Восток (озеро)

Восток — крупнейшее подлёдное озеро в Антарктиде.

Озеро расположено в районе антарктической станции Восток (77° южной широты, 105° восточной долготы) под ледяным щитом толщиной около 4000 м и имеет размеры приблизительно 250×50 км.

Озеро Восток уникально прежде всего тем, что находилось в изоляции от земной биосферы на протяжении миллионов лет. Естественным изолятором озера служил и служит четырёхкилометровый ледяной панцирь над ним. Как полагают учёные, в водах озера могут обитать живые организмы, в нём имеются все необходимые для жизни факторы:

  • Пресная вода, содержание кислорода в которой примерно в 50 раз выше, чем в обычной пресной воде. Кислород в воды озера доставляют постепенно опускающиеся в глубины верхние слои льда.
  • Температура воды весьма высокая — не менее 10 °C в глубине. Тепло озеро получает, скорее всего, от подземных геотермальных источников. Температура на границе вода-лёд составляет −3,2 °C.
  • Давление воды в озере, согласно расчётам, более 300 атмосфер (давление создаётся толщей льда), но микроорганизмы могли приспособиться к таким условиям.

Микроорганизмы, приспособленные к жизни в таких удивительных условиях, изолированные от земной биосферы (а значит и эволюционные процессы там протекали по-другому), могут обладать уникальнейшими свойствами.

Название озеро получило от советской (теперь российской, с международным экипажем) научной станции Восток, работающей в этом районе с 1957 года.

Открытие озера Восток — одно из крупнейших географических открытий второй половины XX века. К настоящему времени под ледовым панцирем Антарктиды обнаружено около сотни подобных озёр. Наиболее крупные из них:

  • Озеро 90°E (названное по месту расположения) с площадью в 2 тысячи км2
  • Озеро Советское (англ. Sovetskaya Lake) названное в честь «Советской антарктической экспедиции», которая в 1958-1959 годах прошла точно над озером. Площадь Советского озера — 1,6 тысячи км2.

Содержание

История открытия

Существование этого озера, как и других подлёдных озёр, было предсказано (опираясь на данные исследований и теоретические обоснования) ещё в 1960-70х годах, но считается, что само открытие произошло относительно недавно, в 1996 году, совместными усилиями российских и британских полярников.

Теоретические обоснования

Мысль о том, что при очень большой толщине ледника температура у его нижней границы может стать равной температуре плавления льда, известна с конца XIX века. Она следовала из представлений П. А. Кропоткина, полагавшего, что в толще крупных, холодных сверху ледников, где не сказываются временные колебания температуры, последняя линейно повышается с глубиной, как это происходит в скважинах, пробурённых в других горных породах.

Исходя из этого положения, уже в 1950-х годах нашего века океанолог Н. Н. Зубов ввёл понятие критической толщины ледника, при которой у его дна достигается температура плавления льда (при соответствующем давлении). Он был первым, кто высказал предположение о том, что необычайно большая толщина ледниковых щитов в удалённых от берегов местах, обнаруженная при первых сейсмических исследованиях ледников в Антарктиде, может послужить причиной существования воды в нижних частях, даже когда температура льда на поверхности очень низка.

В 1955 году английский гляциолог Гордон Робин опубликовал ставшую классической работу, в которой показал, что поле температуры формируется в толстых антарктических ледниках под сильным воздействием вертикального переноса холода опускающимися вниз частичками льда, и отнюдь не линейно. Поэтому использовать подход Зубова для оценки условий в глубинах таких ледников нельзя.

В 1961 году И. А. Зотиковым были проведены теплофизические расчёты, основанные на решении уравнения теплопроводности в леднике, рассматриваемом как движущаяся жидкость. Учтён был и конвективный перенос холода сверху вниз. На этой основе проанализированы данные о ледниковом покрове центральной части Восточной Антарктиды, полученные в первых четырёх советских антарктических экспедициях (САЭ), и показано, что по профилю от станции Мирный к станции Восток и далее к Южному географическому полюсу центральные области ледникового покрова Антарктиды находятся в условиях, когда отвод тепла от нижней поверхности ледника вверх из-за большой его толщины очень мал. В связи с этим часть геотермического потока должна постоянно затрачиваться на непрерывное таяние у границы лёд — твёрдое ложе. В тех же работах было приведено рассчитанное из указанных выше соображений поле температур по всей толщине льда под станцией Восток и показано, что температура льда у его нижней границы равна температуре плавления (−2 °C) при давлении у ложа более 300 атмосфер. Вывод: талая вода в виде сравнительно тонкой плёнки выдавливается в те места, где толщина ледника меньше, и намерзает там вновь, двигаясь к краям ледника уже в виде льда. В отдельных углублениях подлёдного ложа эта вода может скапливаться в виде озёр под самой толстой центральной частью Антарктического ледяного щита.

Таким образом, возникла гипотеза, что подо льдом Антарктиды, на площади, почти равной площади Европы, разливается море пресной воды. Она должна быть богата кислородом, который доставляют постепенно опускающиеся в глубины верхние слои льда и снега. И очень может быть, что в этом подледниковом озере есть жизнь. Была составлена расчётная карта областей непрерывного таяния у ложа в центральной части ледникового покрова Антарктиды. Из карты следовало, что станции Восток, Амундсен-Скотт, Берд находятся в областях, где идёт непрерывное донное таяние, и можно ожидать, что здесь существуют подледниковые озера.

Впервые реальное подтверждение гипотезы И. А. Зотикова были получены в результате бурения самой глубокой в 1960-е годы скважины (два с лишним километра) на американской станции Берд, которая относилась к области, где должно было происходить подледниковое таяние. Когда бур достиг дна ледника, в скважину хлынула пресная вода.

Признание факта постоянного донного таяния и подледниковой воды в центральной части Антарктиды в дальнейшем создало новые подходы к реконструкции четвертичных ледниковых покровов, поискам скоплений полезных ископаемых (в особенности нефти и газа), выдавливаемых к краям ледников водой, оно стало главным теоретическим фактором отклонения проекта захоронения радиоактивных отходов на дне ледникового покрова в Центральной Антарктиде.

Сейсмическое зондирование в районе станции Восток

Сейсмическое зондирование ледникового щита под станцией Восток, проведённое под руководством А. П. Капицы в 1959 и 1964 годах позволило определить его толщину. При этом оказалось, что помимо главного пика отражения от дна ледника в приёмном сигнале выявлялся ещё один. Тогда он был интерпретирован как отражение от нижней границы слоя осадочных пород под ледником. Позже возникло предположение, что это был сигнал отражения от границы льда с водой.

Попытки достичь озера

В 1989 исследователями совместной экспедиции российских, французских и американских учёных на базе станции Восток было начато бурение льда с целью палеоклиматических исследований. Начиная с глубины 3539 м, достигнутой к 1996, химический и изотопный состав льда и его кристаллографическая структура существенно изменились — оказалось, что этот лёд представляет собой замороженную воду подлёдного озера.

Бурение было проведено до глубины 3623 м. Образцы льда с этой глубины имели возраст около 420 тыс. лет, поэтому предполагается, что озеро было закупорено льдом не менее 500 тыс. лет назад. Бурение было приостановлено в 1999 приблизительно в 120 м от предполагаемой поверхности озера, чтобы не допустить загрязнения воды, которое может повредить уникальной экосистеме озера.

В рамках 51-ой Российской антарктической экспедиции (20052006) планируется возобновление приостановленных работ по бурению скважины (предполагаемая дата начала работ — конец декабря 2005).

Всего за время экспедиции планируется пробурить 50 метров.

Проникнуть в подледниковое озеро учёные рассчитывают в 2007—2008 годах.

Рельеф в районе озера

Ледник в районе озера Восток имеет в десять раз меньший уклон, чем в соседних районах. Западнее плато находится резкий подъём (так называемый Ridge B-C), а восточнее — столь же резкий спуск. Такая структура характерна для шельфовых ледников. Это послужило ещё одним подтверждением гипотезы существования озера.

Толщина льда в разных частях озера составляет от 3800 м на севере до 4250 м на юге, перепад высот границы раздела составляет около 400 м, тогда как на поверхности ледника перепад высот всего около 40 м. С более высокой северной стороны лёд тает, а с южной — намерзает.

Озеро разделено на две части подводным гребнем. Глубина северной части составляет около 400 м, южной — около 800 м; глубина над гребнем порядка 200 м.

Недавние исследования показали, что в результате действия приливных сил, поверхность вода-лёд колеблется с амплитудой 1—2 см. Это явление вызывает перемешивание воды и может быть существенным для выживания микроорганизмов.

Экосистема озера

Хотя прямых свидетельств наличия жизни в озере Восток не получено, большинство исследователей считает, что в озере могут обитать микроорганизмы.

Олиготрофность экосистемы озера

Экосистема озера относится к субгляциальным (подлёдным) экосистемам, которые характеризуются крайне высокой степенью олиготрофности, то есть низкой концентрацией питательных веществ — такие экосистемы являются наиболее олиготрофными системами Земли. Причиной такого положения вещей являются следующие факторы:

  • В большинстве экосистем Земли началом пищевой цепи являются автотрофные фотосинтезирующие организмы, которые синтезируют органические соединения из углекислого газа, используя энергию Солнца. Особенностью озера Восток (в отличие от озёр сухих долин Антарктики) является невозможность использования экосистемой солнечной энергии из-за крайне толстого покрывающего озеро слоя льда.
  • Содержание органики в тающем льду крайне низко, то есть, в отличие от абиссальных экосистем (экосистем больших глубины океанов), в которых есть постоянный приток органики (детрита) из приповерхностной зоны фотосинтеза, гетеротрофы в субгляциальных системах не могут быть повсеместно распостранены.

Таким образом, если жизнь в глубинах образа и есть, то образовать экосистему она может только при наличии притока энергии в химической форме (восстановленного неорганического субстрата), достаточных для нефотосинтезирующего синтеза органического вещества, то есть начальными звеньями пищевых цепей экосистемы должны быть хемосинтезирующие организмы. Возможным аналогом могут послужить экосистемы абиссальных выходов минерализованных гидротермальных флюидов (чёрных и белых курильщиков), привязанных к разломам земной коры.

Однако наличие или отсутствие источников таких субстратов весьма зависит от геологической природы Востока, которая в настоящий момент не ясна. Сейчас (2005) есть два предположения о его природе:

  • рифтовая впадина — флюиды могут поступать
  • ледниковая эрозия — флюидов нет

Бактериальные пробы

Особенность Востока — «замерзание сверху», то есть намерзание льда, образованного верхними слоями воды, на подошву покрывающего его ледника. Естественно, что эти намёрзшие слои стали объектом исследований для определения численности и состава микрофлоры озера. Результаты анализа проб льда из таких намороженных слоёв весьма противоречивы: во многих отмечается концентрация бактериальных клеток в 102-104 бактерий на см3, близкая к концентрации клеток в покрывающим намороженные слои льде, в некоторых отмечается более высокая концентрация.

Также неоднозначны и исследования ДНК-профилей. В некоторых пробах они аналогичны ДНК-профилям покрывающего льда, однако некоторые исследователи показали наличие ДНК-последовательностей, близких к ДНК термофильных и хемотрофных бактерий, что может указывать на наличие очагов геотермальной активности в озере.

Возможные аналоги экосистемы озера

Условия в подлёдном водоёме могут быть близки к условиям на Земле в период позднего протерозоя (750—543 млн. лет назад), когда несколько раз происходили глобальные оледенения земной поверхности, продолжавшиеся до 10 млн. лет.

Предполагается, что опыт исследования озера может быть полезен при исследовании спутников Юпитера Европы и Каллисто, на которых, по некоторым гипотезам, существуют аналогичные образования. Это может стать одним из наиболее многообещающих проектов поиска внеземной жизни.

Ссылки

 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home