5 февраля 2012 года произошло событие, которого ждал весь мир: буровой снаряд в скважине на антарктической станции «Восток» преодолел последние сантиметры льда и коснулся воды. Люди проникли в уникальное подледное озеро Восток. Проникли экологически чисто: несмотря на сомнения, российская технология сработала как надо. Через что пришлось пройти полярникам, что они на самом деле сделали и что нашли, вернувшиеся из Антарктиды ученые рассказали нашему корреспонденту.Путь к Востоку
Открытие озера Восток под ледяным щитом Антарк тиды — самая большая географическая сенсация в наше время. Ведь эпоха великих географических открытий осталась в прошлом. И казалось, что белых пятен на планете уже не существует. Но в 1996 году научный мир взбудоражила статья в журнале Nature, на обложке которого впервые появилась карта Антарктиды с местом расположения озера Восток. Сама статья, написанная международным коллективом ученых при участии российского географа Андрея Капицы, убедительно доказывала существование озера. Но этой сенсации предшествовала долгая история.
ОЗЕРО ВОСТОК:
Протяженность береговой линии — 1030 км Площадь воды —15.5 тысячи квадратных киломе| тров (примерно треть Байкала) Суммарная площадь островов — 70 квадратных километров
Глубина южной части — около 800 м Глубина северной части — около 300 м
Поверхность озера наклонена по отношению к уровню моря (это единственный в мире случай) на 0.12 градуса.
ПОДАРОК ПРОВИДЕНИЯ
История началась с невероятного везения — выбора места советской антарктической станции -Восток». При планировании Международного геофизического года (1957—1958 годы) несколько стран определяли местоположение своих научно-исследовательских станций в Антарктиде. Понятно, что большую их часть планировалось построить на побережье, где и климат помягче, и с доставкой грузов полегче. Только СССР и США замахнулись на создание станций в глубине ледяного континента. Советская станция .Восток» должна была быть построена прямо в точке Южного геомагнитного полю са Земли. Эта точка находится на расстоянии около 1300 километров от побережья, на высоте 3500 метров над уровнем моря. Это самое холодное место на планете — здесь была зафиксирована температура минус 89.2 градуса по Цельсию.
И в этом месте, совсем не предназначенном для жизни, советские полярники начали строить станцию. Сюда доставляли грузы с другой советской станции — Мирный, расположенной на побережье моря Дэвиса в восточной части Антарктиды. Кстати, эти имена советские станции получили в честь двух кораблей первой российской антарктической экспедиции 1820 года, на которых русские мореплаватели Фаддей Беллинсгаузен и Михаил Лазарев впервые увидели очертания материка в Южном океане.
Вот как написал о строительстве станции один из первооткрывателей озера Восток, известный полярный исследователь и теплофизик Игорь Зотиков (в 2010 году ушедший из жизни): Домики на санях были придвинуты друг к другу и образовали компактный четырехкомнатный дом. Были установлены генератор, кухня, метеорологическая станция, радиомачты. флагшток. Создали взлетно-посадочную полосу, способную коротким антарктическим летом принять двухмоторные самолеты Ил-14, и новая круглогодичная станция начала свою работу. Тогда никто и не подозревал, что прямо под станцией, на почти четырех километровой глубине, расположено подледное озеро — это совершенно невероятное стечение обстоятельств! В награду за то. что мы выбрали самое трудное на Земле место для жизни, провидение сделало нам подарок; российские ученые оказались ближе всех к озеру Восток — пишет Зотиков.
Игорю Зотикову принадлежит первое предположение. что под ледяным щитом Антарктиды может скрываться вода. Он. по образованию теплофизик. исследовал потоки тепла в глубине ледника и подтвердил идею, которую впервые высказал выдающийся ученый и анархист князь Кропоткин: в ледяных щитах температура линейно возрастает с глубиной. Из этого следовало, что на глубине температура льда равна температуре его плавления и лед превращается в воду.
У нас есть два потока: поток холода от атмосферы и поток тепла от Земли. — пояснил на публичной лекции директор Института географии РАН академик Владимир Котляков. — А лед — это шуба между ними. Под ледниковым щитом поток тепла превышает поток холода и лед начинает таять.
Талая вода заполняет углубления в подледниковом ложе и образует подледные озера.
Сейчас в Антарктиде найдены уже сотни подледных озер. Но если говорить о возникновении именно озера Восток, то, скорее всего, оно существовало еще до оледенения Антарктиды, которое произошло предположительно 14 миллионов лет назад — объяснил корреспонденту ДМ заместитель руководителя Российской антарктической экспедиции (РАЭ) Вячеслав Мартьянов — Это наиболее правдоподобная гипотеза. Уж очень оно большое — примерно треть Байкала, и расположено в глубокой и узкой котловине.
Итак. Игорь Зотиков предсказал озеро по температуре льда. Другое предположение появилось, когда Андрей Капица в 1959 и 1964 годах провел сейсмическое зондирование ледяного щита Антарктиды. Зондирование проводили для того, чтобы определить толщину льда. Но при анализе результатов оказалось, что помимо главного пика отражения от дна ледника появляется еще один. Сначала его приняли за отражение границы осадочных пород под ледником. На самом деле это была поверхность озера.
В 90-х годах британские и российские ученые исследовали поверхность ледяного щита при помощи мощного радара, установленного на самолете. Во время этого полета удалось увидеть берега озера, причем не только радиолокацией, но и просто глазами: Вскоре мы обнаружили поверхностные следы озера — более белые его берега, которые в некоторых случаях были близки к берегам радиолокационным — пишет Зотиков.
Тем временем Андрей Капица пересмотрел свои ранее полученные данные по сейсмическому зондированию и выяснил, что сигнал идет не от слоя мерзлых пород, а от воды.
Наконец, последние доказательства пришли из космоса. Британский исследователь Д. Ридпи обработал результаты спутниковой лазерной альтиметрии и получил точные отметки высот ледникового покрова. Он построил высокоточную карту рельефа поверхности Антарктиды и на ней увидел четкие контуры озера, которые абсолютно совпали с данными радиолокации.
После этого всем стало ясно, что озеро реально. Его назвали Востоком по имени находящейся над ним российской станции.
БУРЕНИЕ: НАЧАЛО
В самом суровом месте земного шара воздух обжигающе холодный и сухой. Осадков почти не бывает — за год выпадает около сантиметра снега. По свидетельству тех, кто жил и работал на станции, к морозу довольно быстро привыкаешь, но ощущается кислородное голодание — все-таки больше 3000 метров над уровнем моря. Поэтому иногда начинает кружиться голова, теряешь ориентацию в пространстве, из памяти выпадают самые обычные вещи.
Сезон бурения скважины продолжается два месяца в году — декабрь и январь. Это короткое антарктическое лето, когда среднесуточная температура составляет всего (!) -30°С. Зато в феврале температура опускается до -60С и на станцию перестают летать самолеты, так как перестает работать гидравлическая система управления шасси. Сезон кончается, на станции остаются только зимовщики.
Бурить скважину на станции Восток начали еще тогда, когда о существовании озера и не подозревали. Была сама по себе интересна задача — проникнуть как можно глубже в ледяную толщу. Первая попытка была сделана в 1959 году, когда с помощью электрического нагревателя удалось проплавить первые 40 метров ледника. Но дальше этой глубины бур не продвинулся — он только кипятил воду в скважине и расширял ее. В 1960 году Игорь Зотиков изготовил специальный термобур, который отсасывал воду со дна скважины в специальный контейнер. Но снова неудача — термобур вмерз в лед на глубине 50 метров.
БУРЕНИЕ: ТЕПЛО vs МЕХАНИКА
В 1967 году в Антарктиду пришли профессионалы глубокого бурения из Ленинградского горного института (теперь Санкт-Петербургский горный университет) и стали испытывать разные технологии. Вот что рассказал корреспонденту ДМ руководитель гляцио-бурового отряда СПбГУ профессор Николай Васильев: Есть два метода бурения: тепловой и механический. До 1993 года (до 2755 метров) мы использовали термобур, который нагревается электричеством. Если взять электроплитку, перевернуть ее и положить на лед, то она начнет уходить вниз. Так и у нас. Труба на грузонесущем кабеле опускается в забой, лед протаивает, вода отсасывается в специальный снаряд. И все это поднимается наверх, где из снаряда вынимается керн льда. С1994 года мы перешли на электромеханический метод. В этом случае в буровой снаряд входит электродвигатель, колонка с резцами вращается и врезается в лед.
Буровые работы в Антарктиде — тяжелый и очень медленный труд. Через каждые два метра снаряд надо поднимать на поверхность. Только его подъем на тысячи метров, выемка керна и спуск обратно занимают часы. Но случаются и аварии. Буровиков подстерегает множество бед, и все они не раз происходили на «Востоке». Самая распространенная — снаряд вмерзает в лед и его заклинивает. Тогда одно из двух: или удается извлечь его специальным устройством, или надо закладывать (буровики говорят: зарезать) новый ствол в обход аварийного участка. Но иногда и обход невозможен — значит, скважина потеряна и приходится закладывать новую. До той самой — удачной — скважины 5-Г2, которой было суждено добраться до воды озера, полярникам пришлось пробурить целых четыре (!), причем на срезе каждая из них похожа на елочку, так как из-за аварий разветвляется на несколько стволов.
Например, при проходке скважины 1, когда ее глубина уже превышала достигнутую американцами <560 метров, в отверстие случайно упал металлический стержень (буровики суеверно считают, что скважина, как магнит, притягивает все предметы). Извлечь его не удалось. Зарезали новый ствол, но на глубине 952 метра снова случилась авария — отвалилась рукоятка тормоза и кабель ушел на глубину. Скважину потеряли. На следующий сезон пробурили новый ствол, но снаряд вмерз в лед. Из-за заклинивания снаряда пришлось расстаться и со скважиной 2.
При проходке скважины ЗГ-1 (Г — означает глубокая, 1 — означает новый ствол ЗГ) случилось самое страшное — пожар: загорелась дизельная электростанция. Пожар в Антарктиде нечем тушить, кроме снега. На пожаре погиб человек — начальник электростанции. А двадцать полярников остались без электричества, тепла, света и радиосвязи на полгода — до весны, когда к ним со станции Мирный смог добраться санно-гусеничный поезд.
И ВСЕ-ТАКИ ОНИ ВЫЖИЛИ И ПРОДОЛЖАЛИ РАБОТУ
В 1985 году буровики достигли рекордной для Антарктиды глубины бурения — 2200 метров. Но в следующей экспедиции снаряд снова застрял, а при попытках его извлечь оторвался и кабель. Заложена новая скважина — 4Г. Но дважды при ее проходке приходилось зарезать новые стволы. Перешли на более мощный электромеханический снаряд, с двумя электромоторами, но и он вмерз в лед.
Тогда 20 февраля 1990 года заложили еще одну скважину — 5Г. Именно она в конце концов, через 22 года, дошла до озера Восток. Но и при ее проходке дважды из-за потери снаряда приходилось зарезать новые стволы — 5Г-1 и 5Г-2.
Начиная с 3000 метров каждый метр давался с большим трудом, так как параметры льда с глубиной меняются — рассказывает Николай Васильев корреспонденту — Приходилось каждый раз приспосабливать технологию бурения к изменившимся условиям, и это было, пожалуй, самое сложное. По словам руководителя Российской антарктической экспедиции Валерия Лукина, на глубине 2500 метров лед становится монокристалличесхим — состоит из огромных кристаллов размером до полутора метров, и бурить его все равно что бурить стекло.
«ЛУННАЯ ГОНКА» В АНТАРКТИДЕ
К 1995 году глубина скважины 5Г достигла 3058 метров. Поскольку к этому времени ученые убедились в существовании подледного озера под станцией «Восток». у бурения появилась еще одна амбициозная цель — попытаться проникнуть в воды озера. И вот тут международная научная общественность заволновалась. Методы, которыми работали российские полярники, стали критиковать за неэкологичность. Экологи опасались того, что при проникновении в озеро его воды будут загрязнены заливочной жидкостью из смеси керосина и фреона. Жутко даже себе представить, чтобы такая гадость попала в уникальную изолированную экосистему. В 1995 году Комитет по научным исследованиям в Антарктике (СКАР) потребовал от России остановить бурение в нескольких десятках метров от границы «лед — вода» до тех пор. пока не будет разработана экологически чистая технология проникновения в озеро.
С такими условиями специалисты продолжали бурение до февраля 1998 года, когда до границы льда и воды оставалось около 130 метров. Дальше. по требованиям СКАР. идти было нельзя. Нужно было обновить технологию. Миннауки РФ объявило конкурс, который выиграл совместный коллектив специалистов СПбГИ и ДАНИИ под руководством профессора СПбГИ Бориса Кудряшова.
«НЕ СКВАЖИНА ВОЙДЕТ В ОЗЕРО, А ОЗЕРО В СКВАЖИНУ»
И российские специалисты разработали такую технологию. Самым сложным оказалось то, что отказаться от заливочной жидкости из керосина и фреона было нельзя — все другие способы бурения для таких глубин не подходят. Но инженеры создали систему электронного контроля за процессом бурения и снабдили буровой снаряд тремя видами датчиков, которые должны точно отследить момент проникновения в озеро. Первый датчик отслеживает изменение электропроводности, которая различается у льда и воды, второй реагирует на изменение давления в скважине, а третий отмечает отсутствие упора (в момент попадания в воду у скважины просто исчезает дно).
Но главное — новая технология обеспечивала то. что заливочная жидкость в момент вхождения в озеро не попадает в озерную воду. Для этого из скважины откачивают часть жидкости, чтобы давление в ней было намного меньше, чем в озере (создают недокомпенсацию давления). А вода в озере, как известно, находится под очень большим давлением (почти 4000 атмосфер). И когда последние сантиметры льда рушатся, озерная вода под давлением устремляется в скважину (а не наоборот) и контакт ее с заливочной жидкостью случается только в самой скважине небольшого диаметра. Гидрофобная жидкость с водой не смешивается, и вода в озере остается чистой. Забегая вперед надо русских все может получиться так просто и безопасно. Основными скептиками и соперниками России стали американцы.
Вот как пишет об этом руководитель РАЗ Валерий Лукин: Ситуация была похожа на -лунную гонку» середины 60-х годов XX века, когда космические программы США и СССР встретились в остром соперничестве за право первенства в высадке человека на Луну. Тогда выиграли американцы». С Востоком получалось наоборот. Поэтому американцы срочно включились в работу: провели геофизические исследования над озером и объявили конкурс на разработку быстрой технологии бурения. Они предлагали использовать горячую воду — плавить ледник с помощью электронагревательного элемента. Но расчеты показали, что это будет работать только при температуре поверхности ледника минус 35 градусов (а на станции -Восток- — минус 50). Реальной альтернативы российской технологии никто так и не предложил. Американцы не стали пытаться бурить Восток, а сосредоточились на более поверхностных озерах.
КОНСЕРВИРОВАННЫЙ КЛИМАТ
В1990 году бурение сверхглубокой скважины приобрело новый научный смысл — начался проект по палеоклиматической реконструкции. Керн, который буровики доставали из скважины на разных глубинах. — это консервированный климат за сотни тысяч лет.
Когда-то в Антарктиде было тепло: росли леса и бродили динозавры. Постоянное оледенение континента началось предположительно 14 миллионов лет назад. Но это не значит, что таков возраст льда в глубине. Лед очень пластичен и буквально стекает в океан, купол «расползается». По оценкам специалистов. четырехкилометровая ледяная толша накапливается примерно за 440 тысяч лет. Но и за такой срок получить летопись древнего климата — большая удача.
О климате разных эпох ученые судят по соотношению изотопов кислорода и водорода в слоях льда. Содержание тяжелых изотопов свидетельствует о значении температуры воздуха и количестве осадков, поскольку зависит от интенсивности испарения и конденсации.
Палеоклиматический проект стал международным. В буровых работах кроме России принимали участие
Франция и США. керны из скважины 5Г анализировали в лабораториях всех трех стран. Так. например, ученые из Британской антарктической службы. Бристольского университета и Университета Саутгемптона пришли к выводу, что в периоды плейстоценового межледникоеья температура была выше современной на шесть градусов, а содержание углекислого газа в атмосфере примерно таким, как сейчас.
При анализе кернов мы получили уникальные результаты — рассказывает Владимир Котляков — кривые. которые свидетельствуют о цикличности климата. Есть циклы, продолжающиеся десятки тысяч лет есть — всего сотни лет. И еще один важный вывод касается связи температуры и концентрации парниковых газов. Керны с озера Восток показывают, что чем теплее было на планете, тем больше С02 в атмосфере, чем холоднее, тем меньше. То есть концентрация СОг следует за температурой, а не наоборот. Это свидетельствует о том. что климат в большей степени подчиняется природным процессам, а не антропогенному воздействию. На планете работает гигантская тепловая машина, в которую входят суша, океан, атмосфера и лед. И. к счастью, человек пока не смог нарушить ход этой машины.
Больше десяти лет научная мировая общественность пыталась усомниться в наших методах — рассказывает корреспонденту ДМ Вячеслав Мартьянов. — Никто не хотел допускать, что русские, которые сейчас отстают по всему, вдруг взяли и обогнали всех. Десять лет нам пришлось доказывать, что мы все сделаем нормально».
ПРОВЕРКА В ГРЕНЛАНДИИ
Чтобы разрешить России продолжать бурение. С КАР потребовал провести испытание технологии на другом природном объекте. И тут помог случай. В 2004 году датчане бурили ледяной щит в Гренландии, использовав тот же способ — заливая скважину смесью керосина и фреона. На пути им встретилась водная линза. После того как бур неожиданно для всех проник в нее, его вытащили на поверхность и убедились, что керосин и фреон в воду не попали. Она оставалась стерильно чистой. Так коллеги из Дании по счастливой случайности испытали российскую технологию на практике. Экологическая чистота была доказана. И бурение разрешили продолжить.
НА ПОДХОДАХ К ЦЕЛИ
В сезон 2006—2007 годов российские буровики после восьмилетнего перерыва расконсервировали скважину. С глубины 3623 метра бурение продолжилось. Но из-за технической неисправности лебедки и кабеля термобуровой снаряд остановился на отметке 3665 метров.
А в январе 2008 года случилась авария — оборвался кабель буровой лебедки. Снаряд застрял в скважине на отметке 3667 метров. Но специалисты под руководством профессора Николая Васильева справились с бедой — изготовили устройство, которым удалось зацепить снаряд и поднять на поверхность. На следующий год — новая авария. На этот раз в буровом отряде не было профессора Васильева. И снаряд извлечь не удалось. Пришлось отклонять скважину, закладывать новый ствол в обход аварийного участка — так появился ствол 5Г-2.
На конец сезона 2009—2010 глубина скважины составляла 3650 метров. В следующем сезоне — 2010—2011 полярники достигли отметки 3720.47 метра. До озера теоретически оставалось примерно от 10 до 50 метров льда. С этой глубины и начался нынешний сезон.
ПОСЛЕДНИЙ БУР
Гляцио-буровой отряд 57-й Российской антарктической экспедиции — семь человек, во главе с профессором Васильевым, прибыл на станцию Восток в конце ноября 2011 года. Перед началом бурения специалистам, как всегда, предстояла большая работа: нужно было отремонтировать кое-какую технику, модернизировать буровой снаряд новыми деталями, проверить состояние электронного оборудования, отобрать пробы заливочной жидкости с различных горизонтов скважины и проверить. не изменилась ли ее плотность, измерить температуру в скважине, разбурить места сужения, которые возникают из-за деформации ледника. Только после этого полярники приступили к бурению с использованием электромеханического снаряда БГ-2. Для экономии времени работали круглосуточно — по восемь часов в три смены. Скорость проходки составляла 1.8 метра в сутки.
По словам Николая Васильева, в этом сезоне все оборудование работало на удивление хорошо. Но без трудностей не обходится не один сезон. В конце января скорость проходки пришлось снизить. так как температура льда повысилась (чем глубже, чем он теплее) до -5-6С. Теплый лед бурить труднее — ледяная стружка, смешиваясь с жидкостью, слипается, как мокрый снег во время оттепели. Снаряд не справлялся с этими кусочками льда, и буровики были вынуждены сделать остановку. чтобы приспособить технологию к новым условиям. Последние метры они проходили термобуровым снарядом с долотом малого диаметра (ТБПО).
ВОДА!
Это случилось 5 февраля 2012 года, в самом конце летнего сезона бурения, в 20.25 по московскому времени. Причем событию предшествовал фальш-старт. Накануне, говорят полярники, буровой снаряд попал в водную линзу, и сначала они приняли это за проникновение в озеро. Но потом процесс бурения продолжился, и на отметке 3769.3 метра произошел реальный контакт бурового снаряда с водой озера. Сработали все три датчика: они показали изменение электропроводности. изменение давления и исчезновение упора колонки. После получения такого сигнала главная задача буровиков — быстро поднять снаряд на поверхность, чтобы не произошло вмерзания. С этой задачей они справились.
Когда мы подняли снаряд, он был весь равномерно покрыт льдом — это стопроцентрая гарантия того, что мы проникли в озеро — сказал корреспонденту Николай Васильев.
После того как снаряд подняли, по стволу скважины под давлением озерной воды стала подниматься заливочная жидкость и около полутора кубометров ее вылилось из скважины в специальные емкости. Расчеты оказались правильные — озерная вода не вошла в контакт с заливочной жидкостью. Это означает, что в уникальный реликтовый водоем проникли чисто. По словам Валерия Лукина не скважина вошла в озеро, а озеро в скважину. Экологи могут быть спокойны. Международная научная общественность, которая и ждала, и опасалась этого события, поздравляет российских коллег с победой.
Смертельно уставшие, но счастливые полярники отчаливают домой. От Востока до Мирного — самолетом Turbo Bassler, из Мирного в Кейптаун — на судне Академик Федоров, из Кейптауна в Санкт-Петербург — самолетом. А как же первая проба воды из озера?
В буровом снаряде осталась замерзшая вода, где-то около литра, объяснил корреспонденту ДМ Вячеслав Мартьянов. Эту бесценную воду члены отряда взяли на судно Академик Федоров. Но в Кейптауне их пути разошлись. Люди прилетели 24 февраля, а проба воды, которую, по словам Вячеслава Мартьянова, не взяли на борт из-за соображений безопасности (не сдавать же ее в багаж), все еще плывет на корабле и прибудет в Москву не раньше 18 мая. Та же вода, которую уже торжественно вручили Владимиру Путину, представляет собой размороженный озерный лед. вынутый из нижних слоев керна. Этот лед, сказал Вячеслав Мартьянов, ученые исследуют уже давно.
О том, что в нем нашли и какие тайны может скрывать само озеро, читайте в следующей статье через месяц.