Арктическая наука: год на полярной станции

Существует множество способов изучения Арктики. Автоматические научные комплексы — метеорологические и океанографические станции, масс-балансовые буи, которые вмораживаются в лед и позволяют определять нарастание или изменение массы ледяного покрова (кстати, такой буй работает на СП-37), — значительно облегчают сбор данных, но имеют свои ограничения. Конечно, заманчиво было бы сидеть в офисе, пока данные поступают через спутниковую связь от системы, к примеру, автоматических гидрологических станций — якорных или дрейфующих буев. Но за год обычно теряется более 50% таких (весьма недешевых) буев — в этом регионе условия работы достаточно тяжелы даже для специально рассчитанной на это техники в связи с динамикой ледяных полей (торошением, сжатием).

Еще один способ получения научных данных — дистанционное зондирование Земли. Научные спутники (к сожалению, не российские) позволяют получать информацию о ледовой обстановке в видимом, ИК-, радиолокационном и микроволновом диапазонах. Эти данные в основном используются в прикладных целях: для проводки судов, для поиска подходящих для дрейфующих станций льдин; на самих дрейфующих станциях они помогают в работе — например, на СП-36 их использовали для обнаружения площадки, пригодной для построения взлетно-посадочной полосы. Однако спутниковую информацию необходимо проверять, сопоставляя ее с реальными наблюдениями — непосредственно измеренной толщиной льда, его возрастом (прямо измерить эти данные со спутника пока невозможно).

Научные станции (уже обитаемые) можно также размещать методом вмораживания судов в лед (этот способ был опробован еще Фритьофом Нансеном). Время от времени такие проекты осуществляются, в качестве примера можно привести французскую яхту «Тара» или американско-канадский проект SHEBA с участием судна, дрейфовавшего в море Бофорта. Подобный проект рассматривался и в отношении атомного ледокола «Арктика», но в конце концов от него по различным причинам отказались. Однако вмороженные суда обеспечивают лишь хорошую базу для жизнедеятельности научного персонала и энергоснабжение научного комплекса. Для сбора научных данных людям все равно придется сходить на лед, чтобы исключить постороннее влияние. К тому же вмораживание судов обходится недешево (и отвлекает суда от их основной работы).

«На мой взгляд, дрейфующий лед— это естественная несущая платформа, наиболее оптимальная как для размещения научного комплекса, так и для проживания людей, — говорит Владимир Чурун. — Она позволяет дрейфовать в течение длительного времени и получать чистые научные данные без какого-либо влияния извне. Конечно, люди на льдине лишены некоторого комфорта, но с этим во имя науки приходится мириться. Разумеется, получение научных данных должно осуществляться в комплексе, с использованием всех доступных средств — и дрейфующих станций, и воздушных экспедиций, и спутникового наблюдения, и автоматических буев, и научно-экспедиционных судов».

«Научная программа СП-36 была достаточно обширна и успешна, — объясняет "TechInsider" Владимир Чурун. — Она включала в себя метеорологические, аэрологические и гидрологические наблюдения, а также исследования свойств льда и снежного покрова. А вот исследования, связанные с ионосферой и магнитным полем Земли, которым в советское время на дрейфующих станциях уделялось немалое внимание, ныне переданы на стационарные полярные станции на материке и на островах».

Начало работы станции знаменуется вовсе не торжественным моментом подъема российского флага над кают-компанией. Официально дрейфующая станция начинает свою работу с момента передачи первой метеосводки в ААНИИ, а оттуда — в глобальную метеорологическую сеть. Поскольку, как известно, «Арктика — кухня погоды», эти данные обеспечивают метеорологов чрезвычайно ценной информацией. Изучение барических (давление, скорость и направление ветра на различных высотах) и температурных профилей атмосферы с помощью зондов до высоты 30 км используется не только для предсказания погоды — эти данные в дальнейшем могут использоваться как для фундаментальных научных целей, таких как уточнение моделей физики атмосферы, так и для прикладных— например, обеспечения полетов самолетов. За все эти данные ответственны метеорологи и аэрологи.

Работа метеоролога может показаться простой — это снятие метеоданных и их отсылка в Росгидромет. Для этого на 10-метровой метеомачте расположен набор датчиков, измеряющих скорость и направление ветра, температуру и влажность, видимость и давление. Вся информация, в том числе от выносных датчиков (температуры снега и льда, интенсивности солнечной радиации), стекается на метеостанцию. Хотя данные снимаются со станции дистанционно, проводить измерения без выхода на метеоплощадку получается далеко не всегда. «Чашки анемометров и радиационная защита метеобудки, где расположены датчики температуры и влажности воздуха, обмерзают, их приходится очищать от изморози (для доступа к верхней части мачты последняя сделана ‘ломающейся'), — поясняет инженер-метеоролог СП-36 Илья Бобков.- А в период таяния растяжки постоянно приходится крепить, чтобы мачта была устойчивой. Кроме того, станция не рассчитана на работу в условиях столь суровых морозов, ниже — 40 °C, поэтому мы вмонтировали туда подогрев — обычную 40-ваттную лампу накаливания. Конечно, есть станции, рассчитанные на столь низкие температуры, но они менее точные».

Выше 10 м — область работы аэрологов. «Мы изучаем верхние слои атмосферы с помощью аэрологических зондов, — объясняет ведущий инженер-аэролог СП-36 Сергей Овчинников. — Зонд — это коробочка массой 140 г, ее прикрепляют к аэростату — шару объемом около 1,5 м³, наполненному водородом, который получают химическим способом в газогенераторе высокого давления — из порошка ферросилициума, едкого натра и воды. В зонд встроены GPS-приемник, телеметрический передатчик, а также датчики температуры, давления и влажности. Каждые две секунды зонд передает информацию вместе со своими координатами на наземную приемную станцию». Координаты зонда позволяют рассчитать его перемещение, скорость и направление ветра на различных высотах (высота определяется барометрическим способом). Электроника зонда питается от водозаливной батареи, которую предварительно выдерживают в воде несколько минут (подобными источниками питания оснащаются спасательные жилеты с аварийными маяками).

«Зонды запускаются каждый день в 0 и в 12 часов по Гринвичу, если позволяют погодные условия, при сильном ветре зонд просто "прибивает" к земле. За неполный год состоялось 640 выпусков, — говорит Сергей Овчинников.- Средняя высота подъема составила 28770 м, максимальная — 32400 м. Скорость подъема зонда — около 300 м в минуту, так что предельной высоты он достигает приблизительно за час-полтора, шар по мере подъема раздувается, а потом лопается, и зонд падает на землю. Правда, найти его практически невозможно, так что прибор одноразовый, хоть и дорогой».

«Основной упор в нашей работе делается на измерение параметров течений, а также температуры, электропроводности, плотности воды, — говорит океанолог СП-36 Сергей Кузьмин.- За последние годы парк приборов значительно обновился, и теперь мы можем получать результаты с высокой точностью, соответствующей мировому уровню. Сейчас мы используем приборы-профилографы, которые позволяют измерять скорость течения с помощью поперечного эффекта Доплера в нескольких слоях.

В основном исследовали атлантические течения, верхняя граница которых находится на глубине 180−220 м, а ядро — 270−400 м». Кроме изучения течений было предусмотрено ежедневное изучение толщи воды с помощью зонда, измерявшего электропроводность и температуру, каждые шесть дней проводились исследования на глубине до 1000 м, чтобы «захватить» атлантические воды, а раз в неделю зонд опускался на всю максимальную длину троса — 3400 м, чтобы изучить глубоководные слои. «В некоторых районах, — объясняет Сергей Кузьмин, — в глубоких слоях можно наблюдать геотермальный эффект».

В задачу океанологов на СП-36 входил также и сбор проб для последующего анализа гидрохимиками. «Три раза за время зимовки — весной, летом и осенью — мы отбирали керн льда, который затем растапливали при комнатной температуре, полученную воду пропускали через фильтр, затем снова замораживали, — говорит Сергей. — И фильтр, и лед специальным образом упаковывали для последующего анализа. Точно так же отбирали пробы снега и подледную воду. Брали и пробы воздуха — с помощью аспиратора, который прокачивал воздух через несколько фильтров, задерживавших мельчайшие частицы. Ранее таким образом удалось, например, обнаружить пыльцу некоторых видов растений, которая долетает в приполюсные районы из Канады и российской тайги».

Для чего изучают течения? «Путем сравнения с данными, накопленными за предыдущие годы, можно выяснить климатические тенденции, — отвечает Сергей. — Такой анализ позволит понять, например, поведение льдов в Северном Ледовитом океане, что чрезвычайно важно не только в фундаментальном отношении, но и в чисто прикладном — например, при освоении природных ресурсов Арктики».

Программа специальных метеорологических исследований включала несколько разделов. Исследовалась структура снежно-ледяного покрова, его теплофизические и радиационные свойства — то есть то, как он отражает и поглощает солнечную радиацию. «Дело в том, что у снега высокая отражающая способность, и по этой характеристике, например на спутниковых снимках, он очень напоминает облачный слой, — поясняет метеоролог Сергей Шутилин. — Особенно зимой, когда температура и там и там составляет несколько десятков градусов ниже нуля. Я изучал теплофизические свойства снега в зависимости от температуры, ветра, облачности и солнечной радиации». Измерялось также и проникновение солнечной радиации (разумеется, во время полярного дня) сквозь снег и лед на различные глубины (в том числе и в воду). Изучались также морфология снега и его теплофизические свойства — температура на различных глубинах, плотность, пористость, фракционный состав кристаллов в различных слоях. Эти данные совместно с радиационными характеристиками помогут уточнить описание снежно-ледяного покрова в моделях различного уровня — как в глобальных климатических, так и в региональных.

Во время полярного дня проводили измерения доходящего до поверхности Земли ультрафиолета, а в полярную ночь с помощью газоанализаторов изучали концентрации углекислого газа, приземного озона и метана, выбросы которого в Арктике связаны, по-видимому, с геологическими процессами. С помощью специального газоанализатора удалось также получить, по словам Сергея Шутилина, уникальные данные о потоках углекислого газа и водяного пара через поверхность снега и льда: «Ранее существовала модель, согласно которой талые воды с побережья попадали в океан, океан покрывался льдом, и под ним шли анаэробные процессы. А после того, как поверхность освобождалась от льда, в атмосферу шел поток углекислого газа. Мы обнаружили, что поток идет в обратную сторону: когда льда нет, то в океан, а когда есть — в атмосферу! Впрочем, это может зависеть и от района — например, измерения на СП-35, которая дрейфовала ближе к югу и к шельфовым морям в восточном полушарии, согласуются с приведенной гипотезой. Так что нужны дополнительные исследования».

Ко льду сейчас привлечено самое пристальное внимание, ведь он — наглядный индикатор происходящих в Арктике процессов. Поэтому его изучение чрезвычайно важно. В первую очередь это оценка массового баланса льда. Летом он тает, зимой нарастает, поэтому регулярные измерения его толщины по мерным рейкам на выделенном полигоне дают возможность оценивать скорость таяния или нарастания льдины, и эти данные затем можно использовать для уточнения различных моделей образования многолетнего льда. «На СП-36 полигон занимал площадку 80х100 м, и с октября по май на нем наросло 8400 т льда, — говорит Владимир Чурун. — Можете себе представить, сколько льда наросло на всю льдину размером 5х6 км!»

«Мы также взяли несколько кернов молодого и старого льда, которые будут исследовать в ААНИИ, — химический состав, механические свойства, морфология, — рассказывает ледоисследователь СП-36 Никита Кузнецов. — Эта информация может быть использована при уточнении различных климатических моделей, а также, например, в инженерных целях, в том числе и для строительства ледоколов».

Кроме того, на СП-36 проводились исследования процессов прохождения различных волн в морском льду: волн, образующихся при соударениях льдин, а также переходящих из морской среды в лед. Эти данные регистрируются с помощью высокочувствительных сейсмометров и используются в дальнейшем для прикладных моделей взаимодействия льда с твердыми телами. По словам ведущего инженера-ледоисследователя СП-36 Леонида Панова, это дает возможность оценить нагрузки на различные инженерные сооружения — суда, буровые платформы и т. д. — сточки зрения ледовой стойкости: «Зная особенности взаимодействия льда с волнами, можно рассчитать прочностные свойства льда, а значит, предсказать, где именно он сломается. Такие методы позволят дистанционно обнаруживать прохождение трещин и торошение в опасных областях — например, поблизости от нефте- и газопроводов».

Когда я спросил Владимира, как ощущаются глобальные изменения климата (а именно — глобальное потепление) во время работы на дрейфующей станции, он в ответ лишь улыбнулся: «Разумеется, площадь льдов и их толщина в Арктике сократились — это вполне зарегистрированный научный факт. Но на дрейфующей станции, в локальном пространстве льдины глобальное потепление совершенно не ощущается. В частности, во время этой зимовки мы зафиксировали минимум температуры за последние десять лет (- 47,3°С). Ветер был не очень сильный — максимальные порывы составляли 19,4 м/с. Но в целом зима с февраля по апрель была очень холодной. Так что, несмотря на глобальное потепление, Арктика не стала ни теплее, ни уютнее, ни комфортнее. Здесь все так же холодно, все так же дуют холодные ветры, все такие же льды вокруг. И надеяться на то, что Чукотка вскоре станет курортом, пока не приходится».