18 февраля 2019 г. | Автор: Редакция OYLA
Затерянный Vostok

Мечта фантастов о «затерянном мире» может стать явью. Только затерялся он не на просторах Южной Америки, а на самом холодном континенте — Антарктиде. Глубоко подо льдом скрыто гигантское озеро, которое миллионы лет было изолировано от внешнего мира. Что нас ожидает на дне?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5(33). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Южный форпост науки

Температура. «Восток» находится в одном из самых холодных мест планеты. Так, 21 июля 1983 года на станции была зарегистрирована температура −89,2 °C, что считается рекордом ХХ века.

Воздух. Антарктида — одно из самых сухих мест на Земле, поэтому воздух возле станции имеет нулевую абсолютную влажность и при этом сильно ионизирован. Полярники часто испытывают проблемы с дыханием из-за пониженного содержания кислорода.

Полярная ночь длится 120 дней.

Штат исследователей. Летом на станции находятся около 40, а зимой до 20 учёных и инженеров.

Содержание кислорода. Вода в озере пресная, с очень высоким содержанием кислорода (в 50 раз выше нормы). Кислород поступает в воду от тающего льда.

Температура воды. На глубине температура колеблется вокруг 10 °C. Предположительно, воду подогревают подземные геотермальные источники.

Давление. Расчёты показывают, что давление в озере составляет более 300 атмосфер; оно создаётся толщей льда. 

​Тайны мирного континента

Антарктиде повезло: в 1959 году 12 стран, имевших на континенте научные представительства, подписали договор о запрете создания на его территории военных баз, проведения военных манёвров и испытания любых видов оружия. С тех пор человек появляется здесь исключительно с исследовательскими миссия­ми. Результатом работы одной из них стало предположение, что на глубине в несколько километров под ледяной шапкой Антарктиды температура близка к точке плавления льда. Догадка эта была высказана в 1957 году и стала первым шагом к грандиозному открытию. 

Вторым явилось сейсмическое зондирование льда в районе советской станции «Восток», проведённое научной экспедицией под руководством советского географа ­Андрея Капицы, сына нобелевского лауреата Петра Капицы. В результате был зафиксирован сигнал, отражённый от некой плоской поверхности подо льдом. Около 30 лет его воспринимали как свидетельство наличия слоя мёрзлых пород под многокилометровым панцирем льда. Однако отражающая плоскость была настолько ровной и гладкой, что Андрей Капица высказал предположение о наличии огромного подлёдного озера длиной более 250 км, шириной 50 км и глубиной более 1 км!

Техника, которая могла бы подтвердить существование водоёма, появилась только в 1990‑е. Мощный радар и современный радиолокационный метод глубинного зондирования Земли позволили британско-российской группе учёных под руководством Гордона Робби получить результаты, усомниться в которых не могли даже самые отъявленные скептики: подо льдом скрыто гигантское озеро. Его контуры проявляются на ледовой поверхности материка — это в 1993 году доказал с помощью точнейшей спутниковой лазерной альтиметрии британец Джефф Риддли. Оказалось, что полярная станция «Восток» находится в центре плоской как стол ледяной равнины, являющейся своеобразной проекцией озера на ­поверхность.

Станция «Восток»

Климатические условия на российской станции «Восток», наверное, самые суровые на планете. В июле 1983 года здесь была зафиксирована самая низкая температура на Земле –89,2 °C (на таком холоде глазное яблоко замерзает почти моментально), а высота станции над уровнем моря (3488 метров) является причиной постоянной нехватки кислорода у полярников. Многомесячная адаптация к таким условиям обходится организму очень дорого: потеря веса может достигать 10–12 килограмм. Но люди работают здесь с 1957 года: исследуют климат континента, его геологию и, конечно, бурят в научных целях лёд Антарктиды. Кроме того, неподалёку находится Южный геомагнитный полюс, который тоже является объектом изучения. Вокруг «Востока» практически нет жизни, только следовые количества микроорганизмов. В летнее время на станции работают до 40 человек, в зимнее, самое суровое, остаются только двадцать.

​Скважина 5Г

Вода в озере в течение нескольких миллионов лет была полностью изолирована от внешнего мира, в котором шла эволюция, появлялись и исчезали биологические виды и роды. В подлёдном же водоёме жизнь «застыла», что, конечно, представляет огромный интерес для исследователей.

В 1990 году первые термобуровые снаряды вошли в лёд Антарктиды в районе станции «Восток». Целью было доб­раться до озера и взять пробы уникальной воды. Вообще, советские научные экспедиции с 1970‑х годов бурили лёд южного материка — четыре скважины относились к категории глубоких. По­этому, когда к озеру устремился тепловой бур, скважине дали название 5Г: пятая глубокая. Бурение тепловым способом происходило за счёт плавления льда в забое под действием нагретой кольцевой коронки. Это требовало огромного количества электроэнергии — в десятки раз больше, чем при традиционном механическом бурении. По этой причине, а также из-за низкого качества отобранного льда исследователи сменили тепловой снаряд на электромеханический KEMS-132. Случилось это на глубине 2755 метров.

Команда учёных из Франции, СССР и США в 1989 году начала бурение скважины 5Г-1. Целью проекта было изучение изменений климата Земли.

А в 1998 году на отметке 3623 метра работы остановили. Почему? В качестве промывочной жидкости буровики использовали смесь авиационных керосинов со специальным утяжелителем — фреоном. Утяжелитель нужен для полноценной компенсации горного давления ледяной толщи: без него скважина может сжаться. Можете представить, что натворила бы такая ядовитая смесь, попав в озеро? Большая часть его уникальной биоты погибла бы, как только бур вошёл в воду. Именно поэтому — с целью сохранения реликтовой системы озера — в 150 метрах от его поверхности работы были приостановлены на целых восемь лет. Это была инициатива Международного научного комитета по антарктическим исследованиям SCAR (Scientific Council for Antarctic Research). 

На помощь исследователям и буровикам пришла кремнийорганическая жидкость из класса олигодиметилсилоксановых соединений. Эта гидрофобная жидкость благодаря химической инертности безвредна для человека и животных, что позволяет надеяться на нейтральность её воздействия на микроорганизмы озера. Механический бур заменили термобуровым снарядом ТБПО-132, который, протаивая воду, создаёт дополнительный буферный слой под кремнийорганическим промывным раствором. Плотность жидкости в скважине пришлось снизить так, чтобы её давление было на 0,3–0,4 МПа ниже предполагаемого давления в Востоке и буровой раствор не попал в озеро. Вода должна была сама подняться по скважине на 30–40 метров и моментально замёрзнуть. Этот «свежий» реликтовый лёд предполагалось добыть с помощью колонкового электромеханического снаряда.

 Грузы доставляются самолётом — в летнее время, зимой добраться до станции практически невозможно
Вскрытие

28 ноября 2011 года для решающего штурма на станцию «Восток» прибыл новый буровой отряд. Уже к 12 января следующего года бур достиг отметки 3737,5 метра. А 4 февраля на глубине 3766 метров он вошёл в соприкосновение с водной линзой — так закончились 15 миллионов лет изоляции уникального подлёдного озера.

Многое в этой сложнейшей технической операции пошло не так, как задумывалось. В частности, оказалось, что температура воды в озере составляет –2,65 °C, а давление превышает 400 атмосфер! Поэтому вода из Востока поднялась на 600 метров по створу скважины, смешалась с буровым раствором и замёрзла. На поверхность извлекли около 30–40 литров воды, представляющей собой смесь раствора и загрязняющих воду микроорганизмов. Через год удалось достать уже двухметровый керн льда и исследовать его состав. Однако лёд в скважине осложнял повторное бурение, поэтому 15 января 2015 года учёные сделали параллельную скважину и повторно проникли в реликтовый мир.

В воде предсказуемо не обнаружили растворённого органического углерода, но она была высоко насыщена кислородом — до 800 миллиграммов на литр, что в десять раз выше предельных значений, при которых способны выжить бактерии. Микробиологам пришлось потратить много времени на выделение бактерий, попавших в пробы с внешним загрязнением, — так называемых контаминантов. Но и открытия уникальных видов не заставили себя ждать.

Срезы льда с разных глубин скважины

Ледяной панцирь на поверхности образуется постоянно: снег утрамбовывается вновь выпавшими осадками и погружается в нижний слой, который имеет зернистую структуру и находится на глубине до 54 метров. Далее он уплотняется — на позднем снеге, до 1837 метров, отчётливо видны годовые полосы. На дне скважины (3051 метр) лёд имеет примеси песка и ила. Чем ниже ледяной срез, тем большее давление он испытывает.

В 2016 году сотрудники лаборатории криоастробиологии Петербургского инс­титута ядерной физики объявили об обнаружении микроорганизма под кодом w123–10. Геном этого «микроба» на 14% состоит из уникальных последовательностей нуклеотидов, что уже позволяет причислить его к разряду ранее неизвестных. Кстати, этот организм оказался не первым здешним «незнакомцем»: в 2004 году ещё на стадии бурения льда на глубине более трёх километров были найдены бактерии Hydrogen Phallaceae thermoluteolus, отличающиеся уникальной способностью жить при –50 °C. Скудный набор обнаруженных на сегодня животных не должен вводить в заблуждение: до сих пор, где бы ни находили на Земле воду, везде была жизнь. Основная масса открытий впереди.

Озеро Восток нельзя назвать уникальным: в Антарктиде найдено уже более 400 подлёдных водоёмов гораздо меньшего, впрочем, размера. К примеру, озеро Элсуорт, по предположению британских учёных, было изолировано от внешнего мира более 125 000 лет и сейчас становится важным объектом исследований. Пробы воды из небольшого подлёдного озера Уилланс (глубиной всего несколько метров под 800‑метровым ледяным щитом) были отобраны американскими полярниками-буровиками в начале 2013 года. Оказалось, что в озере обитают колонии микроорганизмов, концентрация которых всего в десять раз меньше, чем в океанической воде. Энергию эти бактерии получают не от Солнца, а за счёт расщепления углеводов.

Зондирование земли

Исследуя глубины планеты, учёные устраивают мини-землетрясения. Обычно это мощные взрывы, ударные волны от которых устремлены под землю, — по характеру их прохождения сквозь горные породы определяют строение коры земного шара. Для регистрации отражённых сейсмических волн устанавливают сейсморазведочные станции, которые кроме прочего распознают на глубинах нефтяные и газовые месторождения, а также пустоты и подземные озёра. Сейсмологические исследования Антарктиды в конце 1950‑х позволили сделать важное открытие — определить толщину ледяного щита, варьирующуюся от 2 до 4 километров. Этот метод даёт возможность проводить достаточно точную разведку, но очень энергозатратен и недёшев. Более современным является подповерхностное георадиолокационное зондирование глубин, при котором мощный радар электромагнитными импульсами «просвечивает» земную кору, регистрируя отражённый сигнал. Именно так, с помощью георадара, установленного в самолёте, были определены истинные размеры подлёдного озера Восток.

Десятилетия исследований уникальных озёр позволили лишь прикоснуться к реликтовому подлёдному миру, и эти попытки сложно назвать особо удачными. Учёные предполагают, что если жизнь и процветает в Востоке, то ближе к донной части озера, где температуры не столь низкие. Глубокое погружение в подлёдные воды сопряжено с массой трудностей, но может дать ответы на множество вопросов, в том числе о возможности существования жизни за пределами нашей планеты.

Чрезвычайно слабое движение воды в Востоке подразумевает сохранение в неизменном виде на протяжении миллионов лет донных наносов. А это очень интересный объект исследования для геологов, которые способны прочитать по наносам историю целого континента. Их форма и состав расскажут о климате и движении ледяного щита Антарктиды. Пока же геологи изучают лёд из скважины, несущий информацию о климате за последние 400 000 лет!

Дело в том, что, к примеру, спутник Сатурна Энцелад покрыт многокилометровой коркой льда, а под ней может скрываться океан, насыщенный жизнью. И Энцелад не уникален: на Ганимеде, Каллисто и Европе (спутниках Юпитера), предположительно, тоже есть глубинные океаны. Озеро Восток может стать моделью развития внеземной жизни. Высадиться на спутниках Сатурна и Юпитера мы в обозримом будущем не сможем, а вот проникнуть в глубь подлёдного озера вполне реально.

Эпопея с озером в глубине Антарктиды стала замечательным примером международного содружества учёных, когда отношения между странами и людьми не омрачены военным присутствием и милитаристскими настроениями. Международный комитет по антарктическим исследованиям SCAR стал круглым столом, на котором ведущие научные державы делятся информацией и обобщают свои знания в очень непростом деле изучения Антарктиды. Внимательно следим за квестом «Восток подо льдом» — продолжение обещает быть увлекательным!