В ГЛУБЬ ЛЕДНИКА
Кандидат технических наук П. ТАЛАЛАЙ.
О существовании Гренландии европейцы узнали в Х веке нашей эры. В 982 году предводитель викингов норвежец Эрик Рыжий, лишенный за содеянные убийства права жить на родине, вместе с женой, детьми и соплеменниками высадился на южной оконечности неизвестного острова, неподалеку от современного мыса Фарвель, и назвал его Зеленой страной - Гренландией. По одной версии, это красивое название должно было привлечь желающих отправиться на новую землю, по другой - Эрик действительно увидел на острове поросшие зеленой растительностью холмы и равнины, не ведая о том, что около 80% территории острова занимает ледниковый покров.
В прибрежных районах Гренландии люди жили по меньшей мере на протяжении последнего тысячелетия, но серьезное изучение ледниковой части острова началось лишь в конце XIX века. Первым из ученых, кто проник в глубь Гренландии, был шведский исследователь Н. Норденшельд.
Последние сто лет гренландский ледниковый покров изучается активно, но до сих пор многие проявления стихии льда непонятны исследователям и некоторые важные вопросы остаются без ответа. Например, когда и почему образовался гренландский ледниковый покров? Происходит ли таяние на границе ледника и подледниковых горных пород? Растет ледник или сокращается? Среди этих проблем есть одна, вероятно, наиважнейшая. Как изменится климат полярных областей в ближайшем и отдаленном будущем и какие глобальные последствия повлекут эти изменения? Ведь подсчитано, что если гренландский ледниковый покров растает, то уровень Мирового океана повысится на 7,5 м. Насколько вероятен такой ход событий?
Ответ на этот и другие важные вопросы может дать палеоклиматология - наука о климате прошлого. Многим известно, что история климата Земли - это история периодически повторяющихся потеплений и похолоданий. Похолодания сопровождались грандиозным ростом ледниковых покровов на территории Европы, Азии и Северной Америки, а потепления - смещением современных границ растительности к полюсам и повышением уровня Мирового океана. Гляциологи и климатологи, реконструируя климат прошлого, пришли к выводу, что за последние 3 млн лет на Земле было не менее 18 ледниковых циклов!
На основе реконструкции климата прошлого можно прогнозировать климат будущего. Такое приближение считается достаточно надежным, но имеет существенный недостаток: оно не всегда позволяет учесть влияние деятельности человека - парникового эффекта, озоновых "дыр", последствий ядерных взрывов. Тем не менее этот метод в последние десятилетия стал основой для составления долгосрочных метеопрогнозов.
Накапливая воздух из атмосферы, лед "запоминает" черты прошлого климата. В роли памяти выступает изотопный состав льда, а именно содержание "легкого" 16О и "тяжелого" 18О изотопов кислорода: с повышением температуры концентрация первого увеличивается, а второго - снижается. Лед отражает климатические события подобно тому, как фотография фиксирует объект и долго хранит его образ, в то время как внешний вид самого предмета съемки все больше и больше расходится с изображением на фотоснимке.
Образцы льда, извлеченные с глубоких горизонтов, - своеобразные фотографии климата доисторических времен. Чтобы взглянуть на них, нужно лишь пробурить скважину в ледниковом щите и проанализировать содержание изотопов кислорода в ледяном керне. Керн, или колонка, - это цилиндрический столбик породы, извлекаемый на поверхность при бурении.
За всю историю научных исследований на "зеленом острове" сквозь толщу ледникового покрова было пробурено пять скважин. Наиболее интересна история первой, пробуренной на станции Кэмп Сенчури, построенной в конце 1950-х годов Министерством обороны США в северной части Гренландии, в 250 км от авиационной базы американских ВВС Туле. Все помещения и коммуникации станции - дома, дороги, кинотеатр и даже армейская церковь, - растянувшиеся на 400 м вдоль основного туннеля, находились под снежным покровом. На базе размещался гарнизон численностью 250 военнослужащих.
Факт существования станции не был секретом, поскольку в печати то и дело появлялись публикации о некоторых осуществляемых здесь научно-исследовательских проектах. Американцы не скрывали гордости от того, что им удалось технически воплотить идею, достойную научно-фантастического романа.
Официально целью американского эксперимента на станции Кэмп Сенчури было создание в самых холодных и неблагоприятных условиях земного шара поселения, пригодного для длительного существования достаточно большого количества людей. Действительные же цели этого проекта были рассекречены и стали достоянием широкой общественности только несколько лет назад.
Оказалось, что главной задачей проекта "Ледяной червяк" - под таким названием он упоминался в секретных донесениях Пентагона - было строительство в толще ледникового покрова Гренландии сети многокилометровых туннелей. Всего планировалось построить несколько тысяч километров туннелей и несколько сотен тщательно замаскированных вертикальных шахт для запуска баллистических ракет. Здесь же должны были разместиться около 60 станций наведения, каждая из которых управляла бы шестью ракетами с ядерными боеголовками.
Главное же ноу-хау проекта состояло в том, что по туннелям постоянно должны были курсировать поезда с баллистическими ракетами, и в случае срабатывания "ядерной кнопки" американским военным оставалось только воспользоваться ближайшей к поезду шахтой. Обнаружить и уничтожить эти ракеты для войск стратегического назначения стран Варшавского договора было бы практически нереальной задачей.
В рассекреченных в 1997 году документах нет ни слова о том, почему Вашингтон отказался от реализации проекта "Ледяной червяк". По мнению специалистов, главной причиной послужили технические проблемы создания достаточно прочной горной выработки в ледяном покрове.
Для исследования свойств, структуры, динамики, температурного режима ледникового покрова Гренландии необходимо было пробурить глубокую скважину через всю толщу ледника. В начале 1960-х годов Б. Хансен и Х. Уеда из американской военной лаборатории научных и инженерных исследований полярных районов USA CRREL (US Army Cold Regions Research & Engineering Laboratory) предложили использовать для бурения скважин во льду электротермобур с головкой в виде кольцевого нагревателя, а спуск-подъем производить при помощи грузонесущего кабеля и подъемников барабанного типа.
Однако вскоре специалисты признали, что при бурении глубоких скважин во льду электротермобур малоэффективен. Поэтому дальнейшие усилия сотрудники лаборатории сосредоточили на разработке электромеханического способа бурения.
Развитие электромеханического бурения имеет свою историю. В 1947 году в Оклахоме (США) при бурении осадочных горных пород был впервые испытан механический электробур конструкции нашего бывшего соотечественника А. Арутюнова. Однако неоднократные аварии, связанные с обвалами стенок скважины и прихватом снаряда, вынудили буровиков приостановить работу.
В 1965 году лаборатория USA CRREL приобрела электробур Арутюнова и модернизировала его для бурения скважин во льдах. Снаряд имел длину 26,5 м и массу 1100 кг. Основная особенность технологии бурения состояла в том, что образующийся ледяной шлам растворяли в этиленгликоле.
Новый электромеханический снаряд испытали на станции Кэмп Сенчури в летние сезоны 1965-1966 годов. Скважина глубиной 535 м, пробуренная ранее термобуровым снарядом, удлинилась до 1391 м, причем последние 3,6 м были пройдены по подледниковым горным породам - мерзлому глинистому конгломерату, плохо поддающемуся бурению снарядами на кабеле.
Эта скважина долгое время оставалась рекордной по глубине бурения в Гренландии - до тех пор, пока в начале 1980-х годов не завершился международный проект по исследованию ледникового покрова GISP (Greenland Ice Sheet Program), осуществленный Национальным научным фондом США с участием ряда европейских стран.
Главным результатом проекта GISP стала скважина глубиной 2037,6 м, пробуренная на станции Дай-3 через всю ледниковую толщу Гренландии. Скважину прошли за летние сезоны 1980-1981 годов с помощью оригинального электромеханического снаряда ISTUK (IS - в переводе с датского "лед", а TUK, с эскимосского, - "снаряд"), разработанного в университете Копенгагена (Дания). Все системы и агрегаты бурового снаряда приводились в действие и контролировались при помощи встроенного в него компьютера.
На выходе в подледниковые горные породы на отметке 2037,6 м буровой снаряд оказался "прихваченным" во льду, и его оставили на время зимнего межсезонья под натяжением кабеля. К счастью, на следующий год снаряд удалось благополучно извлечь из скважины вместе с сохранившимся в колонковой трубе керном.
Через десять лет были успешно завершены еще два международных проекта по бурению глубоких скважин в гренландском ледниковом покрове: проект колонкового бурения GRIP (Greenland Ice Core Project), организованный Европейским научным фондом с участием Бельгии, Великобритании, Дании, Исландии, Франции, Германии и Швейцарии, и проект GISP-2 (Greenland Ice Sheet Program-2), поддержанный Национальным научным фондом США. Точки бурения находились в 30 км одна от другой в районе самого мощного ледника, и бурить их начали практически одновременно - в 1990 году. Выполнение этих проектов стало своеобразным состязанием между учеными Старого и Нового Света.
Европейский проект завершился в 1992 году (глубина скважины 3029 м), а проект GISP-2 - в 1993-м (глубина 3053 м). Американская скважина долгое время считалась самой глубокой во льдах Северного полушария. То, что последние полтора метра были пройдены по подледниковым горным породам, - большое достижение. К сожалению, то ли из-за неудачного выбора мест бурения, то ли из-за неадекватной методики исследований результаты существенно различаются.
В середине 1990-х годов стартовал новый международный проект колонкового бурения в Северной Гренландии NGRIP (North Greenland Ice Core Project), непосредственным исполнителем которого был и автор настоящей статьи. Проект финансируют в основном Дания и Германия, в нем участвуют также Бельгия, Франция, Исландия, Япония, Швейцария, Швеция и США. Главная цель NGRIP - изучение климата Земли 115-130 тысяч лет назад, поскольку температурные колебания в ту эпоху хорошо совпадают с изменениями современного климата. На тот период приходился пик последнего потепления, которое у нас в стране принято называть микулинским межледниковьем.
Геофизические исследования, проведенные в Северной Гренландии, показали, что слои льда такого возраста должны находиться на глубине примерно 2710-2800 м. Буровой полигон выбрали в точке с координатами 75,12° с.ш. и 42,30° з.д., где слои, интересующие ученых, предположи тельно имели максимальную толщину. 1 мая 1996 года в месте, выбранном для бурения, высадились первые шесть человек, которым в течение месяца удалось подготовить взлетно-посадочную полосу и выполнить другие операции для приема работников станции. В первый летний сезон были установлены основные жилые и служебные сооружения, вырыты траншеи для установки бурового и научного оборудования.
Все основные наземные сооружения новой станции представляют собой куполообразные палатки. Главная палатка с деревянным остовом поделена на два этажа. Внизу - кухня, столовая, душевая, туалет, умывальня; наверху - несколько компьютеров для всеобщего пользования, факс, офис начальника станции и спальные места - пять двухъярусных кроватей. Невдалеке от главной палатки высятся еще несколько куполов: "красная палатка" - жилое помещение на десять человек; палатка-мастерская с верстаком, токарным и сверлильным станками; палатка-склад. Чуть дальше - еще несколько палаток более привычной формы. Это гараж и жилые помещения. Кроме наземных есть большой комплекс подземных или, точнее, подснежных сооружений: буровое помещение, кернохранилище и научно-исследовательская лаборатория. В обычный полевой сезон (длится он с начала мая, когда температура воздуха поднимается до -30 ё -25°C, до середины августа) на станции находятся около 30 человек.
Палатки установлены примерно на 2,5-3 м выше поверхности ледника (за год здесь накапливается более полуметра снега). Их куполообразная форма неслучайна. Зимой она позволяет избежать сильных заносов.
В центральной части Гренландии климат очень суров. Средняя температура февраля -47° (абсолютный минимум -70°), а июля -11°. Здесь никогда не бывает положительных температур и, следовательно, снег никогда не тает. Охлаждающее действие оказывает сам ледниковый покров. Если бы он отсутствовал, то при прочих равных условиях температура воздуха зимой была бы выше на 15,5°, а летом - на 4,4°.
Бурение скважины по проекту NGRIP началось летом 1998 года и продолжалось еще четыре летних полевых сезона. В июле 2003 года глубина скважины достигла 3085 м - это абсолютный рекорд по глубине бурения во льдах Гренландии. Датские и французские ученые сконструировали специальный буровой снаряд. Бурение не всегда шло гладко, особенно на последних метрах, когда из-за резкого изменения свойств льда, залегающего на больших глубинах, на поверхности резцов и буровой коронки начала образовываться наледь.
17 июля 2003 года скважина NGRIP вышла в подледниковые водные отложения. Вода поднялась в скважину примерно на 45 м. Буровой снаряд удалось поднять на поверхность, и исследователи увидели на буровой коронке примерзший светло-коричневый ледяной кусок. Это был образец подледниковой воды, который не только отражал геологический состав ложа Гренландского щита, но и, возможно, содержал микроорганизмы, существовавшие на Земле примерно 2 млн лет назад. Извлечение из глубин ледника этой субстанции по значимости можно сравнить с доставкой на Землю образцов лунного грунта.
Керн распилили вдоль оси на несколько сегментов для проведения исследований. Часть материала упаковали и переправили для хранения в кернохранилище в Копенгагене. Другую часть исследовали непосредственно на станции.
Работа еще не закончена, ученые активно обсуждают полученные результаты. Так, например, температурный профиль в скважине "теплее" ожидаемого: температура на глубине 3085 м оказалась равной точке плавления (под давлением вышележащей толщи, а это примерно 27 МПа, лед плавится при температуре не ноль, а -2°С).
Температура на ложе гренландского ледникового покрова в пробуренных ранее скважинах оказалась равной -13° и -9°С. Поэтому считалось, что Гренландский ледниковый щит является типичным холодным ледником с отрицательной температурой по всей толще. Однако данные, полученные в новой скважине, поколебали эту гипотезу.
К неожиданным результатам исследований ледяного керна можно отнести то, что на глубоких горизонтах годовые слои оказались толще, а слои предыдущей "теплой" эпохи были вскрыты значительно глубже, чем предполагалось. В чем причина? На это ответят дальнейшие исследования.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Из двадцати пяти кораблей, отплывших из Исландии с предводителем викингов Эриком Рыжим, до Гренландии добрались только четырнадцать. Они основали поселения: Восточное, а спустя несколько лет Западное. Интересно, что первым европейцем, ступившим около 1000 года н.э. на берег американского континента, был сын Эрика Рыжего - Лейф Эриксон.
Илл. 2. Норденшельд Нильс Адольф Эрик (1832-1901), исследователь Арктики, мореплаватель, историко-картограф, руководил шведскими экспедициями в Гренландию, положившими начало исследованиям ее ледяного щита. Пройдя в 1870 году в глубь ледника на 50 км, а в 1883 году - на 117 км, знаменитый полярник убедился, что ледниковый покров острова - сплошной.
Илл. 3. Буровой снаряд, разработанный американцами для проекта GISP-2, имел длину 27,5 м при массе 730 кг (для сравнения: длина снаряда ISTUK - 11,5 м, а его масса - 180 кг). Вполне естественно, что для обслуживания такого "гиганта" потребовался специальный наземный комплекс. На верхнем конце мачты (2) высотой 31 м установлен блок (1), через который переброшен грузонесущий кабель, намотанный на барабан лебедки (5). Оригинальная часть комплекса - карусель (3), похожая на барабанный механизм револьвера. Буровой снаряд разбирался на отдельные части длиной по 6 м, которые входили наподобие патронов в отверстия карусели. В процессе извлечения керна колонковая труба поворачивалась в горизонтальное положение при помощи лотка (6). Один из помощников бурильщика периодически находился на помосте (4) для сборки или разъединения секций бурового снаряда перед его спуском в скважину или после извлечения на поверхность.
Илл. 4. Участники экспедиции 2001 года (стоят слева направо в верхнем ряду): Д. Даль-Йенсен - профессор университета Копенгагена, начальник станции; Р. Шалма - студент университета Копенгагена, помощник бурильщика; П. Талалай - доцент Санкт-Петербургского горного института, бурильщик; С. Хилмарссон - механик; Ф. Уилелмс - научный сотрудник института AWI, Бремерхафен, Германия, начальник буровой группы; И. Шармели - механик; (в нижнем ряду стоит): Й. Танака - научный сотрудник Geosystems Inc., Токио, Япония, бурильщик; (сидит) Ж.-Л. Тисон - научный сотрудник университета Брюсселя, Бельгия, гляциолог.
