Российские ученые второй раз добрались до самого глубокого и большого подледного озера в Антарктиде. Это случилось 25 января 2015 года на станции «Восток» в 17:12 местного времени (13:12 московского), когда участники 60-й Российской антарктической экспедиции (РАЭ) завершили бурение скважины в ледовой толще на глубине 3769,15 метра.
Примерно 40 миллионов лет назад на месте озера Восток был открытый водоем, окруженный лесами. Еще за 15 миллионов лет до этого на его поверхности могли оставаться открытые участки. Но тогда, скорее всего, и началась изоляция экосистемы озера. Как эволюционировали организмы этой экосистемы? Сохранились ли в подледном реликтовом озере живые существа? Вот основные вопросы, волнующие ученых.
Немного везения и много работы
Идея существования подледных озер пришла в голову в XIX веке российскому географу (и теоретику анархо-коммунизма) Петру Кропоткину, который предположил, что с ростом давления температура в глубоких слоях ледников может повышаться. В 1950-х советский геофизик Николай Зубов рассчитал критическую толщину ледника, при которой его нижележащие слои могут находиться в расплавленном состоянии, а в 1961 году его коллега Игорь Зотиков, используя теорию англичанина Гордона Робина о вертикальном переносе холода опускающимися вниз частицами льда, предположил возможность образования в центральных областях Антарктиды подледниковых озер, существующих за счет поступающего из недр Земли тепла.
Идеи ученых получили свое подтверждение на американской антарктической станции Бэрд, где в 1968 году гляциологи на глубине 2164 метров обнаружили жидкую воду. В настоящее время считается, что жидкая вода в озере существует из-за сочетания двух факторов: глубинных тепловых источников и высокого давления надповерхностного льда. В дальнейшем ученые уже не сомневались в существовании подледных озер и задались целью определения их местонахождения.
До середины 1960-х годов географу Андрею Капице (брату Сергея Капицы и сыну Нобелевского лауреата по физике Петра Капицы) удалось после серии сейсмических исследований очертить примерные границы подледного озера под станцией «Восток». В 1970-х выводы Капицы подтвердили данные радиозондирования, полученные британскими полярниками, а сомнения в существовании озера совсем исчезли после радарных съемок Антарктиды, проведенных вначале 1990-х спутником ERS-1 Европейского космического агентства, которые показали наличие рядом с «Востоком» вытянутого плато с аномально малым перепадом высот.
Полярникам повезло с выбором места для станции. Лед на «Востоке» начали бурить практически с момента основания станции. Уже в 1960 году на станции при помощи термобура (использующего сверхзвуковую высокотемпературную газовую струю) достигли глубины 50 метров. Из-за низкой температуры льда прогресса в работах не было вплоть до 1967-го, когда на «Востоке» в ходе 13-й САЭ специалисты Горного университета (Санкт-Петербург) применили новый термоэлектробур «ТЭЛГА-1». Уже в 1970-м гляциологи достигли глубины 506 метров, с каждым годом совершенствуя технику бурения.
Скважину 5Г-1 начали бурить только в 1989-м совместными усилиями советских, французских и американских ученых. В 1990 году в ходе 35-й САЭ была достигнута глубина 1250 метров. В 1992-м ученые перешли на меньший диаметр скважины, а в 1995 году, в интервале 2755-3350 метров, специалисты сменили тепловой способ бурения на механический. Тогда же в Институте микробиологии Российской академии наук разработали прибор, позволяющий извлекать стерильные образцы льда из скважины непосредственно после бурения.
В 1998 году Международный научный комитет по антарктическим исследованиям вынес рекомендации России приостановить бурение на станции «Восток». Это было сделано из опасения занести микроорганизмы с поверхности Земли в подледную экосистему, закрытую, как считается, от внешнего мира последние несколько миллионов лет (называется период от 400 тысяч до 20 миллионов лет). Тогда эксперты решили, что антифриз (состоящий из керосина, спирта и других токсичных соединений), используемый для заполнения скважин при бурении, может просочиться в подледное озеро даже, несмотря на то, что по сравнению с объемом воды, содержащейся в Востоке, доля токсичной жидкости, которая могла бы попасть в озеро, была бы ничтожно малой.
Некоторые полагали, что решение комитета о приостановке бурения на «Востоке» было продиктовано политическими мотивами, согласно которым западные исследователи не хотели отдавать приоритет в антарктических исследованиях российской стороне, поскольку это могло привести к ограничению финансирования аналогичных иностранных проектов. Тем не менее, российские ученые прислушались к западным коллегам и в 1999 году остановили бурение на глубине около 3645 метров, не дойдя примерно 125 метров до поверхности озера.
Работы на скважине возобновились только в 2006 году после согласования российской стороной сзападными партнерами новой технологии экологически чистого бурения, разработанной в 2003-м в Горном университете. В 2007 году из-за поломки лебедки и кабеля термобурового снаряда работы были остановлены. В 2008-м произошла еще одна авария — на этот раз оборвался буровой снаряд. Для его извлечения из скважины полярникам пришлось ее расширить и заполнить 300 литрами этиленгликоля.
Несмотря на все трудности, 5 февраля 2012 года ученые сообщили, что достигли на отметке 3769,3 метра озера Восток. Тогда ученые взяли пробы воды, которые отправили на исследования. Однако потом полярники обнаружили, что глубина скважины сначала увеличилась на 592,6 метра и затем опустилась на 230 метров. Это произошло из-за того, что в толще льда образовался разрыв, куда ушел антифриз, а освободившееся место заполнила вода. Также могла сыграть свою роль и высокая скорость подъема снаряда, увлекшего за собой часть воды из озера.
Возможности вовремя исправить ситуацию у полярников не было: у них заканчивался фреон (выступающий в качестве утяжелителя заливочной буровой жидкости) и подходило время заключительного в сезоне рейса самолета на станцию «Прогресс». Бурение летом 2012 года ученые начали с глубины 3406 метров. На участке до этой отметки бур выходил из замороженного ранее участка скважины в новую; впоследствии данное отклонение бурения от старой траектории привело к тому, что глубина тоннеля до озера Восток оказалась на 15 сантиметров короче предыдущей.
В середине декабря 2014 года ученые начали свои работы с отметки 3724 метров и приостановили их 14 января 2015-го, находясь всего в четырех метрах от поверхности озера. До 21 января гляциологи проводили уточняющие замеры температуры, давления и плотности заливочной жидкости (смесь керосина и фреона), испытали пробоотборное оборудование и выполнили видеосъемку внутренних стенок скважины.
После устранения небольших неисправностей в буровой установке утром 24 января 2015 года ученые извлекли из шахты два метровых керна, а утром 25 января, начав с глубины 3767,57 метра, подняли на поверхность два ледовых керна и достигли озера Восток. Поскольку антифриз легче воды (его плотность равна 0,91 грамма на кубический сантиметр), то он не проник в озеро, а специально созданное низкое давление позволило воде из Востока подняться вверх по скважине.
Европа как Восток
В настоящее время на южном материке открыто примерно 300 подледных озер. Восток — самое крупное из них. Его длина составляет более 175 километров, ширина — около 65 километров и глубина — по разным оценкам, до 1,2 километра. Общий объем воды в озере превышает 6,1 тысячи кубических километров. Для сравнения, площадь, занимаемая самым глубоким естественным хранилищем пресной воды в мире — озером Байкал, равна примерно 32 тысячам квадратных километров, а объем воды в нем — более 23 тысяч кубических километров. Одноименная станция, в честь которой озеро и получило свое название, находится прямо над северным краем подледного водоема.
Считается, что происхождение структуры земной коры под озером Восток может иметь такую же природу, что и у Байкала: крупнейший наземный резервуар пресной воды образовался на месте растяжения литосферной плиты. Антарктическое же озеро, вероятно, связано с рифтовой системой (огромными линейными впадинами в земной коре), образовавшейся около 150 миллионов лет назад на протоматерике Гондвана.
Толщина льда над озером неодинакова, различаются и температурные режимы в его различных участках. Так, станция «Восток» и бурильная установка оказалась над участком с одной из самых больших толщин льда. По своей структуре лед над озером отличается в зависимости от высоты: верхние слои включают в себя частицы миллиметровых размеров и содержат в несколько сот раз больше газов, чем слои, непосредственно прилегающие к озеру.
Температура воды в озере составляет минус два-три градуса Цельсия при давлении в 400 раз выше атмосферного. В ней примерно в 100 раз больше кислорода, чем в обычной земной воде. Это создает крайне экстремальные, с точки зрения существ, обитающих на поверхности Земли, условия для возможной жизни в озере.
Однако не только на Земле есть места с такими условиями. В Солнечной системе существование жидких подледных океанов ученые подозревают у спутников Юпитера — Европы, Каллисто и Ганимеда, лун Сатурна — Энцелада и Титана, а также других спутников. Все эти луны покрыты слоем льда (водяного или углеводородного), под которым могут располагаться океаны. Условия в таких водоемах могут оказаться похожими на таковые в озере Восток, и если в последнем будет обнаружена жизнь, то вероятность ее наличия на дальних лунах повысится на порядок. Однако, в отличие от озера Восток, жидкость на спутниках существует, как считается, по другим причинам, в основном из-за разогревающих приливов. Этот же механизм называется и тогда, когда рассматривается возможность существования жизни на далеких экзопланетах.
Несмотря на десятилетия бурения, данные по обнаружению следов живых существ в озере пока более чем скромные. Здесь стоит отметить два основных результата. О первом было сообщено в 2004 году российскими и французскими учеными, которые на глубине до 3607 метров обнаружили сигналы термофильной бета-протеобактерии Hydrogenophilaceae thermoluteolus. Это существо комфортно живет при температуре около 50 градусов Цельсия. Вероятно, оно могло попасть в лед из геотермальных источников подледного озера.
В 2013 году тот же микробиолог, кто принимал участие в работе, опубликованной в 2004-м, сообщил об обнаружении в образцах из Востока неизвестной науке ДНК, но потом опроверг свои слова. Другие данные о нахождении следов микроорганизмов нередко оперируют информацией статистики, по которой сложно отличить присутствие действительно уникальных организмов от привнесенных извне. Так, ученые из США заявляли, что обнаружили в извлеченных на поверхность образцах надозерного льда фрагменты ДНК и РНК, якобы свидетельствующие о возможности обитания в озере многоклеточных существ.
Что дальше?
К сожалению, участники и организаторы 60-й РАЭ серьезно обеспокоены дальнейшей судьбой своего исследования. Один из участников экспедиции Алексей Екайкин даже написал об этом в блоге в LiveJournal. «И все же праздник был немного грустный, ведь каждый из нас думал о том, что сезон может быть последним», — сообщил полярник своим читателям, имея в виду возможную остановку финансирования работы экспедиции. Как отмечает Екайкин, финансирование РАЭ и исследование «самого стабильного места на планете» (так ученый называет центральную часть Антарктиды, подразумевая, что «пейзаж тут (в центральной части Антарктиды) не менялся как минимум 14 миллионов лет») дорого обходится бюджету, тем более что значительная часть расходов приходится на валютные операции.
«Ясное дело, бюджет верстается в рублях, а многие расходы — в валюте, курс которой, сами знаете, какой. А дороже всего обходится Восток. Пока что речь идет не о полном закрытии станции, а о сворачивании сезонных работ, но для российской науки и это будет серьезным ударом», — говорит полярник. Начальник РАЭ Валерий Лукин тоже опасается за будущее экспедиции. На пресс-конференции, прошедшей в Санкт-Петербурге и посвященной бурению озера Восток, он подчеркнул, что аренда у США самолета, используемого в экспедиции, обходится в миллион евро. Тем не менее, он добавил, что у ученых уже есть материал для лабораторных исследований, а к озеру они будут возвращаться, когда позволят финансы.
