История изучения Антарктиды началась в январе 1820 г., когда русская экспедиция под командованием Ф.Ф. Беллинсгаузена и М.П. Лазарева впервые увидела берега «льдяного материка». Отечественные исследователи продолжают держать высокую планку, заданную два столетия назад. Сегодня в Антарктиде круглый год работают пять российских научных станций. Самый холодный континент Земли представляет особый интерес для биологов, физиков, геологов, климатологов и других ученых страны.
Ресурсная сокровищница
Антарктида — источник разнообразных природных ресурсов, который сможет при необходимости обеспечивать людей минеральным сырьем. Геологическая разведка показала, что под толщей антарктического льда скрываются ценные полезные ископаемые: каменный уголь, железная руда. В Антарктиде были обнаружены следы руд меди, цинка, свинца, никеля, молибдена. Ледники континента — вместилище до 90% запасов пресной воды.
Антарктида — кладезь ценных полезных ископаемых. Помимо этого, ледники континента — вместилище до 90% пресной воды на планете.
Фото: serget / фотобанк 123RF
«Действующий договор запрещает разработки природных ресурсов в Антарктиде. Но к середине XXI в. нам придется о них вспомнить», — сообщил «Комсомольской правде» советник главы Росгидромета Валерий Алексеевич Мартыщенко.
Озеро Восток: окно в прошлое и в космос
Яркая научная загадка Антарктиды — озеро Восток. Одно из крупнейших озер планеты, в открытие которого внес большой вклад брат физика и просветителя Сергея Петровича Капицы Андрей Петрович Капица, располагается подо льдом на глубине 3,7 км и хранит бесценную информацию для биологов, космологов и геологов.
Предполагается, что озеро существовало еще до того, как континент покрылся льдами. В его водах могут обитать уникальные потомки древних организмов, населявших Восток до изоляции. Среда обитания в озере неблагоприятна: экстремально высокое давление, почти нулевая температура, темнота, отсутствие в воде растворенного органического углерода и, предположительно, избыток кислорода. Поэтому ученых привлекает возможность обнаружить микроорганизмы, приспособившиеся к этим условиям, и изучить секреты их выживаемости.
Озеро Восток интересно и для космических исследователей, так как воспроизводит условия, в которых могла зародиться жизнь на других планетах и их спутниках, покрытых льдом.
Изучение Антарктиды способно обогатить открытиями разнообразные области научного знания — от биологии и фармацевтики до физики и космических исследований.
Фото: xixinxing / фотобанк 123RF
Полярники провели уже два вскрытия озера Восток: в феврале 2012 г. и в январе 2015 г. В первых образцах исследователи обнаружили два необычных типа ДНК бактерий. Один из них принадлежал неизвестному виду и был схож с генетической информацией других земных микроорганизмов менее чем на 86%. Ожидается, что более глобальные результаты ученые получат, когда исследуют придонные воды озера — более теплые и насыщенные питательными веществами, а также осадки на дне водоема, где, как предполагается, бьют горячие источники: такой вывод эксперты сделали, обнаружив в озерном льде минералы, обычно формирующиеся в горячих подземных водах. Однако эти изыскания станут возможными, лишь когда будет разработан метод извлечения из озера идеально чистых проб без побочного загрязнения.
Впрочем, и привычные методы позволяют постепенно раскрывать все больше секретов древнего озера. Так, в феврале 2024 г. российские полярники подняли из переходной зоны между атмосферным и озерным льдом уникально крупное минеральное включение размером 3 см на 6 см. Изучение образца поможет узнать больше о геологическом строении прилежащего района Антарктиды, а возможно, и поведает что-то новое о микроорганизмах, обитающих подо льдом около озера.
Летопись и кухня климата
Ледяной покров Антарктиды — природный архив, слои которого хранят информацию об осадках и климате на Земле в разные эпохи. Изучение антарктического льда позволяет ученым делать выводы об истории и закономерностях климатических изменений на планете.
Ледяной покров Антарктиды — природная летопись, хранящая информацию об особенностях климата Земли ушедших эпох.
Фото: steveallenuk / фотобанк 123RF
«Благодаря исследованиям ледяных кернов антарктического озера Восток за последние 420 тыс. лет выявлены четыре больших климатических цикла. И мы видим, что сейчас действительно существует тренд на потепление», — пояснил в беседе с корреспондентом «КП» В.А. Мартыщенко.
Особый интерес для ученых представляют образцы льда, образовавшегося в Антарктиде около 1 млн. лет назад. Предполагается, что в ту эпоху на Земле произошла масштабная перестройка климата, а объем углекислого газа в атмосфере был повышен. Изучая пробы этого возраста, исследователи надеются выяснить причины климатических перемен и понять, как природа справилась с избытком парникового газа в прошлом.
Ледяной континент — не только летопись, но и кухня климата. Так, вокруг Антарктиды протекает крупнейшее течение Мирового океана, связывающее Атлантический, Индийский и Тихий океаны и влияющее на состояние климата на многих землях. Поэтому, чтобы успешно прогнозировать климатические перемены на Земле, на полярном материке нужно вести постоянные метеонаблюдения.
Нейтрино в ледяной ловушке
Нейтрино — нейтральные фундаментальные частицы с невероятно малой массой, беспрепятственно проходящие сквозь объекты на своем пути — от человеческого тела до земного шара — и слабо взаимодействующие с окружающей материей. Они рождаются в результате различных процессов, включая мощные взрывы на просторах космоса. Изучение этих частиц должно помочь пролить свет на историю, законы и будущее Вселенной.
Директор ОИЯИ академик Григорий Владимирович Трубников.
Фото: Николай Малахин / «Научная Россия»
«Если создавать в будущем детектор, который будет ловить большую статистику нейтрино, <…> то из этой статистики уже можно добывать информацию о том источнике, откуда они прилетели. Эти нейтрино <…> могут взаимодействовать по дороге с какими-то объектами и тем самым менять энергию, импульс, угол… Если их много, если статистика большая, то вы можете восстанавливать характеристики <…> тех объектов, с которыми они встречались во Вселенной», — объяснил в эфире программы «Инфощит» телеканала НТВ директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) академик Григорий Владимирович Трубников.
Помимо пользы для фундаментальной науки, изучение нейтрино может помочь использовать эти частицы на благо человека: например, в технологиях мгновенной связи.
Увидеть нейтрино нельзя, но зато, взаимодействуя с материей, они оставляют разнообразные следы — например, рождают другие частицы, оставляющие в среде излучение Вавилова — Черенкова. По таким остаточным явлениям ученые и отслеживают нейтрино. Однако, проходя огромное расстояние до Земли, потоки нейтрино теряют интенсивность и крайне слабо взаимодействуют с материей на нашей планете. Поэтому, чтобы поймать хотя бы минимум этих частиц, требуются гигантские детекторы.
Руководитель Нейтринной программы ОИЯИ Дмитрий Вадимович Наумов.
Фото: Николай Мохначев / «Научная Россия»
«Для регистрации астрофизических нейтрино нужно использовать примерно 1 км3 вещества или 1 млрд т», — объяснил в интервью для «Научной России» заместитель директора по научной работе лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, руководитель Нейтринной программы ОИЯИ Дмитрий Вадимович Наумов. Создать нечто подобное в лаборатории не представляется возможным. Но природа сама предлагает человеку помощь: отличными детекторами для ловли нейтрино служат воды морей, океанов и озер (например, озера Байкал) и ледники. Глубина водоемов и толщина льда помогают отсеивать помехи и побочное излучение, мешающие поиску частиц. Одна из таких «ловушек» — ледяной покров Антарктиды.
Участие в поисках нейтрино на самом южном материке принимают и российские ученые. В 2006 г. физики из МИФИ и Университета штата Гавайи запустили на континенте эксперимент ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna — «Антарктическая импульсная переходная антенна») по поиску нейтрино высоких энергий. В рамках исследований над материком на высоту 37 км запускался аэростат с огромной антенной высотой 7 м и массой около 1 т, осуществлявший обзор фактически всей Антарктиды и прилежащих районов. Мощная установка улавливала еще одну разновидность следов нейтрино — импульсы радиоволн, возникающие в результате взаимодействия частиц с атмосферой, льдом и горной породой, — и позволяла с высокой точностью установить источник частиц. Четвертый запуск ANITA проводился в 2016 г.
Возможности присутствия нейтрино в Антарктиде продолжают исследоваться: например, в 2023 г. на общеинститутском семинаре Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова для ловли нейтрино высокой энергии было предложено использовать озеро Восток.
Маленькие, да удаленькие
Интерес для ученых представляет микробиота не только озера Восток, но и всей Антарктиды. Причина та же — поиски секретов невероятной выживаемости одноклеточных.
Свойства микроорганизмов, устойчивых к суровым антарктическим условиям, способны помочь в изготовлении антибиотиков.
Фото: rawpixel / фотобанк 123RF
В 2019 г. российские исследователи обнаружили в самой труднодоступной горной части Антарктиды уникальные бактерии, переносящие экстремальные морозы и облучение ультрафиолетом и при этом умудряющиеся сохранять влагу. Чтобы приспособиться к суровым условиям, микроорганизмы научились создавать себе укрытия из защитных пленок на поверхности скал, закутываться в оболочку из полисахаридов, чтобы сберечь влагу, и блокировать воздействие излучения благодаря выработке специального пигмента сцитонемина. Свойствами микробиоты заинтересовались исследователи НИЦ «Курчатовский институт».
«Бактерии и их ферменты могут использоваться в самых разных процессах, для прохождения которых важна низкая температура. В частности, к ним относится изготовление продуктов питания, реактивов для молекулярной биологии и антибиотиков, косметики и некоторых других видов продукции», — объяснил «Известиям» ведущий научный сотрудник Курчатовского института Зоригто Баирович Намсараев. Например, ферменты микроорганизмов-«экстремалов» могут пригодиться в производстве моющих средств, чтобы люди могли стирать вещи при низких температурах, экономя энергию и поддерживая ткани в хорошем состоянии.
В 2021 г. сотрудники Курчатовского института сделали еще одно открытие, касающееся микроскопических обитателей ледяной пустыни. Оказалось, что антарктические микроорганизмы способны съеживаться до минимально возможных размеров — менее 200 нм, чтобы выжить в некомфортной среде. Процесс обратим: в благоприятных условиях клетки проявляют активность и растут. Предполагается, что это ценное свойство можно использовать для модификации микроорганизмов при производстве лекарств и заимствовать для выведения морозостойких сельскохозяйственных растений. Кроме того, изучение поведения антарктических микроорганизмов в экстремальных условиях поможет лучше понять механизмы устойчивости к антибиотикам их вредоносных собратьев.
Антарктическое новоселье
Большие планы по изучению Антарктиды требуют достойной материальной базы. 28 января 2024 г. на самой южной российской антарктической станции «Восток» открылся новый зимовочный комплекс.
Исследования, проводимые полярниками «Востока», имеют большое значение для отечественной и мировой науки: здесь изучается вклад Антарктиды в климатические изменения, анализируется космическая погода, включая активность Солнца. Создание нового комплекса для работы полярников было остро необходимо: с момента основания в 1957 г. старые строения «Востока» оказались погребены под толстым слоем снега.
В Антарктиде располагаются исследовательские станции многих государств, среди которых — десять российских.
Фото: ksumano / фотобанк 123RF
Новый зимовочный комплекс станции «Восток» площадью более 3 тыс. м2 включает пять модулей: два служебно-жилых здания, гараж, служебный блок с четырьмя дизель-генераторами мощностью 200 кВт каждый и системой очистки и хранения воды и склад с резервным дизельным генератором. В жилых модулях разместились не только личные комнаты, столовая и исследовательские лаборатории, но и современный медицинский центр с операционной, рентгеном и стоматологией, а также зона отдыха с кинозалом, спортивными тренажерами и даже сауной. Все оборудование модулей изготовлено в России.
Технологии нового комплекса позволят полярникам с комфортом работать в недружелюбных условиях. От морозов здания защищает «обертка» из минераловатного утеплителя толщиной до 95 см, а фасад модулей покрывают специальные композитные панели, устойчивые к воздействию экстремального холода. Трехметровые сваи позволят избежать занесения станции снегом в течение долгого времени. В сезонный период в комплексе смогут работать до 35 человек, во время зимовки — до 15. Запасы пищи и топлива на станции рассчитаны на два года.
«Все системы жизнеобеспечения многократно дублированы и рассчитаны на полностью автономное пребывание полярников в течение полярной зимы», — сообщил на открытии комплекса Леонид Викторович Михельсон, председатель правления компании «Новатэк», помогавшей в строительстве масштабного сооружения.
Новый зимовочный комплекс станции «Восток» позволит российским полярникам вести круглогодичную работу в экстремальных условиях ледяной пустыни.
Фото: vladdeep / фотобанк 123RF
В модулях используются современные энергосберегающие технологии. Для освещения применяются только светодиодные лампы, техническая вода в системе водоснабжения очищается для повторного использования, тепло газов от генераторов помогает отапливать помещения, а воздух, поступающий в вентиляцию извне, подогревается уже отработанным. Новый комплекс планируется в будущем оснастить солнечной энергетической установкой.
Ввод модулей в эксплуатацию сделал «Восток» одной из самых высокотехнологичных антарктических станций. На открытии комплекса президент России Владимир Владимирович Путин отметил, что новая станция позволит проводить многообразные международные исследования. Так, на «Востоке» планируется вести совместные российско-белорусские разработки.
Особое внимание на станции намереваются уделить исследованиям озера Восток.
«Сейчас ученые готовятся к тому, чтобы проникнуть в озеро и изучить его. План работ есть, определены партнеры. Горный университет — технология, как именно проникнуть в озеро. Курчатовский институт и Сибирское отделение РАН — молекулярная биология. ВНИИ Океангеология — донные отложения. Полярная морская экспедиция Роснедр — дистанционный метод геофизического исследования. Институт географии РАН — лабораторные исследования кернов», — рассказал на открытии комплекса министр природных ресурсов и экологии России Александр Александрович Козлов.
На станции «Восток» совершенствование полярных программ России не заканчивается. Министерство природных ресурсов страны готовит предложения по обновлению остальных отечественных научных сооружений в Антарктиде. Здесь есть где развернуться: помимо круглогодичных станций, на ледяном материке располагаются еще пять российских сезонных исследовательских комплексов.
Источники
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт. Новый зимовочный комплекс станции «Восток»
Арктический и антарктический научно-исследовательский институт. Новый зимовочный комплекс станции «Восток» в Антарктиде введен в опытно-промышленную эксплуатацию
Русское географическое общество. Значение Антарктиды для России и мира
«Научная Россия». Анастасия Пензина. Как ловят нейтрино на дне Байкала (интервью с руководителем нейтринной программы ОИЯИ Д.В. Наумовым)
«Российская газета». Айсель Герейханова. Путин запустил новый зимовочный комплекс в Антарктиде
«Объясняем.рф». Владимир Путин открыл новый зимовочный комплекс станции «Восток» в Антарктиде
«РИА Новости». Ученые подняли из глубин Антарктиды древний лед с уникальными образцами
«RT на русском». «Важнейшее мировое значение»: как Россия реализует исследовательскую программу по изучению Антарктики
«Комсомольская правда». Юлия Смирнова. Антарктида: что ученые ищут на ледовом континенте через 200 лет после его открытия
РБК+. Специальный выпуск «Природные ресурсы» № 1, 3 ноября 2023 г. На разных полюсах: зачем России нужны Арктика и Антарктида
«РИА Новости». «Ледяной ключ» к тайнам Вселенной: зачем ученые ловят нейтрино в Антарктиде
«Известия». Плюсы холода: найдены бактерии, живущие только в Антарктиде
«Известия». Денис Гриценко. Холодный расчет: ученые открыли секрет выживания антарктических бактерий
НТВ. Большой потенциал маленькой частицы (беседа с академиком Г.В. Трубниковым)
«РИА Новости». Капсула времени: какие тайны скрывает реликтовое озеро «Восток»
«Российская газета». Татьяна Тюменева. В Антарктиде подняли лед возрастом один миллион лет
ТАСС. Алексей Тимошенко. Выстрелы из-подо льда. В воздушный шар над Антарктидой попали две элементарные частицы, которые не укладываются в Стандартную модель
Proceedings of Science. J. Nam on behalf of the ANITA Collaboration. Overview of the Fourth Flight of the ANITA Experiment
Фото на превью: polarman / фотобанк 123RF
Фото на главной странице: erectus / фотобанк 123RF
Фото в тексте: Николай Малахин / «Научная Россия», Николай Мохначев / «Научная Россия», serget / фотобанк 123RF, xixinxing / фотобанк 123RF, steveallenuk / фотобанк 123RF, rawpixel / фотобанк 123RF, ksumano / фотобанк 123RF, vladdeep / фотобанк 123RF.