Итоги МПГ 2007/08 и перспективы российских полярных исследований

2.2. Полевые экспедиции и работы в Антарктике

В 2007–2009 гг. в Антарктике выполнены полевые работы по всем разделам Плана экспедиционных работ МПГ. Проведены работы по следующим 24 проектам (12 кластерных антарктических проектов, антарктические разделы 11 кластерных биполярных проектов и один национальный проект МПГ):

– «Сбор данных метеорологических измерений в активную фазу МПГ для научных и прикладных исследований»;

– «Влияние климатически индуцированного таяния ледников на морские и сухопутные прибрежные сообщества вдоль западного Антарктического полуострова»;

– «Антарктический морской лёд в Международный полярный год»;

– «Трансантарктическая научная экспедиция – ледоразделы Восточной Антарктиды»;

– «Природа подледниковых озер Антарктики – Единая международная команда по поиску и изучению»;

– «Антарктическая поверхностная аккумуляция и сток льда»;

– «Совместные циркумполярные исследования антарктических морских экосистем для сохранения живых ресурсов»;

– «Совместный циркумполярный анализ климатических взаимодействий и динамики экосистем Южного океана»;

– «Сбор сведений о морской жизни в Антарктике»;

– «Эволюция и биоразнообразие в Антарктике: ответ живых организмов на изменения»;

– «Антарктическая и субантарктическая вечная мерзлота, перигляциальная зона и почва»;

– «Происхождение, эволюция и положение подледных гор Гамбурцева: изучение неизведанных антарктических территорий»;

– «Климат Антарктики и Южного океана»;

– «Озоновый слой и ультрафиолетовая радиация в меняющемся климате»;

– «Аэрозольная оптическая толщина; средние значения, изменчивость и тренды климатически значимых аэрозольных параметров в полярных районах»;

– «АЙССТАР: Межполушарная сопряженность в земно-космических явлениях и их связь солнечно-земными взаимодействиями»;

– «ГЕОТРАССЕРЫ: международное исследование биогеохимических циклов трассеров и изотопов в Арктике и Южном океане»;

– «Состояние и судьба криосферы»;

– «Обсерватория вечной мерзлоты: вклад в изучение термического состояния вечной мерзлоты»;

– «Тектоническая карта полярных регионов Земли»;

– «Тектоника плит и полярные океанические связи в истории Земли»;

– «Данные МПГ и информационное обслуживание для распределенного управления данными»;

– «Сеть полярного мониторинга Земли»;

– «Экологически чистое проникновение и комплексное исследование подледникового озера Восток».

Отметим, что проект «Сбор данных метеорологических измерений в активную фазу МПГ для научных и прикладных исследований» был единственным антарктическим кластерным проектом, возглавляемым российским институтом. Проект «Экологически чистое проникновение и комплексное исследование подледникового озера Восток» был чисто российским проектом МПГ.

Работы проводились в рамках Российской антарктической экспедиции (РАЭ) на пяти постоянно действующих станциях, нескольких сезонных базах, во время внутриконтинентальных санно-гусеничных походов и в Южном океане с борта судов «Академик Федоров» и «Академик Александр Карпинский».

В спектр полевых работ входили сбор данных метеорологических измерений, исследования атмосферной циркуляции, озонового слоя и ультрафиолетовой радиации, оценки аэрозольной оптической толщины атмосферы, изменчивости и трендов климатически значимых аэрозольных параметров в полярных районах. Исследовались климатообразующие процессы в Южном океане, взаимодействие вод антарктического склона и шельфа.

На антарктическом ледниковом щите проведены исследования поверхностной аккумуляции и стока льда. Изучено влияние солнечной активности на атмосферные процессы и космическую погоду в Антарктике. Биологические исследования включали изучение эволюции и динамики экосистем в Антарктике и Южном океане в современных климатических условиях, геологические – изучение тектоники плит, а также происхождения, эволюции и положения подледных гор Гамбурцева.

Особое внимание было уделено задаче экологически чистого проникновения в подледниковое озеро Восток и гляцио-геофизическим исследованиям вдоль линий тока льда, проходящих через подледниковое озеро Восток. Работы проводились в условиях активного международного партнерства.

В процессе исследования современного климата получены оценки параметров пространственно-временной изменчивости термического режима атмосферы Антарктики в приземном слое, в толще тропосферы и в нижней стратосфере за период инструментальных наблюдений 1957–2009 гг. Данные о среднегодовой температуре приземного воздуха на станциях в Антарктике показывают, что за период 1957–2008 гг. на большинстве станций тренды положительны. Из 15 станций с длинными рядами только на четырех тренд является отрицательным, причем большинство трендов не являются статистически значимыми. За последние десятилетия заметное потепление климата наблюдается в районе Антарктического полуострова как в приземном слое, так и в тропосфере. Здесь наблюдается уменьшение амплитуды годового и суточного хода температуры воздуха за счет увеличения минимальных значений.

Феномен регионального потепления, являющегося крупнейшим в Южном полушарии, проявляется не только в повышении приземной температуры воздуха, но и в увеличении мощности и числа облачных слоев, уменьшении высоты нижней границы облачности и увеличении водности облаков, таянии ледников, деградации вечной мерзлоты и сокращении морского ледяного покрова на акватории к западу от полуострова. Процесс потепления уже оказал влияние на морские и наземные экосистемы, в которых начали появляться более теплолюбивые биологические формы.

Важно, что в период проведения МПГ в результате установки автоматических метеостанций на законсервированных станциях Молодежная, Русская и Ленинградская восстановлена российская циркумполярная сеть метеонаблюдений.

По данным измерений общего содержания озона (ОСО) и парниковых газов в толще атмосферы определены тенденции и механизмы изменений в Антарктике концентрации озона и малых газовых составляющих атмосферы. В течение нескольких десятилетий в антарктической стратосфере каждую зиму создаются метеорологические условия, приводящие к образованию «озоновой дыры». Необходимой предпосылкой для формирования отрицательной аномалии ОСО является преобладание процессов фотохимического разрушения озона над процессами его образования. Это возможно при наличии развитого стратосферного циркумполярного вихря. Он изолирует стратосферные слои над Антарктикой от стратосферы умеренных широт и препятствует переносу богатых озоном воздушных масс внутрь охватываемой им зоны. Сохранение ядра холода с экстремально низкой температурой в зоне действия вихря способствует образованию стратосферных полярных облаков, на поверхности которых и происходят химические реакции разрушения озона.

Отмечена стабилизация содержания озона за последние годы. Данные измерений ОСО в период МПГ на станциях Восток, Мирный, Новолазаревская и др., а также спутниковые данные показывают, что самой большой за последние годы озоновая дыра была в 2006 г., когда ее площадь составила 29 млн км². Потери общей массы озона внутри границ зоны, где ОСО меньше 200 ед. Добсона, составили 40 мегатонн. Озоновые дыры в 2007 и 2008 гг. были средними по интенсивности и протяженности, однако в 2007 г. разрушение озона началось раньше, чем в предшествующие годы, а в 2008 г. «дыра» просуществовала дольше, чем когда-либо ранее.

Исследованы интегральные и спектральные потоки радиации и характеристики прозрачности атмосферы в Антарктике. Радиационный климат Антарктиды был очень устойчив в течение более 50 лет. Интегральная прозрачность атмосферы существенно уменьшалась лишь после сильных вулканических извержений, причем длительность периодов с повышенным уровнем замутнения атмосферы составляла 1,5–2 года. В межвулканические периоды прозрачность атмосферы и аэрозольное ослабление солнечной радиации были стабильными и находились в пределах естественной изменчивости. Измеряемые в Антарктиде значения спектрального аэрозольного ослабления солнечной радиации являются одними из самых низких на Земле и, по существу, характеризуют начальный уровень естественного глобального фона аэрозольного замутнения атмосферы.

В процессе исследований гелиогеофизических эффектов была проведена оценка влияния космических лучей (солнечного и галактического происхождения) и солнечного ветра на температурный режим и атмосферное давление в южной околополюсной области. Показано, что галактические лучи, направляемые солнечным ветром, влияют на температурный и ветровой режим в стратосфере и на озоновый слой. Разработана эмпирическая модель влияния межпланетного электрического поля на параметры атмосферы в Центральной Антарктиде, оценено влияние солнечной и магнитной активности на атмосферное электрическое поле.

В результате океанографических исследований антарктических вод с борта НЭС «Академик Федоров» получена уникальная информация о структуре вод в области Антарктического склонового фронта, который играет важнейшую роль в климатообразующих процессах в океане, в том числе в перемешивании водных масс различного происхождения, вентиляции глубинных слоев океана и формировании антарктических донных вод в результате опускания холодных шельфовых вод по склону. Получено экспериментальное подтверждение факта формирования в море Содружества антарктической донной воды. Температура обнаруженных донных вод составляет –0,3 до –1,6 °С, соленость 34,54–34,62 ‰.

Опускание плотных вод в глубинные слои может оказывать влияние на глобальный климат, так как переносимые при этом парниковые газы лишаются контакта с атмосферой на сотни лет. Работы в море Амундсена показали, что относительно теплая и соленая циркумполярная глубинная вода Южного океана, проникая на шельф Западной Антарктиды, способствует ускоренному таянию шельфовых ледников. Определено положение и некоторые характеристики фронтов и границ Антарктического циркумполярного течения (АЦТ) и примыкающих циркуляционных систем (субполярного круговорота Уэдделла и течения Агульяс). Получены оценки временной изменчивости положения основных фронтов и границ АЦТ, установлено, что более устойчиво положение Полярного фронта и Южного фронта АЦТ, менее устойчиво положение субтропического и субантарктического фронтов. Получены параметры изменчивости толщины припайного льда и длительности периода нарастания – стаивания припая за многолетний период в районах прибрежных российских станций.

В процессе изучения палеоклимата и подледникового озера Восток выполнены палеоклиматические реконструкции, направленные на изучение механизмов функционирования климатической системы в масштабах времени от сотен до сотен тысяч лет и в конечном итоге на прогнозирование долговременных тенденций изменений природной среды нашей планеты. По данным радиолокационных и сейсмических исследований в районе озера Восток получены данные о рельефе коренного ложа, толщине ледяного покрова и водного слоя озера. Проведены оценки изменений температуры воздуха и мощности ледникового покрова в центральных районах Антарктиды в период времени 0,5–1 млн лет тому назад.

Наиболее важные результаты связаны с исследованиями замерзшей воды из новых кернов льда из сверхглубокой скважины. К концу полевых работ МПГ глубина скважины достигла отметки 3666,54 м. В ходе исследований керна озерного льда получены новые данные о минеральном составе и возрасте (по уран-свинцовым датировкам циркона) осадочных пород озера, создан банк данных об изотопном, газовом и биологическом составе озерного льда, размере слагающих его кристаллов и ориентировке их главных осей. Анализ результатов проведенных исследований позволил уточнить представления о механизме образования озерного льда и получить важную информацию о газовом, изотопном и гидрологическом режимах подледникового водоема. В частности, было установлено, что в нижней части изученной толщи озерного льда наблюдается развитие поясной (горизонтальной) ориентировки главных осей кристаллов, что свидетельствует о поступлении в этот район переохлажденной талой воды из северных районов озера.

Результаты изотопных исследований указывают на асинхронное по глубине изменение содержания кислорода ¹⁸O₂ и дейтерия в озерном льду, что отражает неравномерность поступления в озеро гидротермальных вод со дна водоема. На основании данных исследований озерного льда сделана предварительная оценка биогеохимического потенциала озера Восток с точки зрения возможности существования в нем микробной жизни. Показано, что микроорганизмы, если они обитают в подледниковой воде, должны быть хемоавтотрофами по способу получения энергии и вещества и психрофильными, оксигенофильными и пьезофильными по физиологии.

В результате гляциологических исследований были получены данные о скорости движения и толщине льда для основных выводных ледников Восточной Антарктиды. По результатам оценок материкового стока и аккумуляции установлено, что баланс стока материкового льда Антарктиды составлял в 1960-х годах 675,3 км³/год и увеличился к концу 1990-х годов до 940,3 км³/год, т. е. на 265,0 км³/год. Аккумуляция на материковой части Антарктического ледникового покрова в конце 1950-х годов составляла 793,8 км³/год и увеличилась к 1990-м годам до 1012,1 км³/год, т. е. на 218,3 км³/год. Установлено, что баланс массы Антарктического ледникового покрова на протяжении второй половины XX века являлся положительным: составлял в 1960-х годах 118,5 км³/год и уменьшился к концу 1990-х годов до 71,8 км³/год.

Динамика ледяного покрова края Антарктиды отражает основные тенденции расходной части баланса массы, поскольку преобладающим здесь является твердый сток материкового льда – отколы айсбергов. Основным источником айсбергов Антарктики являются шельфовые ледники. Таяние айсбергов, отколовшихся от шельфовых ледников, не приводит к повышению уровня моря, поскольку шельфовые ледники и так находятся на плаву. Однако откол айсбергов и разрушение шельфовых ледников могут ускорить сползание в океан льда с выводных ледников, а это приведет к повышению уровня моря.

Кругосветные плавания вокруг Антарктиды, начавшиеся в период МПГ, создали условия для проведения геодезических измерений высоты снежно-ледяного покрова в краевых частях ледяных куполов в прибрежных районах. В 53-й сезонной РАЭ (антарктическое лето 2007/08 г.) в районе станции Мирный через 44 года были повторены геодезические измерения на ледяном куполе на участке первых 100 км трассы санно-гусеничных походов Мирный – Восток. Впервые такие работы были выполнены в 9-й САЭ (1963/64 г.) совместными силами геодезистов из СССР и ГДР (Дрезденский технический университет). Работы, выполненные геодезистами Дрезденского технического университета и Петербургского ФГУП «Аэрогеодезия» в 53-й РАЭ, показали, что средняя толщина снежно-фирнового покрова на этом участке за последние 44 года увеличилась на 19 м.

В сезоне 2008/09 г. по программе работ 54-й РАЭ аналогичные совместные исследования были выполнены на выходе ледника Хейса в районе полевой базы Молодежная. Сравнение полученных экспериментальных данных с материалами 29-й САЭ (1983/84 г.) показали, что на первых 50 км трассы толщина снежно-фирнового покрова уменьшилась на 5–7 м, а на последующих 50 км примерно на столько же увеличилась. Эти работы положили начало созданию сети мониторинга, осуществляющей подобные наблюдения в районах российских станций и сезонных баз.

В период МПГ был начат мониторинг термического состояния вечной мерзлоты, организованный в районах российских станций по периметру Антарктиды в свободных ото льда оазисах. В ходе полевых работ пробурены скважины и отобраны мерзлые образцы для анализов, организованы площадки наблюдений за динамикой слоя сезонного оттаивания, установлены логгеры для мониторинга температурного режима мерзлых пород. Анализ данных показал, что в сухих долинах Антарктиды слой сезонного оттаивания как таковой отсутствует. За счет сублимации верхний слой толщиной 5–10 см иссушается, и породы, будучи несцементированными льдом, периодически выдуваются ветром. В результате кровля мерзлоты совпадает с дневной поверхностью.

В Субантарктике, на островах Кинг-Джордж, Ливингстон и Десепшен, впервые установлена северная граница вечной мерзлоты Антарктиды со среднегодовой температурой пород, близкой к 0 ºC. На морской террасе у станции Беллинсгаузен она составляет всего –0,5 ºC (температура у подошвы вечной мерзлоты на глубине 10 м составляет 0,25 ºC). На о-ве Десепшен при примерно такой же среднегодовой температуре мощность мерзлых пород составляет ~6 м. В первом случае высокая температура во многом обусловлена отепляющим влиянием мощного, толщиной до 1 м, снежного покрова, во втором – теплоизолирующими свойствами пирокластического материала: пеплами и шлаками.

В геолого-геофизических исследованиях Антарктики следует отметить морские геолого-геофизические работы – сейсмическое профилирование и аэромагнитные наблюдения – с судов «Академик Александр Карпинский» (ВНИИОкеангеология) и «Поларштерн» (Институт А. Вегенера, Германия) в районе плато Кергелен (море Содружества). Благодаря высокому качеству сейсмических материалов удалось обнаружить различия внутреннего строения и физических свойств земной коры, позволивших определить ее происхождение. Установлена взаимосвязь утолщенной магматической коры южной части плато Кергелен с рифтогенной и океанической корой морей Содружества и Дейвиса. По результатам интерпретации геофизических данных была сформирована новая геодинамическая модель и установлено, что раскол литосферы между Индией и Антарктикой произошел около 137 млн лет тому назад. Увеличение мощности базальтового слоя океанической коры с возрастом около 134 млн лет связывается с активизацией мантийной конвекции.

В процессе биологических исследований определены видовой состав (биоразнообразие), таксономическая и трофическая структура и особенности функционирования морских, ледовых, пресноводных и наземных экосистем Антарктики. Оценено современное состояние биоресурсов Южного океана, выявлена разнообразная лихенофлора оазисов Антарктиды и островов. На основе морских и прибрежных гидробиологических исследований определен видовой состав экосистем Южного океана. Обнаружено 37 новых для науки видов в основном среди ракообразных и рыб. На станции Прогресс организован мониторинг состояния прибрежных экосистем. На исследованных глубинах (до 40 м) выявлены шесть видов водорослей и не менее 205 видов беспозвоночных животных различных систематических групп и рыб. Проведены гидробиологические исследования озера Радок. Определена зависимость структуры биоценозов и количественного представительства животных бентоса не только от глубины, но и от характера грунта (мягкий, мелко– или крупнообломочный материал). Изучены состав и особенности территориального распределения лишайников, мхов, грибов и высших растений на островах Кинг-Джордж, Десепшен и Ливингстона, флористические работы на которых проведены впервые. Выявлено 120 видов лишайников и 37 видов мхов. Впервые для бриофлоры острова Кинг-Джордж отмечены два вида мохообразных (Ditrichum conicum и Drepanocladus longifolius).

Исследовано влияние потепления климата в районе Антарктического полуострова. Изучены процессы сокращения покровного оледенения, вымывания осадочных пород, изменения солености, увеличения повторяемости образования айсбергов и колонизации участков, свободных ото льда. Установлена реакция местных экосистем на потепление в виде изменения видового состава сообщества зоопланктона, структуры береговых сообществ и пищевых цепей. Восстановлен комплекс регулярных прибрежных гидрологических и гидрохимических наблюдений вблизи станции Беллинсгаузен. Изучено распределение основных видов лишайников и птиц на острове Кинг-Джордж. Показано, что теплые условия в последние годы способствовали интенсивной колонизации сосудистых растений (травы) на полуострове. Интенсивное таяние ледников на субантарктических островах создает благоприятные условия для колонизации лишайниками участков, свободных ото льда, и увеличения годовой скорости их роста.

Работы в Антарктике носили в основном фундаментальный характер. Полученные данные внесли существенный вклад в достижение главной цели антарктических исследований, которая состоит в определении изменений антарктической природной среды в прошлом и настоящем, а также в оценке ее изменений в будущем.