Существенную часть работ по исследованию древнего льда Антарктиды выполняют сибиряки
Можно ли «отмотать» миллион лет, чтобы восстановить картину климатических процессов, проходивших в ту невероятно далёкую пору на нашей планете? Оказывается, да, хотя на досужий взгляд это что-то из области научной фантастики.
Для петербургских учёных, работающих в Антарктиде, такой невероятной «машиной времени» станет очередной образец реликтового льда. Они собираются извлечь его на сей раз из глубины почти 3,5 километра, продолжив бурение скважины в районе полярной станции Восток – недалеко от строящегося там нового зимовочного комплекса – и многолетнее исследование находящегося там, под горным массивом, одноимённого подледникового озера.
Устаревший Восток
Большинство участников 68-й Российской антарктической экспедиции (РАЭ) отправились на Шестой континент из Петербурга в середине ноября этого года.
Взяв продовольствие, топливо и другие грузы, туда отплыло с полярниками на борту научно-экспедиционное судно «Академик Фёдоров», принадлежащее Арктическому и антарктическому науч-но-исследовательскому институту (ААНИИ). Этот петербургский научный центр, государственный оператор исследований в полярных районах Земли, собственно, и организует много лет подобные экспедиции.
В полном составе полярники собрались на месте, когда судно достигло берегов далёкого континента, а отдельные участники РАЭ добрались туда воздушным путём. После чего учёные приступили к выполнению экспедиционной программы, которая обещает быть в предстоящем сезоне особенно разнообразной и сложной. Особенно на станции Восток.
Эта единственная в Антарктиде внутриконтинентальная российская станция была основана 65 лет назад, в декабре 1957 года. За минувшие десятилетия её инфраструктура, на ту пору вполне передовая, пережила две основательные реконструкции (последняя прошла 40 лет назад), и трижды станцию закрывали на временную консервацию.
Словом, она давно морально и физически устарела (первые её строения уже много лет находятся под многометровой толщей снега), не отвечает современным требованиям и нуждается в полной замене. Вот рядом ней-то и развернулись, в соответствии с масштабным федеральным проектом, строительно-монтажные работы по возведению нового зимовочного комплекса (НЗК).
Он был изготовлен в Гатчине (Ленинградская область), на Опытном заводе строительных конструкций, и там же летом 2020-го была проведена его контрольная сборка. Это громадное, длиной 140 метров и выше пятиэтажного дома, сооружение, общая площадь которого составит почти две тысячи квадратных метров. По сути, это целый полярный городок под одной крышей, который возводит подрядная компания «Запсибгазпром».
Марш-броски с «железом»
«Восточный» НЗК будет представлять собой пять модулей, стоящих на 36 трёхметровых (чтобы не заносило снегом) прочных ногах-опорах. В одну линию там выстроятся, тесно «прижавшись» друг к другу, два служебно-жилых помещения, модуль с дизель-генераторами и системой очистки воды, склад с резервным генератором электроэнергии и гараж.
В прошлом сезоне полярники подготовили площадку-фундамент, где строители установили могучие опоры НЗК. Теперь же подрядчику предстоит выполнить самую ответственную операцию: смонтировать за короткое полярное лето часть нового комплекса. А до конца будущего года планируется установить его каркас, обеспечить внешнюю обшивку и утеплить её, а затем приступить к пуско-наладке систем отопления и вентиляции…
– Работы на НЗК начались в этом году на месяц раньше обычного, что очень важно в условиях короткого строительного сезона в Антарктиде, – прокомментировал директор ААНИИ Александр МАКАРОВ. – Новый аэродром, построенный на станции Прогресс, позволил быстро доставить на континент группу строителей. И теперь нужно успеть собрать три зимовочных модуля и доставить туда до наступления антарктической зимы все нужные материалы.
От российской станции Прогресс, куда морским транспортом перевезли значительную часть грузов для НЗК, до строительной площадки санно-гусеничный поезд сделал пять трудных марш-бросков. Более 830 тонн стройматериалов, «упакованных» в контейнеры, и топлива на станцию Восток, расположенную почти в центре континента, за полторы тысячи вёрст от прибрежной базы, таким образом, уже прибыло.
В ближайшее время планируется совершить ещё два таких перехода с тяжёлым «железом». А всего в этом сезоне на Восток нужно доставить более 2,5 тысячи тонн строительных грузов для НЗК. Причём закончить эти работы полярники должны не позже 10 февраля – до наступления лютых морозов. В этих операциях задействованы 90 представителей РАЭ и компании-подрядчика, а также 45 единиц техники: транспортёры «Полар-300» и трактора «Катерпиллар».
От глубин до самого неба
Но эти усилия, конечно, оправданны. В новом комплексе, который Россия строит за счёт средств федерального бюджета недалеко от Южного полюса холода (в июле 1983-го там была зафиксирована самая низкая на Земле температура, минус 89,2 градуса), будут круглогодично жить в комфортных условиях и работать не только петербургские учёные, но и полярники из других регионов страны.
Кроме жилых и служебных помещений, включая лаборатории, под одной крышей в НЗК (его намечают построить в 2025 году) будут располагаться медицинский блок с операционной, кают-компания с бильярдом и кинозалом, спортзал и сауна. Каждый сезон там будут жить до 35 полярников, а в период зимовки – до полутора десятков. Словом, это значительная и очень важная часть программы РАЭ, и полярникам нынче будет чем заняться в Антарктиде даже без научных работ. А исследований тоже намечено провести довольно немало.
По словам Александра Макарова, для предстоящего сезона характерен широкий спектр исследований, затрагивающих буквально все компоненты природной среды Антарктиды – от океанических глубин до верхних слоёв атмосферы. Это не одна-две, а несколько десятков научных программ, которые подготовили, кроме петербургских учёных, сотрудники Росгидромета, ведущих научных центров РАН и представители Минприроды РФ.
Ключевая задача при этом остаётся прежней: исследование внешней среды Антарктики в условиях «капризного» климата. Учёные продолжат также изучение озонового слоя атмосферы над континентом. В прошлом году, отмечают они, озоновая дыра там вновь стала расти, достигнув небывалых размеров: порядка 25 миллионов квадратных километров. Это больше по площади, чем сам материк с прилегающими к нему акваториями. И концентрация озона оказалась там довольно высокой по сравнению со среднестатистическими значениями, что тоже вселяет тревогу.
– Картина ледообразования, которую много лет изучают в этих местах наши сотрудники, разная, – добавляет Макаров. – В тихоокеанском секторе наблюдается уменьшение ледовитости, а в атлантическом образование морского дрейфующего льда идёт более активно, чем обычно.
Учёные рассматривают, однако, не только текущие природно-климатические процессы. Чтобы выяснить динамику таких изменений и сделать прогнозы, они изучают палеоклимат. Но об этом, право, стоит рассказать подробнее.
Уникальный водоём
Совершив в середине декабря перелёт по маршруту Петербург – Кейптаун – центральная Антарктида, петербургские учёные, осуществляющие этот значимый проект, достигли станции Восток. Состав данной научной группы год от года меняется, но неизменно в неё входят как буровики, так и гляциологи – знатоки льда. За бурение там отвечают сотрудники Санкт-Петербургского Горного университета, а исследовательскую часть работ берут на себя представители ААНИИ.
На сегодняшний день это один из самых масштабных и необычных научных проектов России.
Ещё в середине прошлого века советские учёные предположили, что под толщей антарктического льда в районе станции Восток скрывается озеро. А через двадцать лет, благодаря комплексным исследованиям, которые проводились с применением геофизического и других видов оборудования, никто уже в этом не сомневался. Да, озеро есть – не очень глубокое, но довольно большое, примерно 260 на 50 километров, и на протяжении многих миллионов лет оно было изолировано от внешнего мира.
И всё же его существование требовалось доказать, предъявив миру факты. Первые попытки приступить к бурению скважины 1Г (то есть первой глубокой) в районе станции Восток начались в далёком 1970 году. Правда, вести эти работы полярники начали главным образом для того, чтобы получить оттуда образцы керна и восстанавливать по ним палеоклимат.
Техника и технологии, имевшиеся на ту пору, долго не позволяли опуститься ниже требуемых глубин. К тому же перед полярниками стояла задача выполнить работы предельно «аккуратно», не нанося вреда хрупкой природе этого полярного региона, как того требует международная конвенция по освоению Антарктиды.
Сделать рывок им удалось только в ходе бурения очередной, пятой по счёту глубокой скважины (5Г), в 1990 году. А ещё через три года произошло официальное открытие подледникового озера Восток, получившего своё название в честь российской полярной станции.
Осуществить это позволила особая технология бурения, разработанная в Горном. Потом, однако, наступило затишье. А проникнуть в реликтовое озеро, находящееся на глубине 3,7 километра под горным массивом в районе станции Восток, удалось уже российским учёным, членам РАЭ.
Эффект «тёплого льда»
Первое вскрытие водоёма, ставшее настоящей научной сенсацией, произошло 5 февраля 2012 года на глубине три километра 769,3 метра.
Но это был действительно только первый шаг, позволивший «дотронуться» до этого удивительного природного объекта. Методика буровых работ с применением экологически чистых растворов и жидкостей тогда была ещё далека от совершенства…
Как вспоминает завкафедрой бурения Горного университета профессор Николай ВАСИЛЬЕВ, к работам по бурению льда в Антарктиде представители этого вуза приступили в 1967 году. Они велись тогда под руководством Бориса Кудряшова, опытнейшего специалиста по бурению в осложнённых условиях.
– Бурение скважины 5Г началось в 1990 году, и осуществляли его тепловым способом, – пояснил далее завкафедрой, – для этого использовали толстые тяжёлые кабели. Но в условиях Антарктиды доставить их было нелегко. Тем более – станция Восток находится на огромном расстоянии от берега, и каждый раз требовалось тщательно продумать переброску туда всех необходимых материалов и механизмов. А при механическом способе бурения керн получается более качественным.
Но когда скважину удалось углубить до 3 000 метров, потребовалось преодолеть проблему так называемого «тёплого льда», температура которого близка к температуре фазового перехода между льдом и водой, и при любом воздействии он начинает плавиться.
Не обходилось, к сожалению, и без знакомых всем буровикам осложнений и аварий на скважине. Они были вызваны налипанием частиц ледяного шлама на забойный буровой инструмент и некоторыми другими факторами. Несколько лет назад в Горном, однако, была создана технология, позволившая очищать буровой снаряд и не подвергать лёд дополнительному воздействию, отмечают сотрудники вуза.
Один рейс забойного снаряда занимает около пяти часов, и за это время он проходит всего метра три, не больше. Выполняя бурение, специалисты должны исключить при этом попадание в скважину микроорганизмов с поверхности озера, а сам водоём должен быть защищён от попадания в него вредных веществ, содержащихся в буровой жидкости. Это ключевое условие работ, и петербуржцы такие требования, конечно, соблюдают на протяжении всего хода работ.
– По технологии, используемой нами при бурении, на этой скважине создаётся эффект недокомпенсации давления столба заливочной жидкости, – говорят участники проекта. – За счёт разницы давления вода из озера поднимается и замерзает в скважине, после чего мы её разбуриваем и поднимаем на поверхность в виде ледяного керна. Но для такой работы нужны, конечно, точные расчёты. Кроме того, какое-то время необходимо поддерживать скважину в незамёрзшем состоянии.
Кто отладит модель
Научную значимость получаемых там материалов, конечно, трудно переоценить. Но качественный керн взять с нужных глубин практически не удавалось, да и методики его анализа в предшествующие годы не вполне отвечали потребностям фундаментальной науки. Но они развивались, и когда скважина дошла до забоя на отметке 3,4 километра, решено было повторно пройти слой льда несколько ниже, чтобы получить особенно древний ледяной керн.
Год назад, в прошлом сезоне, бурение этой скважины (точнее, нового её ствола на данной глубине) в Антарктиде позволило получить довольно качественные образцы льда возрастом почти 600 тысяч лет. Эти живые свидетели прошлого были бережно доставлены для лабораторных исследований в Петербург и Иркутск, где находится Лимнологический институт Сибирского отделения РАН, партнёр ААНИИ.
Сибиряки выполняют существенную часть этих лабораторных исследований. Для чего? Оценивая концентрацию химических веществ в ледяном керне и другие параметры, учёные смогут создать и «отладить» требуемую климатическую модель. А она поможет им заглянуть в будущее – спрогнозировать возможные изменения климата на Земле.
В новом сезоне углубить скважину 5Г-5 на Шестом континенте предстоит гляцио-буровому отряду, состоящему из дюжины человек. Его ведущий буровик Алексей Большунов возглавил команду Горного, в которую вошло восемь человек, большинство из них – молодые сотрудники университета в возрасте до 30 лет, впервые попавшие на этот студёный материк.
Другая же группа полярников будет выполнять свою часть работ под руководством начальника отряда Алексея Туркеева, ведущего инженера лаборатории изменений климата и окружающей среды (ЛИКОС) ААНИИ. Для него это, напротив, шестая антарктическая экспедиция, – причём четыре раза он руководил там группой зимовщиков.
А опыт и компетенции играют в этом деле, само собой, решающую роль. Ведь речь идёт, повторим, об одном из самых необыкновенных научных проектов нашей страны. В новом сезоне он выполняется по программе 68-й РАЭ, и тоже связан с изучением палеоклимата Земли на основе получаемых из подледникового озера и над ним застывших столбиков воды, то есть кернов реликтового льда.
Бесценный материал
Предстоящая сезонная программа – ещё более непростая и ответственная, чем год назад.
Участники экспедиции поведали о ней журналистам за несколько дней до вылета к месту работ. После прибытия на станцию Восток и акклиматизации полярники расконсервируют буровой комплекс и проведут геофизические исследования, которые покажут состояние скважины на текущий момент, рассказал начальник отряда. Один из участников экспедиции, профессиональный геолог, апробирует современное геофизическое оборудование на станции и обучит навыкам работы с ним своих молодых коллег, добавил Алексей Большунов.
Затем полярники продолжат бурение в круглосуточном режиме (необходимо пройти ещё около ста метров). Ожидается, что все эти работы займут порядка 30–35 дней. Завершить их планируется в начале февраля 2023-го.
Что это даст? Если выполнить всё намеченное, учёные получат новый бесценный материал для научных изысканий возрастом около миллиона лет или более того. Это будет, как они шутят, самый дорогой лёд на Земле, добытый в самых экстремальных, тяжелейших условиях – недалеко от Южного полюса холода, – с использованием технологий, разработанных в Горном университете.
– Исследования древнего льда Антарктиды имеют огромное значение для мировой науки, – считает директор ААНИИ Александр Макаров. – Они направлены на выяснение причин перестройки климатической системы Земли, случившейся как раз около миллиона лет назад. Изучив состав этого льда, можно сделать выводы о роли углеродного цикла и парниковых газов в глобальных климатических изменениях, происходящих на нашей планете из-за естественных причин и под воздействием хозяйственной деятельности человека.
Но почему рассказать об этом способен именно лёд, извлёченный из глубин Шестого континента? Там особый ледяной покров, пояснил кандидат географических наук Владимир Липенков, заведующий лабораторией ЛИКОС.
– Это уникальный источник данных о газовом составе атмосферы в далёком прошлом, – отметил учёный. – Поэтому изучение древнего льда Антарктиды – едва ли не единственный способ точно оценить антропогенное воздействие на атмосферу за всю индустриальную эпоху. На основе таких данных можно исследовать, кроме прочего, механизмы изменения климата и факторы, влияющие на них. А это позволит создавать прогнозные модели возможных трансформаций климата и их влияния на жизнь всех людейё.
Аналог лунной базы
По словам учёного, полярники из других стран, работающие в Антарктиде, тоже занимаются изучением таких «красноречивых» полевых материалов. Но, в отличие от иностранных коллег, российские учёные ведут буровые работы в той части континента, где возраст древнего льда (оцениваемый с применением целого ряда методик) подтверждён серьёзными научными исследованиями.
Когда же на станции Восток появится новый зимовочный комплекс (НЗК) с превосходно оснащёнными научными лабораториями, строительство которого там активно ведётся, это поможет выйти на более высокий уровень работ, заверил Макаров. А получив научные результаты мирового значения в приоритетных направлениях антарктических исследований, говорит директор института, Россия, бесспорно, закрепит свои лидирующие позиции на Шестом континенте.
Руководитель ААНИИ рассказал также об изучении микропластика (эта беда «дотянулась» и до далёких берегов Антарктиды), его концентрации и распределения.
Характеризуя особенности научной программы нового сезона, он затронул и такой её значимый раздел, как агрокультурные эксперименты. Петербуржцы проводят их там вместе с москвичами, учёными из Агрофизического института и Института медико-биологических проблем РАН.
Речь идёт о выращивании в фототехническом комплексе, то есть оранжереях, 58 сортов разных культур – овощей и зелени (учёные достигли там, кстати, большой урожайности) с использованием гидропонных грунтов – искусственной среды, заменяющей почву. Такие работы ведутся в рамках научной программы «Использование российской станции Восток в качестве аналога долговременной обитаемой базы на Луне» и для моделирования условий на космических станциях, пояснил Макаров.
Автор: Виктор Юшковский