Озеро Восток ( русский : озеро Восток , озеро Восток ) — самое большое из 675 известных [3] подледных озер Антарктиды . Озеро Восток расположено на южном полюсе холода , под российской станцией Восток , под поверхностью центрального ледникового щита Восточной Антарктики , который находится на высоте 3488 м (11 444 фута) над средним уровнем моря . Поверхность этого пресноводного озера находится примерно на 4000 м (13 100 футов) ниже поверхности льда, что означает, что оно находится примерно на 500 м (1600 футов) ниже уровня моря.
Имея длину 250 км (160 миль) и ширину 50 км (30 миль) в самом широком месте, [1] оно занимает площадь 12 500 км 2 (4830 квадратных миль), что делает его 16-м по величине озером по площади поверхности . При средней глубине 432 м (1417 футов) его предполагаемый объем составляет 5400 км 3 (1300 кубических миль), [2] что делает его шестым по величине озером по объему .
Озеро разделено хребтом на две глубокие котловины . Глубина жидкой воды над хребтом составляет около 200 м (700 футов) по сравнению с глубиной примерно 400 м (1300 футов) в северном бассейне и 800 м (2600 футов) в южном.
Озеро названо в честь станции «Восток», которая, в свою очередь, названа в честь военного шлюпа « Восток » , что по-русски означает «Восток». [4] Существование подледного озера в районе Востока впервые было предположено российским географом Андреем Капицей на основе сейсмических зондирований, проведенных во время советских антарктических экспедиций в 1959 и 1964 годах для измерения толщины ледникового щита. [5] [6] Продолжение исследований российских и британских учёных [6] [7] привело к окончательному подтверждению существования озера в 1993 году Дж. П. Ридли с помощью лазерной альтиметрии ERS-1 . [5]
Вышележащий лед обеспечивает непрерывную палеоклиматическую запись продолжительностью 400 000 лет, хотя сама вода озера могла быть изолированной от 15 [8] [9] до 25 миллионов лет. [10] 5 февраля 2012 года группа российских учёных завершила самый длинный в истории ледяной керн длиной 3768 м (12 400 футов) и пронзила ледяной щит до поверхности озера. [11]
Первый керн свежезамерзшего озерного льда был получен 10 января 2013 года на глубине 3406 м (11 175 футов). [12] Однако, как только лед был пробит, вода из нижележащего озера хлынула в скважину , смешавшись с фреоном и керосином , которые использовались для предотвращения замерзания скважины. [13] [14] В январе 2015 года была пробурена новая скважина и предположительно нетронутая проба воды была получена. [ нужна ссылка ] Российская команда планирует в конечном итоге опустить зонд в озеро для сбора проб воды и отложений со дна. Предполагается, что необычные формы жизни могут быть найдены в жидком слое озера, запасе ископаемой воды . Поскольку озеро Восток может содержать среду, изолированную подо льдом в течение миллионов лет, условия могут напоминать условия покрытых льдом океанов, предположительно существующих на спутнике Юпитера Европе , [ 13] [15] и спутнике Сатурна Энцеладе . [16]
Русский учёный Петр Кропоткин впервые выдвинул идею наличия пресной воды под ледяными щитами Антарктики в конце XIX века. [17] Он предположил, что огромное давление, оказываемое совокупной массой тысяч вертикальных метров льда, может снизить температуру плавления в самых нижних частях ледникового щита до точки, где лед превратится в жидкую воду . Теорию Кропоткина продолжил российский гляциолог И.А. Зотиков, написавший на эту тему в 1967 г. кандидатскую диссертацию [5].
Русский географ Андрей Капица использовал сейсмические зондирования в районе станции Восток, проведенные во время советской антарктической экспедиции в 1959 и 1964 годах, для измерения толщины ледникового покрова. [5] Капица был первым, кто предположил существование подледного озера в регионе, [6] и последующие исследования подтвердили его гипотезу. [18]
Когда британские ученые в Антарктиде в начале 1970-х годов проводили в Антарктиде радиолокационные исследования , они обнаружили необычные показания радара, которые предполагали наличие подо льдом жидкого пресноводного озера. [19] В 1991 году Джефф Ридли, специалист по дистанционному зондированию из Лаборатории космических наук Малларда Университетского колледжа Лондона , приказал спутнику ERS-1 повернуть свою высокочастотную решетку к центру ледяной шапки Антарктики . Данные ERS-1 подтвердили результаты британских исследований 1973 года [20] , но эти новые данные не были опубликованы в Журнале гляциологии до 1993 года . Космический радар показал, что этот подледниковый водоем с пресной водой является одним из крупнейших озер мира и одно из примерно 140 подледниковых озер Антарктиды. Российские и британские ученые очертили озеро, объединив различные данные, в том числе воздушные радиолокационные наблюдения и космическую радиолокационную альтиметрию, а открытие озера было опубликовано в научном журнале Nature 20 июня 1996 года. [21] ] Было подтверждено, что озеро содержит большое количество жидкой воды под ледяной шапкой толщиной более 3 километров (1,9 мили). В озере есть как минимум 22 полости с жидкой водой , в среднем по 10 километров (6 миль) каждая. [22]
Станция, в честь которой названо озеро, посвящена 900 -тонному военному кораблю «Восток», которым плавал один из первооткрывателей Антарктиды, русский исследователь адмирал Фабиан фон Беллинсгаузен . [4] Поскольку слово Восток на русском языке означает «Восток», названия станции и озера также отражают тот факт, что они расположены в Восточной Антарктиде.
В 2005 году в центральной части озера был обнаружен остров. [23] Затем, в январе 2006 года, было опубликовано сообщение об открытии двух близлежащих озер меньшего размера под ледяной шапкой; они называются 90 градусов восточной долготы и Советская . [24] Предполагается, что эти антарктические подледные озера могут быть соединены сетью подледниковых рек. Гляциологи Центра полярных наблюдений и моделирования предполагают, что многие из подледниковых озер Антарктиды по крайней мере временно связаны между собой. [25] Из-за разного давления воды в отдельных озерах могут внезапно образоваться крупные подземные реки, которые затем вытеснят большое количество воды через твердый лед. [25]
Африка отделилась от Антарктиды около 160 миллионов лет назад, а за ней последовал Индийский субконтинент в раннем меловом периоде (около 125 миллионов лет назад). Около 66 миллионов лет назад Антарктида (тогда соединенная с Австралией) все еще имела климат от тропического до субтропического , с сумчатой фауной и обширными тропическими лесами умеренного пояса . [26] [27]
Бассейн озера Восток представляет собой небольшой (шириной 50 километров (31 миль)) тектонический объект в общей обстановке континентальной зоны столкновения шириной в несколько сотен километров между горным хребтом Гамбурцева , подледным горным хребтом и Куполом С. область, край. [28] Вода озера удерживается на слое отложений толщиной 70 метров (230 футов), что позволяет предположить, что они содержат уникальные записи климата и жизни в Антарктиде до образования ледяной шапки. [20] [29]
По оценкам, вода в озере была заперта под толстым ледниковым покровом около 15 миллионов лет назад. [8] Первоначально считалось, что одна и та же вода составляла озеро с момента его образования, что дает время пребывания порядка одного миллиона лет. [25] Более поздние исследования Робина Белла и Майкла Штудингера из Земной обсерватории Ламонта-Доэрти Колумбийского университета показали, что вода в озере постоянно замерзает и уносится движением антарктического ледникового щита , заменяясь таянием воды. из других частей ледникового покрова в условиях высокого давления. В результате было подсчитано, что весь объем озера обновляется каждые 13 300 лет – его эффективное среднее время существования. [30]
Самая низкая естественная температура, когда-либо наблюдавшаяся на Земле, -89 °C (-128 °F ), была зафиксирована на станции Восток 21 июля 1983 года. [8] Средняя температура воды, по расчетам, составляет около -3 °C (27 °C). Ф); он остается жидким при температуре ниже нормальной точки замерзания из-за высокого давления веса льда над ним. [31] Геотермальное тепло из недр Земли может согреть дно озера, [32] [33] [34] в то время как сам ледяной щит изолирует озеро от низких температур на поверхности.
Озеро Восток представляет собой олиготрофную экстремальную среду, которая, как ожидается, будет перенасыщена азотом и кислородом, [35] [36] и содержит 2,5 литра (0,088 куб. футов) азота и кислорода на 1 кг (2,2 фунта) воды, [37] ] , что в 50 раз выше, чем обычно встречается в обычных пресноводных озерах на поверхности Земли. По оценкам , большой вес и давление континентальной ледяной шапки на вершине озера Восток около 345 бар (5000 фунтов на квадратный дюйм ) способствуют высокой концентрации газа. [38]
Помимо растворения в воде, кислород и другие газы задерживаются в структуре, называемой клатратом . В клатратных структурах газы заключены в ледяную клетку и имеют вид слежавшегося снега. Эти структуры образуются на глубинах озера Восток с высоким давлением и станут нестабильными, если их вынести на поверхность. [25] [37]
В апреле 2005 года немецкие, российские и японские исследователи обнаружили, что на озере бывают приливы . [39] В зависимости от положения Солнца и Луны, поверхность озера поднимается примерно на 12 мм (0,47 дюйма). [40] Озеро находится в полной темноте, под давлением 355 бар (5150 фунтов на квадратный дюйм) и, как ожидается, богато кислородом, поэтому есть предположение, что любые организмы, населяющие озеро, могли развиваться уникальным для этой среды образом. [20] [37] На восточном побережье озера находится магнитная аномалия силой 1 микротесла , простирающаяся на 105 на 75 км (65 на 47 миль). Исследователи предполагают, что аномалия может быть вызвана истончением земной коры в этом месте. [41]
Живые микроорганизмы Hydrogenophilus thermoluteolus были обнаружены при бурении глубоких ледяных кернов озера Восток; это современный вид, обитающий на поверхности. [36] [42] Это предполагает наличие глубокой биосферы , использующей геотермальную систему коренных пород, окружающих подледниковое озеро. Есть оптимизм в отношении того, что микробная жизнь в озере возможна, несмотря на высокое давление, постоянный холод, низкое поступление питательных веществ, потенциально высокую концентрацию кислорода и отсутствие солнечного света. [36] [43] Спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад также могут иметь озера или океаны под толстой коркой льда. Любое подтверждение жизни в озере Восток может усилить перспективу присутствия жизни на ледяных лунах. [36] [44]
Исследователи, работающие на станции Восток, в 1998 году извлекли один из самых длинных ледяных кернов в мире. Совместная группа из России, Франции и США пробурила и проанализировала керн длиной 3623 метра (11 886 футов). Возраст образцов льда из кернов, пробуренных недалеко от вершины озера, оценивается в 420 000 лет. Предполагается, что озеро было закрыто от поверхности с тех пор, как ледниковый покров образовался 15 миллионов лет назад. Бурение керна было намеренно остановлено примерно на высоте 100 м (300 футов) [45] над предполагаемой границей между ледниковым покровом и жидкими водами озера. Это было сделано для предотвращения загрязнения озера 60-тонным столбом фреона и керосина , которые использовались для предотвращения обрушения и замерзания скважины. [20]
В этом керне, а именно во льду, который, как полагают, образовался из озерной воды, замерзшей на основании ледникового покрова, были обнаружены экстремофильные микробы , что позволяет предположить, что вода в озере поддерживает жизнь. Ученые предположили, что озеро может быть уникальной средой обитания для древних бактерий с изолированным микробным генофондом , содержащим характеристики, развитые примерно 500 000 лет назад. [46]
В январе 2011 года руководитель Российской антарктической экспедиции Валерий Лукин объявил, что его команде осталось пробурить всего 50 м (200 футов) льда, чтобы добраться до воды. [8] Затем исследователи перешли на новую термосверлильную головку с «чистой» силиконовой жидкостью, чтобы просверлить оставшуюся часть пути. [47] Вместо того, чтобы бурить воду до конца, они сказали, что остановятся прямо над ней, когда датчик термобура обнаружит свободную воду. В этот момент бур должен был быть остановлен и извлечен из скважины. Удаление бура снизит давление под ним, втягивая воду в скважину, которая будет оставлена для замерзания, создавая ледяную пробку на дне скважины. [48] Бурение остановилось 5 февраля 2011 года на глубине 3720 м (12200 футов), чтобы исследовательская группа могла уйти со льда до начала антарктического зимнего сезона. Буровая бригада вылетела на самолете 6 февраля 2011 г. [49]
По плану, следующим летом команда должна была снова пробурить скважину, чтобы взять образец льда и проанализировать его. [8] [50] Русские возобновили бурение озера в январе 2012 года и достигли верхней поверхности воды 6 февраля 2012 года. [11] [51] Исследователи позволили стремительной озерной воде замерзнуть в скважине и несколько месяцев позже они собрали образцы ледяного керна этого вновь образовавшегося льда и отправили его в Лабораторию гляциологии и геофизики окружающей среды в Гренобле, Франция, для анализа. [ нужна цитата ]
Ученые впервые сообщили о наличии микробов в нарастающем льду в 1999 году . ), собранные во время буровых проектов в США в 1990-х годах. [54] [55] По его словам, это указывает на то, что озеро подо льдом не стерильно, а содержит уникальную экосистему. Затем в июле 2013 года Скотт Роджерс опубликовал, что его команда провела секвенирование нуклеиновых кислот ( ДНК и РНК ), и результаты позволили сделать вывод о метаболических путях, представленных в нарастающем льду и, как следствие, в озере. Команда обнаружила 3507 уникальных последовательностей генов, примерно 94% последовательностей принадлежали бактериям, а 6% — эукариям . [56] [57] Таксономическая классификация (по роду и/или виду) или идентификация были возможны для 1623 последовательностей. В целом таксоны были похожи на организмы, ранее описанные из озер, солоноватой воды, морской среды, почвы, ледников, льда, озерных отложений, глубоководных отложений, глубоководных термальных источников, животных и растений. Присутствовали последовательности аэробных , анаэробных , психрофильных , термофильных , галофильных , алкалофильных , ацидофильных , устойчивых к высыханию, автотрофных и гетеротрофных организмов, включая ряд многоклеточных эукариот. [56]
В 2020 году Колби Гура и Скотт Роджерс расширили свои исследования нарастающего льда на озере Восток, а также базального льда, стекающего в озеро. [58] Они обнаружили, что базальный лед содержал почти совершенно другое сообщество организмов по сравнению с теми, которые были обнаружены в нарастающем льду озера, что указывает на то, что они представляют собой две совершенно разные экосистемы. Сообщалось о дополнительных бактериях и эукариотах. Наибольшее разнообразие организмов во льду озера достоверно (p<0,05) ассоциировалось с более высокими концентрациями ионов и аминокислот. Хотя их предыдущая работа указывала на присутствие бактерий, населяющих кишечник рыб, никаких последовательностей от рыбы обнаружено не было. Однако в исследовании 2020 года они обнаружили последовательность рРНК, которая была более чем на 97% схожа с последовательностью каменной трески, распространенной вдоль побережья Антарктиды ( Notothenia coriiceps ). Это первое сообщение о виде рыб, возможно обитающих в озере Восток. Известно, что рыба вырабатывает белки-антифризы.
Микробиолог Дэвид Пирс из Университета Нортумбрии в Ньюкасле, Великобритания, заявил, что ДНК может быть просто загрязнением в результате процесса бурения, а не характерным для самого озера Восток. Старые ледяные керны были пробурены в 1990-х годах для поиска свидетельств прошлого климата, скрытого во льду, а не для жизни, поэтому буровое оборудование не было стерилизовано . [14] Также Сергей Булат, эксперт по озеру Восток из Петербургского института ядерной физики в Гатчине, Россия, сомневается, что какие-либо клетки или фрагменты ДНК в образцах могут принадлежать организмам, которые действительно могут существовать в озере. Он говорит, что весьма вероятно, что образцы сильно загрязнены тканями и микробами из внешнего мира. [59]
Возможность заражения была опровергнута Скоттом Роджерсом, поскольку меры контроля были строгими, а комбинации организмов, обнаруженных в каждом из образцов льда, соответствовали организмам, живущим в холодном озере и льду (включая последовательность организмов антарктической каменной трески). и не соответствовали загрязнению, возникшему во время отбора проб или в результате лабораторных процедур. Кроме того, все лабораторные процедуры проводились параллельно с образцами льда из озера Эри, и два полученных набора данных были совершенно разными. В образце озера Эри было обнаружено множество признаков человеческого обитания, тогда как в образцах льда озера Восток не было обнаружено никаких признаков человеческого обитания. Образец из озера Эри также имел почти совершенно другой профиль бактериальных и эукариотических типов.
Российские и французские ученые проводят молекулярные исследования ДНК замерзшей в скважине воды озера Восток, создавая многочисленные библиотеки ДНК , представляющие собой коллекции фрагментов ДНК, позволяющие ученым идентифицировать, какие виды бактерий они могут принадлежать. Пробы, взятые на данный момент из озера, содержат примерно одну часть керосина на 1000 воды и загрязнены бактериями, ранее присутствовавшими в буровом долоте и керосиновом буровом растворе. [ нужна цитата ] На данный момент ученым удалось идентифицировать 255 видов загрязнителей, но они также обнаружили неизвестную бактерию, когда они первоначально пробурили поверхность озера в 2012 году, без совпадений ни в одной международной базе данных, и они надеются, что это может быть уникальным обитателем озера Восток. [60] [61] Однако Владимир Королев, руководитель лаборатории исследования в том же учреждении, сказал, что бактерии в принципе могут быть загрязнителем, который использует керосин — антифриз, используемый во время бурения — в качестве источника энергии. [62]
Критики из научного сообщества заявляют, что никакой ценной информации невозможно получить, пока не будут протестированы чистые образцы озерной воды, не загрязненные буровым раствором. [ нужна ссылка ] Несмотря на проблемы загрязнения, в мае 2013 года буровой комплекс на российской антарктической станции «Восток» был объявлен историческим памятником как «результат признания достижений российских исследований Антарктиды международным научным сообществом, и об уникальных операциях по открытию подледникового озера Восток, проведенных российскими учеными 5 февраля 2012 года". [ нужна цитата ]
В январе 2015 года российская пресса сообщила, что российские ученые пробурили новую «чистую» скважину в озеро Восток с помощью специального 50-килограммового зонда, отобравшего около 1 литра воды, не загрязненной антифризом. [63] [64] Используемая технология бурения оказалась непригодной для сбора жидкой воды в целом и чистых проб в частности [65], и результаты не были зарегистрированы. [66] Прогнозировалось, что вода поднимется на 30–40 м в нижней части скважины, но на самом деле вода поднялась из озера на высоту более 500 м. В октябре того же года работы на южное лето были приостановлены из-за недостаточного финансирования со стороны федерального правительства России. [67] [68]
В 2019 году правительство России распорядилось установить новый зимовочный комплекс на научно-исследовательской станции «Озеро Восток», частично финансируемый российским миллиардером Леонидом Михельсоном . Этот комплекс будет способен обслуживать 35 человек летом, 15 зимой и будет иметь 4 дизель-генератора мощностью по 200 киловатт каждый. Новый комплекс, состоящий из 133 модулей, был доставлен на станцию Прогресс в декабре 2021 года и будет перевезен на научную станцию «Озеро Восток» и установлен в течение следующих четырех лет. [69] [70]
Против проекта бурения выступили некоторые экологические группы и ученые, которые утверждали, что бурение с использованием горячей воды будет иметь более ограниченное воздействие на окружающую среду . [71] Основная проблема заключается в том, что озеро может быть загрязнено антифризом, который русские использовали для предотвращения повторного замерзания скважины. Ученые Национального исследовательского совета США заняли позицию, согласно которой следует предположить, что в озере Восток существует микробная жизнь и что после столь длительной изоляции любые формы жизни в озере требуют строгой защиты от загрязнения. [72]
Первоначальная методика бурения, применявшаяся русскими, заключалась в использовании фреона и керосина для смазки скважины и предотвращения ее обрушения и замерзания; На данный момент на льду над озером Восток было использовано 60 коротких тонн (54 т ) этих химикатов. [20] Другие страны, особенно США и Великобритания, не смогли убедить русских не приближаться к озеру до тех пор, пока не будут доступны более чистые технологии, такие как бурение с горячей водой. [73] Хотя русские утверждают, что улучшили свою работу, они продолжают использовать ту же скважину, которая уже была загрязнена керосином. [1] По словам руководителя Российской антарктической экспедиции Валерия Лукина, исследователи Петербургского института ядерной физики разработали новое оборудование, которое обеспечит незагрязнение озера при вторжении. [8] Лукин неоднократно заверял другие страны, подписавшие Систему Договора об Антарктике, что бурение не повлияет на озеро, утверждая, что при прорыве вода устремится вверх по скважине, замерзнет и закроет другие жидкости. [74]
Некоторые группы защитников окружающей среды по-прежнему не убеждены этими аргументами. Коалиция Антарктики и Южного океана утверждает, что такой способ бурения является глубоко ошибочным шагом, который ставит под угрозу озеро Восток и другие подледные озера в Антарктиде (которые, по убеждению некоторых ученых, связаны с озером Восток). [5] Коалиция заявила, что «было бы гораздо предпочтительнее объединиться с другими странами и проникнуть в меньшее и более изолированное озеро, прежде чем вновь рассматривать вопрос о том, является ли проникновение в озеро Восток экологически безопасным. Если мы проявим мудрость, озеро будет разрешено чтобы со временем раскрыть свои тайны». [5]
Лукин утверждает, что бурение с горячей водой гораздо более опасно для микробиофауны, так как приведет к кипению живых организмов и нарушению всей структуры водных слоев озера. [75] Кроме того, бурение с горячей водой потребовало бы больше энергии, чем российская экспедиция могла бы произвести в своем отдаленном лагере. [71] Однако пробы воды, полученные российской командой, были сильно загрязнены буровым раствором, поэтому в мае 2017 года они сообщили, что в настоящее время невозможно получить достоверные данные о реальном химическом и биологическом составе воды озера. [76]
900-тонный «Восток» был построен в 1818 году на Охтинской верфи Стока и Колоднина в Петербурге.
В сотрудничестве с другими учеными Андрей Капица сделал одно из самых замечательных географических открытий ХХ века — огромное озеро подо антарктическим льдом недалеко от полярной научной станции «Восток».