Первый юбилей

Александр Лисицын
академик РАН, главный научный сотрудник Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

О подготовке экспедиции в Антарктику я впервые услышал весной 1955 года от Ивана Папанина, тогда заместителя директора Института океанологии АН СССР. Предполагалось организовать на другом конце Земли, в Южном полушарии, обсерваторию для круглогодичных наблюдений и одновременно провести первые исследования в Южном океане, известном среди моряков своими суровыми штормами

Интерес ученых к Антарктиде был огромным. Ведь это целый материк, на котором нет ни одного поселения, животных, растений, а вода встречается только в твердом виде. По данным геологии, условия, близкие к современной Антарктиде, существовали в прошлом во всей Европе, вплоть до Урала, а также Северной Америки. Здесь огромные территории были покрыты мощным ледником 2–3 км толщиной. Об этом говорят огромные валуны, обнаруженные на полях, скопления каменного материала и песка – морены, многочисленные озера, рельеф и многое другое.

По своим размерам антарктический ледник превышал всю Европу. Сейчас трудно себе представить, что когда-то все города и земли здесь были под покровом льда. Лед обладает слабой текучестью, расползается от центра купола в разные стороны, превращаясь в айсберги.

В Северном полушарии также сохраняются области материковых льдов. Их центр – Гренландия. Но поверхность Северного Ледовитого океана так же, как и сейчас, была занята не материком, а океаном с дрейфующими льдами, к которым добавлялись айсберги. Это две природные модели оледенения материк – океан.

Главная область материковых льдов и сейчас, и в недавнем геологическом прошлом располагалась в Южном полушарии, причем простирание льдов здесь, как и в Северном, менялось во времени. Краевая часть купола то уходила в океан, то сокращалась. Здесь можно наблюдать за работой своеобразного природного ледового термометра.

Все более очевидным для исследователей становилось то, что прогноз среды и климата прошлого без учета работы этих огромных ледовых самоподдерживающихся холодильников невозможен.

Неожиданно нужда в этих работах возникла при изучении космоса. В постановлении Международного геофизического комитета указывались не только работы на континенте, но и запуск геофизических ракет из Антарктиды и Арктики с острова Хейса.

Энергия Папанина

В те годы помнили о героической работе дрейфующей в арктических льдах станции «Северный полюс – 1», поэтому Папанин стал одним из авторов плана штурма Антарктиды и Южного океана. Чтобы попасть в эти области, необходимо было начать морские работы в Южном полушарии – эта половина земли была изучена очень слабо и почти не посещалась отечественными экспедициями. Кроме того, прошло всего десять лет после окончания Великой Отечественной войны. Страна только начала восстанавливаться, экономили на всем.

И тем не менее свершилось почти чудо, и все потому, что инициативу проявили не чиновники, а ученые Академии наук и полярники, имевшие в то время очень высокий авторитет.

Примечательно, что организация этой невиданной, очень смелой и крупной экспедиции в Антарктику была возложена именно на Академию наук СССР во главе с ее вице-президентом академиком Иваном Бардиным, а институты Морфлота, Гидрометеослужбы, Главсевморпути привлекались для технического обеспечения. Это была одна из самых сложных экспедиций, которая когда-либо организовывалась Академией наук.

Сокращенно экспедиция называлась КАЭ АН СССР – Комплексная антарктическая экспедиция Академии наук СССР.

В правительстве ее курировал Анастас Микоян, а также начальник Главсевморпути адмирал Василий Бурханов. Общее руководство в первый год работы на континенте было возложено на профессора Михаила Сомова; директор Института океанологии профессор Владимир Корт командовал работами в океане.

Континентальная часть должна была оставаться на зимовку для продолжения круглогодичных наблюдений и обработки собранных за первое лето материалов. Необходимо было прежде всего построить на ледовом куполе целый поселок, затем до наступления полярной ночи начать первые полевые исследования континента.

Поезда и самолеты

Из многочисленных современных транспортных средств для полевых работ на полярных широтах главными были авиация и санно-тракторные поезда – тяжелые гусеничные тракторы с санными прицепами – утепленными балками. Именно на тракторах велось изучение ледникового купола, преодолевались тысячи километров маршрута.

Работа авиации сдерживалась слабым радио- и метеообеспечением, погодой и отсутствием аэродромов. Исследования тракторных поездов были опасны из-за глубоких трещин на поверхности ледника. Санно-тракторные маршруты с сейсмическими исследованиями сыграли главную роль, когда производились взрывы – импульсы сейсмических волн для определения мощности толщи льда.

Уже первые данные по континенту показали, что ледник – это не просто гигантская глыба льда, а ледовая система космических размеров. Он непрерывно перемещается по каменной поверхности ложа, изобилуя трещинами.

При толщине льда в 1–3 км лед с огромной силой давит на коренное каменное ложе, а самые нижние слои льда захватывают при движении крупные и мелкие обломки горных пород. Образуется как бы природная камнедробилка, или гигантская, глобальных размеров, истирающая машина, превращающая породы ложа в мелкий порошок с примесью каменных обломков. В ряде мест происходит отделение крупного материала от тонкого, что можно было видеть в оазисе Бангера, в 300 км от «Мирного», куда морским геологам удалось привести вертолетную экспедицию.

Подготовка осадочного материала идет глубоко под ледником, а его перемещение – в виде подледных «каменных» коралловых рек с выносом льда к берегам океана. По рельефу ложа удалось выделить ледоразделы и подледные долины – их выходы в океан, устья твердых ледовых рек с их айсберговой дельтой.

Под ледовым куполом образуются отдельные ледосборные бассейны. По составу обломков они отвечают породам ложа, скрытым от прямого изучения толщей льда. Эти ледовые реки выходят в виде огромных айсберговых дельт, а также сплошного ледового обрыва. Образуются айсберги – огромные природные поплавки с каменным грузом внизу. Они перемещаются на сотни и тысячи километров от ледника. Их непрерывное наблюдение ведется со спутников.

В Антарктиде «камнедробилка» и истирающая «машина» имеют глобальные масштабы – их площади около 12–14 тыс. кв. км, а их работа слышна по многочисленным помехам на сейсмических записях. Все это удалось выяснить первым четырем экспедициям.

Победитель льдов

Предстояло создать научно-исследовательское судно, способное работать в тяжелых и сверхтяжелых условиях «ревущих сороковых» и «неистовых пятидесятых» при высоте волны до двух десятков метров и в сложных ледовых условиях. Это судно должно было быть, по крайней мере, в два раза больше «Витязя», способно держать волну на протяжении часов палубных работ и хорошо слушаться руля на разных ходах. То есть дизель-электрическое. И при этом не ледокол, на котором нельзя работать в качку, а судно ледового класса. Еще судну требовалось современное навигационное оборудование, обеспечивающее его координаты даже на участках моря без карт.

Для обеспечения зимовок в Арктике для СССР в Голландии построили два грузопассажирских дизель-электрохода «Обь» и «Лена» по 12 тыс. т водоизмещения каждый. Один из них решили в кратчайшее время превратить в уникальное научное судно ледоходного класса. Задачу удалось выполнить полностью и в срок. Скорость работам сообщала команда министров и Папанин.

К намеченному сроку новое судно «Обь» начало прием огромных потоков грузов – около 4–5 тыс. т самолетов, тракторов, вертолетов, вездеходов, разборных домов, электростанций... Первая проверка судна на шельфе моря Дейвиса в припайных льдах при морозах и сильном ветре показала, что работа в таких условиях возможна.

Лаборатория в океане

При переоборудовании потребовалось разместить на палубе, по крайней мере, шесть электрических лебедок «Океан», создать четыре научно-исследовательских лаборатории современного уровня и, что особенно трудно, установить тяжелую двухбарабанную лебедку для траления на глубинах до 8–10 тыс. м и для работы с тяжелыми (до пяти тонн) грунтовыми трубками большого диаметра. Лебедки по согласованию с отрядами устанавливались на двух бортах судна и на корме, что обеспечивало действия в условиях сплоченного льда при работе винтами судна.

Оглядываясь назад, можно утверждать, что работы в морской части экспедиции были бы невозможными без очень удачного выбора и переоборудования судна.

Пробы донных осадков приходилось отбирать с работающими машинами и во льдах с кормовой полыньей, отгоняя лед работой винта на малых оборотах. Этот способ работы «носом против ветра» стали называть методом капитана Ивана Манна – каждый раз после станции он звонил в лабораторию и спрашивал: «Кого поймали?»

Ледоходность судна определилась уже при первом преодолении пояса припайных и дрейфующих льдов около «Мирного» и не переставала радовать на протяжении первого рейса в Восточную Антарктику. Во втором рейсе «Обь» освободила из ледового пояса японский ледокол «Соя» по сигналу бедствия. Большой и крепкий корпус и ледоходность судна оказались оптимальными в необычных условиях Антарктики.

Возможны осадки

За разработку техники работы «в условиях опасности» взялись не только геологи, которые работают с приборами весом до 100 кг и больше, но и капитан Манн.

Суть состояла в том, чтобы стабилизировать судно против ветра с учетом дрейфа и держать вертикаль троса за бортом, то есть работать на малом ходу, который можно было подбирать только на дизель-электроходе. Казалось бы, все просто, но громадное судно валило порывами ветра и волной, требовалась слаженная работа мостика и лебедчиков, и это удавалось не сразу. При шторме волны не только прокатываются по палубе, но нередко достигают высоты капитанского мостика. Для передвижения и работ на лебедках протягивались леера, за которые можно было удержаться.

Кроме того, в непогоду прибор, поднимаемый с палубы или из воды, превращался в тяжелый опасный маятник.

Полученные пробы осадков и взвеси должны были срочно обрабатываться в лаборатории первичной обработки проб с автономной электросистемой для измерительных приборов, связью с палубой и условиями для работы в тяжелых метеоусловиях в полярную ночь и снегопад. В лабораторных условиях ученым удалось создать уникальную фабрику взвеси с поверхности моря и еще одну – для изучения и выделения растворенных форм. Третья, малая фабрика служила для аэрозолей (атмосферной взвеси), а четвертая – для изучения моренного, каменного материала подледного слоя ледового купола Антарктиды. Все эти лаборатории с возможностью круглосуточных работ удалось подготовить уже на переходе с помощью команды судна и строителей.

Новые возможности нового крупного научно-исследовательского судна «Обь» позволяли уже в первом рейсе антарктической экспедиции развить начатые исследования. Причем, что важно, вести их по разделам, которые ранее были невозможны не только в «ревущих», но и в умеренных и тропических широтах.

Работы в морской части экспедиции были бы невозможными без очень удачного выбора и переоборудования судна

Изучение процесса не только в донных осадках, но и в водной толще, начатое в первых рейсах «Витязя», стало новостью в науке. Рассеянное осадочное вещество в толще морских вод, а также в атмосфере, снеге, льде и айсбергах, осаждаясь на дно, образует верхний слой донных осадков. Эти микрочастицы буквально «записывают» историю осадочного процесса. Изучая донные осадки и взвешенный в воде осадочный материал, можно судить о самых разных природных процессах. Беда в том, что осадочных частиц очень мало и для их изучения необходимы специальные ядерные фильтры, улавливающие взвесь менее 0,45 микрона. Последующее изучение включает микроскопию и разнообразные анализы. Приборы того времени обладали чувствительностью в десять и более раз ниже, чем современные, что определило необходимость переработки больших объемов глубинных вод. Удалось разработать батометры на 200 и 400 л со специальными седиментационными ловушками. Для получения верхних слоев воды были использованы многоступенчатые погружные насосы из нержавеющей стали.

Для выделения взвеси из воды применялись промышленные сепараторы, использовавшиеся в медицинской промышленности при изготовлении антибиотиков. Это очень тяжелые машины почти с человеческий рост, изготовленные из особой нержавеющей стали шведской фирмой Alfa Laval по специальному заказу.

На борту судна «Обь» удалось создать первую в мире сепарационную лабораторию с машинами еще иных типов: барабанными – для первой ступени сепарации и тарельчатыми – для второй. Высокооборотные сепараторы опасны для работ в качку, когда возникает опасность срыва барабана, вращающегося со скоростью в тысячи оборотов в минуту.

Специальное изучение количества и состава каменных обломков показало, что петрографический состав горных пород очень разнообразен, но в целом в южных частях океанов удалось выделить целый пояс морских ледовых осадков, которые ранее не изучались. К этому уникальному поясу с севера примыкает глобальный пояс диатомовых кремнистых осадков, на 30–70% состоящих из створок диатомовых водорослей. Максимальное содержание аморфного кремнезема в них более 70%. Южный глобальный пояс кремнезема открыт в донных осадках и взвеси.

Другие открытия связаны с изучением колонок донных осадков, которые проникают вглубь геологической истории. Их максимальная длина около 15 м. При детальном изучении этих колонок удалось установить перемещение основных границ всех типов осадков в прошлом и создать рабочую стратиграфическую шкалу для Южного полушария. Это история ледниковых эпох и потеплений в сопоставлении с условиями Северного полушария.

Среди новаций тех лет – грунтовая трубка-гигант, которую называли «царь-трубка». Она давала возможность получать материал не только с поверхности дна, но и из слоев возрастом в сотни тысяч лет.

В этой конструкции были полностью реализованы возможности нашей тяжелой лебедки, разработанной и установленной на «Обь» в ходе подготовки к рейсу. Вес этой конструкции превышал 5 т, а диаметр керна составлял около 130 мм.

Знакомьтесь, шельф!

Подготовка судна к изучению рельефа дна велась нашими геоморфологами под руководством профессора Александра Живаго. Им удалось добиться установки в лаборатории двух отечественных эхолотов последней модификации – глубоководного и мелководного. Эти эхолоты непрерывно работали на ходу. С их помощью получен атлас данных о строении дна Южного океана. Многие карты были опубликованы и легли на навигационные карты флота.

В первых четырех рейсах, в которых принимала участие команда сотрудников Института океанологии, были сделаны многочисленные открытия. Прежде всего поражал шельф, то есть область глубин до 200 м. В Антарктике шельф под влиянием нагрузки ледового купола погрузился на 100–200 м и край его проходит параллельно кромке ледника. Это место назвали долиной Лазарева. Удалось также составить батиметрическую карту моря Дейсиса, на берегу которого расположена обсерватория «Мирный». Кроме того, были открыты подводные поднятия Обь и Лена, пересечены срединные хребты Южного океана, которые в те годы только начали исследоваться и впоследствии стали началом эпохи тектоники литосферных плит. Все эти данные по рельефу передавались гидрографам, и многие из них попали на первые отечественные карты Южного океана.

Итогом работ морской части антарктической экспедиции стали результаты и открытия, важные для всех разделов наук о Земле. Главные достижения связаны с первыми четырьмя рейсами, когда морским исследованиям придавалось большое значение.

Начиная с 1960 года главное внимание было уделено работам не морской, а континентальной части. Основная часть нашего научного оборудования была удалена с борта, и работы в море стали не научно-исследовательскими, которые приняты в Академии наук, а устарелыми штатными. Работы же первых четырех рейсов дали много принципиально новых результатов.

Изучение Южного полушария с точки зрения тектоники литосферных плит началось в конце 50-х годов, но многие разделы этой концепции требуют доработки. В частности, это касается вертикальных движений континентальной части Антарктической плиты под влиянием ледовой нагрузки. Как мы теперь знаем, эта нагрузка меняется в пространстве и во времени под действием самых больших на планете нагрузок льда. В морской части экспедиции удалось установить, что эта нагрузка имеет определяющее значение для формирования рельефа.

Впервые экспедиция работала как комплексная, с охватом одновременно как континентальной, так и океанской части Южного полушария.

Четыре измерения

В ходе работ в морях и океанах разных климатических зон была разработана и применена система четырехмерных океанологических исследований. Кроме трех координат – широта, долгота и глубина, – появилась четвертая – время. При этом удалось определить одновременность событий в океане и на континентах по смене не только общего количества вещества в толще взвеси и донных осадков, но и его типов по мере удаления от центра оледенения. Такое сравнительное исследование в масштабах Южного полушария удалось пока сделать впервые и далеко не полно.

Работы континентальной части показали, что ледовая шапка Южного полушария имеет высоту около четырех километров. Из них около двух-трех – ледовая часть шапки – это современная область самых суровых на планете условий среды и климата. Уровень холода в этой самой суровой части приближается к показателю для планет Солнечной системы (–89,2 °С).

Сопоставление оледенений Южного полушария, развитого на континентальной коре, с Северным полушарием, где оледенение идет на океанской коре, второй областью максимальной суровости среды, показывает, что именно тип коры (континентальная или океанская) в значительной мере предопределяет суровость климата. Суровость морской части компенсируется жидкой частью морской воды. Северный Ледовитый океан более низкого уровня суровости покрыт дрейфующими льдами с особой циркуляцией. Иначе говоря, здесь нет мощного ледового купола, как в Южном океане.

Судя по данным геологии, такие события смены типов коры в области максимальной суровости повторялись в истории Земли. Предсказать их будущее можно на основании векторов движения литосферных плит, вернее, их континентальных частей.

Таким образом, на планете удается выделять области с водой разной формы, она меняется во времени в связи с положением литосферных плит. Вода в жидком виде сменяется областью с «твердой» водой и водой в газообразном состоянии. Взаимодействие этих трех форм воды и связанных с ними отложений позволяет использовать глобальный уровень океана и, соответственно, объем ледовой шапки.

Все это дает возможность выяснить динамику распределения воды в истории по ее формам и проследить изменения не только континентальной и морской среды, но и, с учетом новых данных для области испарения в тропической зоне, определить количественный вклад в общий баланс этой зоны. Зона эта выделяется в геологической истории невиданными масштабами. Таким образом, вода – это «компенсатор» и природный показатель трех объемов.

Можно также сказать, что при попадании континентальной части литосферной плиты в Северный Ледовитый океан климат Европы и Азии резко изменится в сторону похолодания. А если при этом положение континентальной плиты не изменится, будет достигнут глобальный минимум температуры, до –100 °С и ниже!

Все вышесказанное позволяет утверждать, что на историю среды и климата важное влияние имеет тектоника литосферных плит. Работы по ее изучению с применением обитаемых подводных аппаратов ведутся в Институте океанологии РАН на протяжении последних 30 лет. Они показывают, что в срединных хребтах в воды океанского типа идет поступление значительного количества эндогенного вещества горячей магмы (до 1200 °С), которая контактирует с водой и, что особенно важно, при изменении глубин на 1 тыс. м давление водной среды повышается на 100 атмосфер. При этом свойства воды меняются: вода превращается в агрессивный к базальтовой лаве флюид, базальты растворяются, как сахар в стакане чая, и образуют сульфидные постройки рудных минералов и гидротермальные факелы.

Исследования в Антарктике открывают новые возможности для исследований по физике, химии, биологии и геологии океана

Замечательным открытием этих лет является то, что главные месторождения меди, цинка и других тяжелых металлов на континенте связаны с колчеданными рудами возраста до 500 млн лет. По минералам, химическому составу и биогенным остаткам в колчеданных рудах Южного Урала и других кора может быть определена только как океанская. Это один из новых индикаторов условий морской коры литосферных плит.

При превращении морской воды в лед происходит холодная дистилляция – главная часть солей и взвешенных частиц при этом «отжимается», небольшое количество сохраняется в микропузырьках.

Существенна также и третья форма воды – газовая: туман, облака. В аридных зонах идет испарение, дистилляция морской воды также с «отжимом» растворенных солей. Образуется дистиллят – туман, облака, капли дождя с перемещением мест их образования в места выпадения. Соли остаются на месте и разрабатываются с древних времен как на мелководьях, так и в шахтах. То есть в скоплениях прошлого.

Прямое изучение процессов на континенте Антарктики и в Южном океане, опоясывающем главную на земле область скопления континентальных льдов, открывает ряд новых возможностей для исследований по физике, химии, биологии и геологии океана.

Пожалуй, впервые на основании материалов, полученных в Антарктике с применением новых всепогодных и ледоходных судов, удалось установить синхронные изменения форм воды.

Двигающаяся сила «камнедробилок» – это лед, поднятый выше уровня Мирового океана. Сейчас средняя высота Антарктиды – 2165 м, Европы – 300 м, Азии – 950 м. Последнее оледенение привело к снижению глобального уровня Мирового океана на 100–120 м. Рост мощности глобальной «камнедробилки» записывается в том числе и уровнем Мирового океана, это также запись положения полюса суровости, представление о котором мы получили в ходе экспедиции. Максимум оледенения наступит, когда континентальная кора будет находиться одновременно над двумя полюсами.

Получается, что изучение ледовой шапки мощных льдов в Антарктике – один из индикаторов палеоклимата. А история этих процессов – одна из важных задач теории литосферных плит.

Послы мира

В ходе работ морской части экспедиции были выполнены заходы в новозеландский Веллингтон, австралийский порт Аделаиду, Кейптаун и Гамбург. Там были организованы не только общие посещения «Оби», но и отдельно встречи с ведущими учеными университетов, геологической службы, моряками.

Особенно важными были встречи с Дугласом Моусоном из Университета Аделаиды, которого называют Нансеном Южного полушария. Моусон всю жизнь изучал часть Антарктиды, принадлежавшую Австралии. Посетив «Обь», он приглашал наших ученых в университет, дарил оттиски работ по своим исследованиям. Очень важным стало участие в этих встречах министра земель Австралии.

Не менее продуктивным для налаживания международных контактов оказался недельный визит экспедиции в Гамбург. Ученым удалось сделать несколько докладов и консультаций, в том числе о постройке первого в Германии ледокольного судна «Полярштерн», которое по своим функциям должно быть сходным с «Обью». Опыт рейсов нашего судна оказался очень полезным для его постройки и оборудования. Далее был налажен обмен статьями, книгами и картами. Российские ученые участвовали в нескольких рейсах «Полярштерна» в Арктику и Антарктику. Научное сотрудничество наладилось и в континентальной части: многие из иностранных ученых зимовали в «Мирном», а наши ученые – на станциях других стран. Не менее важной оказывалась также помощь в беде, когда терпели аварии самолеты и вертолеты.

Обсуждение совместных работ в Антарктиде в конечном счете закончилось триумфальным соглашением 12 стран от 2 декабря 1959 г., согласно которому страны отказались от территориальных претензий и шестой континент был провозглашен свободным для научных исследований без права размещения военных или промышленных сооружений.

Таким образом, Антарктида стала самым крупным в мире заповедником, которому в этом году исполнилось 60 лет. Договор не имеет ограничений по времени. Он открыл для нашей науки дорогу в Южное полушарие вплоть до Южного полюса и прилежащих частей Южного океана. Все это в очередной раз подчеркивает эффективность участия ученых, их инициативы в решении крупных, глобальных вопросов.

Научный прорыв в Южное полушарие
Научный прорыв в Южное полушарие
Научный прорыв в Южное полушарие
Научный прорыв в Южное полушарие
Научный прорыв в Южное полушарие
Научный прорыв в Южное полушарие
Научный прорыв в Южное полушарие
Научный прорыв в Южное полушарие