История глубокого бурения озера «Восток» и тайны земного климата.
Открытие озера Восток - одно из крупнейших географических открытий второй половины ХХ века. Своё название озеро получило от советской (теперь Росcийской ) научной станции Восток, работающей в этом районе с 1957 года. Существование подлёдных озёр в Антарктиде было теоретически обосновано и предсказано Андреем Капицей ещё в 1955-1957 годах. В 1961 году Игорем Зотиковым были проведены теплофизические расчёты, основанные на решении уравнений теплопроводности в леднике. Из расчётов следовало, что температура льда у нижней границы ледяного щита равна температуре плавления (-2*С) при давлении у ложа более 300 атмосфер. Эта вода может скапливаться в отдельных углублениях подлёдного ложа в виде озёр под самой толстой центральной частью Антарктического ледяного щита. Впоследствии теория подтвердилась практикой. Сейчас обнаружено более 400 озёр, скрытых льдами ледяного континента. Сейсмическое зондирование под станцией Восток, проведённое под руководством Андрея Капицы в 1959-1964 годах позволило определить толщину ледяного покрова под станцией и указало на наличие границы льда с водой. В январе 1970 года начато бурение первой глубокой скважины на Востоке. В 1971-1978 годах аэрорадиолокацирнное профилирование позволило определить примерные размеры водного объекта. В 1996 году были определены размеры озера 250 на 50км., глубина около 1200м, площадь поверхности 15,5 км3 объём воды 6343км3. Вода практически пресная, имеет температуру от -2* до +10-12*С за счёт геотермальных источников.
В 1990 году начался совместный российско-франко – американский проект по бурению очередной, уже пятой по счёту глубокой скважины (5Г –«пятая глубокая»). Предыдущие четыре были утеряны в результате различных аварий. Работы велись специалистами Арктического и Антарктического НИИ (ААНИИ) и Санкт –Петербургского Горного Института (СПбГИ).
В 1995 году 5Г-1 преодолела отметку 3109м и стала самой глубокой скважиной в мире во льду.
Февраль 1998 –бурение остановлено на глубине 3623м примерно в 120м от поверхности озера из-за беспокойства мирового научного сообщества по поводу возможного загрязнения озера. Дело в том, что в качестве заливочной жидкости в скважину заливают смесь фреона и керосина. Для того чтобы скомпенсировать давление льда и скважину не сжимало. Измерения показывают, что за год между сезонами бурения диаметр скважины всё равно уменьшается с 139 до 138 мм, поэтому её приходится заново разбуривать для обеспечения безаварийной работы. Образцы льда из керна с глубины 3623м позволили исследовать климат Антарктиды за последние 420 тыс лет.
В декабре 2005 года, после предоставления результатов экологической экспертизы, буровые работы на скважине 5Г-1 были возобновлены. Горным институтом была разработана экологически безопасная методика проникновения, одним из главных условий которой является пониженное давление заливочной жидкости на забое скважины в момент вскрытия озера-таким образом, чтобы озерная вода поднялась в скважину на несколько метров ,и заливочная жидкость не попала в озеро. С этого года иностранцы не участвуют в проекте, он стал только российским. 22 января 2006 года, в конце бурового сезона, глубина скважины составила 3650м.
19 октября 2007 произошла авария. На глубине 3666,54, буровой снаряд застрял в скважине. Многочисленные попытки поднять его окончились 23 ноября разрывом несущего кабеля и потерей снаряда.
В следующий буровой сезон, в январе 2009 на глубине 3580м начаты работы по бурению нового ствола скважины 5Г с целью обойти застрявший во льду снаряд. Впервые в мире эта операция выполнялась на такой глубине электромеханическим буром. Каким образом это было сделано-профессиональная тайна инженеров-буровиков СПбГИ. В конце сезона глубина нового ствола 5Г-2 была 3599м.
На следующий год глубина 5Г-2 достигла 3650м. До водной поверхности озера оставалось чуть больше ста метров, но сезон закончился,надо было улетать на большую землю.
Проникнуть в озеро удалось в 2012 году. Работа шла с большим трудом. Бурить приходилось «теплый» (близкий к точке плавления), вязкий крупнокристаллический лёд-такого опыта не было ни у кого в мире. 5 февраля скважина 5Г-3 достигла озера Восток на глубине 3769,3м. Именно тогда благодаря публикациям в прессе многие впервые узнали и про Озеро, и про исследования на станции Восток. После вскрытия озерная вода поднялась по скважине на 360 метров и замерзла. На разбуривание её ушло 3 сезона, а изучение замерзшей воды дало новые знания об озере. Достаточно точно стал известен изотопный и химический состав воды. В замерзшей озерной воде даже нашли следы нового вида бактерий, но подтверждение этих данных (действительно ли найденные бактерии из Озера?) по ряду причин затруднено.
Вскрытие озера Восток стало мировой сенсацией и географическим событием года. Непосредственные участники были награждены правительственными наградами и представлены к Государственной премии. Сотрудники Горного института и ААНИИ на протяжении более 20 лет участвовали в сезонных работах по бурению на станции Восток. Это стало делом их жизни и результат был получен!
Какой же научный смысл этой титанической работы? Зачем нужно получение ледяных кернов Антарктического льда и как их исследуют? Изучением льда занимаются учёные гляциологи. В ААНИИ это Алексей Екайкин. У него очень интересные блоги во многих соцсетях. В институте основная деятельность, это изучение палеоклимата по данным ледяных кернов. Ледяные керны, это образцы льда, которые извлекаются в Антарктиде с разных глубин в результате бурения. На буровой установке лед бурят, достаются цилиндры из этого льда. Хранятся они на станции Восток в кернохранилище, под толщей снега. Там естественным образом поддерживается постоянная температура около -55*С. При необходимости ледяные столбы кернов распиливают и отправляют для изучения в лаборатории России и за границу коллегам-гляциологам. Есть целый столбик этих цилиндров длиной почти 4 километра, по ним можно узнать, какой был климат в прошлом. Чем глубже идешь, тем возраст льда больше и больше. Проведя анализы кусочков льда гляциологи знают какие были климатические условия на планете. На станции “Восток” возраст на глубине 3 тысячи 300 метров - 420 тысяч лет. Это хорошо датированная часть ледяного керна, где датировка, понятно, что с определенной ошибкой. А глубже есть еще 200 метров льда атмосферного происхождения, который гораздо старше. Недавно получили уточненную датировку, почти до 1,5 миллиона лет. Но этот лед пока мало исследован.
Цель всех этих исследований, это изучение прошлого климата Земли. Мы живем в нашу эпоху индустриальную, антропогенную, когда человек царствует на планете. Мы, изучаем, как меняется погода, климат. Для этого стоят метеостанции на планете. Благодаря этому можно регистрировать рост температуры, который называется “глобальное потепление”. Но эти измерения температуры, это последние 300 лет. Инструментальные измерения температуры и климата. А что было до того, как узнать? 300 лет в общем времени жизни нашей планеты, это доля секунды. По крайней мере, последние 500 миллионов лет, это такой интересный период, когда на Земле бурно развивается жизнь. Последние 100 тысяч лет, это последний Ледниковый цикл, в течение которого человек зародился. Последние 10 тысяч лет, это наша теплая эпоха, в которой мы живем. Где мало льда на планете, довольно теплый климат. Это время зарождения сельского хозяйства, развития всех современных государств, цивилизаций. Есть разные масштабы времени, которые нас интересуют. Тем не менее, как узнать какой был климат тогда? Для этого есть наука палеогеография. От слова “палео”, это древний, и “география”, это география. Ну, или палеоклиматология, которая конкретно изучает климат прошлого. И ледяные керны, это метод очень надежный, который дает самый большой набор данных о прошлом климате Земли. Любые компоненты, все, что во льду есть, все можно измерить и все это дает какую-то климатическую информацию. Один из основных методов - это изотопный состав. Есть молекулы более легкие, более тяжелые, это стабильные молекулы, стабильные изотопы кислорода и водорода. Речь идет о том, что эти изотопы тяжелые есть везде. В воде, которую мы сейчас пьем довольно много тяжелых изотопов, гораздо больше, чем в Антарктиде. В Антарктиде более легкая вода. Концентрация этих изотопов говорит о температуре. У нас климат теплее, чем в Антарктиде, здесь тяжелых изотопов будет больше. В Антарктиде холоднее, там тяжелых изотопов будет меньше. Метод относительно простой.
По всему ледяному керну измеряется изотопный состав, концентрацию тяжелых изотопов и получается распределение температуры в прошлом. И осталось только узнать какой возраст льда на какой глубине. Можно мерить химический состав. Можно выделить отдельные химические примеси, ионы, которые приходят из моря, это натрий и хлор. Некоторые приходят с континентов, допустим, кальций. Мерить отдельно их концентрацию. Если возрастает количество кальция, понятно, что есть больше перенос пыли с континента в Антарктиду. Это значит, что больше была площадь суши в то время. И были интенсивнее атмосферные циркуляции. Когда идем в лед последней ледниковой эпохи, максимум оледенения, там во много раз возрастает количество пыли и примесей за счет того, что площадь суши тогда была больше, уровень океана был ниже. Много воды сидело на континентах в виде льда. Уровень моря понижался, площадь суши была гораздо больше, чем сейчас. Было больше пустынь. Из пустынь несло пыль в Антарктиду, соответственно, больше пыли обнаруживается в то время. То есть, уже есть температура, есть какие-то знания циркуляции.
Морские примеси химические, натрий, хлор, могут дать представление о площади морского льда. Потому, что если площадь льда больше, лед закрывает океан, соответственно, меньше пыли, меньше морских ионов приносится в Антарктиду. А потом, самое интересное, по антарктическому льду можно измерить сколько было газов в воздухе. Газовый состав атмосферы можно измерить напрямую. Когда лед образуется в центральной Антарктиде, или в центральной Гренландии, он образуется без участия воды. Там настолько холодно, что даже летом температура минус 20 градусов. Это в лучшем случае, обычно ниже. Воды там нет никакой в жидком виде. Поэтому лед образуется постепенно за счет медленного сжимания снега. То есть, постепенно медленно сжимается за 2 тысячи лет, эти поры закрываются. И постепенно образуются воздушные пузырьки в этом льду. Эти пузырьки захватили атмосферу, которая была в то время. Все исследования показывают, что там состав атмосферы в пузырьках неизменный. Куда ей там деваться, она во льду заключена, какая-то есть диффузия, обмен небольшой между пузырьками, но это не меняет, в общем, состав этого воздуха. У нас есть данные о том, какая была атмосфера в прошлом.
Первые данные по керну “Востока” были опубликованы еще в годах 1980-х. За все эти 400 тысяч лет... За все, полных четыре климатических цикла, то есть, оледенение, межледниковье, каждый цикл 100 тысяч лет.
У нас появился и ряд содержания парниковых газов в атмосфере Главные два, это углекислый газ и метан.
Было показано в первый раз по надежным данным, что всегда есть четкая связь между уровнем парниковых газов в атмосфере и температурой. Они четко повторяют друг друга. Содержание углекислого газа в 2018 году 408 частей на миллион. Или четыре сотых процента. В относительных единицах, это очень мало, четыре сотых процента, это очень небольшое содержание. Но газ этот очень важный как парниковый газ. Поэтому получается, что это очень много, если посмотреть в прошлое, таких концентраций не было уже последние полмиллиона лет, как минимум. Там менялось от 180 до 280 единиц. А у нас 400 сейчас. И этот лишний газ взялся за счет деятельности человека. На этот счет споров нет никаких, это доказанный факт. Все вулканы мира в среднем в 100 раз меньше выбрасывают углекислого газа, чем человек. Известно довольно точно, сколько производится углекислого газа. Постоянно публикуются отчеты экономические, сколько добывается нефти, газа, угля. Сколько потребляется, бензина.
Вулканы углекислый газ тоже выделяют. Это безумно важная вещь для сохранения жизни на нашей планете, но в масштабах миллионов лет. С течением времени углекислый газ постепенно убирается из атмосферы и осаждается на дне моря в виде карбонатов, карбонатных отложений. Это медленный процесс. Потом, благодаря тектонике плит, плиты погружаются вглубь Земли, растворяются в мантии. И через много миллионов лет углекислый газ из этих карбонатов обратно выходит наружу с вулканической активностью. Это очень важный процесс, чтобы жизнь на Земле поддержать. Если бы этого процесса не было, наша планета углекислый газ потеряла, и наступило бы глобальное похолодание, и все бы умерли. Это, видимо, то, что случилось с Марсом. Вулканы очень важны. Чтобы не дать нашей Земле погибнуть. Но они очень мало углекислого газа производят. Человек выбрасывает гораздо больше. После извержения вулкана климат на Земле немножко холодает. То есть, после каждого крупного извержения... Их бывает, в среднем, одно крупное извержение за 100 лет. Последнее крупное, это Пинатубо, в 1991 году. Очень мощное извержение. А до этого было, Тамбора, в 1815 году. Там что происходит? Выбрасывается огромное количество аэрозоля, то есть, пыли, которая покрывает тонким слоем всю Землю, всю атмосферу. Аэрозоль отражает солнечные лучи. Соответственно, на Земле происходит похолодание. То есть, крупные вулканические извержения ведут к похолоданию. И после извержения Тамборы похолодание было таким сильным, что в Европе в 1816 году не было лета. Снег выпадал во Франции, народ погибал из-за неурожая.
Полное убирание углекислого газа из системы, осаждение в виде карбонатов, это процесс долгий, длится тысячи, миллионы лет. Есть другие процессы. Что происходит с углекислым газом, когда он в атмосферу попадает? Это лишний углекислый газ, который мы производим путем сжигания топлива. Он попадает в атмосферу, но примерно половина его уходит из атмосферы в океан и в растительность. Растительность берет углекислый газ, чтобы строить стволы деревьев, листву. В воде углекислый газ тоже неплохо растворяется. Поэтому какая-то часть уходит в океан. Где-то половину природа успевает переварить. А половину не успевает, и он остается в атмосфере. Поэтому рост и происходит - природа не справляется. Есть механизмы, которые пытаются этот углекислый газ из атмосферы забрать, но не успевают.
Содержание свыше 1000 частей на миллион, это уже вредная атмосфера для человека. Если в помещении свыше 1000 частей на миллион, будет усталость, голова будет кружиться, сонливость. Это отравление углекислым газом происходит. Но 1000 частей на миллион у нас еще не скоро будет. В основном вред из-за усиления парникового эффекта. Просто температура у нас возрастает и довольно быстро потепление происходит. Природа не успевает адаптироваться, происходят разные неприятные вещи: изменение циркуляции, увеличение частоты экстремальных событий. Аномальная жара в Европе или аномальный холод где-нибудь. Аномальный холод тоже может возникнуть. Или наводнения там, где их раньше не было. Это раз.
Второе, это, естественно, таяние льдов. Температура повышается, лед тает. Сейчас тают интенсивно почти все горные ледники. Во всех горных странах мира, где есть оледенение, почти везде объем льда сокращается. Очень быстро тает Гренландия. По всему периметру происходит таяние гренландских ледников. Гренландия и горные ледники примерно поровну дают объем воды, которая в океан поступает. И тает Антарктида, хотя пока не так сильно, как Гренландия. Растет уровень океана, растет со скоростью 3 миллиметра в год. Кажется немного, но если умножить на десять, это будет 3 сантиметра. Причем он с ускорением растет. Мало того, что уровень моря увеличивается, он с ускорением увеличивается. То есть, все быстрее и быстрее. И через 100 лет на метр может подняться уровень воды. Может быть даже больше, чем на метр. Это уже будет проблемой и для такого города, как Санкт-Петербург и для Венеции, и для Амстердама. Не говоря о несчастных странах типа Кирибати, Науру, Фиджи в Тихом океане, они очень мелкие, почти на уровне моря находятся.
Самые первые прогнозы, если вернуться лет на сорок, недооценивали реальную скорость. Тает быстрее, чем думали тогда. Недооценивали силу каких-то процессов. Например, донное таяние. Талая вода просачивается через ледник по трещинам на дно и получается как смазка. Ледник по этому мокрому ложу движется гораздо быстрее, ускоряется динамика льда. Ледники с большей скоростью текут в море, там они откалываются в виде айсбергов.
Есть неясности очень большие, связанные с Западной Антарктидой. Она гидростатически нестабильна. Потому, что дно Западной Антарктиды, этого ледникового щита, располагается ниже уровня моря. Там такая неудачная форма ложа, что если вода начнет просачиваться под ложе ледника, то этот процесс будет необратимый. Она будет просачиваться все дальше и дальше. В какой-то момент ледник всплывет. Потому, что лед легче воды. И тогда это будет очень быстрое, катастрофическое повышение уровня моря. Соответственно это все будет довольно быстро таять и разрушаться. И масштаб этого процесса, буквально 100-200 лет. Так растопить Антарктиду заняло бы тысячи лет, а с помощью этого процесса необратимого разрушения ледниковых щитов, которые ниже уровня моря расположены, процесс будет происходить гораздо быстрее.
На последней климатической конференции в Париже приняли соглашение о том, чтобы температура воздуха выросла не больше, чем на 2 градуса до конца ХХ1 века, по сравнению с XVIII-XIX веком. Она поднялась около градуса за последние 100 лет. Модели климатические говорят о том, что два градуса Земля не выдержит. Два градуса будет означать, что случится необратимое разрушение Западно-Антарктического щита. У нас идет массовое вымирание видов на планете. Оно будет необратимым и ускорится если мы на два градуса температуру повысим.
Вот почему так важно вести постоянные исследования и наблюдения за изменениями климата. Обмениваться научными данными между странами и участвовать в совместных международных проектах.
В статье использованы материалы интервью с Алексеем Екайкиным.
|
