Як відкривали озеро Схід - ОКО ПЛАНЕТИ інформаційно-аналітичний портал
Як відкривали озеро Схід
Книга Ігоря Олексійовича Зотикова The Antarctic subglacial lake Vostok, яку я рекомендував у минулому пості про це озеро, — це скоріше книга особистих спогадів про дослідження цього озера, ніж наукова монографія, але наведені там історичні подробиці дуже цікаві. Ось, наприклад, короткий переказ історії у тому, як це озеро відкривали.
Підлідна вода
Взагалі, те, що під антарктичним льодовиковим щитом є вода, що незамерзає, зовсім не дивно. Незважаючи на те, що в Антарктиді холодно, з-під Землі йде тепло. Тому температура змінюється з глибиною від підземної (сильно вище за нуль) до атмосферної (сильно нижче за нуль) досить плавно. На якійсь глибині вона проходить через точку плавлення льоду (через великий тиск вона трохи нижче за нуль градусів, для тиску приблизно в 300 атмосфер плавлення відбувається приблизно при -3°C). Питання тільки в тому, чи розташована ця точка в ґрунті або всередині льодовика (рис. 1). Якщо у ґрунті, то там утворюється шар вічної мерзлоти, а льодовик при цьому не тане. Якщо всередині льодовика, то льодовик тане, і тоді на межі поділу льодовика та скельної основи є вода.
Виходить, що льодовик товщі, тимвище температура його нижньої поверхні — льодовик служить «шубою», що захищає Землю від холодної атмосфери. А значить, існує деяка критична товщина льодовика (за заданих метеоумов): якщо реальний льодовик товстіший за неї, то він танутиме внизу. Розрахунки, проведені Зубовим у 1956 році та покращені Зотиковим у 1961, показали, що товщина антарктичних льодів на значній частині континенту більша критичної. Тому цілком природно очікувати якийсь шар води є скрізь, де потужність льодовика досягає двох-три кілометри.
А ось у якому вигляді ця вода там знаходиться, це вже складніше питання. Це прошарок може бути і чистою водою, а може бути і такою собі сумішшю підтанув льоду і грунту. Витекти з-під льодовика, до речі, ця вода не може - на краю льодовика точка плавлення йде під землю. Тому якщо породи не дозволяють воді проникати, вода не може нікуди піти, вона може тільки накопичуватися в долинах і знову намерзати на краях континенту.
Сейсмічні дані
Методи сейсморозвідки в 50-х роках були вже цілком розвинені, тому природно, що як тільки було засновано перші станції в глибині Антарктиди, почалося сейсмічне промацування льодовика. Андрій Петрович Капіца провів на початку 1960-х років серію вибухів для вивчення ландшафту скельної основи під льодовиком. Там йому для покращення точності довелося трохи вдосконалити методику і розміщувати геофони не на поверхні, а в свердловинах на глибині 50 м (кілька десятків метрів в Антарктиді можна виплавити простим нагріванням) — інакше виходили дуже великі похибки.
Одна з отриманих Капіцей сейсмограм (в районі станції Схід) наведена на рис. 2. Тут показані записи з кількох геофонів через проміжок часу від 1,85 до 2,9 секунд з моменту вибуху (5 кг ТНТ). Оскільки геофони були розташовані на різній глибині, можна помітити не лише момент, а й напрямок приходу хвилі. Сам вибух теж був здійснений не на поверхні, а на глибині 40 метрів, тому вниз пішла не тільки вихідна ударна хвиля, а й хвиля, що відбилася спочатку від кордону льодовик-повітря (тому сигнал складається з двох близьких сплесків, позначених двома рисками).
Найголовніший результат на цій сейсмограмі – наявність двох відбитків. Перше прийшло приблизно через 2секунди, а друге через 2,7 секунд після вибуху. Це означає, що в районі станції Схід є дві чіткі межі, що відображають сейсмічні хвилі, і відстань між ними приблизно 500 метрів.
Який би ви звідси зробили висновок? Здавалося б, відкриття напрошується саме собою. І ось тому Зотіков у своїй книзі дивується з того, що в той момент ні він сам, ні Капіца не зрозуміли, що перед ними верхня і нижня межа озера. Капиця інтерпретував це як шар осадових порід, і чомусь усі були цим цілком задоволені.
Вода під антарктичним льодовиком
У цій історії примітно ось що. Незважаючи на те, що підлідна вода була передбачена за роки до цього, техніки розробляли цей бур лише для буріння льоду та гірської породи і зовсім не взяли цю можливість до уваги. Ймовірно, вони просто не вірили, що там буде вода. Однак після цього епізоду стало зрозуміло, що технологія буріння має враховувати воду і запобігати попаданню та підйому води по свердловині.
І ще як особистий спогад Зотиков у своїй книзі розповідає, що ця новина прийшла до нього безпосередньо перед захистом докторської. У підлідну воду вірили далеко не всі, і нібито були плани завалити його на захист із цього питання. Проте, зачитавши на захисті телеграму американців, він повністю зняв усі питання.
Радіолокаційне зондування льодовиків
У 1960-х роках антарктичний льодовик почали активно досліджувати з повітря за допомогою радіозондування. Радіохвилі добре проникають через лід і відбиваються як від внутрішніх кордонів, що розділяють шари з різними властивостями, так і від скельного основи. До речі, спочатку така радіопрозорість льоду була великою проблемою: радіолокаційне обладнання на літаках частосильно помилялося в оцінці висоти польоту та призводило до катастроф (рис. 1). А вже потім люди зрозуміли, що її можна використовувати і для вивчення профілю скельного підґрунтя континенту.
Тут до речі цікаво, що з хорошої точності даних все польоти доводилося робити неподалік станцій, тримаючи в межах видимості. Просто візуально орієнтуватися на рівномірно білій Антарктиді з необхідною точністю було неможливо, а жодної GPS на той час ще був. Тому вдало вийшло так, що область в районі станції Схід була вичерпана літаковими рейсами вздовж та впоперек.
Зазвичай радіозондування показувало якийсь характерний ландшафт скельного основи, зі своїми горами та западинами (див. рис. 2). Однак іноді траплялися ділянки з аномально рівною горизонтальною поверхнею (рис. 3). Крім того, сигнал від них був набагато різкішим, ніж від звичайного скельного масиву. (До речі, як виглядають сучасні дані з радіозондування в Антарктиці, можна подивитися, наприклад, у цій статті 2011 року.)
Зотиков каже, що саме з цією статтею можна пов'язати реальне відкриття озера Схід (хоча воно тоді так не називалося, та й взагалі було не надто широко відоме). Але й тут далеко не всі були переконані у правильності виведення. Якщо вірити Зотикову, на той час до радіолокаційних (тобто нових) методів ставилися скептичніше, ніж до надійно перевіреного сейсмічного зондування. І Робіну заперечували - адже в 1964 році Капіца на підставі сейсмічних даних дійшов висновку, що в районі станції Схід є шар осадових порід, ну так його поверхню ви і бачите.
Робін мав один сильний аргумент. Точніше, міг би бути, якби . не зажувала плівку під час одного з рейсів. Справа в тому, що цей рейс вдалоприпав якраз на всю довжину озера Схід, і протягом майже 200 км радіозондування показувало рівну горизонтальну поверхню. Однак, як потім з'ясувалося, апарат, на який знімалися дані, зажував плівку майже на самому початку польоту і апарат вдалося знову запустити лише ближче до кінця рейсу, тому він не був повністю задокументований. Ось які речі іноді втручаються у наукові дослідження:).
«Озера»
З літаками там пов'язана ще одна кумедна річ. Буквально з перших польотів над Антарктикою (тобто з кінця 1950-х років) пілоти час від часу помічали на однорідному білому тлі снігової пустелі якісь плями овальної форми з плавними берегами. Найчастіше вони були єдиними візуальними зачіпками, які можна було використовувати для навігації. Між собою пілоти їх і називали — «озера» . Розміри їх оцінювалися в десяток кілометрів; Більш точно виміряти їх було важко через умови спостереження. Справа в тому, що видно ці озера були тільки за дуже низького Сонця і в напрямку, протилежному до Сонця. Тобто, видні були лише ті «озера», які були далеко від літака, біля горизонту.
Робінсон проаналізував ці повідомлення і в 1960 році в короткій статті висловив припущення, що ці «озера» є ділянками снігового покриву з незвичайно рівною горизонтальною поверхнею. Незважаючи на те, що над Антарктидою лежить (точніше, повільно тече) багатокілометровий льодовик, він теж має якийсь плавний рельєф, з пагорбами і западинами (дивіться рис. 2 у минулому пості). А ці ділянки розміром у десяток кілометрів були виключно горизонтальні, і тому при відповідному освітленні вони (а також їх береги) візуально виділялися.
Така виняткова горизонтальність моглаозначати, що тут льодовик не лежить на скельному підставі, а плаває над підльодним озером.
Ось тут корисно пояснити одну річ. Зараз про озеро Схід ЗМІ пишуть багато, і іноді вони для ілюстрації наводять схему буріння, наприклад на рис. 1.
Ця схема, за всієї своєї інформативності (і формальної точності!), «обманює» читача у співвідношенні вертикальних та горизонтальних розмірів. На схемі здається, що крізь товстий шар льоду, що спирається здебільшого на сушу, люди добурилися до маленького озера. Насправді картина з тим самим Сходом виглядає швидше так, як показано на рис. 2.
Льодовик, звичайно товстий, але розміри озера набагато більші. І тому в основній своїй масі льодовик реально спирається на воду. А це неминуче означає, що його верхня поверхня теж повинна бути рівною (у зневагі горизонтальним рухом льодовика). Реальні числа - перепад висот близько метра на кілометри (!) Дистанції.
Але ці висновки легко робити зараз, коли багато що відомо про Антарктиду. А Зотіков у своїй книзі знову дивується, що ні він, ні Робінсон тоді, далекого 1960 року, не висунули припущення, що це «озера» можуть лежати на реальних підлідних озерах. Тобто. вони обговорювали ці спостереження і все. Робінсон загинув через кілька років, і вже значно пізніше Зотиков намагався знайти якісь дані щодо розташування цих «озер», щоб зіставити їх з результатами радіолокації, але наскільки я розумію, безрезультатно.
Супутникові спостереження
Супутникові спостереження революціонізували науки про Землю. Це, зрозуміло, торкнулося і досліджень Антарктиди. Європейський супутник ERS-1, запущений у 1991 році, проводив альтиметричні вимірювання та просканував у тому числі й значний шматокАнтарктиди. У 1993 році Рідлі обробив отримані на той момент дані, які дозволили відновити антарктичний рельєф з точністю близько півметра. Площа «піксела» на цій карті Антарктиди становила 10 км2, що більш ніж достатньо для надійного виявлення озера Схід.
І воно справді впадало у вічі. На рис. 3 показаний рельєф антарктичного льодовика поблизу озера; лінії рівня проведено через кожні два метри висоти. Серед схилу льодовика виявилося витягнуте плато розміром приблизно 50 на 200 км з аномально плоским рельєфом, із середнім нахилом приблизно1 метр на 5 км.
Смішно, що станція Схід знаходиться буквально на самому початку озера (коли вибирали місце для майбутньої станції, зрозуміло, ні про що подібне не здогадувалися). Тому безпосередньо під станцією озеро справді не надто широке (саме тому рис. 1 формально правильний, якщо взяти поперечний напрямок).
Консенсус
Після цих супутникових даних існування підлідної водяної маси поблизу станції Схід стало практично очевидним. Питання тут тільки в тому, наскільки це озеро глибоко і чи не забилося воно всякою галькою і осадовими породами, які лід, що рухається впоперек озера, натягнув у нього. У 1993 році в Кембриджі було організовано одноденну робочу зустріч того невеликого тоді ком'юніті, яке займалося цим озером. Після обговорень розрахунків та даних було визнано, що швидкість нанесення матеріалу в озеро надто мала для того, щоб забити його повністю. (Глибина озера тоді була невідома, але було відомий типовий рельєф скельного заснування в Східній Антарктиді на масштабах озера, так що долини глибиною в кілька сотень метрів можна було очікувати).
Але тоді ще більш гостро постало інше питання:Чому ж Капіца на своїх сейсмограмах 1964 року озеро не побачив? Можливо, там таки була водна поверхня, а він лише неправильно їх інтерпретував? Оскільки Капіца також був присутній на зустрічі, люди попросили його проаналізувати свої дані. Він почав теж схилятися до цього варіанту і сказав, що звичайно ж дані перевіряє ще раз після повернення до Москви.
Далі, звичайно, можна багато розповідати і про саме озеро, але це вже окрема тема і тут я знову рекомендую книжку Ігоря Олексійовича Зотикова The Antarctic subglacial lake Vostok. А я лише обмежився переказом історії відкриття, яка мені видалася дуже цікавою.