоем размером приблизительно 250×50 км и глубиной местами до 1200 метров, площадью сопоставимый с Байкалом. Российские ученые сумели дважды его вскрыть.

— Открытие озера Восток — это величайшее географическое открытие в XX веке. Исследование подледниковых водных сред Антарктиды Научный комитет по антарктическим исследованиям считает одним из ведущих направлений исследований региона в начале XXI века, — рассказывает Андрей Дмитриев.

Примечательно, что возникновение такого научного направления в целом возникло благодаря труду и успехам гляцио-буровой группы из сотрудников Горного университета и Арктического и антарктического научно-исследовательского института.

Изучение озера Восток — задача непростая. Но в 90-х годах она была еще сложнее: никто для Антарктиды денег давать не хотел, потому что это затратное дело. У России в те годы не было серьёзных лабораторий для изучения ледового керна — страна пригласила к сотрудничеству Францию с новой лабораторией в Гренобле и Америку, которая оказывала помощь в логистике (полярной авиации у России тогда тоже не было).

— Получился российско-франко-американский проект бурения для реконструкции палеоклимата Земли по данным ледяного керна, — говорит Андрей Дмитриев. — Он был завершён в 1998 году, когда глубина скважины 5Г-1 достигла глубины 3623 метра, в каких-то ста с небольшим метрах от подледникового озера Восток.

И тут, по словам Андрея Дмитриева, международное научное сообщество стало изыскивать способы не позволить россиянам бурить — формально из-за того, что наши технологии не совсем соответствуют экологическим требованиям. Российским исследователям приходилось писать массу проектов и доказывать свои возможности и наличие необходимых технологий. Официально причинами помех называлась невозможность вскрытия озера достаточно экологичным способом, чтобы не повредить уникальный реликтовый объект. Фактически же, считают полярники, дело было в банальной конкуренции и нежелании уступить первенство в таком значимом научном исследовании.

Позже русские специалисты сумели на международном уровне доказать свое право изучать озеро Восток — с тех пор препоны прекратились. Сейчас мы полностью независимы.

Интересный факт:

В 90-х годах Россия на некоторое время приостановила исследования, но станцию не закрыла, поддерживая ее в рабочем состоянии. Ликвидировать станции очень дорого и экономически нецелесообразно. Бывалые полярники вспоминают, как в 1996 году британцы решили прекратить исследования и, чтобы не тратиться на утилизацию оборудования, за символическую стоимость передали станцию «Фарадей» одной из бывших республик СССР — вместе со всем содержимым, включая запасы продовольствия и виски.

Технологии современного бурения

Специалисты Горного университета подключились к изучению Антарктиды в 1967 году по заказу Росгидромета и Института Арктики и Антарктики (ААНИИ) и участвовали во всех последующих советских и российских антарктических экспедициях, занимаясь бурением скважин во льду. А гляциологи (специалисты по изучению льда, снега — прим. ред.) из ААНИИ изучали ледовые керны. Возглавил буровые работы доцент, а впоследствии заведующий кафедрой технологии и техники бурения скважин и проректор по научной работе Горного университета Борис Кудряшов — бессменный научный руководитель этого направления исследований вплоть до 2002 года.

За эти годы работы в Антарктике разработаны технологии глубокого бурения ледовых толщ, отобраны более 3 тысяч микробиологических проб. На глубине 3600 метров были обнаружены живые микроорганизмы — термофильные бактерии, находившиеся в состоянии анабиоза более 400 тысяч лет. По результатам этих исследований учёные Горного университета получили диплом на научное открытие «Явление сверхдлительного анабиоза у микроорганизмов».

В 1998 году скважина на станции «Восток» достигла глубины 3325 метров и была включена в книгу рекордов Гиннесса. Важнейшим результатом проведённых работ стало вскрытие подледникового озера Восток, которого достигли 5 февраля 2012 года на глубине 3769,3 метра. До глубины 2200 метров скважину 5Г бурили тепловым методом. Затем перешли на технологию механического бурения — менее энергозатратную и дающую возможность получать образцы льда более высокого качества.

Вообще-то лед — очень коварная структура, и работать с ней непросто. На станции «Восток» до глубины 952,5 метров можно бурить «сухие» скважины. Далее с глубиной из-за нарастания горного давления скважина начинает «заплывать», т.е. уменьшаться в диаметре, и специалистам приходится заливать в нее специальную жидкость, чтобы компенсировать давление на скважину снаружи давлением изнутри.

— С глубиной менялись структура и физические свойства льда, определяющие механические и реологические свойства ледяной породы, и, соответственно, надо было использовать другие технологии бурения: их приходилось совершенствовать, изобретать и внедрять новые, — рассказывает Андрей Дмитриев. — Некоторые сложности удавалось решить прямо на месте, с другими приходилось труднее. Буровики возвращались из экспедиции с описанием задачи, наработки воплощали в чертежах, затем в «железе» — и в следующей экспедиции уже использовали.

Как меняется климат, или Человек ни при чем

Вообще же главная задача изучения керна как надёжного источника палеоклиматической информации — реконструкция климатических условий. Лед, как книга, хранит в себе наиболее полную информацию о колебаниях температуры воздуха, газового состава атмосферы, степени её запылённости и изменениях циркуляционного режима в масштабах от десятков до сотен тысяч лет. Именно поэтому в 67-й экспедиции ученые поставили себе задачу: из скважины 5Г на станции «Восток» добыть максимально качественный керн самого древнего льда — возрастом свыше полумиллиона лет. С помощью забурки бокового ствола из основной скважины задача была решена. Сейчас добытый ледовый материал изучается в Лаборатории изменений климата и окружающей среды ААНИИ.

— Вот я помню: в 36-ю Советскую антарктическую экспедицию мы поднимали керн — и там такая жёлтая прослойка, — вспоминает Андрей Дмитриев. Оказалось, что это пепел Везувия.

Бурение глубокой ледовой скважины 5Г позволило получить информацию о климатических изменениях и о составе земной атмосферы за последние 420 000 лет. Выяснилось, что характеристики климата и газового состава Земли испытывали сильные колебания. Ученые уже обнаружили, что климат на нашей планете периодически меняется на более теплый или холодный. Хозяйственная деятельность человека немного ускорила этот процесс, но и без нее изменения начались бы. Сейчас эксперты пытаются установить закономерность, чтобы понять: мороз ждет человечество в будущем или потепление? Именно для этого буровые коронки вновь и вновь вгрызаются во льды, добывая для ученых кусочки истории.

Исследования керна со станции «Восток» помогли осознать, что мы живём в достаточно уникальный период с точки зрения глобальных климатических изменений: тёплое время одной из межледниковых фаз, которые наступают на Земле примерно через каждые 100 тысяч лет. Продолжительность последнего межледниковья, которое называется голоцен и длится уже около 11 тысяч лет, гораздо больше предшествующих трёх межледниковых периодов, длительность которых не превышала 4–6 тысяч лет.

Часть добытого керна отправляется в Россию для изучения, а часть ученые оставляют на станции в кернохранилище (эталонной коллекции), чтобы последующие поколения, получив более совершенные технологии, смогли бы заново исследовать образцы по новой методике.

— Антарктида еще полна открытий, это один из последних ресурсов человечества. Обширные многосторонние исследования, в том числе геофизические, гляциологические, палеоклиматические, микробиологические, выполняемые на станции «Восток» российскими учёными, уникальны и определяют неоспоримый авторитет отечественной науки в изучении Антарктики, — говорит Андрей Дмитриев. — Технологии тоже улучшаются, и скоро наши полярники смогут находиться на этом континенте круглогодично уже в комфортных условиях.

По словам ученого, перед российскими специалистами стоят очень важные задачи. Впереди исследование реликтового озера Восток и взятие проб донных осадков. Специально для этого в Горном университете разработали технические средства, которые позволят отобрать образцы, не нарушив экологию озера.

— Кроме того, бурение скважин с полным отбором керна в перспективе является важнейшим этапом получения первичной информации при проведении геологоразведочных работ и дальнейшей эксплуатации месторождений полезных ископаемых, скрытых ледовыми толщами. А также, по мнению американских учёных из NASA, глубокое бурение сквозь ледовые толщи рассматривается как полигон по отработке технологий для космических миссий и научный задел для проектирования технологий и технических средств бурения на космических объектах, таких как Луна, Марс или Европа — спутник Юпитера, на полюсах которого присутствуют мощные ледовые шапки, — заключает Андрей Дмитриев.