WOKÓŁ STAROŻYTNEGO JEZIORA

Spisu treści:

Wideo: WOKÓŁ STAROŻYTNEGO JEZIORA

Wideo: WOKÓŁ STAROŻYTNEGO JEZIORA
Wideo: 🇵🇱 POGÓRZE IZERSKIE 🚶 🎒 WOKÓŁ JEZIORA ZŁOTNICKIEGO 🚣 [4K] 2024, Marsz
WOKÓŁ STAROŻYTNEGO JEZIORA
WOKÓŁ STAROŻYTNEGO JEZIORA
Anonim
Obraz
Obraz

Na głębokości 3538 metrów najgłębszy otwór antarktyczny przeszedł przez warstwy tzw. lodu kongelacyjnego, powstałego w wyniku zamarzania wody na dolnej powierzchni lodowca. W tych warstwach naukowcy odkryli inkluzje mineralne z dna jeziora Wostok. Charakterystyczne dla starożytnego okresu prekambryjskiego (od 570 milionów do 3,5 miliarda lat temu): illit, chloryt, kwarc, monazyt, apatyt, cyrkon i plagioklaz. Powstaje intrygujące pytanie: czy życie prekambryjskie mogło przetrwać w wodach jeziora?

W pobliżu rosyjskiej stacji antarktycznej Wostok, pod wielokilometrową pokrywą lodową, trzydzieści lat temu polarnicy odkryli jezioro. Zbiornik reliktowy nazywany jest największym odkryciem geograficznym XX wieku. Pozostał nienaruszony od kilku milionów lat. Nic dziwnego, że cudowne jezioro przyciąga uwagę naukowców z całego świata.

Podczas sezonu polowego 1974-1975 na Antarktydzie samolot US Navy wyposażony w stację radarową Scott Polar Research Institute otrzymywał wyraźne sygnały odbijające się od powierzchni wody. W ten sposób na północ od radzieckiej stacji Wostok odkryto ogromne jezioro podlodowcowe.

Odkrycie miało długą historię. Pod koniec lat 50. ubiegłego wieku radziecki naukowiec NNZubov jako pierwszy wykazał, że pod polarnymi lądolodami może znajdować się warstwa wody, ponieważ dolna część lodowca topi się pod wpływem przepływu ciepła pochodzącego z głębiny wnętrza ziemi. Jego wnioski potwierdził w 1961 r. rosyjski glacjolog, przyszły członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk I. A. Zotikow. Przeprowadził obliczenia termofizyczne, które wykazały, że w centralnych rejonach Antarktydy ciepło subglacjalne praktycznie nie unosi się w górę ze względu na dużą grubość lodu, ale jest stale zużywane na topnienie w dnie lodowca.

Rozwijając swoją teorię, Zotikow obliczył rozkład temperatury w lodowcu pod stacją Wostok. Według jego szacunków temperatura na dolnej granicy lodowca jest równa temperaturze topnienia lodu w tych warunkach: pod ciśnieniem około 30 MPa temperatura topnienia spada do -2,5°C. Stopiona woda w postaci filmu jest „wciskana” w te miejsca, w których grubość lodowca (a co za tym idzie ciśnienie) jest mniejsza i zamarza. W zagłębieniach dna podlodowcowego może gromadzić się niezamrożona woda roztopowa. Dwa lata po obliczeniach teoretycznych Zotikova naukowcy zmapowali domniemane obszary ciągłego topnienia na dnie lodowca w środkowej części pokrywy lodowej Antarktyki. Wynikało z tego, że stacje „Wostok”, „Amundsen-Scott” i „Bird” znajdują się na terenach rzekomego istnienia jezior subglacjalnych.

Obraz
Obraz

Następnym krokiem w kierunku odkrycia dokonał sowiecki geograf polarnik A. P. Kapitsa. Pod jego kierownictwem w latach 1959 i 1964 przeprowadzono sondowanie sejsmiczne pokrywy lodowej pod stacją Wostok, co pozwoliło określić grubość lodu. Następnie naukowcy odkryli, że oprócz głównego szczytu odbicia fal sejsmicznych od dna lodowca, w odbieranym sygnale wykrywany jest kolejny szczyt boczny o nieznanym pochodzeniu. Interpretowano to wówczas jako odbicie od dolnej granicy warstwy osadowej pod lodowcem. Teraz wiemy, że był to sygnał z dna podlodowcowego jeziora.

W 1968 roku naukowcy ze Scott Polar Research Institute (Wielka Brytania), którzy przeprowadzili badania radarowe warstw lodowcowych Antarktydy Wschodniej, również otrzymali sygnały odbite od bardzo gładkiej powierzchni. To właśnie ten kształt sygnału pojawia się na granicy lód-woda. W 1969 roku polarnikom z amerykańskiego laboratorium wojskowego badań naukowych i inżynieryjnych regionów polarnych USA CRREL () na stacji Byrd udało się dotrzeć do warstwy wody na głębokości 2164 metrów za pomocą pocisku elektromechanicznego. Ale świat nauki dowiedział się o istnieniu jezior subglacjalnych dopiero po sezonie 1974-1975…

Do tej pory na Antarktydzie odkryto 67 stosunkowo niewielkich zbiorników subglacjalnych i jedno duże jezioro, a nad jego południową częścią znajduje się rosyjska stacja Wostok. Długość tego jeziora, zwanego „Wostok”, wynosi 230 kilometrów, a powierzchnia około 16 tys2, nieco mniejsze niż jezioro Ładoga.

*

Obraz
Obraz

Stacja Wostok została założona 16 grudnia 1957 r. Od tego czasu działa tu całoroczna baza badawcza, najpierw sowieckiej, a teraz rosyjskiej ekspedycji antarktycznej. Kilkunastu polarników zmienia się każdego roku podczas krótkiego antarktycznego lata. Odkrywcy polarni całkiem słusznie nazywają stację najcięższym miejscem na szóstym kontynencie, mówiąc: „Ci, którzy nie byli w Wostoku, nie widzieli Antarktydy”.

W śródlądowych obszarach Antarktydy żadna żywa istota nie może przetrwać, z wyjątkiem ludzi. Krążą legendy, że nad stacją kilkakrotnie pojawiły się wydrzyki, choć nie mogę w to uwierzyć: najkrótsza odległość od stacji Wostok do wybrzeża to 1260 km, a wysokość nad poziomem morza to około 3,5 km. Na pierwsze wyprawy zabierano również psy, jak to zwykle bywa w przypadku zimowania w Arktyce. Żaden nie przeżył.

Stacja „Wostok” to zimny biegun Ziemi. Średnia roczna temperatura powietrza na tym obszarze Antarktydy wynosi -55 ° С, a w lipcu 1983 r. odnotowano najniższą temperaturę na Ziemi: -89,2 ° С. Całodobowa noc polarna trwa prawie cztery miesiące – od 24 kwietnia do 20 sierpnia. Ciśnienie atmosferyczne wynosi zwykle tylko 460 mm Hg. Art., jak na szczycie Elbrusa, a wilgotność powietrza jest niższa niż na Saharze. I wreszcie, przez prawie osiem miesięcy, od marca do października, „Wschodnie” są odcięci od reszty świata, niczym mieszkańcy niedostępnej planety. Cokolwiek dzieje się na stacji, w tym okresie polegają wyłącznie na własnych siłach i radach z lądu.

Mimo to od ponad 40 lat na stacji prowadzone są systematyczne (choć z krótkimi przerwami) obserwacje z zakresu aerometeorologii, geofizyki i glacjologii.

*

Próby penetracji w głąb lądolodu Antarktyki były podejmowane na stacji Wostok już w latach 50. XX wieku, ale nie przyniosły one dużego sukcesu: projekty pierwszych wierteł termicznych, które stopiły lądolód, okazały się krótkotrwałe i zamarzły w lód po przejściu pięćdziesięciu metrów. Na stacji Wostok badacze napotkali wiele problemów. Po pierwsze skrajnie niekorzystna lokalizacja geograficzna (oddalenie od baz zaopatrzeniowych, trudność w transporcie sprzętu wiertniczego itp.); po drugie, ekstremalnie niska temperatura wierconego lodu; po trzecie, dynamiczne cechy właściwości pokrywy lodowej, które sprawiają, że lodowiec „płynie” jak ciała amorficzne.

Obraz
Obraz

Radzieccy naukowcy i inżynierowie zaprojektowali szereg oryginalnych urządzeń do wiercenia termicznego specjalnie dla Antarktydy. Pierwszy pocisk do wiercenia termicznego opracowany w Leningradzkim (obecnie Sankt Petersburg) Instytucie Górniczym wraz z Arktycznym i Antarktycznym Instytutem Badawczym, jednym z jego wynalazców, profesorem BB Kudryaszowem, nazwał hybrydę kuchenki elektrycznej z odkurzaczem, ponieważ pocisk był element grzejny w postaci pierścienia, przymocowany do końca rury. Stopiona woda była zbierana przez przepływ powietrza wytworzony w rurze przez konwencjonalną pompę próżniową, jak w odkurzaczu. Za pomocą tego urządzenia w 1972 roku polarnikom udało się wejść w głąb lodowca do poziomu 952 metrów (studnia nr 1).

Wraz z rozwojem technologii odwiertów termicznych głębokość odwiertów na stacji Wostok stopniowo wzrastała: 2202 m w 1985 r. (odwiert 3G-2), 2546 m w 1989 r. (odwiert 4G-2), 2755 m w 1993 r. (odwiert 5G-1) … I wreszcie, zastępując powłokę termiczną bardziej wydajną elektromechaniczną, w odwiercie 5G-1 w 1998 r. polarnikom udało się osiągnąć głębokość 3623 metrów. Nikt nie zaszedł tak głęboko na Antarktydę. Wiercenie przerwano około 130 metrów od powierzchni jeziora subglacjalnego, obawiając się zanieczyszczenia unikalnego ekosystemu wodnego.

Obraz
Obraz

Na głębokości 3538 metrów najgłębszy otwór antarktyczny przeszedł przez warstwy tzw. lodu kongelacyjnego, powstałego w wyniku zamarzania wody na dolnej powierzchni lodowca. W tych warstwach naukowcy odkryli inkluzje mineralne z dna jeziora Wostok. Charakterystyczne dla starożytnego okresu prekambryjskiego (od 570 milionów do 3,5 miliarda lat temu): illit, chloryt, kwarc, monazyt, apatyt, cyrkon i plagioklaz. Powstaje intrygujące pytanie: czy życie prekambryjskie mogło przetrwać w wodach jeziora?

Naukowcy uważają, że życie w jeziorze podlodowcowym istnieje z dużym prawdopodobieństwem. Stwierdzili, że stężenie powietrza w topniejącym lodzie lodowcowym wynosi około 113 mg/L. Pęcherzyki gazu na powierzchni lodowca zamieniają się w krystaliczne wtrącenia, gdy poruszają się głębiej. Po dotarciu na powierzchnię jeziora te kryształki powietrza ponownie topią się i przechodzą do wody jeziora, nasycając ją gazami atmosferycznymi. Ze względu na ciśnienie wytwarzane przez masę lodową stężenie tlenu i azotu w wodzie subglacjalnej powinno być nawet wyższe niż w zwykłej wodzie.

A jeśli jest powietrze, życie można podtrzymywać. Być może występuje w jeziorze w najprostszych formach, jakie mogą istnieć bez procesu fotosyntezy. Chciałbym myśleć, że te organizmy przetrwały od powstania lądolodu i zostały odcięte od świata zewnętrznego przez miliony lat. Możliwe jednak, że życie zostało wniesione do jeziora z powierzchni lodowca.

Obraz
Obraz

Jak dotąd wiertło nie dotarło do samego jeziora, ale badania biologii molekularnej rdzenia lodowego jeziora ujawniły trzy rodzaje bakterii żyjących w reliktowym zbiorniku. Należą do umiarkowanych termofilów, to znaczy do organizmów, których aktywność życiowa występuje w temperaturze 40-55 ° C, co jest śmiertelne dla większości żywych istot. Najwyraźniej bakterie znalezione żyją w gorących źródłach na dnie jeziora.

Świat naukowy czeka na nowe odkrycia z badania próbek wody z jeziora. Okazało się jednak, że złożoność tego projektu jest współmierna do pierwszego załogowego lotu w kosmos lub lądowania na Księżycu. Dlaczego nie możemy skorzystać z wywierconej już studni 5G-1, bo od jej dna do tafli jeziora pozostało tylko 130 metrów? Okazuje się, że sama możliwość otwarcia reliktowego jeziora subglacjalnego przeszła z płaszczyzny prostego rozwiązania technicznego na płaszczyznę polityczną, gdzie nie skupia się na zasadach badawczych zapisanych w międzynarodowym Traktacie Antarktycznym, ale o ambicjach biurokracji naukowej i politycznej niektórych krajów.

Do tej pory Traktat Antarktyczny podpisało 45 państw, z czego 27 ma status stron konsultacyjnych, co daje im prawo do udziału w decyzjach określających wszelkie kwestie związane z działalnością w regionie. Chociaż szereg państw wysunęło roszczenia terytorialne, w okresie obowiązywania traktatu roszczenia te są de facto zamrożone, a kontynent jest wolny dla działalności badawczej wszystkich stron traktatu.

Wiercenie studni 5G-1 zostało wstrzymane w 1998 roku z inicjatywy Rady Naukowej Badań Antarktycznych (SCAR) ze względu na niebezpieczeństwo zakłócenia ekologii unikalnego reliktowego jeziora. Więc co zagraża jego bezpieczeństwu?

Obraz
Obraz

Jak wiecie, lodowce znajdują się w stanie stresu pod wpływem grawitacji. Lód na ścianach odwiertu odkształca się i ściany stają się niestabilne. Odwiert zwęża się, co ostatecznie prowadzi do wypadków - dokręcenia i zakleszczenia narzędzia wiertniczego. Aby wzmocnić ściany, studnia jest wypełniona specjalnym płynem, który kompensuje ciśnienie warstw lodowych. W ten sposób podczas wiercenia studnia 5G-1 została wypełniona mieszaniną paliwa lotniczego TS-1 z dichlorofluoroetanem. Wybór składników płynu do płukania nie jest przypadkowy. Mieszanina nie traci płynności w ekstremalnie niskich temperaturach (do -60°C), a jej gęstość jest równa gęstości lodu (około 920 kg/m3). Ale niestety mieszanka jest bardzo toksyczna dla żywych organizmów.

Zgadzając się z opinią środowiska naukowego, rosyjscy naukowcy zaczęli opracowywać specjalną technologię przyjaznego dla środowiska otwarcia zbiornika subglacjalnego. Tak więc z inicjatywy Ministerstwa Zasobów Naturalnych i Roshydrometu Rosji w ramach Federalnego Programu Celowego „Ocean Światowy” uruchomiono projekt nr 7 dotyczący badania subglacjalnego jeziora „Wostok”.

Prace nad stworzeniem nowej, przyjaznej dla środowiska technologii prowadzili głównie pracownicy Instytutu Górnictwa oraz Arktycznego i Antarktycznego Instytutu Badawczego w Petersburgu. Planowane jest dotarcie do powierzchni jeziora Wostok i pobranie próbek wód subglacjalnych w trzech etapach.

W pierwszej kolejności odwiert 5G-1 zostanie pogłębiony o dodatkowe 100 metrów za pomocą stosowanej wcześniej elektromechanicznej wiertnicy rdzeniowej. Ten sprzęt już dowiódł swojego bezpieczeństwa, wydajności i niezawodności.

Aby zapobiec przedostawaniu się toksycznej cieczy do jeziora subglacjalnego, część denną odwiertu ma być wypełniona przyjaznym dla środowiska płynem krzemoorganicznym klasy polimetylosiloksanów, który stworzy około stumetrową warstwę buforową między otworem dennym a wcześniej używany płyn. Ciecze krzemoorganiczne są hydrofobowe, tj. nierozpuszczalne w wodzie. Są nieszkodliwe dla ludzi i zwierząt.

Wiercenie ostatnich 30 metrów przed wejściem do jeziora odbywać się będzie za pomocą specjalnie zaprojektowanej wiertarki termicznej TBPO-132 bez podnoszenia jej na powierzchnię. Pocisk utworzy kolejną warstwę buforową stopionej wody poniżej warstwy hydrofobowej cieczy krzemoorganicznej. Gdy studnia pilota dotrze do powierzchni jeziora, system czujników wyśle natychmiastowy sygnał na powierzchnię. W efekcie paker włączy się automatycznie – urządzenie, które izoluje strefę dna od reszty odwiertu, odcięte zostanie zasilanie końcówki termicznej i wiertło zatrzyma się.

Zgodnie z odczytami czujników umieszczonych w przewodzie wiertniczym zostanie oszacowany stosunek ciśnienia wewnątrz odwiertu (ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy) g i ciśnienie wody w jeziorze O… W zależności od tego stosunku możliwe są trzy scenariusze rozwoju wydarzeń.

Najbardziej prawdopodobnym i pożądanym scenariuszem jest sytuacja, gdy ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy jest mniejsze niż ciśnienie wody w jeziorze (g < O). W tym przypadku pod wpływem różnicy ciśnień woda z jeziora będzie miała tendencję do wnikania do studni, ale bezpośrednie przejście zostanie zablokowane przez podtrzymującą koronę termiczną przewodu wiertniczego. Woda dostanie się do studni i po usunięciu pakera wiertło wypłynie na powierzchnię. Jedno małe „ale” jest tutaj możliwe: jeśli siła generowana przez różnicę ciśnień jest tak duża, że przekracza ciężar wiertła (minus siła wyporu), to woda może wnikać do studni natychmiast w momencie otwarcia jeziora. Jednak taki rozwój wydarzeń nie stanowi zagrożenia dla środowiska, gdyż toksyczny płyn ze studni nie dostanie się do wód jeziora.

Jeżeli ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy okaże się równe ciśnieniu wody w jeziorze (g = O), to woda z jeziora unosi się do studni po podniesieniu wiertła. W takim przypadku objętość wody wpływającej do studni będzie w przybliżeniu równa objętości wydobytego kabla nośnego oraz objętości samego przewodu wiertniczego, gdy zostanie on podniesiony na powierzchnię.

Przypadek, gdy ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy jest mniejsze niż ciśnienie wody w jeziorze (g > O), może wystąpić z powodu błędu w oszacowaniu ciśnienia. Następnie, gdy otwór pilotowy wejdzie do jeziora, na wiertło zadziała siła dociskająca podtrzymującą koronę termiczną do dna, co odizoluje jezioro od studni. Wkładka zapewni dodatkową izolację. Ponadto zakłada się wypompowanie części cieczy ze studni, tak aby zdarzenia przebiegały zgodnie z pierwszą opcją, gdy ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy jest mniejsze niż ciśnienie wody w jeziorze. Wtedy pocisk zostanie podniesiony na powierzchnię, a woda z jeziora wpłynie do studni.

Tym samym termiczny przewód wiertniczy będzie działał jak zawór oddzielający jezioro od otworu wiertniczego w momencie wejścia odwiertu pilotowego do zbiornika subglacjalnego. We wszystkich trzech opcjach płyn ze studni nie powinien dostać się do jeziora, ale przeciwnie, woda z jeziora powinna wznieść się do studni. Jednocześnie wysokość podniesienia wody w jeziorze można łatwo regulować, wypompowując lub dolewając płyn płuczący z powierzchni. Docelowo zakłada się, że ciśnienie w otworze będzie mniejsze od ciśnienia jeziora o 0,3-0,4 MPa, co zapewni podniesienie wody w jeziorze o 30-40 metrów.

Po wyniesieniu wiertła termicznego TBPO-132 na powierzchnię prace zostaną wstrzymane do momentu zamarznięcia wody subglacjalnej wchodzącej do studni. Zajmie to około miesiąca. Następnie rozpocznie się ostatni etap - wydobycie zamarzniętej wody jeziora na powierzchnię za pomocą pocisku elektromechanicznego z rdzeniem KEMS-135. Wiercenie zostanie wstrzymane, nie dochodząc do 10-15 metrów do powierzchni jeziora subglacjalnego. Pozostała grodza zapewni całkowitą izolację odwiertu od jeziora subglacjalnego.

*

Dla wielu krajów opracowanie przez rosyjskich specjalistów tak złożonego technologicznie projektu penetracji jeziora Wostok w warunkach głębokiego kryzysu rosyjskiej nauki było całkowitym zaskoczeniem. Nie docenili doświadczenia zgromadzonego przez rosyjskich naukowców, ich opanowania zaawansowanych metod technologicznych oraz dostępności rozwiniętej infrastruktury ekspedycyjnej na Antarktydzie.

Projekt rosyjski stał się jednym z głównych tematów dyskusji na XXVI Spotkaniu Konsultacyjnym Traktatu Antarktycznego - głównym forum międzynarodowej społeczności Antarktyki, która odbyła się w dniach 9-20 czerwca 2003 r. w Madrycie. Mimo ostrego sprzeciwu części delegacji strona rosyjska przekonała społeczność międzynarodową, że nowy projekt ściśle przestrzega wszystkich wymogów Protokołu Ochrony Środowiska Antarktyki. Biorąc pod uwagę zalecenia poczynione na spotkaniu, projekt penetracji warstwy wodnej jeziora Wostok wreszcie uzyskał możliwość przejścia do fazy praktycznej realizacji.

Niestety, uzyskanie międzynarodowej aprobaty nie osłabiło sprzeciwu niektórych (zwłaszcza amerykańskich) naukowców. Na przykład latem 2004 roku w USA, bez udziału rosyjskich naukowców, odbyła się konferencja naukowa na temat problemów badania jeziora Wostok, na której nasz projekt został poddany ostrej i, jak nam się wydaje, nieuzasadnionej krytyce. "Krytykuję ten plan, ponieważ nie jest dobrze zaprojektowany. Wygląda na to, że po prostu chcą być pierwsi" - powiedział mikrobiolog z Montana State University J. Priscu.

Jest całkiem prawdopodobne, że takie stwierdzenia są związane nie tyle z ekspertyzą naukową projektu, co z walką o pozycję lidera w badaniach jezior subglacjalnych. Rzeczywiście, w samej Ameryce ani NASA, ani amerykańska Narodowa Fundacja Nauki od jakiegoś czasu nie przeznaczyły pieniędzy na przygotowania do odwiertów. Polityka podwójnych standardów, jak się okazało, ma miejsce nie tylko w polityce, ale także w nauce. Tak więc na wspomnianej konferencji nie padło ani jedno słowo krytyki pod adresem już realizowanego europejskiego projektu NGRIP (North Greenland Ice-core project) otwarcia jeziora subglacjalnego w północnej Grenlandii, gdzie 17 lipca 2003 r. na głębokości 3085 m, dobrze wpłynęły osady wody subglacjalnej (zob. „Science and Life” nr 8, 2004). Następnie woda subglacjalna podniosła się do studni na około 45 metrów, będąc w kontakcie z toksycznym płynem płuczącym.

Nawiasem mówiąc, dalszy rozwój Grenlandii przebiegał zgodnie ze scenariuszem opracowanym przez nas dla jeziora Wostok. Woda subglacjalna, która wpłynęła do studni, zamarzła, a w sezonie letnim 2004 r. duńscy naukowcy ponownie wywiercili na powierzchnię około 50 kg zamrożonych próbek wody subglacjalnej.

Każdy spór w nauce można rozwiązać empirycznie. A Rosja powoli, ale pewnie zbliża się do powierzchni subglacjalnego jeziora Wostok. I tak podczas niedawno zakończonego antarktycznego sezonu letniego 2004-2005 specjaliści z Instytutu Górnictwa zmierzyli średnicę odwiertu 5G-1 oraz ciśnienie hydrostatyczne płuczki wiertniczej. Wstępne dane wykazały, że odwiert jest stabilny i można go swobodnie przemierzać w celu pobrania próbek z reliktowego jeziora. Być może nadchodzące niedawno antarktyczne lato w końcu zaspokoi ciekawość światowej społeczności naukowej, która oczekuje ciekawych odkryć po rosyjskim eksperymencie.

*

11 listopada 2005 r. na pokładzie statku Akademik Fiodorow wystartowała 51. Rosyjska Ekspedycja Antarktyczna z Sankt Petersburga. W grudniu dołączą do niego specjaliści z Instytutu Górnictwa i będą kontynuować wiercenie supergłębokiego odwiertu 5G-1. Do końca sezonu polowego w lutym 2006 r. do powierzchni reliktowego jeziora pozostanie tylko 80 metrów…

Zalecana: