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.
Микроорганизмы, обнаруженные в ледяном керне. Некоторые из них могут быть озерными обитателями, но утверждать это мы сможем, только получив пробы непосредственно из озера.
Размеры озера составляют приблизительно 250 х 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°С. Самая «жаркая» погода была здесь в декабре 1957 года — тогда столбик термометра поднялся до 13,6°С ниже нуля. В среднем температура в этих местах летом (которое приходится на декабрь-январь) колеблется около -30°С, зимой — около -60−65°С. 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!
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.
Вперед, к глубинам!
Попытки бурения льда на станции «Восток» начались полвека назад и сопровождались многими перипетиями. В очень упрощенном виде проникновение в лед выглядит так. В 1959−60 годах термобурами были достигнуты глубины около 40−50 метров, однако несовершенство технологии тогда не дало возможности продвигаться дальше. В середине 1960-х годов И. Зотиковым и А. Капицей был предложен проект автономного термоснаряда с нагревателем, работающим от миниатюрного атомного ректора мощностью около 100 кВт. Предполагалось, что агрегат диаметром около метра и длиной 10 метров, проплавляя лед, погрузится сквозь толщу ледника до коренных пород без образования непрерывной скважины (талая вода будет замерзать сверху), доставит вниз набор датчиков и останется внизу. Получение данных должно было осуществляться по вмороженному в лед кабелю. Проект осуществлен не был. Начиная с 1967 года технологией бурения скважин в антарктических льдах занялись специалисты Санкт-Петербургского (тогда — Ленинградского) Горного Института. Были разработаны последовательно несколько конструкций термобуров. В 1972 году была достигнута глубина 952 метра. Недостаточно отработанная технология и сложнейшие условия регулярно проводили к авариям — так были потеряны несколько скважин. В 1981 году была заложена новая скважина 3 Г, достигшая к августу 1985 года глубины 2200 метров, однако из-за прихвата бурового снаряда и последующего обрыва кабеля скважину пришлось бросить и начинать все заново. Аналогичная судьба постигла скважину 4 Г (2426 метров, 1989 год). Бурение скважины 5 Г, ныне приближающейся к поверхности озера, началось 20 февраля 1990 года.
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.
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°С. 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.
Скважина 5 Г имеет непростую историю. Грузонесущий кабель, на котором опускается бур, несколько раз рвался. В двух случаях извлечь бур не удалось, и аварийные участки пришлось обходить, начиная наклонное бурение выше места обрыва. Сейчас у скважины три ствола: 5 Г, 5Г-1 и 5Г-2. Что именно может найтись в озере — можно только предполагать. По некоторым гипотезам, подо льдом и на дне могут находиться залежи газогидратов, подобные найденным на дне Байкала. Но об этом мы узнаем еще не скоро.