29 января 2015Наука
1803580

Скважина без капли нефти

Зачем полярники из России вскрыли древнее озеро подо льдом Антарктиды и при чем здесь полеты к Юпитеру

текст: Илья Ферапонтов
Detailed_picture© Pat Parry / Science News

25 января участники Российской антарктической экспедиции пробурили скважину в реликтовое озеро Восток, которое было изолировано от внешнего мира миллионы лет. Возможно, в этом озере обитают «инопланетные» организмы, непохожие ни на что, известное сегодня, но подобные тем, что могут существовать в подледных океанах спутников Юпитера — Европы или Ганимеда.

Формально это вторая успешная попытка, первый раз скважина в озеро была пробурена в 2012 году — и сразу же заблокирована. На этот раз канал между озером и поверхностью можно будет держать открытым долго, и ученые смогут в деталях разобраться, обитает ли кто-то в вечной темноте под четырьмя километрами льда — в воде или на дне самого странного озера на свете.

Если только эта программа не будет закрыта. Из-за резкого роста курса доллара сама работа российских полярников в Антарктиде оказывается под вопросом, а решение о продолжении ФЦП «Мировой океан», из которой финансировались многие научные проекты в Арктике и Антарктиде, до сих пор не принято. Не исключено, что один из крупнейших научных проектов СССР и России, начатый еще в 1957 году, будет заморожен как раз перед тем, как он начнет приносить действительно сенсационные и критически важные результаты. Есть риск, что первое поколение российских астробиологов так и не переступит этот порог.

***

Вся история началась более полувека назад, когда в декабре 1957 года санно-тракторный поезд под руководством будущего академика Алексея Трешникова добрался до центра ледяного континента, до точки, где и была создана станция Восток. Ее так назвали в честь шлюпа «Восток» — парусника Фаддея Беллинсгаузена, на котором тот уплыл открывать Антарктику в 1819 году.

Нужно представить, что это такое — Восток. До ближайшего берега отсюда — 1260 километров, до ближайшей станции Мирный — 1410 километров. Температура даже летом не поднимается выше 35 градусов мороза, а рекордная жара — минус 14 градусов. Собственно, здесь находится земной полюс холода, на Востоке был зафиксирован температурный рекорд — 89,2 градуса ниже нуля. Воздух здесь экстремально сухой, вечный холод вымораживает всю влагу из воздуха. При этом станция находится почти в центре гигантского антарктического ледника, на высоте около 4 тысяч метров. Это значит, что к пустынной сухости и морозу добавляется гипоксия — нехватка кислорода, с которой люди обычно сталкиваются в горах.

В 1960-е лед собирались бурить с помощью миниатюрного атомного реактора, который проплавил бы ледник насквозь.

Попасть сюда можно только летом: зимой, во время полярной ночи, самолеты сюда добраться не могут. Серьезные грузы — в основном бочки с дизельным топливом для дизельной электростанции — привозят на санно-тракторных поездах.

Что занесло советских людей в эту кошмарную ледяную пустыню? Сказать, что только научный интерес, значит слукавить. Работа исследовательских станций в ничейной и демилитаризованной Антарктиде — это что-то вроде «демонстрации флага» в океане. Нужно показать: мы здесь, это наш сектор, выделенный нам по договору об Антарктиде, и никто не может занять его, пользуясь нашим отсутствием.

В 1960 году на станции Восток началось бурение ледника — с помощью кустарных термобуровых снарядов удалось проникнуть на глубину 50 метров. Рассматривался проект сквозного бурения льда с помощью миниатюрного атомного реактора, который должен будет проплавить ледник насквозь. Всерьез бурить начали в 1967 году, когда на Восток прибыли профессионалы из ленинградского Горного института. Во льду проделали первую скважину глубиной 560 метров.

Тогда никто еще не знал о существовании озера Восток — ученые вели бурение ради получения ледникового керна, то есть ледяного столба. Ледник в центре Антарктиды медленно растет, если пробурить скважину и достать керн, в руках у вас окажется лед возрастом в сотни тысяч лет. Каждый пузырек воздуха в таком льду — что-то вроде мухи в янтаре, законсервированный древний артефакт, который позволяет судить о состоянии атмосферы в глубоком прошлом. Поэтому ледовый керн со станции Восток и считают одним из главных источников данных об истории климата на Земле.

К 1998 году, когда скважина 5Г-1 на Востоке достигла глубины 3623 метра, ученые получили непрерывный ряд климатических данных на 420 тысяч лет. Выяснилось, что за это время на Земле было четыре ледниковых периода, сопровождавшихся падением концентрации углекислого газа в атмосфере, и установили, что нынешняя концентрация углекислого газа — рекордно высокая за последние полмиллиона лет. Теория глобального потепления выросла именно из таких наблюдений. Данные с Востока позднее были расширены и подтверждены данными с других проектов получения ледовых кернов, в числе которых был антарктический европейский проект EPICA и аналогичные проекты в Гренландии.

© scientificrussia.ru

***

В конце 1980-х годов у полярников появилась новая цель — озеро Восток. Это гигантское подледное озеро, по величине сопоставимое с Государством Катар (или с третью Байкала), и его называют последним в истории крупным географическим открытием на Земле. Но это открытие было сделано не одномоментно. Еще в 1876 году князь Петр Кропоткин — он был не только анархистом, но и профессиональным географом — писал, что температура в нижних слоях мощных ледников может сильно повышаться под давлением: проще говоря, под полярными льдами тепло. В начале 1960-х годов советские ученые рассчитали, что на дне антарктического ледника температура льда может превышать температуру плавления, а значит, на материковом ложе могут присутствовать скопления талой воды.

Первые намеки на существование озера Восток под слоем льда появились, когда в 1959 и 1964 году советские ученые под руководством географа из МГУ Андрея Капицы (сына нобелевского лауреата Петра Капицы и брата Сергея Капицы) провели сейсмическое зондирование ледника. Тогда ученые смогли измерить его толщину, и кроме отражения от дна ледника они увидели еще один сигнал, который приняли за границу слоя осадочных пород под ледником. Теперь мы понимаем, что эти «осадочные породы» были озерной водой.

В середине 1970-х годов британские ученые в результате радарного зондирования ледника в центре Антарктиды обнаружили участки с «плоским» отражением. Тогда впервые была высказана гипотеза, что это отражение от границы «лед-вода». Самый большой такой участок был найден в районе станции Восток.

В 1996 году Андрей Капица, Игорь Зотиков из Института географии РАН и их британские коллеги суммировали в статье, вышедшей в журнале Nature, все данные радарных и спутниковых наблюдений и сделали окончательный вывод — на глубине около четырех километров подо льдом находится озеро общей площадью около 10 тысяч квадратных километров и средней глубиной около 125 метров.

На станции Восток находится полюс холода. Это здесь была зафиксирована самая низкая температура на Земле — минус 89,2 градуса Цельсия.

***

К тому моменту скважина 5Г-1 была пройдена до глубины 3100 метров, а к 1998 году — до глубины 3623 метра. До озера Восток, по расчетам, оставалось еще около 120 метров. Но бурение было остановлено по просьбе международного Научного комитета по исследованию Антарктики (SCAR). Российские полярники должны были представить «экологически чистую технологию», которая исключала бы попадание внешних загрязнений в реликтовое озеро.

Пауза затянулась на восемь лет. За это время из проекта вышли французские и американские ученые, которые участвовали в бурении и палеоклиматических исследованиях (и получили по трети керна), и проект бурения стал национальным российским проектом.

***

Как не испортить озеро? Бурить такие глубокие скважины в леднике не менее сложно, чем скальные породы. Скважина, предоставленная сама себе, быстро «заплывет» и исчезнет, нужно предпринимать специальные усилия, чтобы буровой снаряд не вмерз в лед, не застрял в нем. За 40-летнюю историю на Востоке было потеряно несколько буровых снарядов, которые застряли на глубине или вмерзли в лед.

Чтобы сохранить скважину, ее заполняли заливочной жидкостью — смесью авиационного керосина и фреона, которая не давала скважине замерзнуть. Стенки верхней части скважины укрепили пластиковыми обсадными колоннами. SCAR опасался, что заливочная жидкость при проникновении в озеро Восток может загрязнить его.

Российские ученые в 1999 году представили свои предложения организации Договора об Антарктике. Их идея состояла в том, чтобы использовать высокое давление воды в озере, на котором сверху плавает почти четырехкилометровая толща льда. Если количества заливочной жидкости в скважине недостаточно, чтобы скомпенсировать давление снизу, озерная вода просто вытолкнет столб заливочной жидкости вверх, а затем замерзнет, образовав естественную пробку между озером и внешним миром. Чтобы не допустить непосредственного контакта воды с заливочной жидкостью, российские ученые предложили использовать неактивную «прокладку» — слой жидкого полимера на основе кремния, полидиметилсилоксана.

Но международные эксперты потребовали, чтобы эффективность этого метода была доказана на практике. Начальник Российской антарктической экспедиции Валерий Лукин возмущался: «Нам сказали: а где вы проверяли эту технологию, это ж у вас только теоретические разработки, найдите другое какое-нибудь озеро в Антарктиде... Но вы же понимаете — для этого нужно создать новую отдельную инфраструктуру, это огромные средства!»

Однако российским ученым не пришлось искать «испытательное озеро». В 2003 году европейский проект NGRIP (North Greenland Ice Core Project) добрался до подледникового озера в северной Гренландии на глубине 3085 метров. И проникновение в озеро произошло в точности по сценарию, описанному ранее российскими специалистами: после проникновения вода поднялась на 45 метров вверх по скважине, и токсичная смесь керосина с фреоном в озеро не попала.

В 2004 году бурение было возобновлено — оказалось, что за семь лет скважина не деформировалась настолько, чтобы нужно было начинать всю работу заново. В 2007 году два раза подряд буровой снаряд застревал и отрывался от своего кабеля на глубине 3660 метров. Поэтому в январе 2009 года началось бурение в обход аварийного участка с отметки на 20 метров выше.

© EPA / ТАСС

Наконец 5 февраля 2012 года на глубине 3769,3 метра буровой снаряд достиг воды озера Восток. Ученые несколько недооценили давление в озере, и озерная вода поднялась по скважине примерно на 500 метров вверх, вытолкнув заливочную жидкость, которая выплеснулась из скважины. После подъема бурового снаряда в руки ученых попали первые образцы озерной воды, смешанной с заливочной жидкостью. Именно эту желтоватую жидкость полярники потом привезли с собой в подарок Путину, когда их позвали встречаться с премьером в Кремль.

В следующие два года полярники выбуривали замерзшую в скважине озерную воду, чтобы получить образцы свежего озерного льда. В этом году бурение было продолжено, буровой снаряд пошел под небольшим углом к скважине, чтобы попасть в озеро в другой точке. Наконец вечером 25 января российские ученые повторно добрались до озера Восток.

В этот раз все рассчитали аккуратнее, и озерная вода поднялась лишь на 45 метров.

«Мы хотели, чтобы давление было практически одинаковым, чтобы вода не поднималась слишком высоко и чтобы вода была “пробкой” между озером и скважиной, которую можно было быстро пробурить», — говорит Андрей Дмитриев из петербургского университета «Горный», где еще с советских времен разрабатывали технологии бурения для Востока. В дальнейшем, говорит он, на дне скважины можно будет установить специальный подогреваемый прибор, который будет сохранять ее в открытом состоянии. Через эти «ворота» можно будет пропускать зонды для изучения толщи озера и его дна.

***

Озеро Восток было изолировано от внешнего мира миллионы лет, и если в нем есть жизнь, она, скорее всего, абсолютно не похожа ни на что из известного нам сегодня. Однако условия там очень напоминают обстановку на одном из спутников Юпитера — Европе. Под толстой ледяной оболочкой этого небесного тела спрятан жидкий океан. Вода в нем разогревается теплом недр Европы, которые не остывают из-за приливного действия гравитации Юпитера.

Шансы найти жизнь на Европе даже выше, чем на Марсе, поскольку на Марсе жидкой воды нет уже миллиарды лет, а на Европе она есть сейчас. Во многом условия в озере Восток похожи на «европейские». Вечная тьма и возможное присутствие источников геотермального тепла позволяют существовать только хемоавтотрофным организмам — то есть таким, которые живут за счет химических реакций и способны обойтись без Солнца. Такие организмы на Земле были обнаружены рядом с глубоководными горячими источниками — «черными курильщиками».

Лед возрастом в 420 тысяч лет, который достали из скважины, помог появиться на свет теории глобального потепления.

Ученые с самого начала 2000-х годов видят в озере Восток удобный полигон для отработки технологий поиска жизни на Европе.

«Подледное озеро Восток может рассматриваться как единственный экстремально чистый водоем на Земле, способный послужить уникальной испытательной площадкой для поиска трудноуловимых следов жизни на ледяных телах, таких, как юпитерианская луна Европа», — писали ученые из группы Сергея Булата, сотрудника Петербургского института ядерной физики, в журнале Advances in Space Research.

Первые микроорганизмы, которые могли принадлежать к озерной экосистеме, были найдены еще в 1999 году. Тогда скважина 5Г на глубине 3538 метров впервые вошла в слой льда из замерзшей озерной воды. НАСА выпустило специальное заявление, где подчеркивало сходство Востока и океана Европы.

В 2004 году группа под руководством Булата идентифицировала в образцах озерного льда ДНК термофильных бактерий, живущих рядом с горячими источниками при температуре воды 50—52 градуса выше нуля. Ученые писали, что вода толщи озера находится близко к точке замерзания (из-за высокого давления точка замерзания воды ниже нуля: это примерно минус два градуса Цельсия), поэтому микроорганизмы могут происходить с окраин Востока, где в рифтовых зонах могут быть геотермальные выходы. Однако во всех этих случаях речь шла о единичных бактериях, а кроме того, нельзя было исключить вероятность контаминации — загрязнения образцов «посторонними» бактериями.

Момент истины наступил в 2012 году, когда в руки ученых попали первые образцы свежей озерной воды. Исследованием занялась группа криоастробиологии ПИЯФ под руководством Булата.

Станция «Восток», 1984 г.© РИА Новости

***

Сергей Булат, когда говорил о своих ожиданиях, подчеркивал, что речь может идти об абсолютно «инопланетной» жизни. Дело в том, что в воде озера должна быть экстремально высокая концентрация кислорода (до 0,7—1,3 грамма кислорода на литр) — вода образуется из тающего «атмосферного ледника», насыщенного кислородом, а заново замерзающая вода его не содержит. Таких оксигенофилов наука сейчас не знает. С другой стороны, бактерии могут существовать у дна или в донных осадках, на границе двух сред.

Первые данные были представлены группой Булата осенью 2012 года на конференции в Стокгольме, но оказались нулевыми — ученым не удалось найти ничего, кроме загрязнений (сами биологи называют их изящным термином «контаминанты»). Однако к марту 2013 года анализ других образцов позволил найти нечто интересное — ДНК бактерии, которой не было в библиотеке контаминантов и не оказалось в числе уже известных генных последовательностей бактерий в базе данных Genbank.

Булат выступил с докладом об этих результатах на конференции в Институте космических исследований РАН, и его сообщение вызвало сенсацию: в озере Восток найдена неизвестная бактерия! Институту Арктики и Антарктики пришлось даже выступить со специальным заявлением, что эта бактерия не несет никакой угрозы для людей.

Другие ученые отнеслись к данным группы Булата скептически. Во-первых, им достались образцы льда, сколотого с бура и примерно в пропорции один к одному смешанного с заливочной жидкостью (то есть с керосином и фреоном). Во-вторых, нельзя было исключить, что это еще один контаминант, просто не включенный в библиотеку контаминантов.

Через год в руки группы Булата попали образцы «чистого» льда из заново разбуренной скважины. В 2014 году он представил на конференцию COSPAR в Москве новый доклад, где говорил, что всего в образцах льда были найдены 49 видов бактерий, все они были контаминантами, кроме двух, которые не удалось классифицировать и идентифицировать по имеющимся генным базам данных.

Однако пока эти результаты не были опубликованы в научном журнале, и сама группа Булата отмечает, что для получения стопроцентных доказательств нужны новые образцы воды из озера.

Озеро Восток было изолировано от внешнего мира миллионы лет. И если в нем есть жизнь, то она, скорее всего, абсолютно не похожа ни на что из известного нам сегодня.

***

Повторное бурение и оставленная относительно небольшая «пробка» на дне скважины дадут возможность планомерно изучать озеро.

«Давление будет уравновешено, и можно будет зондами входить в озеро и изучать озеро, воду и все, что внизу. Брать пробы воды не в замороженном, а в “живом” виде», — говорит заместитель начальника Российской антарктической экспедиции Вячеслав Мартьянов.

По словам Андрея Дмитриева, специалисты из «Горного» уже создали и испытали зонд, который сможет добраться до дна озера и пробурить донные отложения.

«Мы считаем, что донные осадки имеют толщину порядка 10 метров. Там, как на дне любого озера, ил, и тех, кто изучает жизнь, интересует именно ил», — сказал Дмитриев.

Однако в этом году зонд уже в озеро не попадет. В феврале на Востоке наступает зимний сезон, буровики уезжают до следующего южного лета — а в Антарктике, как и во всем Южном полушарии, оно наступает тогда, когда в Европе и в США зима. Однако будет ли это «лето» — вопрос. Возможно, бурение на станции Восток будет свернуто из-за нехватки денег.

«С 2014 года мы занимаемся наукой фактически за свой счет, без целевого государственного финансирования… И вот последние новости — РАЭ вынуждена сократить расходы... Пока что речь идет не о полном закрытии станции, а о сворачивании сезонных работ, но для российской науки и это будет серьезным ударом», — пишет в своем блоге один из участников экспедиции Алексей Екайкин.

Проблема в том, что значительная часть расходов РАЭ — в валюте. Это перелеты, перевозка грузов, топливо. С ростом курса все они выросли многократно.

Еще в июне на встрече с Путиным директор ААНИИ Иван Фролов говорил о необходимости продления программы «Мировой океан», из которой финансировались исследования озера Восток. Проект программы на период с 2015 по 2030 год существует, но он до сих пор не утвержден, а значит, дальнейшая судьба проекта неизвестна.

***

Параллельно с бурением скважины к озеру Восток американцы и британцы запустили собственные проекты исследования антарктических подледных озер. В частности, американские ученые с помощью струй горячей воды пробурили скважину к небольшому озеру Уилланс, расположенному на глубине около 800 метров. Однако озеро Уилланс — проточный водоем, оно вовсе не изолировано, как Восток, поэтому степень его интересности для ученых существенно ниже.

Британский проект по бурению скважины к антарктическому озеру Эллсуорт, начатый в декабре 2012 года, был значительно более амбициозным. Это озеро находится на глубине около 3 километров и изолировано от внешнего мира примерно 500 тысяч лет. Британские ученые намеревались бурить скважину почти кипящей водой и сделать всю работу за пять дней, а не тратить годы на механическое бурение. Однако через 13 дней после начала, 25 декабря, проект был свернут из-за технических проблем — им удалось пройти только 300 метров ледника.

Поэтому пока российский проект остается уникальным.

© eakademik.com

***

Все, кто занимается исследованием жизни в разного рода неприятных местах — в жерлах вулканов, в глубинах океанов, в стратосфере, — обязательно говорят о перспективах поиска жизни вне Земли. Возможно, это риторика, предназначенная для ушей тех, кто выделяет финансирование. В конце концов, изучение земной жизни не становится менее важным, если не иметь в виду астробиологические перспективы.

Но перспективы поиска не просто еще неизвестных бактерий, а «инопланетян» всегда волнуют публику, поэтому исследователи не скупятся и дают публике нужную «рифму».

Перспективы поиска жизни на настоящей Европе пока еще очень далеки от воплощения. Европейское космическое агентство (ESA) в начале 2000-х годов рассматривало проект «Лаплас» по исследованию Европы, в том числе с участием России. НПО имени Лавочкина даже прорабатывало варианты посадочного «европейского» модуля.

Однако данные о высоком уровне радиации (орбита Европы проходит через радиационные пояса Юпитера) заставили их пересмотреть планы — в 2012 году ESA официально одобрило проект зонда JUICE, который в основном будет исследовать самый большой спутник Юпитера, Ганимед. На нем тоже может быть подледный океан, хотя и не такой впечатляющий, как на Европе. Стартовать аппарат должен в 2022 году, об отправке посадочного зонда речь не идет.

Отправить на Ганимед посадочный и орбитальный модули предлагают российские ученые. Но пока их предложения не включены даже в проект Федеральной космической программы с 2015 по 2025 год (хотя и сама программа пока не принята, а в свете новой реформы Роскосмоса рассчитывать, что в ней будет много внимания уделено науке, не приходится).

В бюджет NASA на 2015 год включены средства на начальную проработку миссии к Европе — 15 миллионов долларов. Пока этот проект не включен в программу, речь идет только о предварительных прикидках. Если все пойдет по плану, зонд может стартовать примерно в 2025 году, но этот будет орбитальный зонд, которому только предстоит выбрать места для будущей посадки.

Но Лаборатория реактивного движения NASA уже финансирует разработку робота — бурильщика льда. Один из таких проектов — Cryobot — был испытан в Норвегии еще в 2002 году. Еще один — VALKYRIE — предполагает возвращение к идеям 1950 годов и бурение (точнее, выплавление) льда с помощью ядерного реактора.

Ждать экспедиции на Европу не приходится раньше, чем через 10—15 лет, и еще 7—8 лет на сам полет в систему Юпитера. Большинство космических программ концентрируется на задачах исследования Марса.

Автор благодарит доцента кафедры бурения скважин нефтегазового факультета НМСУ «Горный» Андрея Дмитриева и заведующего лабораторией криоастробиологии Отделения молекулярной и радиационной биофизики Петербургского института ядерной физики Сергея Булата за консультации и предоставленные материалы

Комментарии

Новое в разделе «Наука»SpacerСамое читаемое

Сегодня на сайте