Итоги № 6 (2014)

Восток — дело тонкое / Общество и наука / Exclusive

Восток — дело тонкое

/ Общество и наука / Exclusive

«Мы первыми проникли в озеро Восток. Американцы, не желающие быть вторыми, делают вид, что наше достижение не так уж важно», — рассказывает начальник Российской антарктической экспедиции Валерий Лукин

Это была интрига из интриг, да, собственно, и сейчас она продолжается. Два года назад, 5 февраля 2012-го, мир облетела новость о том, что российские полярники наконец-то добурились до озера Восток, расположенного в Антарктиде под шапкой льда толщиной в 3769 метров. А что дальше? О том, какие политические и технические преграды стояли на пути полярников к покорению древнейшего водоема Земли и зачем вообще нужна эта миссия, «Итогам» рассказал заместитель директора Арктического и антарктического научно-исследовательского института, начальник Российской антарктической экспедиции Валерий Лукин.

— Валерий Владимирович, как было открыто озеро Восток?

— Это достаточно длинная и очень интересная история. Вообще впервые идею о возможности существования подледниковых озер высказал российский географ, более известный как политический деятель, отец анархизма Петр Кропоткин. В конце XIX века вышли его публикации, где он теоретически предположил, что под ледниками может образовываться талая вода, способная скапливаться в озера. Самый крупный ледяной покров находится в Антарктике — больше таких районов в мире нет. Во время первых Комплексных антарктических экспедиций Академии наук советские пилоты полярной авиации, выполнявшие рекогносцировочные полеты вглубь материка, обратили внимание на ровное как стол обширное пространство посреди снежной бугристой поверхности. Второй пилот одного из экипажей, человек с иностранной фамилией Робинсон, написал об этом небольшую заметку в бюллетень Антарктической экспедиции, где высказал предположение, что такая ровная поверхность может располагаться только над водой. Публикация прошла в конце 50-х. В 1959—1960 годах географ Андрей Петрович Капица во время 5-й и 6-й Антарктических экспедиций выполнял сейсмические наблюдения в районе открывшейся 16 декабря 1957 года станции Восток. Он с коллегами получил одну непонятную для интерпретации границу между льдом и коренной породой. Первоначально определили ее как слой рыхлых осадков — ничего другого в голову не могло прийти.

В начале 60-х годов проблемами антарктических ледников занялся Игорь Алексеевич Зотиков, ставший впоследствии известнейшим гляциологом и членом-корреспондентом Академии наук. Так сложилась судьба: он окончил МАИ, работал у Королева газоаэродинамиком, рассчитывал сопла для ракет, но в силу неизвестных мне обстоятельств увлекся исследованиями ледников. Ему удалось впервые рассчитать зависимость температуры плавления ледника от определенного давления. Температура ледника повышается от поверхности ко дну, потому что на поверхности он имеет контакт с холодной атмосферой, а чем глубже, тем становится теплее. Кроме того, чем больше давление, тем температура также выше. В итоге ученый рассчитал, что при определенном давлении могут возникать условия для таяния ледника. Как известно, вода несжимаема, поэтому после таяния она уже никуда не денется. Если есть углубление в коренном ложе, то вода будет скапливаться именно там. Тогда и была впервые высказана теоретическая возможность существования подледниковых озер в Антарктике.

К концу 70-х американские, британские и советские исследователи начали активно внедрять радиолокационные методы измерения толщины ледников. Радиолокатор устанавливался на самолет, и тот галсами покрывал Антарктику на больших расстояниях. В некоторых районах были получены совершенно отличные от обычной формы отражения радиолокационного сигнала. В том числе и вблизи станции Восток. Думали, что это ошибка измерений, какой-то сбой аппаратуры. Никто всерьез не говорил о существовании подледникового озера в Антарктике.

— Когда стали подтверждаться догадки?

— В начале 90-х. Европейцы запустили спутник ERS-1 с высокоточным альтиметром, измерявшим высоту подстилающей поверхности. Когда стали обрабатывать результаты его измерений над центральной и восточной Антарктикой, обнаружили в районе станции Восток достаточно большую ровную площадку длиной более двухсот и шириной несколько десятков километров. После этого Зотиков и Капица вместе с британскими коллегами сопоставили новые сведения с имевшимися сейсмограммами и результатами радиолокационных съемок. Так родилась гипотеза о существовании большого подледникового озера. Сообщение об этом сделали в июле 1994 года в Риме — на международной открытой конференции Научного комитета по антарктическим исследованиям. Я сам присутствовал при этом событии. Делал доклад Капица. По его предложению озеру дали имя Восток в честь станции.

В 1995 году в журнале Nature появилась публикация об этом открытии. Дальше, естественно, гипотезу нужно было подтвердить. Разумеется, в 90-е годы у нас никто на это денег не выделял. И мы с моим очень хорошим другом Валерием Николаевичем Масоловым, начальником антарктической геофизической партии Полярной морской геологоразведочной экспедиции, базирующейся под Санкт-Петербургом в Ломоносове, на свой страх и риск организовали специальные сейсмические исследования на станции Восток. Мы искали доказательства существования под ледником водного слоя. Затем дополнили эти данные наземными радиолокационными исследованиями. На авиационные у нас денег не было. К тому же наземные исследования давали намного более высокую точность географического определения береговой черты. В общем, пошли по пути управляемого эксперимента. Транспортер тащил за собой балок с радиолокационной аппаратурой, которая фиксировала сигналы, отраженные от воды и от коренных пород. Мы пересекали береговую линию, разворачивались и под углом шли обратно. Так и ездили змейкой, что помогло очень четко определить положение береговой черты. Таким образом, за десять лет, с 1997-го по 2007-й, мы обошли весь периметр озера.

— Получается, что до 2007 года параметры озера еще не были известны?

— Мы имели некое представление по космическому снимку, но радиолокация давала нам точные данные. Например, в 2000—2001 годах американцы облетели на самолете с радиолокационным измерителем всю акваторию озера, но карты береговой черты не смогли построить, потому что интервалы между галсами у них составляли пять — семь километров. Точность наших наблюдений оказалась намного выше.

Параллельно, чтобы получить объемную картину, мы продолжали сейсмические наблюдения. Радиолокация ведь давала сведения только о наличии воды, но не могла определить толщину водного слоя и положение дна. К 2008 году были построены хорошие трехмерные карты дна, толщины водного слоя и ледника. Мы получили полное представление о толщине осадочных пород и конфигурации береговой черты.

— Каковы основные характеристики озера?

— По площади водного зеркала оно равняется Ладожскому озеру — это 15,5 тысячи квадратных километров. 280 километров в длину, 70 километров в ширину. Максимальная толщина водного слоя — 1200 метров. Но, естественно, всех интересовала сама вода. Мало кто знает, что вообще-то бурить ледник мы начали в 1968 году. Сделали четыре скважины, но скважину 5Г, в которой все происходит сейчас, начали бурить только в 1990 году.

— Зачем бурили, если про озеро еще ничего не знали?

— Мы хотели реконструировать палеоклиматические изменения по данным ледяного керна. Лед же образуется из снега, выпавшего из атмосферы, значит, в нем есть информация о состоянии атмосферы за миллионы лет. С помощью изотопных анализов можно определить возраст, температуру, газовый состав атмосферы на момент замерзания. Можно реконструировать палеоклиматические изменения за многие промежутки времени.

В 1998 году, уже после доклада Капицы и наличия некоего представления об озере, на пятой скважине мы достигли отметки 3623 метра. К этому моменту уже определили, что толщина льда в районе скважины составляет 3750 плюс-минус 20 метров. Но международное сообщество проявило крайнюю обеспокоенность типом заливочной жидкости, которую мы использовали при бурении. По свойствам лед можно при определенных ситуациях рассматривать как твердо-упругое тело, а при других — как вязкотекучее. Что особенно неприятно — при больших глубинах скважина начинает заплывать. Что имеется в виду? Сухое бурение ледника возможно только до 500-метровой глубины. Дальше сказывается эффект так называемого горного давления, когда диаметр скважины вверху на какие-то миллиметры начинает уменьшаться. Бурить дальше можно, но буровой снаряд наверх уже не поднимешь. И поэтому при бурении горных пород ствол скважины обычно заполняют проникающим веществом, имеющим плотность окружающих боковых стенок и противодействующим этому эффекту. Плотность льда составляет 0,91 грамма на кубический сантиметр. В качестве заливочной жидкости мы выбрали смесь керосина и фреона. Микст этих жидкостей дает плотность такую же, как и у льда. Таким образом, эффект горного давления ликвидируется.

На Западе пошли разговоры, что керосин и фреон очень вредны для экологии, поэтому потребовали остановить бурение. Мы были вынуждены согласиться. Тем более что годом ранее Россия ратифицировала Протокол об охране окружающей среды к Договору об Антарктике. Мы остановили бурение, и в конце 1998 года Министерство науки и технологий объявило открытый конкурс на разработку экологически чистой технологии отбора проб из поверхностного слоя подледникового озера Восток.

Конкурс выиграл совместный коллектив Санкт-Петербургского государственного горного института, который стоял у истоков бурения ледника, и нашего Арктического и антарктического НИИ. В марте 2001 года мы получили положительное заключение государственной экологической экспертизы. Но нужно было добиться одобрения международного сообщества. На XXIV консультативном совещании по Договору об Антарктике в Петербурге летом 2001 года мы сделали доклад об этой технологии. Это была сенсация!

— В чем суть технологии?

— Идея экологически чистого проникновения в том, что скважина заполняется заливочной жидкостью, которая ни в коем случае не должна попасть в озеро. Наша технология состояла в том, что мы искусственно делаем недокомпенсацию давления заливочной жидкости, то есть сознательно понижаем ее верхний уровень. Создается отрицательный дефицит давления, и по всем известным законам физики после проникновения вода пойдет вверх по стволу скважины и вытеснит заливочную жидкость. Кроме того, как известно, керосин сам по себе гидрофобный. Он ни при каких условиях не смешивается с водой.

— Международное сообщество удовлетворили?

— Нам сказали, что в соответствии с Протоколом об охране окружающей среды мы должны сделать всестороннюю оценку воздействия этой технологии. Мы такую оценку провели и представили ее на следующий год на XXV консультативном совещании в Варшаве. Международная комиссия написала свои замечания. Мы снова составили ответ и на следующем совещании в Мадриде представили пересмотренную всестороннюю оценку воздействия. Получили несколько замечаний, но ответить на некоторые вопросы без продолжения бурения мы не могли. Сначала мы получили разрешение на бурение дополнительных 50 метров, потом 70. С каждым малейшим шагом мы знакомили международное сообщество.

— Похоже, что вам просто вставляли палки в колеса.

— Было все достаточно напряженно, и эта проблема из научной, технологической превратилась в политическую. Ведь все считали, что российская наука давно умерла, более того, в 90-е годы международное сообщество поджидало, когда мы вообще уйдем из Антарктики.

— Как удалось прорваться через международную бюрократию?

— Мы выполняли абсолютно все регламенты, что вообще-то, честно говоря, для русских несвойственно. Не нарушали ни одного требования протокола по Антарктике. Если положено было после 90 дней представить какой-то документ, мы его присылали на 92-й день, но никак не на 89-й, чтобы не получить отказ из-за нарушения регламента. Все выполнялось, но существовала главная проблема, которую решить было невозможно. Международное сообщество предлагало, а скорее даже требовало, чтобы мы проверили чистоту нашего эксперимента на каком-нибудь другом водоеме. А где найдешь такой водоем, как там создашь подобную инфраструктуру? На совещаниях я приводил пример: при таких требованиях американцы для полета на Луну, наверное, до сих пор бы оформляли документы. Но это никого не интересовало. Природоохранное лобби стояло на своем. Но везет сильнейшим. Я люблю эту поговорку. Она из области спорта, которому я отдал в свое время много лет жизни. Оказалось, коллеги из Дании бурили ледник на севере Гренландии. Он был немножко тоньше нашего, но тоже глубже трех тысяч метров. И они бурили с той же самой заливочной жидкостью — смесью керосина и фреона. Лучше не придумать! В результате бурения они вдруг угодили в какую-то водную линзу, успели выдернуть снаряд, чтобы он не замерз в скважине. Вода, естественно, пошла наверх. На следующий год они разбурили этот свежезамороженный керн, отдали его на различные международные экспертизы, которые выявили, что керосином оказался загрязнен только верхний 10-сантиметровый слой. Дальше шел лед — абсолютно чистый. Таким образом, наши коллеги из Дании провели, сами того не желая, натурный эксперимент по проверке чистоты российской технологии проникновения в озеро Восток. Крыть оппонентам стало нечем. Конечно, кое-кто лязгал зубами. Природоохранная Коалиция по Антарктике и Южному океану в своей газетке писала, что «к сожалению, Россия выполнила все требования». Сожалели, что остановить русских уже нельзя и теперь они точно загрязнят реликтовые воды. Кампания была жуткая, но мы ее выдержали. В 2010 году получили окончательное разрешение на работы, представив все необходимые документы на очередном консультативном совещании в Уругвае. 5 февраля 2012 года в соответствии с планами мы осуществили экологически чистое проникновение в воды озера.

— Расскажите подробнее, как зафиксировали этот момент.

— На буровом снаряде стояли три датчика, показания которых поступали на электронный пульт управления. Во-первых, регистрировалось давление в забое. Оператор оценивал, какое усилие нужно дать режущему инструменту, когда он давит на лед. Во-вторых, контролировалась скорость вращения бура. Кромку льда он режет с одной скоростью вращения, потому что преодолевает усилие, а когда попадает в воду, скорость меняется. В-третьих, следили за показаниями датчика электропроводимости, которая у льда и воды различная. На глубине 3769,3 метра мы получили сигналы датчиков о контакте с водой, и сразу же была дана команда поднимать бур. Когда его вытащили, вода пошла вверх по скважине, как и планировалось. Я при этом не присутствовал. Мне позвонил руководитель работ, заведующий кафедрой бурения скважин Санкт-Петербургского горного университета Николай Иванович Васильев.

— Что почувствовали, когда пришло это известие?

— Естественно, это был фурор! Многие звонили, поздравляли. Это был выходной день, воскресенье. Незадолго до события предпоследним рейсом со станции Восток улетел министр природных ресурсов и экологии Юрий Трутнев вместе с руководителем Росгидромета Александром Фроловым. Но они еще даже не успели прилететь на станцию Прогресс, когда осуществилось проникновение. Наверное, локти кусали.

Так получилось, что на следующий день после проникновения вся буровая группа улетела, потому что это был заключительный рейс самолета. Дело в том, что в районе станции Восток в это время уже осень, а авиация летает до температуры минус 50 градусов. В принципе летать можно, но нельзя ни сесть, ни взлететь, потому что, как известно, шасси убираются или выпускаются с помощью гидравлики, а она замерзает.

— Какие-нибудь работы проводили в озере после проникновения?

— На зимовку тогда остались два человека, которые следили за состоянием скважины. На следующий сезон, в декабре 2012-го, на станцию снова приехали специалисты и стали разбуривать свежезамороженный керн. Но вода, скажу честно, поднялась на непредсказуемую высоту. Мы думали, что она поднимется метров на 60—70, а она поднялась на 400 с лишним и, естественно, замерзла. Мы снова оказались на глубине 3350 метров. Из-за чего это произошло, точно сказать не можем. У буровиков есть предположения, что, скорее всего, произошел гидроразрыв в боковой стенке из-за большой разницы в давлении. Такие случаи в практике бурения скважин на нефть или газ в порядке вещей. Заливочная жидкость ушла в этот разрыв, и таким образом вода поднялась на большую высоту.

— Теперь надо бурить заново?

— Да. В прошлом году мы пробурили свежезамороженный керн до отметки 3460 метров, а потом по независящим от нас причинам произошло отклонение положения снаряда от старого ствола скважины. На 4 февраля этого года глубина скважины составила 3724,4 метра. В этом сезоне мы до озера уже явно не достанем, будем проникать в него в следующем, но теперь мы уже точно знаем толщину ледника. К тому же нам есть с чем работать: 350 миллилитров озерной воды попали в буровой снаряд и были переданы ученым Петербургского института ядерной физики. Руководитель группы Сергей Булат использовал для исследования около 160 миллилитров. Были сделаны фантастические открытия! Во-первых, по изотопным анализам удалось выяснить, что начиная с глубины 3535 метров лед снизу имеет не атмосферное происхождение, то есть состоит не из уплотненного снега, а из замерзшей воды. Можно, анализируя этот керн, получить представление о поверхностном слое озера. В керне были найдены ДНК бактерий-термофилов, которые живут в воде температурой свыше 60 градусов по Цельсию. Их обычно находят на подводных курильщиках, в гейзерах на японских островах и в Йеллоустонском национальном парке. И этот же тип бактерий оказался в леднике на глубине более трех с половиной километров! Мы написали статью в Nature, где ее четыре месяца обсуждали, после чего отказались публиковать под предлогом, что находка — это артефакт. Переслали статью в Science — такая же реакция. Мы поняли, что международное сообщество даже не хочет нас слушать.

А открытия продолжились. В прошлом году Булат обнаружил в воде из озера неизвестный вид бактерии. В мае 2013 года ему доставили новые образцы из свежезамороженного керна, и он сейчас заканчивает их обработку. Думаю, интересных результатов стоит ждать в конце февраля.

— Каковы дальнейшие планы по изучению озера?

— На следующий год планируем совершить очередное проникновение и уже с помощью специальной аппаратуры отбирать пробы воды. Специальный пробоотборник позволит брать воду в жидком виде и доставлять ее как для микробиологических, так и гидрохимических анализов. У нас появится зонд для измерения гидрофизических параметров воды: вертикального распределения, температуры, электропроводимости, давления, растворенного кислорода, уровня pH, Eh и т. д. Также разработан так называемый биохимический зонд, при помощи которого будет исследоваться возможность содержания аминокислот, то есть появления живых организмов в воде. И, наконец, установим на буре направленные во все стороны видеокамеры.

— Вдруг динозавр проплывет какой-нибудь.

— Нет, динозавров мы там не рассчитываем увидеть.

— А на что рассчитываете? Какая конечная цель бурения?

— Главная цель — изучение такой совершенно неизвестной человечеству природной среды, как водный слой и донные отложения подледниковых озер. Никто толком не знает, что они собой представляют. Есть только две гипотезы. Одна говорит о том, что это озеро образовалось в результате таяния льда на нижней поверхности ледника, а вторая — что это озеро существовало еще до оледенения Антарктиды.

Можно использовать гипотезу суперконтинента Гондвана, который развалился, и из него образовалась современная Антарктида, которая сейчас занимает центральное приполюсное положение. Согласно предположениям тогда она находилась намного севернее, и это показывают геологические находки, например окаменевшие растения на побережье. Оледенение началось, по оценкам геологов, 30—40 миллионов лет назад. Может быть, это озеро существовало еще до того, и там была своя жизнь, которая законсервировалась и стала развиваться по совершенно иным законам эволюции, которые мы даже не знаем.

Вторая цель — выяснить, что собой представлял континент Антарктида до оледенения. Мы сможем это узнать, когда возьмем пробы донных отложений. Ведь сейчас никто не знает, что там, под ледяным покровом.

И третья цель — отработка инженерных решений и технологий для поиска жизни на различных объектах Солнечной системы. Антарктида предоставляет для этого идеальнейшие условия. Например, известно, что средняя температура поверхности Марса составляет минус 90 градусов по Цельсию. Абсолютный минимум, зарегистрированный в 1983 году на станции Восток, равен минус 89,2 градуса. Сейчас, когда разыскивают следы органической жизни на Марсе, ищут в первую очередь воду, потому что жизнь может зародиться только в ней.

— Теперь-то международное сообщество от вас наконец отстало?

— Проникновение в озеро Восток оценено международным сообществом как одно из наиболее выдающихся научных достижений XXI века. Но несмотря на это, продолжает существовать определенное мнение, что русские применили грязную технологию.

— Есть ли в мире альтернативные технологии, которые могут считаться чистыми?

— В 2002 году Национальный научный фонд США дал своим инженерным центрам заказ срочно разработать технологию быстрого бурения ледника. Эта технология была разработана и представлена заказчику, и волею обстоятельств я присутствовал на ее презентации в калифорнийском университетском городе Санта-Круз. Технология основана на бурении горячей водой. Формально, с точки зрения человека, который в этом деле ничего не понимает, бурить с помощью горячей воды для экологии намного безопаснее, чем с помощью керосина и фреона. Но оказалось, что данная технология допустима для бурения ледника толщиной 3,5 тысячи метров при условии, что на поверхности стоит электростанция мощностью 1 мегаватт. Представляете, сколько надо завезти дизельного топлива для обеспечения ее работы? Не буду даже упоминать про негативное влияние такого объема дизельного топлива на окружающую среду — это дело десятое, при таком методе бурения, даже если удастся достать образцы воды из водоема, вместо бактерий получат суп из них, бульон. Далее выяснилось, что эта технология даст позитивный результат при бурении ледника толщиной 3,5 тысячи метров, только если температура на поверхности ледника выше, чем минус 35 градусов по Цельсию. Постоянная температура ледника на станции Восток составляет минус 55 градусов. И тогда американцы поняли, что в районе озера Восток им ничего не светит, потому что мощность электростанции нужно увеличивать в геометрической прогрессии. Из-за этого начиная с 2003 года антарктическая программа США прекратила оказывать помощь России в доставке полярников на станцию Восток. Наша авиационная промышленность не делает самолетов на лыжно-колесных шасси, которые могут обеспечивать полеты на станцию Восток. Мы выкрутились и в этой ситуации — нашли возможность арендовать самолеты.

Кроме нас, сегодня на озере Восток больше никто не работает. Это самое большое подледниковое озеро. Я все время привожу один пример: это событие одного масштаба с высадкой американцев на Луну. В СССР активно развивалась лунная программа, работало несколько сотен исследовательских, проектных институтов, конструкторских бюро. Но американцы тогда оказались первыми, и у нас все закрылось, людей переквалифицировали, они стали заниматься другими делами. Все кончилось, потому что вторыми мы не хотели быть. В исследовании озера Восток мы оказались первыми. Американцы, не желающие быть вторыми, делают вид, что наше достижение не так уж важно и актуально, мол, есть другие озера, не менее интересные для исследований. Да, найдено более 200 похожих объектов, но масштаб не тот. В сезоне 2012—2013 года британцы начали проект по проникновению в подледниковое озеро Элсуорт, расположенное в западной Антарктике. Там толщина ледника поменьше, чем у нас: 3100 метров, размеры озера 4х2 километра и толщина водного слоя 200 метров. У него и происхождение другое, и прочие параметры сильно отличаются от озера Восток не в лучшую сторону. Американцы одновременно стали исследовать на восточной периферии шельфового ледника Росса подледниковый водоем Уилланс. Там толщина ледника всего 800 метров.

— Чем эти истории закончились?

— Британский проект остановлен в декабре 2012 года из-за серьезных технических проблем. Вопрос о возобновлении проекта пока не стоит.

Американцы пробурились. Но знаете, какая толщина водного слоя оказалась у их водоема? Два метра! И что там исследовать? Близко к российским результатам никто в международном сообществе не подобрался, и в ближайшее время этого не предвидится.

— Вы постоянно сравниваете проникновение в озеро Восток с успехами в космосе. А по стоимости работ можно провести аналогии?

— Мне сложно говорить конкретно об исследовании озера Восток как об отдельном проекте. Могу сказать, что на всю Российскую антарктическую экспедицию в год тратится 1 миллиард 180 миллионов рублей, то есть около 40 миллионов долларов. В эти расходы включено обслуживание двух судов, содержание пяти станций, аренда авиации, межконтинентальные и внутриконтинентальные полеты, вертолеты, организация двух санно-гусеничных походов со станции Прогресс на Восток, доставка всего необходимого, содержание состава. Не могу сказать, что это мало, но на сегодня Россия занимает шестое место в Международном антарктическом сообществе по стоимости своей национальной программы. Для сравнения: США тратят в год порядка 280 миллионов долларов. На втором месте идет Япония — около 130 миллионов, потом Германия — 90 миллионов, Великобритания — 85 миллионов и Китай с бюджетом около 50 миллионов долларов.

— Сколько времени лично вы провели в Антарктиде?

— В Антарктиде я был 18 раз, сейчас улетаю в 19-й. Планы не совсем связаны с моей непосредственной деятельностью, они в большей степени генеральские. Дело в том, что 15 февраля исполняется 10 лет со дня открытия первого и единственного православного храма в Антарктике. Я стоял у истоков его создания, и сейчас меня туда пригласила миссия Русской православной церкви. Очень рассчитываю, что и впредь окончание каждого летнего сезона на самом южном континенте будет приносить только хорошие новости. Мы и на Бога надеемся, и сами не плошаем.

Санкт-Петербург — Москва