Der Osten ist eine heikle Angelegenheit

Der Osten ist eine heikle Angelegenheit

Sergey Sysoev
"Popular Mechanics" №3, 2011

Der antarktische Sommer ist kurz. In der Mitte des Kontinents sind es nur zwei Monate – Dezember und Januar. Die Station "Vostok", die sich auf halbem Weg vom Meer zum Südpol befindet, ist heiß: Die Temperatur schwankt um -30 ° C. Die Arbeit ist auf der Station in vollem Gange: Vielleicht werden die Polarforscher in dieser Saison mehr als 20 Jahre Arbeit erledigen können – um fast 4 km Eis zu bohren und den Wostoksee zu erreichen.

Diese Geschichte begann 1957, als ein junger und damals noch unbekannter Kandidat der technischen Wissenschaften Igor Zotikov, der zuvor in der Raketentechnik gearbeitet hatte, eine Anstellung am Geographischen Institut der Akademie der Wissenschaften der UdSSR bekam. Wie Igor Alekseevich sich nach einem halben Jahrhundert erinnerte, sahen die Prozesse auf der Oberfläche der Verkleidung und in den Tiefen der Gletscher aus Sicht der Thermophysik gleich aus – sie wurden durch praktisch dieselben Gleichungen beschrieben. 1960 veröffentlichte er Berechnungen, die zeigten, dass ein mächtiger Gletscher wärmeisolierende Eigenschaften haben muss, die ausreichen, um den aus den Tiefen kommenden Wärmefluss zum Schmelzen der Eisschicht zu nutzen. Dieser Prozess sollte überall in der Antarktis stattfinden, und wo das Terrain so ist, dass es Schmelzwasser gibt, wo man verweilen sollte, sollten eisfreie Reservoirs unter dem Eis existieren.

Wenige Jahre zuvor wurde der Wostok-Bahnhof am südlichen geomagnetischen Pol verlegt. Es ist nicht verwunderlich, dass Zotikov seine Berechnungen auf das antarktische Relief auf der Linie vom Südpol zur Ozeanküste über den Wostok anwandte und darauf hinwies, dass es unter dem Gletscher flüssiges Wasser geben sollte.

Ein paar Jahre vor Zotikov, Ozeanograph Nikolai Zubov äußerte ähnliche Ansichten. Unter der Annahme, dass die Temperatur des Gletschers mit der Tiefe genauso ansteigen sollte wie in jedem anderen Gestein, berechnete er, dass ein Schmelzpunkt einige Kilometer von der Oberfläche entfernt erreicht wurde. Zu dieser Zeit war bekannt, dass die Dicke der Gletscher in der Antarktis in der Regel 3 km überschreitet – deshalb sollte Wasser oder eine Mischung aus Eis und Wasser niedriger sein.

Kollegen nahmen die Idee skeptisch. 1958 zeigte der englische Glaziologe Gordon Robin, dass die Temperatur der Gletschermasse nichtlinear mit der Tiefe variiert und sich zum größten Teil nicht sehr von der Oberfläche unterscheidet, dh das Konzept von Zubov funktioniert nicht. Es ist nicht verwunderlich, dass Zotikovs Schlussfolgerungen keine Begeisterung weckten – die Idee von eisfreien Seen klang dort sehr untreuwo die Temperatur seit Millionen von Jahren nicht über Null gestiegen ist.

Und doch ist es flüssig!

1966 begannen die Amerikaner ein massives Eisbohrprogramm in der Bird Station. Sie wussten natürlich von den Vorhersagen des russischen Wissenschaftlers, zumal sie ihn persönlich kannten: Die Polarforscher waren gesellige und freundliche Menschen. Die Skepsis, die normalerweise in jeder Wissenschaft angebracht ist, spielte diesmal einen grausamen Scherz mit den Forschern. Unter 2 km Eis gab es tatsächlich flüssiges Wasser, mit dem sie nicht in Berührung kommen konnten. Im Frühjahr 1968 strömte Hochdruckwasser in den Brunnen, zerstörte die teure Bohrausrüstung mit einem Wasserschlag und erstarrte und ließ das amerikanische Bohrprogramm anderthalb Jahrzehnte lang einfrieren.

Nach der Laune des Schicksals im Mai desselben Jahres musste Igor Zotikov seine Doktorarbeit über das Vorhandensein von flüssigem Wasser unter den antarktischen Gletschern verteidigen. Der Gegner, Professor P. A. Shumsky, ein weltberühmter Glaziologe, bereitete auf 30 Seiten eine vernichtende Rezension vor, in der er argumentierte, dass die Dissertation unhaltbar sei: Unter den Gletschern gab es kein Wasser. Ein kurzes Telegramm von der Bird-Station lag auf der anderen Seite der Waage: Da ist Wasser. Das experimentelle Ergebnis überwog.Es gibt wenige Beispiele in der Geschichte solcher beeindruckender Bestätigung einer wissenschaftlichen Hypothese.

Die Bestätigung der Theorie war noch keine geographische Entdeckung – in diesem Moment erschien kein spezifisches Objekt auf der Karte. Seismische Sondierungen, die in der Nähe der Station Wostok in den 1960er Jahren statt einer erwarteten Grenze – Eis mit Felsen – durchgeführt wurden, ergaben zwei. Geophysiker glaubten, dass zwischen dem Eis und dem Grundgestein eine Sedimentschicht vom Gletscher kommt. In Ermangelung a priori Daten über die Geologie des Gebiets (und es gibt keinen Ort, um sie zu nehmen: alles ist unter dem Eis), ist ein solcher Fehler überhaupt nicht überraschend.

Vorwärts in die Tiefe

Versuche, Eis auf Wostok-Station zu bohren, begannen vor einem halben Jahrhundert und wurden von vielen Drehungen und Wendungen begleitet. In einer sehr vereinfachten Weise sieht das Eindringen in das Eis so aus.

In den Jahren 1959-1960 erreichten die Thermalbohrer Tiefen von etwa 40-50 m, aber die Unvollkommenheit der Technologie machte es nicht möglich weiter zu gehen.

Mitte der 1960er Jahre schlugen I. Zotikov und A. Kapitsa ein Projekt für ein autonomes Thermogerät mit einer Heizung vor, das von einem Miniatur-Atomreaktor mit einer Kapazität von etwa 100 kW betrieben wird. Es wurde angenommen, dass die Einheit mit einem Durchmesser von etwa 1 und einer Länge von 10 m,Durch das Schmelzen des Eises wird es durch die Dicke des Gletschers zum Grundgestein ohne die Bildung eines kontinuierlichen Brunnens (das Schmelzwasser gefriert von oben) versinken, wird eine Reihe von Sensoren liefern und am Boden bleiben. Die Datenerfassung sollte über ein in Eis eingefrorenes Kabel erfolgen. Das Projekt wurde nicht implementiert.

Seit 1967 beschäftigen sich Spezialisten des Bergbauinstituts St. Petersburg (damals Leningrad) mit der Bohrtechnologie im antarktischen Eis. Mehrere Entwürfe von thermischen Bohrmaschinen wurden nacheinander entwickelt. 1972 erreichte die Bohrtiefe 952 m.Unzureichend entwickelte Technik und die schwierigsten Bedingungen führten regelmäßig zu Unfällen – so gingen mehrere Brunnen verloren.

1981 wurde ein neuer 3G-Brunnen errichtet, der bis August 1985 eine Tiefe von 2.200 Metern erreichte. Aufgrund des Festhaltens des Bohrers und des anschließenden Kabelbruchs musste der Schacht jedoch fallen gelassen und erneut gestartet werden. Ein ähnliches Schicksal ereilte die Quelle 4G (2426 m, 1989).

Die Bohrung des Brunnens 5G, der sich nun der Oberfläche des Sees nähert, begann am 20. Februar 1990.

Argumente für den See wurden mehr in den 1970er Jahren, nach Radar-Sondierung des Gletschers, geführt von den Briten aus einem Flugzeug.Sie fanden ein reflektiertes Signal, dessen Form sich stark von den Antwortsignalen des Grundgesteins unterschied. In diesem Fall war es schwieriger, das Wasser mit Sedimentgesteinen zu vermischen. Die endgültige Klarheit wurde Anfang der 1990er Jahre erreicht, nachdem der Satellit ERS-1Europäischer Fernerkundungssatellit) Zum ersten Mal wurde eine genaue Karte des Reliefs der Antarktischen Gletscher erstellt. Es zeigte sich, wie die Oberfläche des Gletschers, durch deren Dicke an anderen Stellen Unregelmäßigkeiten der darunterliegenden Oberfläche auftreten, im Bereich des "Ostens" absolut flach wird: an dieser Stelle schwimmt das Eis auf dem Wasser.

Die Größe des Sees beträgt ca. 250 × 50 km – weniger als Baikal, aber vergleichbar mit Onega.

An dieser Stelle wurden in den 1980er Jahren Tiefbohrungen zur Sammlung von uraltem Eis begonnen. Mitte der 1990er Jahre erreichte der Brunnen 3 km. 1998 wurden die Bohrungen auf 3.623 m, etwa 130 m vom See entfernt, eingestellt.

Extremes Klima

Das Gelände in der Nähe der Station Wostok hat ein extrem hartes Klima. Hier wurde 1983 die absolute Lufttemperatur auf der Erde gemessen – minus 89,2 ° C. Das heißeste Wetter war hier im Dezember 1957 – dann stieg das Thermometer auf 13,6 ° C unter Null.Im Durchschnitt beträgt die Temperatur an diesen Orten im Sommer (die im Dezember-Januar fällt) etwa -30 ° C, im Winter – etwa -60-65 ° C. Die durchschnittliche Temperatur des Gletschers unter der Station ist 55 ° unter Null.

Die Station befindet sich in einer Höhe von etwa 3900 m über dem Meeresspiegel, aber aufgrund der niedrigen Lufttemperatur sinkt ihr Druck mit der Höhe schneller als in mittleren Breiten, und ihr Sauerstoffgehalt entspricht einer Höhe von 5 km über dem Meeresspiegel.

Die Polarnacht am Bahnhof dauert vom 24. April bis zum 20. August.

Tu keinen Schaden

Ostleute. Bild: Beliebte Mechanik

Von Mitte der 1990er Jahre bis heute wurden in der Antarktis etwa einhundertfünfzig meist kleine Eisseen entdeckt. Es ist amüsant, dass die "Ernte" der Funde mit bedeutenden Errungenschaften in einer so offensichtlich weit entfernten Sphäre zusammenfällt wie die Suche nach Planeten außerhalb des Sonnensystems. Dieses amüsante Detail zeigt deutlich, dass es sich um Aufgaben von vergleichbarer Komplexität handelt, obwohl sich die Entfernungen zu Lernobjekten um viele Größenordnungen unterscheiden.

Eine Eigenschaft von Reservoirs ist die langfristige Isolation – Hunderttausende oder sogar Millionen von Jahren. Es gibt eine raue Auswahl für Ökosysteme dort – diejenigen, die sich nicht anpassen, sind nicht mehr.Es ist notwendig, sich an die Abwesenheit von Licht und dementsprechend an die Photosynthese und die extrem geringe Menge an organischer Substanz von der Außenwelt anzupassen. Pollen von einem anderen Kontinent gebracht und langsam schmelzen aus Eis ist eine spärliche Diät. Das Erdleben kann sich darauf einstellen, aber die Ergebnisse sehen manchmal fast fremd aus.

Vor ein paar Jahren im "blutigen Wasserfall" (Blut fällt) von Bonnies subglazialem See (Lake Bonney) wurden Mikroben entdeckt, die in Abwesenheit von Sauerstoff in der Umgebung Eisen atmen. Der Freude der Biologen waren keine Grenzen gesetzt. Diese Metabolisierungsmethode wurde nur an der Spitze des Stiftes beobachtet – und hier handelt es sich um eine echte Biozönose! Man könnte meinen, dass viele einzigartige Lebensformen unter dem Eis der Antarktis versteckt sind, und es ist sehr wahrscheinlich, dass nicht alle von ihnen theoretisch vorhergesagt werden. Und hier kommt die Frage: Wie kann man nicht schaden? Schließlich kann selbst eine sehr geringe Verschmutzung zu einer Veränderung des bestehenden Ökosystems führen, nach der es viel schwieriger sein wird, es zu untersuchen, wenn irgend möglich.

Mikroorganismen im Eiskern gefunden. Einige von ihnen können Seebewohner sein, aber dies kann nur behauptet werden, indem man Proben direkt vom See empfängt. Bild: Beliebte Mechanik

Es muss gesagt werden, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft in Bezug auf die Mehrzahl kleinerer subglazialer Seen etwas weniger Skrupulosität zeigt. Vor ein paar Jahren tauchte Bonnie am selben See sogar die amerikanische U-Boot-Sonde ENDURANCE (oder genauer gesagt die subglaziale Sonde) ein, ein Prototyp des Apparats, der vielleicht einmal die Ozeane Europas – den Satelliten des Jupiter – erforschen wird. Mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit befindet sich auf diesem Himmelskörper unter einer Eisschicht flüssiges Wasser, das möglicherweise den globalen "gemeinsamen europäischen" Ozean bildet. Die Bedingungen der Stauseen unter den Gletschern der Antarktis scheinen dem Ozean Europas ähnlich zu sein, soweit eine solche Ähnlichkeit auf der Erde möglich ist. Daher ist es nicht verwunderlich, dass NASA-Spezialisten einen Prototyp der zukünftigen Sonde auf den südlichen Kontinent schickten.

Zeitkapsel

Die Gewässer des Ostens füllen den Grabenbruch am Rande des präkambrischen Antarktisschildes. Oberhalb des Risses wird ein Gletscher blockiert, der langsam (ca. 3 m pro Jahr) vom hundert Kilometer entfernten Eisbrecherabschnitt abrutscht. Die Dicke des Gletschers über dem See variiert: von etwa 3.800 m entlang der Südküste bis 4.250 – im Norden. Dies ist wahrscheinlich das einzige große natürliche Reservoir auf der Erde, das eine geneigte Oberfläche hat.Der See ist in zwei Teile geteilt – den nördlichen und den südlichen (mit Tiefen von 1000-1265 m) – die durch eine relativ flache Brücke verbunden sind.

Die Unregelmäßigkeit der Eisdecke erwies sich als bemerkenswerte Eigenschaft: Sie ermöglichte die Berechnung der Dichte von Wasser und damit dessen Salinität. Der See war praktisch abgestanden.

Das Alter der unteren Schichten des Gletschers über dem See wird auf 420 bis 4700 Jahre geschätzt. Zur Zeit der Isolation des Reservoirs unter dem Gletscher sagen Wissenschaftler gewöhnlich etwas wie "ungefähr eine Million Jahre" und sind höchstwahrscheinlich vorsichtig. Nach modernen Ansichten begann die Eiszeit der Ostantarktis vor etwa 35-40 Millionen Jahren, und seitdem scheint das Eis dort nicht geschmolzen zu sein. Es ist unmöglich, etwas Bestimmtes zu sagen: Die geologische Geschichte des südlichen Kontinents ist noch wenig erforscht, weil ihre "Chronik" – Sedimentgesteine ​​- unter einer Gletscherschicht vor uns verborgen ist.

Aus einer Tiefe von 3538 m verändert sich die Kernstruktur. Der Brunnen erreichte eine Schicht, die entstand, als das Seewasser von unten auf dem Gletscherboden gefror. Der Stoffaustausch zwischen dem See und dem Gletscher verläuft in beide Richtungen. Eines der wichtigsten Ergebnisse ist eine Überschwemmung von Wasser mit Sauerstoff, der in Eis "versiegelt" ist. Berechnungen zufolge ist die Sauerstoffkonzentration in Wasser etwa 50-mal höher als jene von offenen Gewässern.Für ein hypothetisches Leben auf dem See kann dies ein eher deprimierender Faktor sein: bei einer solchen Menge an Sauerstoff kann es sogar unter Wasser "ausgebrannt" werden.

Die Untersuchung von Proben brachte ein unerwartetes Ergebnis: Es gab Spuren in den Proben, die der DNA thermophiler Bakterien ähnelten, die in heißen Quellen bei einer Temperatur von 40-50 ° C gefunden wurden. Die Entdeckung von Thermalquellen und verwandten Lebensformen ist keine Sensation, aber die Liste möglicher Biodiversitätsoptionen wird sehr breit – von Mikroben, die bei eisigen Temperaturen leben, bis hin zu Thermophilen.

Penetrationsmethode

Nachdem die Bohrungen gestoppt wurden, entwickelten Wissenschaftler des St. Petersburger Bergbauinstituts eine Technologie zur Entnahme von Wasser aus dem See, die laut den Autoren die Möglichkeit einer Kontamination ausschließt.

Wenn ein tiefes Loch in das Eis gebohrt wird (und nicht nur), wird sein Lauf mit Bohr- (Bohr-) Flüssigkeit gefüllt. Dies wird für viele Zwecke getan, und vor allem, damit der Druck der umgebenden Sequenz nicht ein kleines Loch darin "zusammenbricht". An der Station "Wostok" verwendete eine Mischung aus Kerosin und Freon. Beide Flüssigkeiten vermischen sich nicht mit Wasser und gefrieren nicht.Ihr Verhältnis ist so gewählt, dass die Dichte des Gemisches gleich der Eisdichte ist – so gleicht der Druck der Flüssigkeitssäule an den Wänden des Brunnens den Druck des Eises aus.

Da der Gletscher auf der Wasseroberfläche schwimmt, kann der von ihm erzeugte Druck mit großer Genauigkeit berechnet werden – der wichtigste Faktor, auf dem die Methode beruht.

Zum Zeitpunkt des Kontakts des Bohrers mit Seewasser sollte der Flüssigkeitsstand in dem Bohrloch niedriger als der für die Druckgleichung erforderliche sein, und dementsprechend wird der Druck am Boden des Bohrlochs niedriger sein als der des Sees.

Wasser, das in den Brunnen eintritt, steigt auf eine Höhe entsprechend dem Druckabfall (30-40 m) an und gefriert. Danach werden die Bohrungen fortgesetzt (offensichtlich wird dies nächste Saison sein), und ein Kern, der aus frischem Seeeis besteht, wird an die Oberfläche befördert. Es wird kein zweites Eindringen in den See geben – es wird verstopft bleiben.

Ein ähnliches Schema wurde im Juli 2003 in Grönland getestet. In einer Tiefe von 3085 m öffnete der Brunnen den Untereis-Teich, danach stieg das Wasser 45 Meter entlang des Stammes an.Die Untersuchung des Kerns, der ein Jahr später erfolgte, zeigte, dass nur die ersten 10-15 cm mit Kerosin-Freon-Flüssigkeit kontaminiert waren – keine weiteren Anzeichen der Mischung es war.

Um eine Kontamination zu vermeiden, wird am Boden des Bohrlochs eine Schicht aus einer siliciumorganischen Flüssigkeit erzeugt, die nicht mit Wasser mischbar ist und eine Dichte aufweist, die größer als die Grundierungsmischung ist, jedoch weniger Wasser.

Suche und du wirst finden. Bild: Beliebte Mechanik

Die letzten zwei Dutzend Meter werden von einer thermischen Bohrmaschine bedeckt, die zwei beheizte Elemente umfasst: einen Pilotmeißel – eine dünne sechs Meter lange Rute, ein Schmelzloch mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern und eine breite, breite Thermohaube, die den Hauptstamm bildet. Sobald der feste Träger unter dem Pilotmeißel verschwindet (die Oberfläche ist erreicht), funktioniert die Automation. Eine spezielle Einheit – ein Packer – unterbricht die Verbindung des Bohrlochteils mit dem Rest des Volumens, die Erhitzung wird gestoppt und der thermische Trichter wird an die Seite des Gewichtes des Projektils gedrückt. Der Bohrer wird zu einem "Pfropfen", der das Seewasser und die Bohrflüssigkeit nach unten blockiert.

Danach wird das Druckverhältnis überprüft. Wenn sich eine Ungenauigkeit in die Berechnungen eingeschlichen hat und der Druck unter dem Eis geringer ist als der berechnete, wird überschüssige Flüssigkeit aus dem Bohrloch entfernt. Eine hypothetische Variante ist möglich, bei der der Druck am Boden hoch genug ist, um das Bohrgerät nach oben zu drücken – aber in diesem Fall wird nichts definitiv in den See fallen.


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