Подледниковые озёра Антарктики

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 вода^5,6.

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 льда^8,9. 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 воды^9,16. 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 воды^5,17. 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.