Der antarktische Sommer ist kurz. In der Mitte des Kontinents sind es nur zwei Monate - Dezember und Januar. An der Station "Wostok", auf halbem Weg vom Ozean zum Südpol gelegen, herrscht Hitze: Die Temperatur schwankt um -30°C. Die Arbeit an der Station ist in vollem Gange: Vielleicht können die Polarforscher in dieser Saison mehr als 20 Jahre Arbeit abschließen - um fast 4 km Eis zu bohren und den Wostok-See zu erreichen.
Diese Geschichte begann 1957, als Igor Zotikov, ein junger und damals unbekannter Kandidat der technischen Wissenschaften, der zuvor in der Raketenwissenschaft gearbeitet hatte, eine Stelle am Institut für Geographie der Akademie der Wissenschaften der UdSSR bekam. Wie sich Igor Alekseevich ein halbes Jahrhundert später erinnerte, sahen die Prozesse auf der Oberfläche der Verkleidung und in den Tiefen der Gletscher nach Meinung eines Thermophysikers gleich aus - sie wurden durch fast dieselben Gleichungen beschrieben.1960 veröffentlichte er Berechnungen, die zeigten, dass ein mächtiger Gletscher ausreichende Wärmedämmeigenschaften haben muss, damit der aus dem Darm kommende Wärmestrom den Boden der Eisdecke zum Schmelzen bringt. Dieser Prozess sollte in der gesamten Antarktis stattfinden, und wo das Gelände so ist, dass Schmelzwasser Platz zum Verweilen hat, sollte es unter der Eisschicht nicht gefrierende Reservoirs geben.
Einige Jahre zuvor wurde die Wostok-Station am südlichen Erdmagnetpol gegründet. Es überrascht nicht, dass Zotikov seine Berechnungen auf das antarktische Relief auf der Linie vom Südpol zur Ozeanküste durch den "Wostok" anwandte und vorschlug, dass dort unter dem Gletscher flüssiges Wasser sein muss.
5G gut hat eine komplizierte Geschichte. Das Tragseil, an dem die Bohrmaschine abgesenkt wird, war mehrfach gerissen. In zwei Fällen war es nicht möglich, den Bohrer herauszuziehen, und die Notabschnitte mussten umgangen werden, indem mit Schrägbohrungen oberhalb der Klippe begonnen wurde. Jetzt hat der Brunnen drei Trunks: 5G, 5G-1 und 5G-2. Was genau in dem See zu finden ist – man kann nur raten. Einigen Hypothesen zufolge können sich unter dem Eis und am Grund Gashydratablagerungen befinden, ähnlich denen, die am Grund des Baikalsees gefunden wurden. Aber das werden wir so schnell nicht erfahren.
Einige Jahre vor Sotikov äußerte der Ozeanologe Nikolai Zubov ähnliche Ansichten. Unter der Annahme, dass die Temperatur des Gletschers mit der Tiefe zunehmen sollte, wie es in jedem Gestein der Fall ist, berechnete er, dass ein paar Kilometer von der Oberfläche entfernt der Schmelzpunkt erreicht ist. Zu dieser Zeit war bekannt, dass die Dicke der antarktischen Gletscher normalerweise mehr als 3 km beträgt - daher muss darunter Wasser oder eine Mischung aus Eis und Wasser sein.
Kollegen standen der Idee skeptisch gegenüber. 1958 zeigte der englische Glaziologe Gordon Robin durch Berechnungen, dass die Temperatur der Gletscherschicht nichtlinear mit der Tiefe variiert und sich größtenteils nicht zu sehr von der Oberfläche unterscheidet, das heißt, Zubovs Konzept funktioniert nicht. Es ist nicht verwunderlich, dass Zotikovs Schlussfolgerungen auch keine Begeisterung hervorriefen – die Idee von nicht zufrierenden Seen klang sehr nicht trivial, wo die Temperatur seit Millionen von Jahren nicht über Null gestiegen war.
Und doch ist es flüssig
1966 begannen die Amerikaner mit einem massiven Eisbohrprogramm an der Byrd Station. Natürlich wussten sie von den Prognosen des Wissenschaftlers aus Russland, zumal sie ihn persönlich kannten: Polarforscher sind gesellige und freundliche Menschen. Doch die Skepsis, die normalerweise in jeder Wissenschaft angebracht ist, spielte den Forschern diesmal einen grausamen Streich. Unter 2 km Eis gab es tatsächlich flüssiges Wasser, mit dem sie nicht in Berührung gekommen waren. Im Frühjahr 1968 stürzte Hochdruckwasser in den Brunnen, zerstörte teure Bohrausrüstung mit einem hydraulischen Schock und fror ein, wodurch das amerikanische Bohrprogramm für anderthalb Jahrzehnte "eingefroren" wurde.
Durch eine Laune des Schicksals musste Igor Zotikov im Mai dieses Jahres seine Doktorarbeit verteidigen, die sich speziell dem Vorhandensein von flüssigem Wasser unter den antarktischen Gletschern widmete. Der Gegner, Professor P. A. Shumsky, ein weltberühmter Glaziologe, bereitete eine vernichtende Rezension von 30 Seiten vor, in der er argumentierte, dass die Dissertation unh altbar sei: Es gibt kein Wasser unter den Gletschern. Auf der anderen Seite der Waage war ein kurzes Telegramm von der Station Byrd: Da ist Wasser. Das experimentelle Ergebnis überwog. Es gibt nur wenige Beispiele in der Geschichte einer so eindrucksvollen Bestätigung einer wissenschaftlichen Hypothese.
Die Bestätigung der Theorie war noch keine geografische Entdeckung - in diesem Moment erschien kein bestimmtes Objekt auf der Karte. Seismische Sondierungen, die in den 1960er Jahren in der Nähe der Wostok-Station durchgeführt wurden, ergaben anstelle einer erwarteten Grenze - Eis mit Felsen - zwei. Geophysiker gingen davon aus, dass zwischen dem Eis und dem Grundgestein eine Schicht aus Sedimentablagerungen liegt, die der Gletscher mitgebracht hat. In Ermangelung a priori-Daten über die Geologie des Gebiets (und man kann sie nirgendwoher bekommen: alles ist unter dem Eis), ist ein solcher Fehler überhaupt nicht überraschend.
Argumente für den See mehrten sich in den 1970er Jahren nach der Radarsondierung des Gletschers, die von den Briten aus Flugzeugen durchgeführt wurde. Sie fanden ein reflektiertes Signal, dessen Form sich stark von den Antwortsignalen des Grundgesteins unterschied. In diesem Fall war es schwieriger, Wasser mit Sedimentgestein zu verwechseln. Die endgültige Klarheit kam Anfang der 1990er Jahre, nachdem erstmals eine genaue Karte des Reliefs der antarktischen Gletscher nach dem Satelliten ERS-1 (Europäischer Fernerkundungssatellit) erstellt wurde. Daran wurde deutlich, wie die Oberfläche des Gletschers, durch deren Dicke an anderen Stellen die Unregelmäßigkeiten des Untergrundes hervortreten, im Wostok-Gebiet absolut eben wird: An dieser Stelle schwimmt das Eis auf dem Wasser.
Mikroorganismen in einem Eiskern gefunden. Einige von ihnen mögen Seebewohner sein, aber wir können dies nur bestätigen, indem wir Proben direkt aus dem See entnehmen.
Die Größe des Sees beträgt ca. 250 x 50 km - kleiner als der Baikalsee, aber vergleichbar mit Onega.
An dieser Stelle begannen in den 1980er Jahren Tiefbohrungen, um Proben von altem Eis zu sammeln. Mitte der 1990er Jahre hatte der Brunnen eine Tiefe von 3 km erreicht. 1998 wurden die Bohrungen bei 3.623 m eingestellt, etwa 130 m vom Seespiegel entfernt.
Klimaextrem
Die Gegend um den Bahnhof Wostok hat ein extrem raues Klima. Hier wurde 1983 das absolute Minimum der Lufttemperatur auf der Erde gemessen - minus 89,2 °C. Das „heißeste“Wetter war hier im Dezember 1957 – dann stieg das Thermometer auf 13,6 °C unter Null. Im Durchschnitt schwankt die Temperatur an diesen Orten im Sommer (der auf Dezember-Januar fällt) um -30 ° C, im Winter um -60-65 ° C. Die Durchschnittstemperatur des Gletschers unter der Station beträgt 55° unter Null.
Die Station befindet sich auf einer Höhe von etwa 3900 m über dem Meeresspiegel, aber aufgrund der niedrigen Lufttemperatur fällt ihr Druck mit der Höhe schneller ab als in den mittleren Breiten, und der Sauerstoffgeh alt in ihr entspricht einem Höhe von 5 km über dem Meeresspiegel.
Die Polarnacht an der Station dauert vom 24. April bis zum 20. August.
Nicht schaden
Seit Mitte der 1990er Jahre bis heute wurden in der Antarktis etwa anderthalbhundert subglaziale Seen entdeckt, meist kleine. Es ist interessant, dass die „Ernte“von Funden zeitlich mit bedeutenden Errungenschaften auf einem so offensichtlich (in jeder Hinsicht) weit entfernten Gebiet wie der Suche nach Planeten außerhalb des Sonnensystems zusammenfiel. Dieses amüsante Detail macht deutlich, dass es sich um Aufgaben vergleichbarer Komplexität handelt, obwohl die Entfernungen zu den Untersuchungsobjekten um viele Größenordnungen unterschiedlich sind.
Ein Merkmal von Gewässern ist die langfristige Isolation - Hunderttausende oder sogar Millionen von Jahren. Die lokalen Ökosysteme stehen vor einer harten Wahl – wer sich nicht angepasst hat, existiert nicht mehr. Es ist notwendig, sich an den Mangel an Licht und dementsprechend an die Photosynthese und eine extrem geringe Aufnahme organischer Stoffe von der Außenwelt anzupassen. Pollen, der von einem anderen Kontinent mitgebracht wird und langsam aus dem Eis auftaut, ist eine magere Ernährung. Das irdische Leben kann sich daran anpassen, aber die Ergebnisse sind manchmal fast befremdlich.
Vorwärts in die Tiefe!
Versuche, an der Wostok-Station Eis zu bohren, begannen vor einem halben Jahrhundert und waren von vielen Drehungen und Wendungen begleitet. Sehr vereinfacht sieht das Eindringen ins Eis so aus. In den Jahren 1959-60 erreichten Thermalbohrer Tiefen von etwa 40-50 Metern, aber die Unvollkommenheit der Technologie machte es dann unmöglich, weiter vorzudringen. Mitte der 1960er Jahre schlugen I. Zotikov und A. Kapitsa ein Projekt für ein autonomes thermisches Projektil mit einer Heizung vor, die von einem Miniatur-Atomreaktor mit einer Leistung von etwa 100 kW angetrieben wird. Es wurde angenommen, dass die Einheit mit einem Durchmesser von etwa einem Meter und einer Länge von 10 Metern, die durch das Eis schmilzt, durch die Dicke des Gletschers bis zum Grundgestein stürzen wird, ohne einen durchgehenden Brunnen zu bilden (Schmelzwasser wird von oben gefrieren). Bringen Sie eine Reihe von Sensoren herunter und bleiben Sie unten. Die Datenerfassung sollte über ein im Eis eingefrorenes Kabel erfolgen. Das Projekt wurde nicht durchgeführt. Ab 1967 beschäftigten sich Spezialisten des St. Petersburger (damals Leningrader) Bergbauinstituts mit der Technologie des Bohrens von Brunnen im antarktischen Eis. Mehrere Konstruktionen von thermischen Bohrern wurden nacheinander entwickelt. 1972 wurde eine Tiefe von 952 Metern erreicht. Unzureichend entwickelte Technik und schwierigste Bedingungen führten regelmäßig zu Unfällen – so gingen mehrere Brunnen verloren. 1981 wurde ein neuer Brunnen 3G gelegt, der im August 1985 eine Tiefe von 2200 Metern erreichte, aber aufgrund des Feststeckens des Bohrers und des anschließenden Kabelbruchs musste der Brunnen aufgegeben und von vorne begonnen werden. Ein ähnliches Schicksal ereilte auch 4G (2426 Meter, 1989). Das Bohren von Bohrloch 5G, das sich jetzt der Oberfläche des Sees nähert, begann am 20. Februar 1990.
Vor einigen Jahren wurden im „blutigen Wasserfall“(Blood Falls), der aus dem subglazialen Lake Bonney (Lake Bonney) fließt, Mikroben entdeckt, die in Abwesenheit von Sauerstoff in der Umgebung Eisen atmen. Die Begeisterung der Biologen kannte keine Grenzen. Diese Art des Stoffwechsels wurde bisher nur an der Spitze einer Feder „beobachtet“– und hier in einer echten Biozönose! Man könnte meinen, dass sich unter dem Eis der Antarktis noch viele weitere einzigartige Lebensformen verstecken, und es ist sehr wahrscheinlich, dass nicht alle zumindest theoretisch vorhergesagt wurden. Und hier stellt sich die Frage: Wie kann man nicht schaden? Schließlich kann bereits eine sehr kleine Verschmutzung zu einer Veränderung des bestehenden Ökosystems führen, wonach es viel schwieriger wird, es zu untersuchen, wenn überhaupt möglich.
Ich muss sagen, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft bei den meisten kleineren subglazialen Seen etwas weniger gewissenhaft ist. Vor ein paar Jahren tauchte die amerikanische Unterwasser- (oder besser gesagt Unter-Eis-) Sonde ENDURANCE, ein Prototyp eines Geräts, das vielleicht eines Tages die Ozeane von Europa, einem Satelliten des Jupiter, erforschen wird, sogar in denselben See ein Bonnie vor ein paar Jahren. Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit befindet sich auf diesem Himmelskörper unter einer Eisschicht flüssiges Wasser - möglicherweise ein globaler "paneuropäischer" Ozean. Die Bedingungen der Stauseen unter den Gletschern der Antarktis scheinen denen des europäischen Ozeans ähnlich zu sein, soweit eine solche Ähnlichkeit auf der Erde möglich ist, daher ist es nicht verwunderlich, dass NASA-Spezialisten einen Prototyp der zukünftigen Sonde zum südlichen Kontinent schickten.
Zeitkapsel
Die Gewässer des Ostens füllen eine Riftverwerfung am Rande des präkambrischen antarktischen Schildes. Von oben wird die Verwerfung durch einen Gletscher blockiert, der langsam (ca. 3 m pro Jahr) von der hundert Kilometer entfernten Eisscheide abrutscht. Die Dicke des Gletschers über dem See ist nicht gleich: von etwa 3800 m in der Nähe der Südküste bis 4250 - an der Nordküste. Dies ist wahrscheinlich das einzige große natürliche Reservoir auf der Erde, das eine geneigte Oberfläche hat. Der See ist in zwei Teile geteilt – Nord und Süd (mit Tiefen von 1000–1265 m) – verbunden durch eine relativ flache Brücke.
Die Unebenheiten der Eisdecke erwiesen sich als bemerkenswerte Eigenschaft: Sie ermöglichte die Berechnung der Dichte des Wassers und damit seines Salzgeh alts. Der See erwies sich als fast frisch.
Das Alter der unteren Gletscherschichten über dem See wird auf 420-470.000 Jahre geschätzt. Über die Zeit der Abschottung des Stausees unter dem Gletscher sprechen Wissenschaftler normalerweise von „ungefähr einer Million Jahren“und sind möglicherweise vorsichtig. Nach modernen Ansichten begann die Vereisung der Ostantarktis vor etwa 35-40 Millionen Jahren, und es scheint, dass das Eis dort seitdem nicht geschmolzen ist. Es ist unmöglich, etwas Bestimmteres zu sagen: Die geologische Geschichte des Südkontinents ist noch immer kaum verstanden, weil seine "Chronik" - Sedimentgesteine - unter der Dicke von Gletschern vor uns verborgen ist.
Ab einer Tiefe von 3538 m verändert sich die Struktur des Kerns. Der Brunnen erreichte die Schichten, die entstanden, als Seewasser von unten auf den Gletschergrund gefroren wurde. Der Stoffaustausch zwischen See und Gletscher geht in beide Richtungen. Eines der wichtigsten Ergebnisse ist die Übersättigung von Wasser mit in Eis „eingeschlossenem“Sauerstoff. Berechnungen zufolge übersteigt die Sauerstoffkonzentration im Wasser die für offene Gewässer charakteristische um etwa das 50-fache. Für ein hypothetisches Seeleben kann das ein eher deprimierender Faktor sein: Bei so viel Sauerstoff kann man sogar unter Wasser „ausbrennen“.
Die Untersuchung der Proben brachte ein unerwartetes Ergebnis: In den Proben wurden Spuren gefunden, die der DNA thermophiler Bakterien ähneln, die in heißen Quellen bei einer Temperatur von 40-50°C leben. Die Entdeckung heißer Quellen und damit verbundener Lebensformen ist keine Sensation, aber die Liste möglicher Biodiversitätsoptionen wird sehr umfangreich – von Mikroben, die bei Gefriertemperaturen leben, bis hin zu Thermophilen.
Penetrationsmethode
Nach Beendigung der Bohrungen entwickelten Wissenschaftler des St. Petersburger Bergbauinstituts eine Technologie zur Wasserentnahme aus dem See, die laut den Autoren die Möglichkeit einer Verschmutzung ausschließt.
Beim Bohren eines tiefen Brunnens im Eis (und nicht nur) wird sein Stamm mit Bohr-(Füll-)Flüssigkeit gefüllt. Dies geschieht aus vielen Gründen und vor allem, damit der Druck der umgebenden Dicke kein kleines Loch darin „kollabiert“. Die Wostok-Station verwendet eine Mischung aus Kerosin und Freon. Beide Flüssigkeiten vermischen sich nicht mit Wasser und gefrieren nicht. Ihr Verhältnis ist so gewählt, dass die Dichte der Mischung gleich der Eisdichte ist - der Druck der Flüssigkeitssäule an den Wänden des Brunnens gleicht also den Eisdruck aus.
Da ein Gletscher auf der Wasseroberfläche schwimmt, lässt sich der von ihm erzeugte Druck sehr genau berechnen – die wichtigste Tatsache, auf der die Methode basiert.
Im Moment des Kontakts des Bohrwerkzeugs mit Seewasser sollte der Flüssigkeitsspiegel im Brunnen niedriger sein als für die Druckgleichung erforderlich, und dementsprechend wird der Druck am Boden des Brunnens niedriger sein als das Seewasser.
Das in den Brunnen eintretende Wasser steigt auf eine dem Druckabfall entsprechende Höhe (30−40 m) und gefriert. Danach werden die Bohrungen wieder aufgenommen (offensichtlich bereits in der nächsten Saison) und ein Kern aus frischem Seeeis wird an die Oberfläche gebracht. Es wird kein zweites Eindringen in den See geben - er bleibt verstopft.
Ein ähnliches System wurde tatsächlich im Juli 2003 in Grönland getestet. In einer Tiefe von 3085 m öffnete der Brunnen ein subglaziales Reservoir, wonach das Wasser entlang des Bohrlochs 45 m stieg. Eine Untersuchung des ein Jahr später geborgenen Kerns zeigte, dass nur die ersten 10-15 cm mit Kerosin-Freon-Flüssigkeit kontaminiert waren - es gab keine weiteren erkennbaren Spuren der Mischung.
Um Verunreinigungen zu beseitigen, wird am Boden des Wells eine Schicht Silikonflüssigkeit erzeugt, die mit Wasser nicht mischbar ist und eine höhere Dichte als die Füllmischung, aber eine geringere als Wasser hat.
Die letzten zwei Dutzend Meter werden von einem thermischen Bohrer abgedeckt, der zwei beheizte Elemente enthält: eine Pilotbohrkrone - eine dünne Sechs-Meter-Stange, die ein Loch mit einem Durchmesser von etwa ein paar Zentimetern schmilzt, und eine breite thermische Krone, die sich darüber befindet und das Hauptloch bildet. Sobald die feste Stütze unter dem Pilotbohrer verschwindet (die Oberfläche erreicht ist), funktioniert die Automatisierung. Eine spezielle Einheit - ein Packer - unterbricht die Verbindung des unteren Teils des Bohrlochs mit dem Rest des Volumens, die Erwärmung wird gestoppt und die thermische Krone wird durch das Gewicht des Projektils auf den Boden gedrückt. Der Bohrer wird zu einem "Korken", der den Weg des Seewassers nach oben und der Füllflüssigkeit nach unten blockiert.
Danach wird das Druckverhältnis überprüft. Wenn sich eine Ungenauigkeit in die Berechnungen eingeschlichen hat und sich herausstellt, dass der Druck unter dem Eis geringer als der berechnete ist, wird überschüssige Flüssigkeit aus dem Bohrloch entfernt. Es ist hypothetisch möglich, dass der Druck am Boden hoch genug ist, um den Bohrer nach oben zu drücken - aber in diesem Fall gelangt definitiv nichts mehr in den See.
