environments.aq

Портал окружающей среды Антарктики

environments.aq Logo

Antarctic Environments Portal

Подледниковые озёра Антарктики

Подледниковые озёра Антарктики

Сводная информация

Версия: 1.0

Опубликовано: 15/04/2019 GMT

Рассмотрено: 13/04/2019 GMT

Авторы

Martin Siegert (1)*, Irina Alekhina (2), Jill Mikucki (3), Andres Rivera (4), Sun Bo (5), Helen A. Fricker (6), Dusty Schroeder (7), Bernd Kulessa (8), Christine Dow (9)

(1) Imperial College, UK
(2) AARI, Russia
(3) University of Tennessee, USA
(4) CECS, Chile
(5) PRIC, China
(6) Scripps Institution of Oceanography, USA
(7) Stanford University, USA
(8) University of Swansea, UK
(9) University of Waterloo, Canada

*m.siegert@imperial.ac.uk

Резюме

Под ледниковым покровом Антарктики существует свыше 400 озёр. К их числу относятся как гигантские устойчивые озёра в центре ледникового покрова, изолированные от атмосферы на протяжении миллионов лет, так и небольшие проточные ледяные мешки воды под стремительными ледяными потоками. В подледниковых озёрах могут обитать уникальные микроорганизмы, приспособившиеся к экстремальным условиям высокого давления и темноты под толщей льда, а также могут сохраняться отложения, свидетельствующие об изменениях климата и ледникового покрова со времён первичного формирования ледникового покрова. Для изучения таящихся там микробиологических и климатологических секретов требуется непосредственная разведка этих сохранившихся в первозданном виде мест и отбор проб из них. СКАР принимает участие в разработке планов по разведке подледниковых озёр и проведению в них исследовательских работ с обеспечением безопасности, чистоты и экологичности проводимых экспериментов. Формальный кодекс поведения был принят на КСДА в 2011 г., а его пересмотренная версия была одобрена в 2017 г. По состоянию на сегодняшний день были проведены работы по забору образцов чистой воды и отложений только из двух озёр на краю ледникового покрова в Западной Антарктике – это подледниковые озёра Уилланс (в январе 2013 г.) и Мерсер (в декабре 2018 г.).


Резюме

Подледниковые озёра являются резервуарами жидкой воды, находящимися под ледниковым покровом Антарктики на стыке льда и подстилающего грунта. В условиях, когда лёд выступает в качестве изолирующего материала, обычных тепловых потоков из верхних слоёв земной коры оказывается достаточно для нагрева ледяного основания до температуры таяния льда, вызванного воздействием давления, несмотря на то, что на поверхности температуры могут быть на десятки градусов ниже температуры замерзания. Подледниковые воды текут под совместным действием силы земного тяготения и давления покрывающей их толщи льда и могут заполнять подледниковые полости и впадины, образуя озёра1.

Как на любом другом континенте, в Антарктике морфология подстилающего грунта сформирована из сложной системы гор, долин и низменностей. При определённых обстоятельствах вода может заполнять целые подледниковые впадины, образуя гигантские озёра, такие как озеро Восток длиной 280 км, которое является одним из десяти крупнейших пресноводных озёр мира по глубине, площади поверхности и объёму2. В таких озёрах, расположенных вблизи ледоразделов, может сохраняться спокойная вода и отложения, возраст которых насчитывает миллионы лет. У границ ледникового покрова подледниковая вода собирается в сети распределённых систем с множеством каналов3, сглаживая русла стремительных ледяных потоков4. Здесь вода может собираться в озёра, заполняя впадину русла до уровня, на котором она вытекает далее по потоку, а на её место поступает новая вода5,6.

Под ледниковым покровом Антарктики существует большое разнообразие систем подледниковых озёр, в число которых входят как крупные устойчивые озёра в центре ледникового покрова (например, озеро Восток), так и небольшие устойчивые озёра, рассеянные по пласту льда (например, озеро Центра научных исследований Чили7 и озеро Эллсуорт), а также небольшие гидрологически «активные» озёра, преимущественно расположенные у границы ледникового покрова (например, озеро Уилланс5) (рисунок 1).

 

Subglacial ENG fig 1

Рисунок 1. Типы и местонахождение подледниковых озёр Антарктики. Цвета и фигуры обозначают геофизическую сущность исследований, проведённых на каждом участке: чёрный цвет и треугольник = дистанционное зондирование, жёлтый цвет = сейсмическое зондирование, зелёный цвет = топографическая съёмка гравитационного поля, красный цвет и круг = измерение изменения высоты поверхности, квадрат = форма, идентифицированная по особенностям поверхности льда. Показаны контуры озера Восток. Источник: Siegert (2018)27.

 

Первые наблюдения за подледниковыми озёрами были проведены в 1969 г. методом дистанционного зондирования с воздуха под станцией Советская в центральной части Восточной Антарктики – плоские и постоянно яркие отражения радиоволн безошибочно свидетельствовали о наличии глубокого (>10 м) пресноводного водоёма под толщей льда8,9. С тех пор на антарктическом континенте методом дистанционного зондирования было обнаружено более 200 озёр10. Несмотря на то что с помощью дистанционного зондирования можно эффективно выявить скопления воды основного водоносного горизонта, этот метод нельзя использовать для измерения глубины озёр, так как  вода поглощает радиоволны за исключением случаев очень мелких водоёмов с идеально чистой водой11. В качестве альтернативы для непосредственных измерений глубины воды может применяться сейсмическое зондирование. На сегодняшний день методом сейсмического зондирования были проведены успешные измерения дна всего четырёх озёр: озера Восток (глубиной ~1000 м) 12, озера Эллсуорт (~160 м)13, озера Мерсер (~15 м) и озера на Южном полюсе (~30 м)14. Для больших озёр, таких как озеро Восток, в котором глубина толщи воды достигает значительных размеров, можно использовать метод гравиметрических измерений для определения формы дна озера, с помощью которого, в сочетании с сейсмическими данными, можно получить батиметрические данные на макро-уровне15. В будущем с помощью электромагнитных геофизических технологий можно будет создать многомерные изображения подледниковых озёр и получить представление о минерализации содержащейся в них воды9,16. Такие методы были опробованы в течение южнополярного лета 2018/19 г. в рамках антарктической программы США на озере Мерсер.

Измерения активных подледниковых озёр можно проводить путём измерений перепадов высот поверхности льда с помощью спутникового высотомера; во время заполнения озера поверхность льда поднимается на несколько метров и аналогичным образом понижается во время вытекания воды5,17. Спутниковая высотометрия использовалась для определения границ более чем 120 так называемых гидрологически «активных» озёр, в том числе озёр Уилланс и Мерсер в Западной Антарктике18. Однако зачастую данные, полученные с помощью дистанционного зондирования с одних и тех же участков, не дают «классических» отражений от озёр, по-видимому из-за того, что вода заполняет сложную структуру взаимосвязанных небольших полостей, а не единый бассейн, и иногда в таких неожиданных местах, как сторона подледниковых препятствий, противоположная той, на которую набегает ледяной поток19. В некоторых случаях было обнаружено, что вода вытекает из одного озера и впадает в другое, находящееся на расстоянии нескольких сотен километров, образуя между этими озёрами временную реку. В период 1996–1998 гг. поток воды между двумя активными озёрами в Восточной Антарктике по предварительным оценкам был аналогичен потоку реки Темза в Лондоне17.

После того как в 1996 г. под центральной частью Восточной Антарктики было обнаружено огромное озеро Восток, подледниковые озёра стали предметом пристального внимания средств массовой информации и научных кругов. Обладая уникальной окружающей средой и будучи изолированными от остальной части планеты на протяжении сотен тысяч лет, они предположительно являются средой обитания необычных, приспособленных к особым условиям существования микроорганизмов и хранилищем отложений, свидетельствующих об изменениях климата в древние времена, начиная с времён образования ледяного керна. Эти гипотезы можно всесторонне проверить при условии проведения разведки этих подледниковых озёр и отбора проб из них.

В 2000 г. СКАР принял участие в разработке планов по исследованию подледниковых озёр, обеспечив диалог и обмен результатами научных исследований и планами на международном уровне. Ключевым вопросом в этой работе было признание необходимости охраны и сохранения этих первозданных подледниковых озёр в ходе отбора проб и проведения экспериментов в полевых условиях. На первом этапе СКАР сформировал группу специалистов, которая впоследствии дала основу для создания официальной научно-исследовательской программы под названием «Окружающая среда подледниковых озёр Антарктики» (SALE). Отдельно Национальный научно-исследовательский совет США организовал проведение анализа исследования подледниковых озёр для изучения вопроса сочетания научных замыслов и обеспечения охраны окружающей среды20. После этого СКАР разработал Кодекс поведения при разведке подледниковых озёр, который был принят на КСДА в 2011 г. (в Буэнос-Айресе), а его пересмотренная версия была одобрена на КСДА в 2017 г. (в Пекине). В нём приведено научное обоснование понятия чистоты и содержатся рекомендации о том, каким образом можно обеспечить соответствие этому требованию во время измерений и отбора проб в полевых условиях21.

Антарктические сезоны 2011/12 г и 2012/13 г. стали поворотными в вопросах исследования подледниковых озёр. Были проведены три исследовательские программы, которые в той или иной степени увенчались успехом или оказались неудачными. Вначале в феврале 2012 г., группа исследователей из России выполнила бурение ледового керна на станции Восток для проведения разведки озера Восток22. Благодаря замерзанию воды из озера в буровой скважине и последующему использованию пробоотборника в течение следующих сезонов был получен «образец» воды из озера, пусть даже и без применения стерильных технологий. Затем в декабре 2012 г. группа исследователей из Великобритании потерпела неудачу при попытке выполнить бурение специально сконструированным термобуром с водяной подачей для разведки озера Эллсуорт в Западной Антарктике и отбора проб из него. После этого в январе 2013 г. группа исследователей из США, также с применением термобура с водяной подачей24, успешно выполнила отбор проб из активного подледникового озера Уилланс, доказав присутствие живых микроорганизмов в подледниковых озёрах Антарктики25.

В 2015 г. в Чичели Холле при Королевском географическом сообществе Великобритании было проведено международное совещание, в ходе которого состоялся обмен опытом, полученным при проведении различных операций глубокого бурения, а также намечены цели и планы на будущее26. После этого в декабре 2018 г. и в январе 2019 г. в рамках программы США была проведена разведка озера Мерсер и успешно выполнен отбор проб из толщи воды и отложений. Группа учёных, занимающихся исследованием озера Мерсер, выдвинула гипотезу, что трансформации микроорганизмов в этом озере в значительной степени будут происходить под воздействием морских органических веществ, отложения которых формировались в ходе изменения климата в прошлом (J.C. Priscu, информация, полученная при личном общении). В настоящее время проводится анализ образцов из проекта исследований озера Мерсер, по которому вскоре ожидается получение результатов. Несмотря на разносторонний опыт, полученный в ходе проведения операций глубокого бурения, большинство стоящих перед учёными вопросов по-прежнему остаются без ответов. Для изучения этих вопросов потребуется проведение прямого отбора проб из других озёр, таких как глубокое, гидравлически устойчивое озеро Восток.


Основные события

Также см. Siegert 2018 (см. 27).

Конец 1960-х гг.:

Исследования методом дистанционного зондирования с воздуха становятся важнейшим событием в области получения данных о ледниках и подледниковых структурах.

1967-1968 гг.:  

Открыто первое антарктическое подледниковое озеро возле станции Советская.

1973 г.:        

Составлена первая опись, в которую включены 17 антарктических подледниковых озёр.

1974-1975 гг.:  

Во время второго сезона программы систематического исследования ледникового покрова Антарктики, проведённого Институтом полярных исследований имени Скотта (ИПИС), Национальным научным фондом США (ННФ) и Техническим университетом Дании (ТУД), открыто озеро Восток.

1977-1978 гг.:  

Во время третьего сезона исследований, проведённых совместными усилиями ИПИС, ННФ и ТУД, открыто озеро Эллсуорт.

1987-1991 гг.:  

За время четырёх сезонов воздушной геофизической съёмки, проведённой советскими исследователями, открыто ещё 16 подледниковых озёр.

1996 г.:        

Озеро Восток признано одним из крупнейших в мире пресноводных водоёмов.

1996 г.:        

Составлена вторая опись, в которую включены 77 антарктических подледниковых озёр.

1998 г.:        

В ходе исследования в районе Купола С, проведённого Италией, обнаружено ещё 14 подледниковых озёр.

1999 г.:        

СКАР формирует группу специалистов по изучению окружающей среды подледниковых озёр Антарктики (SALE).

2002 г.:        

Российская Федерация выпускает первый проект Всесторонней оценки окружающей среды (ВООС) для выполнения работ по разведке подледникового озера Восток.

2003 г.:        

На 6-м заседании Комитета по охране окружающей среды обсуждается проект ВООС, подготовленный Российской Федерацией, по результатам которого формулируются рекомендации для 26-го Консультативного совещания по Договору об Антарктике.

2003 г.:        

Программа СКАР по изучению окружающей среды подледниковых озёр Антарктики (SALE) становится официальной научно-исследовательской программой СКАР.

2005 г.:        

Составлена третья опись, в которую включены 145 антарктических подледниковых озёр.

2006 г.:        

Обнаружены места вытекания и впадения вод в подледниковые озёра.

2010 г.:        

Российская Федерация выпускает окончательную версию ВООС для выполнения работ по разведке подледникового озера Восток.

2010 г.:        

Великобритания выпускает проект ВООС для выполнения исследовательских работ и отбора проб из подледникового озера Эллсуорт.

2011 г.:        

На 14-м заседании КООС обсуждается проект ВООС, подготовленный Великобританией (для выполнения работ по разведке подледникового озера Эллсуорт), по результатам которого формулируются рекомендации для 34-го КСДА.

2011 г.:        

Великобритания выпускает окончательную версию ВООС для выполнения работ по разведке подледникового озера Эллсуорт.

2011 г.:        

СКАР подготавливает и распространяет Кодекс поведения при разведке и исследовании подледниковых водных сред обитания.

2011 г.:        

Составлена четвёртая опись, в которую включено 381 антарктическое подледниковое озеро.

2012 г.:        

5 февраля 2012 года Российская антарктическая экспедиция выполняет работы по разведке подледникового озера Восток и отбирает из него пробу воды.

2012 г.:        

Возглавляемая Великобританией операция по разведке подледникового озера Эллсуорт прекращается по техническим причинам.

2013 г.:        

В рамках Антарктической программы США выполняются работы по разведке подледникового озера Уилланс и отбору проб из него и выясняется, что в ледяном основании обитают жизнеспособные микроорганизмы.

2016 г.:        

Составлена пятая опись, в которую включены 402 антарктических подледниковых озера.

2017 г.:        

На 40-м КСДА посредством Резолюции 2 (2017 г.) принимается подготовленный СКАР Кодекс поведения при разведке и исследовании подледниковых водных сред обитания.

2018 г.:        

В рамках Антарктической программы США выполняются работы по разведке подледникового озера Мерсер и отбору проб из него, в результате которых получено 60 литров воды и приблизительно 1,7 м осадочного керна со дна озера.