"460 дней в Четвертой Советской антарктической экспедиции" - читать интересную книгу автора (Зотиков Игорь А.)

ВОСХОЖДЕНИЕ К ПРАЗДНИКУ СЕРЕДИНЫ ЗИМЫ

Немного науки

Удивительна судьба шестого материка Земли — Антарктиды. С самого начала и до сегодняшнего дня её исследование связано подчас с фантазиями, чаще со здравыми, хотя и смелыми прозрениями, но всегда с полётом мысли, дерзаниями духа.

Ведь даже первое знакомство человека с Антарктидой, происшедшее сотни лет назад, было совершенно необычным. Факт её существования вплоть до нанесения на карту первоначально был принят на основании лишь сугубо теоретического, даже, я бы сказал, эстетического, соображения о необходимости гармонии, то есть примерно равного размещения масс материков на поверхности Земли. И хотя эти соображения до сих пор надо относить лишь к смелым гипотезам, предсказанный материк оказался действительно существующим.

Удивительно открытие этого материка русскими мореплавателями Фаддеем Беллинсгаузеном и Михаилом Лазаревым. Когда в январе 1820 года русские шлюпы «Восток» и «Мирный» подошли впервые к его берегам, они не встретили здесь земли, то есть того, что всегда являлось неотъемлемой частью материков. Командир флотилии Фаддей Беллинсгаузен писал об этом в рапорте морскому министру: «…встретил сплошной лёд… у краёв один на другой набросанный кусками, а внутрь к югу в разных местах… видны ледяные горы…» День, когда флагман увидел эту картину со своего корабля, был серый, пасмурный, поэтому он не смог разглядеть большего. Однако, когда туда же через несколько часов подошёл второй шлюп — «Мирный», командиром которого был Михаил Лазарев, погода заметно улучшилась. Поэтому Лазарев смог с мачты хорошо разглядеть высокий ледяной берег. Он написал об этом так: «…встретили матёрый лёд чрезвычайной высоты, и в прекрасный тогда вечер, смотря с саленгу, простирался оный так далеко, как могло только достигать зрение… Отсюда продолжали мы путь свой к осту, покушаясь при всякой возможности к зюйду, но всегда встречали ледяной материк не доходя 70°».

Теперь мы знаем, что указанные при этом капитанами судов координаты соответствуют берегу Антарктиды, называемому сейчас Берегом Принцессы Марты. Кроме того, каждый, кто был в Антарктиде, поймёт, что они видели не плавающий лёд, например айсберг (ведь верхнюю поверхность такого айсберга никогда не видно с кораблей), а ранее не известный науке природный объект — поднимающийся к югу ледяной купол Антарктиды. Тот самый, который так поразил и нас. Но капитаны-то не знали об этом, они искали новый материк, состоящий, как и другие, «из камня и земли».

После этого корабли ещё девять раз приближались к берегам Антарктиды и полностью обошли этот материк Осмысливая виденное, Беллинсгаузен выступает уже как учёный-теоретик, который создал свою модель необычайного явления. Беллинсгаузен нашёл в себе моральные силы написать в конце экспедиции о том, что, по его мнению, лёд, «который… по мере близости к Южному полюсу поднимается в отлогие горы… идёт через полюс и должен быть неподвижен, касаясь мелководий или островов». Это ведь и есть описание ледяной Антарктиды, которое справедливо и сегодня. Но где взять силы, чтобы ещё и твёрдо, первому, сказать: «Я открыл новый, огромный материк, только он весь изо льда!» Да и можно ли всё-таки считать материком ледяное тело, даже если оно таких же размеров и так же долго существует, как материк?

Ведь даже в те годы, когда и мы, участники Четвёртой Советской антарктической экспедиции, уже работали в Антарктиде, географы ещё писали книги под названием: «Материк ли Антарктида?» И это через сто сорок лет после плавания Беллинсгаузена и Лазарева и их выдающегося открытия!

История научного исследования Антарктиды также представляется чередой гипотез, прозрений, ошибок и открытий, большая часть которых связана с невиданными нигде больше на современном земном шаре размерами её ледникового покрова.

Уже говорилось, что сначала это поразило первооткрывателей Антарктиды. Ведь «земля», которая им открылась, не была похожа на обычный материк или остров из камня, грунта. И им пришлось создать себе представление об огромном материке льда, простирающемся на тысячи километров, ввести понятие природного объекта, который ранее не имел аналога в известном мире фактов.

Потребовалось ещё чуть ли не столетие, чтобы понятие о материке, не связанном с грунтом, землёй у поверхности, было принято официальной наукой. Сколько раз вычёркивались из рукописей слова «ледяной материк», а на картах вокруг Южного полюса продолжали рисовать море.

Одним из первых, кто поверил в идею ледяного материка, был англичанин Томсон. Антарктида, считал он, — это огромная, почти круглая ледяная плита, края которой отвесно обрываются в море, окружающее её со всех сторон. Толщина льда этой плиты увеличивается от краёв к центру. Но если это так, то лёд плиты под действием своей тяжести должен растекаться от центра к краям, где он, обламываясь, «производит» айсберги. Но тогда толщина льда со временем должна уменьшаться. С другой стороны, на поверхность материка выпадают в виде снега осадки. Если количество осадков в каждом месте будет равно количеству льда, которое уходит к периферии щита за счёт растекания, толщина такого покрова будет все время неизменной. Воспользовавшись случайными, немногочисленными данными, имевшимися в то время по течению льда под нагрузкой, задавшись ориентировочно приемлемой из опыта, полученного в других областях науки, величиной годового накопления осадков, считая форму ледяного щита в плане круглой, а .диаметр его таким, каким он получался со слов капитанов, то есть близким к пяти тысячам километров, Томсон определил толщину льда в центральной части ледяного щита, где-то вблизи Южного полюса, близкой к двум с лишним километрам. Что это — много или мало? Удивительно, что ошибка оказалась не очень большой. Сейчас, почти через сто лет, после десятков лет напряжённейшего труда по исследованию ледяного щита, определению свойств льда и температуры в его толще, наши расчёты, выполненные с использованием всего арсенала современных методов и вычислительной техники, дают величину около трех-четырех тысяч метров.

Научное освоение Антарктиды началось совсем недавно, с начала нашего века. Первые же экспедиции выяснили, что не везде ледниковый покров лежит на грунте. Во многих местах вблизи берегов он сползает в окружающие Антарктиду моря и начинает плавать. Такие плавающие на море продолжения наземного ледяного щита были названы шельфовыми ледниками. В других местах гористые участки скальных пород оказались совсем не покрытыми ледниковым покровом. Такие участки стали называть антарктическими оазисами или сухими долинами.

Но настоящее, систематическое, изучение Антарктиды началось всего за несколько лет до описываемых событий. Начавшиеся в период Международного геофизического года и перед ним исследования Антарктического материка показали, что высота поверхности льда растёт по мере удаления от краёв ледникового покрова сначала быстро, а потом все медленнее, то есть так, как полагается расти толще каравая при передвижении от его края к срединной части. Уже было выяснено, что высота ледяной поверхности над уровнем моря в центральных областях превышает три тысячи метров. Однако ничего не было известно о толщине ледника, а значит, о положении скального ложа ледника над (или под) уровнем моря. Не было ничего известно и о характере льда или снега в толще, о температуре льда.

Чтобы ответить на эти вопросы, в глубь Антарктиды с разных сторон пошли советские, американские, английские, новозеландские санно-тракторные поезда. При остановках этих поездов проводилось неглубокое бурение толщи, измерение температуры в полученных скважинах, исследование структуры снега с целью выявить, сколько же его ежегодно выпадает на поверхность материка. Определялось также положение верхней границы ледника. Но самым важным в таких походах было сейсмическое зондирование ледникового покрова. В связи с резкими различиями физических свойств толщи льда и подстилающей лёд скальной поверхности граница между ними легко определялась по времени прохождения до неё взрывной волны и возвращения её обратно.

Первые же такие походы принесли ценные данные. Оказалось, что толщина льда везде была больше, чем предполагалось. Во многих местах, особенно в центральной части. . нижняя поверхность ледника располагалась даже ниже уровня моря. Огромная тяжесть льда как бы продавила земную кору, заставив её немного «утонуть» до нового положения гидростатического равновесия в относительно жидком и тяжёлом подстилающем слое. Температура же льда на глубинах около пятнадцати — двадцати метров, где её значения уже не колебались в течение года и отражали средние многолетние величины, опускалась до минус 56 градусов.

Санно-тракторные походы, сопровождающиеся сейсмическим исследованием подлёдного ложа, явились целой страницей в исследовании Антарктиды. Мой товарищ Андрей Капица ещё не знал тогда, что эти походы позволят ему построить первую достаточно подробную карту подлёдного ложа Антарктиды.

Сидя в нашей заваленной снегом гляциологической лаборатории дома номер шесть в посёлке Мирный, мы старались иногда стряхнуть с себя рутину из авралов, погрузок бочек соляра или бензина, откапывания домиков, борьбы с пургой, ожидания весточек из дома и снова воспарить. И тогда опять Антарктида представлялась нам континентом удивительных загадок.

Ещё в конце прошлого века известный революционер Пётр Кропоткин, которого мы считаем основоположником русской гляциологии, пришёл к выводу, что температура в толще ледникового покрова на горизонтах, где не сказываются годовые её колебания, то есть на глубинах более пятнадцати метров, должна повышаться линейно по мере удаления в глубь от поверхности. Этот вывод он сделал, исходя из теоретических соображений по аналогии с тем, что уже наблюдалось в скважинах и шахтах в обычной земной коре. Такое повышение температуры казалось вполне естественным. Ведь из глубин земли к её поверхности поступает в среднем постоянный для всего земного шара поток тепла. Такой же поток, казалось бы, должен проходить и через лёд ледникового покрова. Значит, температура в толще ледника должна повышаться при продвижении вглубь. Повышение приблизительно равно 2,5 градуса на сто метров глубины. Это так называемая геотермическая ступень. Именно такой температурный градиент наблюдается при измерениях в скважинах и шахтах в обычных горных породах.

Но ведь лёд не совсем обычная горная порода, он плавится при нуле градусов. Значит, даже при температуре поверхности льда минус 50 градусов в леднике толщиной два километра температура у его ложа уже должна равняться температуре плавления льда. А при толщине ледника в четыре километра? В 1955 году только один человек, крупнейший исследователь льдов Арктики, профессор Московского университета Николай Николаевич Зубов, задал вслух этот вопрос и нарисовал картину гипотетического (не антарктического) ледникового каравая, верхней частью которого является лёд, а сердцевиной — «смесь воды со льдом, в которой идут сложные процессы» (так осторожно написал Н. Н Зубов). Но такая «линза» воды толщиной два километра и диаметром в тысячу с лишним со слоем льда над ней ещё в два километра, которая получалась из представлений Зубова, казалась настолько нереальной, что других желающих высказаться в этом же направлении не нашлось. Было ясно, что дальнейшие мысленные построения должны идти на основе какой-то новой модели процессов переноса тепла в этом огромном леднике.

Однако именно в это время появились первые сведения о распределении температуры в толще ледникового покрова Антарктиды. Они были получены измерениями в скважине глубиной сто метров, пробурённой норвежско-английско-шведской экспедицией в одном из ледников Антарктиды. Температура в скважине на глубине около пятнадцати метров была близка к минус 20 градусам, то есть к средней за много лет температуре воздуха в этом месте. Это «устраивало» всех. Однако, к всеобщему удивлению, эта температура почти не повышалась по мере углубления от поверхности, несмотря на то что общая толщина ледника была ненамного более ста метров и конечно же температура льда у его дна должна была равняться температуре морской воды, в которой ледник плавал. А уж эта-то температура измерялась много раз. Она не может быть ниже минус 2. иначе вода замёрзнет.

Пробурили ещё скважину, но уже на склоне ледникового каравая, сползающего по суше. Опять загадка: ниже пятнадцати метров температура с глубиной не повышалась, а понижалась. Вспомнили, что в 20-х годах в Гренландии такой же ход температуры по мере удаления вглубь уже был получен и назван по имени обнаружившего его исследователя «эффектом Зорге». Зорге считал, что это законсервированная температура прошлых более холодных лет, то есть эффект, обусловленный потеплением климата в полярных широтах.

Английский физик Гордон Робин, обнаруживший указанный эффект в Антарктиде, объяснил его влиянием переноса холода за счёт движения льда в ледниках Антарктиды. Действительно, на поверхность шельфового ледника, в котором им была пробурена скважина, ежегодно выпадало существенное количество осадков (около одного метра льда в год). Робин предполагал, что то же количество льда стаивает с нижней поверхности ледника за счёт теплообмена с морской водой. В таком случае каждая частица ледника как бы двигалась сверху вниз со скоростью метр в год. И вот оказалось, что, если в уравнение переноса тепла в леднике ввести учёт переноса холода этим вертикальным движением.

Тогда расчётное распределение станет таким же, как измеренное. Механизм образования «обратного градиента», то есть понижения температуры с глубиной, обнаруженного на краю ледникового покрова, оказался такого же типа. Почему же эти эффекты переноса тепла движением льда были замечены в Антарктиде, а не на хорошо изученных ледниках гор? Да потому, что здесь сыграли шутку огромные размеры ледника. Оказалось, что в уравнениях переноса тепла и холода в ледниках влияние эффекта движения льда пропорционально не его скорости, а произведению этой скорости на величину линейного размера ледника, а уж размеры-то здесь огромны! Значит, и эффекты переноса оказались неожиданно большими.

Работа Робина произвела огромное впечатление на всех, кто занимался ледниками. Казалось бы, следующий шаг, который он должен был сделать, — это использовать предложенный подход для анализа условий, которые существуют под ледяным караваем Антарктиды. Но он почему-то этого не сделал.

Следующий шаг пришлось делать мне. Сначала я выяснил, что и с учётом переноса холода оседающими вниз частицами льда для каждого значения скорости вертикального движения льда в толще и температуры у поверхности ледника, а также величин геотермического потока тепла существует всегда некая, «критическая» толщина ледника, при которой температура у ложа в точности равна температуре плавления льда. Если толщина ледника меньше критической, температура у ложа ниже температуры плавления льда. Ну а можно ли теоретически представить себе ледник толщиной больше критической (например, в четыре километра), состоящим по всей его толщине только изо льда? Конечно, можно! Только в этом случае надо считать, что такой ледник должен находиться в условиях непрерывного таяния у его нижней границы, то есть на ложе. В этом случае часть тепла, поступающая к ложу из нижележащих слоёв земли и за счёт трения при движении, будет затрачиваться на непрерывное таяние, а вверх через лёд будет отводиться ровно столько тепла, сколько нужно, чтобы у ложа ледника любой толщины поддерживалась температура плавления льда.

Образующаяся при таком подледниковом таянии вода должна в основной своей массе выдавливаться к краям ледника и стекать в окружающие моря.

Это же так просто! Нечто подобное наблюдалось и у поверхности оплавляемых тел, которыми я занимался до отъезда в Антарктиду!

Первые же расчёты показали, что даже с учётом движения льда в ледниковом щите Антарктиды толщина его в центральных областях, по-видимому, больше критической. А это значит, что у дна ледника Антарктиды, в центральной его части, идёт непрерывное таяние.

Но это были ещё только оценки. Так много факторов не было учтено! Ах, если бы я смог более точно знать величину геотермического потока, а также характер изменения температуры льда с глубиной в центральных областях ледяного щита Антарктиды и его маленькой модели — ледникового покрова острова Дригальского!

Когда я думаю о тех временах, то удивляюсь, почему мы выбирали такие странные движения или делали такие непонятные зигзаги, вместо того чтобы идти той прямой дорогой, которая теперь кажется совершенно ясной. Целью моей работы было изучение теплового режима ледника. Конечно же для этого надо было провести измерения его температуры в скважинах, пробурённых сквозь лёд. Чтобы возможно было проследить ход изменения температуры с глубиной, уже тогда стало ясно, что скважины эти должны иметь глубину около ста метров. И мы думали, что у нас будут такие скважины во время похода на Южный полюс. Ведь для этого-то мы и взяли наш прекрасный буровой станок. Собственно, достал этот станок Андрей. Он ему нужен был для того, чтобы можно было закладывать заряды взрывчатки не у поверхности, а где-нибудь на глубине тридцать-сорок метров от неё. В этом случае, думал он, ему удастся избежать влияния сложных акустических эффектов, которые мешали ему работать в предыдущей экспедиции.

Глубокие скважины были нужны и мне, чтобы получить данные о том, как изменяется температура в леднике при удалении в глубь от поверхности, получить так называемый градиент изменения температуры по глубине ледника. Важно, например, выяснить, нет ли в нашем леднике «обратного градиента», то есть условий, когда температура с глубиной даже уменьшается, а отнюдь не растёт.