Вокруг только лед

Замороженные загадки

Выполнение структурного разреза льда – операция довольно трудоемкая и к тому же требующая специальной аппаратуры и квалификации. Однако при достаточном опыте даже просто внимательное изучение ледяного керна, его текстуры, то есть видимого невооруженным оптикой глазом строения льда, может дать верное представление о типах льда, слагающего ледяной покров. Как правило, в таких случаях определяющими признаками являются форма, характер залегания и распределения солевых и воздушных включений в толще ледяного покрова. Так, например, горизонтальная слоистость в верхних горизонтах керна, обусловленная скоплениями воздушных пузырьков, указывает явно на то, что этот лед является снежно-водным. На этот, казалось бы, безошибочный признак тоже справедлив с оговорками. Резкие перепады температуры воздуха, когда ледообразование то происходит, то прекращается, взлом льда и занос под его нижнюю поверхность элементов внутриводного льда с одновременным резким изменением условий намерзания льда тоже могут привести к образованию четко различимой горизонтальной слоистости, правда, уже на фоне совершенно другого типа льда.

Работая на рейде станции Ленинградская, мы с Николаем Васильевичем Черепановым, отобрали у кромки припая полутораметровый керн льда, сформировавшегося почти целиком за счет конжеляционного ледообразования. На первый взгляд, загадок он не таил, если бы опытный взгляд Черепанова не отметил на фоне этого монотонного строения керна множество горизонтальных слоев, образованных мельчайшими воздушными включениями сферической формы диаметром порядка 0,1-0,2 мм. Мы не поленились и посчитали их. Оказалось, таких прослоек более сотни. Отошли от кромки припая в сторону берега и через 500 м взяли еще один керн, через 500 – еще. По строению все керны были идентичны, но если через первые 500 м слоистость просматривалась, хотя и менее отчетливо, то через 1 км она практически отсутствовала. Объяснение этой странности в строении льда перепадами температуры воздуха в период ледообразования не выдерживало никакой критики. Мы крутили керны и так и эдак, изготовили не один десяток шлифов, пытались постичь эту тайну, но, невзирая на огромнейший опыт Николая Васильевича, инструментального подтверждения ни одной из наших рабочих гипотез найти не смогли. Сошлись на том, что наиболее вероятной причиной слоистости является многократная, приблизительно одинакового происхождения микроизменчивость физико-химических и динамических особенностей водного режима на рейде станции. Например, так: прилив – отлив, вызывающий то появление вдоль кромки припая заприпайной полыньи, то ее исчезновение, и одновременно с этим циклическое изменение условий образования льда, которое проявляется по мере удаления от кромки все менее отчетливо.

Тогда, у Ленинградской, мы не раз смотрели на фотографии структуры льда в полном недоумении. Будучи новичком, по сравнению с Черепановым, в вопросах кристаллического строения льда, я иногда не понимал остановившегося взгляда своего старшего коллеги и учителя и его бормотания, в котором повторялась фраза: «Не может быть…» Так, например, мы встретили пространства многолетнего морского льда. Нам представилась возможность, пожалуй, впервые в истории советских исследований в Антарктике провести довольно подробное его изучение: определить и морфологические характеристики, и соленость, и механические свойства, и, конечно, кристаллическое строение. Причем припай был представлен мозаикой смерзшихся ледяных полей, разных по возрасту. У Николая Васильевича по опыту работы в Арктике уже была отработана методика определения возраста старых льдин по нарушениям в кристаллическом строении конжеляционного льда. Вооруженные бурами, лопатами, склянками для отбора проб, прессом для определения прочности, мы обосновались на участке многолетнего припая и стали вгрызаться в его недра. Сначала лопатами, на глубину снега, пробили шурф около полутора метров, затем пошли в ход кольцевые буры. Наращивая штангу за штангой, мы отобрали керн длиной более 5 м. Чем дальше мы углублялись вниз, тем все большее недоумение появлялось на лице Черепанова. Он буквально впивался глазами в каждый извлекаемый ледяной цилиндр, оглаживал его рукой, просматривал на просвет, подкладывал черную драпировку, но что-то было не так. По текстуре льда никаких признаков конжеляционного льда не было. Едва мы вернулись на судно, он, несмотря на усталость, начал спешно собираться в ледоисследовательский балок, где у нас был установлен станок для изготовления ледяных шлифов… Провозились мы до глубокой ночи. Но и тщательное изучение кристаллического строения льда не внесло ясности. Продолговатые кристаллы – волокна конжеляционного льда, типичные для арктического пака, здесь отсутствовали. Почти вся толща припая состояла из снежноводного неравномерно-зернистого льда. За исключением нижних горизонтов, где были прослойки смерзшихся элементов внутриводного льда, шуги и снежуры. Впоследствии, когда мы начали отбирать керны на участках многолетнего припая меньшей толщины, картина в общем-то оставалась такой же – конжеляционный лед отсутствовал. Формирование льда происходило целиком за счет выпадавшего снега, сверху. При этом нижние горизонты в период летнего прогрева стаивали, и после двух-трех годовых циклов намерзания – таяния льда исходный слой, та платформа, которая дала начало многолетнему припаю, полностью исчезала. Для определения возраста ледяного покрова, уже с учетом специфики его формирования, нужно было искать другие признаки. И Черепанов, провозившись день-другой со шлифами, нашел их, но, мне кажется, выражение озадаченности так и не покидало его лица, пока мы не закончили структурную съемку и последние шлифы не были увековечены на фотопленке. К концу рейса нам казалось, что мы всякого насмотрелись и нас ничем не удивишь. И вдруг при заходе на рейд Мирного опять какая-то явная несуразица. Там нас «загнал в угол» кусок льда айсберга, попавший под припай и вмерзший в морской лед. В итоге мы нашли верное объяснение, но на первых порах, вконец оторопевший, я только бормотал, глядя на керн: «Не может быть…»

Кристаллическое строение льда без специальной оптической аппаратуры не разглядишь. А вот необычный цвет его – красноватый, бурый, ржавых оттенков – поражает всякого впервые оказавшегося в южнополярных водах и взглянувшего на лед с борта судна. «Смотрите – коричневый лед!» – удивлению новичка нет предела. Тем более что коричнево-бурые прослойки льда и его темную бугристую нижнюю поверхность он видит не около берега, где лед может быть окрашен частицами каменной пыли, сметаемой со скал, а за много сот миль до него.

Взламывая штевнем ледяные поля, судно переворачивает их обломки навзничь, ставит на попа, подставляя взору их боковые стенки и нижнюю поверхность. И тогда открывается, что лед, формирующийся в Южном океане, почти всегда имеет необычную буроватую, иногда даже красноватую окраску. Несомненно, что уже первые мореплаватели, попавшие в южнополярные воды, обратили внимание на это явление и строили предположения о его происхождении. Но и только. А вот первым ученым, попытавшимся объяснить коричневатую окраску льда, был натуралист экспедиции Э. Дригальского, работавший в 1901-1902 гг. на судне «Гаусс», О. Вангефен. Он выполнил интересные наблюдения за образцами льда, имевшими необычную окраску, и установил, что толщу льда населяют колонии микроскопических водорослей, попавших в лед из морской воды. Последующими наблюдениями, выполненными во время плаваний, было установлено, что эти колонии микроорганизмов встречаются в пределах всей зоны распространения морских антарктических льдов. Поначалу все эти наблюдения проводились биологами, и поэтому в первую очередь обращалось внимание на видовой состав микроорганизмов, их распространение в необычной среде обитания и другие сугубо биологические стороны этого любопытного явления. Но внедрение колоний микроорганизмов в ледяной покров, безусловно, должно было сказаться и на его физико-механических свойствах. И уже в 1959 г. профессор В. Х. Буйницкий собрал интересные сведения о влиянии микроорганизмов на строение и прочность льда в Антарктике и в дальнейшем занимался специальными лабораторными и полевыми исследованиями именно в этом направлении. По его просьбе многие гидрологи, отправлявшиеся в Южный океан, выполняли специальные наблюдения как в зоне дрейфующего льда, так и на припае, и было получено чрезвычайно много любопытных сведений об этих необычных ледовых жителях. С точки зрения размещения во льду их колоний, пожалуй, наибольший интерес представляли поселения их не в виде горизонтальных слоев, а в виде крутонаклоненных либо вертикальных «жил», ветвящихся «шнуров» и каплевидных скоплений. Было отмечено, что иногда колонии, первоначально размещенные поэтажно, вдруг пускались в странствия по толще льда, перебираясь с горизонта на горизонт и образуя причудливые по форме «поселки». Направления, в которых водоросли распространяются, были связаны с ориентацией и протяженностью пронизывающих ледяной покров полостей и капиллярных каналов, а также с характером распределения в толще льда минеральных солей и миграций под действием силы тяжести солевого раствора. То, что микроорганизмы, попав в необычную ледяную среду обитания, не впадают в анабиоз, а продолжают активно жить, подтверждалось тем, что в момент отбора пробы из средних горизонтов льда многие водоросли оказывались в стадии деления и их численность в единице объема в десятки и даже сотни раз превышала их количество в такой же единице объема морской воды.

В. Х. Буйницкий установил, что, проникая в лед и размножаясь, водоросли нарушают внутреннее строение льда и существенно снижают его прочность. Благодаря темной окраске, скопления водорослей выполняют роль своеобразного радиационного фильтра. Солнечное излучение, проникающее в лед, прежде всего разрушает эти прослойки, и при ударе судна о лед он расслаивается в первую очередь вдоль слоя, заселенного водорослями. Ну а миграция колоний микроорганизмов по этажам заселения ослабляет связь между отдельными кристаллами льда и обусловливает понижение прочности по вертикали.

Результаты испытаний на механическом прессе «чистого» льда и окрашенных образцов показали, что предел прочности на изгиб у образцов, облюбованных микроорганизмами, иногда в два-три раза ниже, чем в тех слоях, где их обнаружить не удалось.

Внедрение микроорганизмов в толщу льда и ослабление вследствие этого его прочности объясняет и другую характерную особенность ледяного покрова южнополярных вод. Величавые и могучие гряды торосов, стоящие неодолимыми редутами среди льдов Арктики, почти не встречаются в Южном океане. Здесь лед при столкновении с судном крошится на более мелкие части, образующиеся торосы невелики, а со временем и вообще могут быть скрыты интенсивными снежными заносами.