Ледяная летопись

Глобальное потепление фиксируется учеными разных стран. Особенно быстро эти процессы идут в Российской Арктике, что влечет за собой серьезные изменения — приближение лесов к береговой линии арктических морей, сокращение ледового покрова в Северном Ледовитом океане. С одной стороны, это облегчает проводку грузов по Северному морскому пути, но другой — усложняет жизнь морских животных, для которых лед — неотъемлемая часть среды обитания. Потепление заставляет отступить вечную мерзлоту, а значит, полностью изменятся правила строительства и эксплуатации жилья и дорог в арктической зоне.

Выдвинуто несколько версий причин глобального потепления — от хозяйственной деятельности человека до различных природных факторов, в том числе циклов солнечной активности. Руководитель проекта «Астрометрия» российской секции Международной космической станции и руководитель лаборатории космических исследований Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН Хабибулло Абдусоматов полагает, что потепление идет по инерции, а к середине нынешнего века наступит похолодание, и зимние температуры в средней полосе России достигнут минус 50 градусов. Такие выводы и прогнозы он делает исходя из анализа 11-летних циклов солнечной активности. Сейчас она, по словам ученого, снижается.

Однако, чтобы прогнозировать будущее, есть надежный способ — изучить прошлое. Восстановив картину формирования нынешней климатической системы, ученые смогут делать более уверенные выводы и прогнозы на будущее. Предполагается, что эта модель сформировалась в период с 1,25 млн — 700 тыс. лет назад, который называют временем среднеплейстоценового климатического перехода (плейстоцен — геологическая эпоха, длившаяся примерно от 2,580 млн до 11,7 тыс. лет назад). Для того чтобы узнать, какой в тот период была, например, концентрация парниковых газов, ученые исследуют лед, добываемый из-под четырехкилометрового ледяного щита, расположенного в центральной части Антарктиды. Во время 68-й Российской антарктической экспедиции из глубокой скважины, пробуренной в районе российской антарктической станции Восток, извлечен образец льда в возрасте около одного миллиона лет. Изучив его, ученые смогут установить параметры климата в ту переломную эпоху.

Старейший лед

Буровые работы на станции Восток ведутся только коротким антарктическим летом, когда температура воздуха прогревается до вполне терпимых минус 20 градусов Цельсия. Зимой здесь обычно минус 70. Лед в возрасте около миллиона лет извлечен в этом сезоне из скважины 5Г-5, где буква «Г» означает классификацию «глубокая». Есть еще сверхглубокие скважины, их обозначают буквами СГ, самая глубокая из них — Кольская — достигла глубины 12 261 метр. Но там с 1970 по 1991 год бурили твердый грунт, а здесь — лед.

Бурение льда на станции Восток ведется с января 1970 года. Тогда сотрудники Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) Росгидромета и Горного института (сейчас Санкт-Петербургский горный университет) начали бурение первой глубокой скважины 1Г на станции Восток. В 1990 году началось бурение пятой по счету глубокой скважины — 5Г.

Проект реализуется в рамках программы комплексного исследования подледникового озера Восток и палеоклимата Земли в районе российской антарктической станции Восток совместно со специалистами Горного университета. «В этом сезоне в Антарктиде работали четыре сотрудника Арктического и антарктического научно-исследовательского института, в том числе две девушки - гляциолога, и восемь специалистов Санкт-Петербургского горного университета. Извлеченный из скважины лед залегал на глубине свыше трех с половиной километров. За время сезонных работ из скважины 5Г-5 в леднике над озером Восток поднято около шестидесяти метров ледяных кернов (керном называют цилиндрический столбик льда, который выпиливается из толщи льда буровым снарядом. — “Стимул”)», — рассказали «Стимулу» в пресс-службе ААНИИ. Добытые образцы доставят в институт на борту научно-экспедиционного судна «Академик Федоров» ориентировочно в конце июня.

Сейчас ученые исследуют предыдущие образцы в возрасте около 550 тыс. лет.

«Для ученых древний лед возрастом около миллиона лет представляет самый большой интерес. Именно в этот период в атмосфере Земли могла наблюдаться повышенная концентрация углекислого газа, и предположительно в этот период на планете произошла перестройка климатической системы, — комментирует директор ААНИИ Александр Макаров. — Изучив данные об изменении климата, хранящиеся в ледяных кернах, ученые смогут выдвинуть гипотезы о возможных причинах, скоростях и последствиях произошедших трансформаций, просчитать, как природная система может работать в условиях повышенного уровня СО₂». По оценке Макарова, глобальные климатические преобразования прошлого были значительно серьезнее тех, что мы переживаем сейчас. Но они происходили по естественным причинам. В последние столетия активно развивается промышленность, человечество воздействует на атмосферу не всегда продуманной производственной деятельностью. «Сейчас, как и миллион лет назад, на Земле также происходят климатические изменения, но их скорость заметно выше, чем когда-либо», — отметил Александр Макаров.

По данным ученых, в последние 800 тыс. лет жизнь на Земле развивается в пределах одной климатической системы, предполагающей смену ледниковых и межледниковых эпох с примерной цикличностью в 100 тыс. лет. Мы живем в относительно теплый период, который называется межледниковьем.

Что происходит с климатом

Объективно установлено, что наиболее быстрое потепление наблюдается в арктической зоне России: в среднем температура растет на 0,71 градуса Цельсия за десятилетие. Известно также, что потепление происходит во все сезоны, однако на сезонные тренды накладываются значительные междесятилетние колебания, особенно выраженные зимой. Так, в период между серединой 1970-х и серединой 1990-х наблюдалось быстрое потепление, затем на большей части территории России произошло похолодание, продлившееся до 2010 года и обусловленное изменениями атмосферной циркуляции атлантико-европейского сектора.

Ожидаемое в ХХI веке потепление климата, согласно прогнозам, будет особенно сильно ощущаться на территории России. Здесь оно будет существенно выше средних глобальных показателей. Причем максимальные значения зимнего потепления ожидаются в арктической зоне страны. «Потепление в Российской Арктике будет продолжаться наиболее заметно в зимний сезон. В морской Арктике, составляющей высокоширотную часть АЗРФ и Северной полярной области, температура зимой будет расти в 1,7 раза быстрее, чем летом. За ростом летней температуры следует сокращение летней площади морского льда в арктических морях, — полагает Александр Макаров. — Площадь, занятая морским льдом на акватории Северного морского пути в сентябре, сократилась с 1990-х по 2010-е годы в шесть раз — с 1200 до 200 тысяч квадратных километров и сохранится на этом уровне в ближайшие годы. В 2030–2050-х годах ожидаются более легкие ледовые условия с августа по октябрь. Но летнего исчезновения ледяного покрова в Северном Ледовитом океане к 2050 году не произойдет. Даже в самый “легкий” год акватория арктических морей будет свободна ото льда только с августа по октябрь».

По данным отдела взаимодействия океана и атмосферы Арктического и антарктического НИИ, в качестве основного инструмента для получения количественных оценок причин изменений климата используются глобальные численные модели климатической системы Земли. Согласно расчетам, выполненным в климатических центрах мира с использованием нескольких таких моделей и обобщенным в отчете Межправительственной группы по климату, главная причина наблюдаемого потепления связана с ростом концентрации в атмосфере парниковых газов, прежде всего углекислого. Его концентрация вызвана в основном деятельностью человека. При расчетах учитывались и некоторые естественные воздействия, но их роль эксперты оценили как незначительную.

Сопоставление расчетов с наблюдениями показало в целом высокую степень соответствия за исключением межгодовых и междесятилетних колебаний, которые отнесены к погодному шуму. Однако специалисты отмечают, что в моделях учтены не все естественные воздействия — например, не учитываются медленные изменения притока солнечной энергии вследствие орбитальной динамики Земли. Эти изменения малы, но их эффект усиливается в низких широтах (приближенных к экватору), на которые приходится основная часть солнечного излучения. Незначительное увеличение притока солнечного света вызывает небольшой рост температуры поверхности океана, который многократно усиливается в результате роста испарения и исходящего длинноволнового излучения.

Благодаря исследованиям, выполненным в ААНИИ, установлено, что причиной наибольшего потепления в Арктике, приходящегося на зимний период, является рост поступления тепла и влаги из низких широт c атмосферной и океанской циркуляцией, главным образом через приатлантическую часть южной границы региона. А причиной увеличения переноса является рост температуры воды на поверхности океана в низких широтах, который не воспроизводится адекватно глобальными моделями климата.

Помимо ускоренного потепления в арктической зоне России быстрее, чем в других местах, растет скорость увеличения количества осадков. К середине ХХI века рост количества осадков составит 12%, к концу века — 27%, а в арктической зоне России эти показатели ожидаются на уровне 15 и 33%. На материковой части Российской Арктики рост количества осадков ожидается прежде всего зимой и ранней весной и может сопровождаться увеличением притока речной воды из больших сибирских рек в арктические моря, полагают специалисты отдела взаимодействия океана и атмосферы ААНИИ. Причем на западе (Баренцево и Карское моря) ожидается рост количества осадков, а в восточных морях (Чукотском и Восточно-Сибирском) — убывание. Рост более выражен в холодную половину года, а уменьшение количества осадков — летом. Ученые делают вывод, что рост температуры воздуха, более ранний переход к положительным температурам и увеличение длительности теплого периода вместе с ростом осадков способствуют продвижению границы леса на север и озеленению тундры у побережья арктических морей. В результате этого будут улучшаться условия обитания местных животных на суше, но в морях из-за увеличения площади и периода открытой воды условия для крупных морских млекопитающих усложнятся.

Если добавить к моделированию климата и текущим наблюдениям данные, относящиеся к древним историческим периодам, можно будет найти соответствия между наблюдаемыми сегодня тенденциями и аналогичными тенденциями в прошлом и более надежно спрогнозировать, что может происходить с климатом в будущем, причем весьма отдаленном.

Реликтовое озеро

Изучение палеоклимата — одна из целей буровых работ. Вторая — исследование подледникового озера Восток, которое лежит под станцией Восток. Это самое крупное из примерно 140 подледниковых озер, обнаруженных в Антарктиде. Предполагаемая площадь этого подледникового пресноводного водоема — около 16 тыс. квадратных километров, глубина — более 1200 метров. По теории океанолога Николая Зубова, которую он выдвинул в 1950-е годы, большая толщина ледника и повышенное до 300 атмосфер давление приводят к тому, что на его нижнем крае происходит процесс плавления льда, в результате чего и образуются подледниковые озера. Теоретическое обоснование возможности существования озера выполнил в 1955‒1957 годах сейсмолог Андрей Капица. Его исследования показали, что между нижней границей льда и твердым грунтом есть пространство примерно в 400 метров. В дальнейшем эти предположения получали все больше и больше подтверждений.

Финальной фазой открытия озера стало проникновение в него. Впервые это произошло 5 февраля 2012 года. Тогда же стала известна точная толщина ледника — 3769 метров. Ученые взяли пробы воды, в которых заведующий лабораторией криоастробиологии Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ, сейчас входит в структуру Курчатовского института) Сергей Булат обнаружил генетические следы ранее неизвестных бактерий. Ученые считают, что условия, сформировавшиеся в подледниковом озере, — температура воды около 10 градусов Цельсия, насыщенная кислородом вода (кислород поступает из постоянно подтаивающего снизу льда) — вполне могут поддерживать жизнедеятельность организмов, существующих и развивающихся автономно от других живых существ на Земле на протяжении миллиона лет. Однако западные оппоненты раскритиковали утверждения Сергея Булата об интересных находках в реликтовом озере на основании того, что они не могут перепроверить его результаты.

Повторное вскрытие озера состоялось 25 января 2015 года. Глубина скважины составила 3769 метров 15 сантиметров, на 15 сантиметров больше, чем в 2012 году, потому что ствол скважины немного отклонили в сторону. Но на этот раз отбор проб воды из озера не проводился, чтобы не допустить попадания заливочной жидкости из скважины в озеро. Руководитель буровых работ — заведующий кафедрой бурения скважин Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (так тогда назывался Санкт-Петербургский горный университет) Николай Васильев не разрешил опустить в скважину пробоотборник, специально сконструированный учеными из Петербургского института ядерной физики, для того чтобы взять пробы воды из озера Восток. Причина в том, что поверхность пробоотборника при прохождении через заливочную жидкость, которой заполнена скважина, неминуемо загрязнится и при взятии проб грязь с поверхности прибора попадет в озеро.

Отбор проб перенесли на следующее вскрытие озера, это предполагалось сделать с помощью транспортировочного узла. После того как этот узел достигнет границы льда и воды, откроется его нижняя крышка, и оттуда в озеро опустится чистый прибор, с помощью которого будут взяты пробы. Сообщалось, что транспортировочный узел практически готов и его начнут использовать в следующие сезоны, когда ученые вернутся на станцию Восток для продолжения исследований. Однако после ухода из жизни Николая Васильева в 2021 году работы по созданию и отладке техники для безопасного проникновения в озеро были приостановлены. В нынешнем сезоне проникновение в озеро не планировалось и не проводилось.

Оба раза после проникновения в реликтовое озеро ученые закупоривали отверстие ледяными пробками. После первого проникновения 5 февраля 2012 года вода поднялась на 380 метров, поэтому, чтобы вновь добраться до озера, ученым потребовалось вновь разбуривать скважину на протяжении трех буровых сезонов. После вскрытия озера в 2015 году вода поднялась на 74 метра. Тогда же была достигнута главная задача сезонных буровых работ на озере Восток — ученые овладели технологией контроля за уровнем воды в скважине, пояснил Валерий Лукин, начальник Российской антарктической экспедиции в 1992‒2016 годах. Первоначально предполагалось завершить исследование озера к 2023 году, но временные границы сдвинуты в будущее.

Оба исследовательских проекта — изучение палеоклимата и исследование реликтового озера — не имеют мировых аналогов, как и сама буровая установка на станции Восток, работающая в условиях экстремального холода.