Этим летом Алекс Анезио проведет три недели в окружении тысяч дыр в арктическом ледяном покрове. Он и его команда разбили лагерь за несколько миль от ближайшего поселения, окруженного ландшафтом, разорванным на части огромными нестабильными трещинами. Единственный выход или выход на вертолете. Звуковой ландшафт ученых будет сводиться к хрусту кошек по льду, потоку ледниковых потоков и редкому стону массивного ледяного покрова, перестраивающегося.
Связанный контент
- Подтверждено: Антарктида и Гренландия теряют лед
«Это как на другой планете», - говорит Анезио, биогеохимик из Бристольского университета в Англии, проработавший в Арктике около 15 лет. «Единственное, что ты видишь вокруг - это лед».
Он и его команда проведут недели на этом изолированном участке ледяного покрова Гренландии, чтобы следить за лужами, которые могут влиять на климат Земли.
Диаметр отверстия в цироконите варьируется по размеру примерно от ширины карандаша до размера крышки мусорного бака. (Джозеф Кук) Способность возиться с климатом нашей планеты не изолирована от арктических луж. Микробы в этих небольших бассейнах, расположенные в донных отложениях, скрытых в милях под ледяным щитом Антарктики, могут обладать способностью серьезно изменять глобальный углеродный цикл, а также климат. И исследователи только недавно начали ориентироваться в этих крошечных мирах.
Лужи, которые изучает Анезио, называются криоконитными дырами - «крио», что означает лед, и «конит», что означает «пыль». Они развиваются, когда груды ветрового мусора оседают на белой отражающей поверхности ледника или ледяного покрова. Темнее, чем снег и лед, этот мусор поглощает больше тепла от солнца, чем его окружение, и заставляет лед под ним таять в цилиндрические отверстия до глубины около фута.
Ученые когда-то думали, что эти дыры лишены жизни. Но исследователи теперь обнаруживают, что они действительно содержат сложные экосистемы микробов, таких как бактерии, водоросли и вирусы.
Миллионы этих отверстий, как правило, от ширины карандаша до ширины крышки мусорного бака, покрывают ледяные покровы в виде швейцарского сыроподобного рисунка по всему миру. Команда Анезио подсчитала, что в целом площадь поверхности этих отверстий составляет примерно 9 000 квадратных миль. Это немного меньше, чем штат Нью-Гэмпшир.
По мере того, как эти темные, отвратительные экосистемы распространяются по льду, они могут стать причиной того, что иначе бы отражающая охлаждающая поверхность поглощала все больше тепла от солнца. Это может потенциально ускорить таяние ледяного покрова Гренландии, сообщила команда в марте в журнале Geochemical Perspective Letters .
Но команда Анезио также обнаружила, что организмы в этих дырах могут оказывать охлаждающее воздействие на планету, активно высасывая углекислый газ из атмосферы посредством фотосинтеза. Фактически, когда микроорганизмы выводят из атмосферы достаточное количество этого парникового газа, дыры ведут себя как углеродные стоки.
Помогают ли эти дыры охладить или обогреть планету, еще неизвестно. Но поскольку более теплый климат создает больше дыр, баланс, похоже, склоняется к чистому потеплению, а не к охлаждающему воздействию на атмосферу.
Этим летом Анезио и его команда будут следить за химическими и физическими свойствами этих дыр в мучительных деталях, чтобы лучше понять, как они могут влиять на ледниковое поведение и изменяющийся климат Земли.
Когда на ледяном покрове накапливается достаточное количество пыли, криоконитные отверстия сливаются и превращаются в озера, такие как это в Гренландии. (Джозеф Кук) Идея о том, что микроорганизмы могут жить на ледниках и ледяных щитах, не говоря уже о том, чтобы развиваться в глобально значимых масштабах, все еще относительно нова для науки. До конца 1990-х годов исследователи обычно рассматривали лед на обоих полюсах как более или менее стерильную среду.
«Когда вы смотрите на ледник или ледяной покров, вы не видите ничего, что могло бы подсказать вам, существует ли там жизнь», - говорит Джемма Уэдхэм, коллега Анезио из Бристольского университета. Биологи действительно не изучали ледниковую среду до конца 1990-х годов, когда появились первые свидетельства микробной жизни.
Предыдущее отсутствие интереса не было из-за технологических ограничений, объясняет Уодхем. Все, что понадобилось бы, чтобы найти жизнь, - это собрать талую воду перед ледником и найти признаки активных микроорганизмов. «Никто этого не делал», - говорит Уодхем. «Это звучит немного сумасшедшим, но я думаю, что так иногда и развиваются вещи».
С 90-х годов наблюдается всплеск исследований, посвященных изучению микробов, которые живут на поверхности или под ледниками и ледяными щитами. В последние годы исследователи обнаружили, что эти микробы далеки от бездействия. Фактически, команда Анезио сообщила в исследовании 2009 года, что микробы в некоторых криоконитных отверстиях биологически активны так же, как и микробы, обнаруженные в более теплых почвах вплоть до Средиземного моря.
«Это было действительно удивительно, учитывая низкую температуру и низкое содержание питательных веществ [окружающей среды]», - говорит Джозеф Кук, исследователь криоконитных дыр в Университете Шеффилда, который не принимал участия в этом исследовании.
В течение года эта деятельность может в совокупности поглотить целых 63 000 имперских тонн углекислого газа, сообщила команда Анезио в статье 2009 года. Это сопоставимо с выбросами примерно 13 500 автомобилей в данный год, говорит он.
«[Исследование Анезио] было действительно первой попыткой количественно оценить количество углерода, поступающего и выходящего из этих систем, что было огромным шагом и очень важным», - говорит Кук.
Алекс Анезио и его команда спят в палатках на льду во время полевых исследований. Анезио говорит, что часть льда под палаткой тает, но палатка ведет себя как изолятор и сохраняет большую часть основания замороженной. (Крис Беллас) Выводы Анезио не обязательно были тем, что вы ожидаете от водоема с пресной водой. Большинство прудов и озер, как правило, выделяют в атмосферу больше углекислого газа в результате разложения органических веществ, чем они поглощают в процессе фотосинтеза.
Это потому, что большинство прудов и озер находятся в лесах и получают постоянный поток животных и растительных остатков из этих лесов через подземные воды. В результате, пруды и озера часто содержат много разлагаемого материала, и разложение часто происходит чаще, чем фотосинтез, объясняет Анезио.
Криоконитовые дыры, с другой стороны, изолированы от лесов - иногда на десятки сотен миль - и получают большую часть своего органического материала через скопления бортового мусора. По словам Анезио, материала для разрушения не так много, поэтому фотосинтезирующие организмы имеют тенденцию доминировать.
Впрочем, чтобы изменить этот сценарий, не нужно много. Если осадок в отверстиях становится слишком густым, солнечный свет не может достичь дна. Это ограничивает фотосинтез, и скорость разложения начинает вступать во владение.
«Вся эта динамика очень зависит от движения льда и рельефа льда», - говорит Анезио. Это может измениться изо дня в день и в зависимости от сезона. «Иногда у вас много таяния, и вы перераспределяете гранулы вокруг в более тонкие слои, или иногда они накапливаются в определенных частях ледника».
Команда Анезио попытается решить вопрос о том, как эти дыры меняются со временем, спя рядом с ними и отслеживая их активность изо дня в день этим летом.
По словам Анезио, звуки судорог и струящейся воды - одни из тех, что вы слышите в этой обстановке. (Крис Беллас) Отправляйтесь в противоположный конец света от полевого участка Анезио, и вы обнаружите еще одну особенность ледников, которые могут играть важную роль в климате Земли: массивные озера, утопающие в глубине до 2, 5 миль антарктического льда.
Эти скрытые озера, некоторые из которых сопоставимы по размеру с Великими озерами Северной Америки, в последние годы привлекли внимание исследователей, таких как Анезио и Уодхем, по нескольким причинам. Во-первых, в этих озерах содержится вода, которая была поймана в ловушку в течение миллионов лет, в которой обитает экстремальная жизнь, которая никогда не подвергалась воздействию человека.
Озера могут также хранить большие объемы мощного парникового газа метана, замороженного в форме, называемой гидратами метана. Если ледяные щиты Антарктиды разрушатся, это подвергнет воздействию этих гидратов, затопляя их морской водой, когда океан омывает части континента. Дестабилизированные гидраты превратятся в пузырьки метанового газа и согреют атмосферу, сообщил Уэдхем и его коллеги в исследовании, опубликованном в журнале Nature в 2012 году.
Используя бортовые радиолокационные и спутниковые изображения, исследователи обнаружили более 400 из этих так называемых подледниковых озер под антарктическим ледяным щитом за последние 50 лет. Но только в 2013 году амбициозная международная команда исследователей впервые успешно пробурила скважину через почти полмили льда на поверхности одного из этих озер.
В 2015 году они снова успешно пробурили в близлежащем месте, впервые достигнув зоны заземления ледяного покрова. Зона заземления - это область, где ледяной покров теряет контакт с землей и плавает в море.
Исследователи из проб донных отложений и воды, взятые из зоны заземления, предоставят группе новое понимание стабильности Западно-Антарктического ледникового щита и его потенциала повышения глобального уровня моря в случае его разрушения. Команда также будет измерять микробную активность в этих отложениях, чтобы лучше понять роль этих погребенных микробов в глобальном углеродном цикле.
Slawek Tulaczyk, исследователь из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, который был одним из ведущих ученых в этих важных достижениях, рассказывает о напряженности в ожидании прибытия их оборудования на буровую площадку в 2013 году после более чем пяти лет планирования с около 50 международных сотрудников.
Исследователи договорились о том, чтобы их оборудование - совокупной массой около 300 000 фунтов - путешествовало в пределах 12 транспортных контейнеров через 800 миль ледяного покрова, чтобы достичь подледникового озера Уилланс на юго-западе Антарктиды. Более мелкие, чем другие подледниковые озера, Уилланс предоставил исследователям достойные шансы на успех благодаря своей относительной доступности по сравнению с другими озерами, скрытыми под милями льда.
Водителям грузовиков потребовалось две недели, чтобы доставить оборудование, а иногда и очень деликатное, на буровую площадку. Все, что могли сделать ученые, - это подождать на исследовательской станции МакМердо и послушать, как операторы грузовиков звонили со своими отчетами.
«Мы слышали некоторые ужасные истории», - говорит Тулачик, объясняя, что водители вызывали, чтобы сообщить о сломанных предметах, и запрашивали дополнительные сварочные материалы. К счастью, большая часть ущерба была связана с транспортными контейнерами, а не с их содержимым.
«Когда мы прилетели, то, что было внутри контейнеров, сохранилось достаточно хорошо, чтобы мы могли его использовать, но сами контейнеры были довольно избиты и выглядели так, как будто они многое пережили», - говорит Тулачик.
Тулачик и его коллеги подготовили что-то, что называлось водонагревателем для доступа к озеру Уилланс. В течение 24 часов исследователи пробурили отверстие диаметром около фута, с силой накачивая горячую воду вниз и циркулируя так, чтобы по мере углубления отверстие само по себе не замерзало.
Как только они успешно достигли поверхности озера, исследователи отправили в скважину зонды для сбора данных и образцов. Но они должны были сделать это осторожно и чисто. Если они загрязнили какое-либо из своего оборудования, они рискуют собрать современные микробы, которые могут запутать их результаты и испортить нетронутую среду обитания.
По словам Тулачика, к их волнению и облегчению, команда обнаружила признаки микробов, живущих в воде. Были моменты, когда команда волновалась, что они потратили годы планирования и потратили миллионы долларов, пытаясь достичь безжизненной пустоты.
Их результаты подтверждают идею о том, что большие объемы гидратов метана, полученных из микробов, могут находиться под антарктическим ледяным щитом. Микробы могут производить этот метан, разлагая древние леса и другие органические вещества подо льдом, Уодхем, Анезио, Тулаччик и коллеги предложили в своем докладе о природе 2012 года.
Исследователи, изучающие криоконитные отверстия, должны иногда носить чистые костюмы, чтобы предотвратить загрязнение их микробных образцов. (Алекс Анезио) Используя оценки, основанные на измерениях отложений, собранных под ледяным щитом Гренландии - сопоставимого, но гораздо более тонкого аналога антарктического ледяного щита - команда рассчитала, что под антарктическим льдом может быть спрятано до 3, 9 миллиона имперских тонн метана.
Учитывая эффективность метана как парникового газа, это может стать проблемой для атмосферы Земли, если большая часть ледяного покрова растает. И, согласно оценкам исследователей из Массачусетского университета, Амхерста и Университета штата Пенсильвания, это может произойти к концу столетия.
Мартин Сигерт, гляциолог из Имперского колледжа в Лондоне, был частью команды, которая впервые описала подледниковое озеро в 1996 году. Он говорит, что оценки того, сколько метана находится под антарктическим льдом, теоретически правдоподобны.
Тем не менее, исследователи должны были бы измерить микробную активность во влажных отложениях под ледниковыми щитами, чтобы подтвердить свою гипотезу, говорит Зигерт. «Это довольно просто, тип науки, который вам нужно делать, трудности с этим спускаются и бурение горячей водой».
Однако, даже если оценки разрушения ледяного покрова к концу столетия были правильными, вероятно, потребуется гораздо больше времени, чем для того, чтобы влияние гидратов метана стало обнаруживаться в атмосфере, говорит Алексей Портнов, исследователь из Арктики Университет Тромсё в Норвегии. Портнов изучает остатки гидратов метана, обнаруженных в конце последнего ледникового периода в Арктике, а также гидраты метана, которые в настоящее время тают в вечной мерзлоте Арктики. Он говорит, что даже если гидраты метана покоятся под Антарктическим ледниковым щитом, они дестабилизируются и начинают поднимать метан через морскую воду на поверхность, потребуются сотни лет, чтобы эти запасы метана оказали заметное воздействие на глобальный климат.
«В последние годы ледяные шапки разрушаются быстрее и быстрее», - говорит Портнов. «Но все же, чтобы получить количество метана из этих газовых гидратов, чтобы как-то изменить климат, потребуется довольно много времени».
Тем временем, по словам Портнова, гидраты метана, таящие от вечной мерзлоты и по мелководным хребтам морского дна, уже выпускают этот парниковый газ в атмосферу со значительной скоростью. Ледяные щиты являются лишь одним из многих хранилищ замороженного метана, которые тают.
Следующим этапом работ по подледниковому гидрату метана будет обеспечение большего финансирования для начала очередной буровой экспедиции в более глубокое озеро. Предыдущие усилия, такие как многомиллионные попытки провести бурение на озере Эллсворт в 2012 году, потерпели неудачу. Поэтому, прежде чем пытаться получить доступ к более глубоким озерам с помощью существующего оборудования, исследователи и инженеры должны совместно разработать новые методы для более глубоких проектов.
«Нам просто нужно туда добраться и получить образцы», - говорит Уодхем. «Это одна из задач следующих двух десятилетий».
Большие пространства криоконита - или ледяной пыли - покрывают ледяной щит Гренландии и другие ледники по всему миру, затемняя их поверхности и заставляя их поглощать тепло от солнца. (Джозеф Кук) В то время как ледники и ледяные щиты могут физически перекрывать большие запасы захороненных гидратов метана или вытягивать углекислый газ из атмосферы через миллионы небольших отверстий, их воздействие достигает гораздо большего, чем их физический след.
Например, когда криоконитные дыры тают достаточно глубоко, чтобы истощить дно ледника, их содержимое может в конечном итоге достичь океана, сбрасывая питательные вещества в морскую экосистему. Это может вызвать крупномасштабное цветение водорослей, которое может вывести углекислый газ из атмосферы в пропорциях, значительно превышающих то, что микробы в этих отверстиях могут разрушить, говорит Анезио.
«Это оказало бы гораздо более сильное глобальное воздействие, поскольку фиксация углерода в океане оказывает огромное влияние на глобальный углеродный цикл», - говорит он.
Хотя до полной картины того, как ледниковые микробы влияют на климат Земли, еще много лет, Анезио и его коллеги-полярники продолжают двигаться вперед. Решение технологических проблем и суровых условий часто означает, что их прорывы идут полным ходом. Но проблемы, как интеллектуальные, так и физические, привлекают ученых к этим застывшим пейзажам.
«Быть там так красиво, это потрясающе», - говорит Анезио. «Размеры и масштаб вещей такие большие, реки, вода и форма льда. Я действительно с нетерпением жду поездки туда.
Кук в университете Шеффилда соглашается. Он находит поля криоконитовых дыр, насколько глаз может видеть, довольно поразительное изображение.
«Смотреть в криоконитные отверстия странно красиво», - говорит Кук. «Это очень безмятежно, и невероятно видеть что-то настолько простое на первый взгляд, что это как бы противоречит невероятной сложности происходящего. Это что-то вроде гипнотического.
Скважина на озере Уилланс, которая требовала координации между около 50 сотрудниками со всего мира. (Томас Дж. Т.)
