Кіріспе
Мұздық астындағы көл – мұздық астында, әдетте мұз қалқан немесе мұз жамылғысының астында орналасқан көл. Мұз асты көлдер мұз бен оның астындағы тау жынысы арасындағы шекарада пайда болады, онда қысым мұздың еру температурасын төмендетеді. Уақыт өте келе, үстіндегі мұз жыл сайын бірнеше миллиметр мөлшерінде еруде. Еріген су мұздың астындағы жоғары және төмен гидравликалық қысым аймақтарынан ағып, жиналып, миллиондаған жылдар бойы сыртқы ортадан оқшауланған сұйық су қоймасын құрайды. Антарктида мұз жамылғысының астында мұз асты көлдер алғаш рет табылғаннан бері, Антарктидада, Гренландия мұз жамылғысының астынан және Исландияның Ватнайокульл мұздығының астынан 400-ден астам мұз асты көлдер табылды. Мұз асты көлдер Жердегі сұйық тұщы судың маңызды бөлігін құрайды, олардың ішінде тек Антарктикадағы мұз асты көлдердің көлемі шамамен 10,000 км³ немесе Жердегі барлық сұйық тұщы судың шамамен 15% құрайды. Жер атмосферасынан оқшауланған экожүйелер ретінде мұз асты көлдеріне мұз, су, шөгінділер және организмдер арасындағы өзара әрекеттесу әсер етеді. Оларда суық, қоректік заттар аз жағдайларға бейімделген және күннен энергия алудан тәуелсіз биогеохимиялық циклдарды қамтамасыз ететін экстремофильді микроорганизмдердің белсенді биологиялық қауымдастықтары бар. Мұз асты көлдер мен олардың тұрғындары астробиология саласында және ғарыштық өмірді іздеуде ерекше қызығушылық туғызады.
A subglacial lake is a lake that is found under a glacier, typically beneath an ice cap or ice sheet. Subglacial lakes form at the boundary between ice and the underlying bedrock, where pressure decreases the pressure melting point of ice. Over time, the overlying ice gradually melts at a rate of a few millimeters per year. Meltwater flows from regions of high to low hydraulic pressure under the ice and pools, creating a body of liquid water that can be isolated from the external environment for millions of years. Since the first discoveries of subglacial lakes under the Antarctic Ice Sheet, more than 400 subglacial lakes have been discovered in Antarctica, beneath the Greenland Ice Sheet, and under Iceland's Vatnajökull ice cap. Subglacial lakes contain a substantial proportion of Earth's liquid freshwater, with the volume of Antarctic subglacial lakes alone estimated to be about 10,000 km3, or about 15% of all liquid freshwater on Earth. As ecosystems isolated from Earth's atmosphere, subglacial lakes are influenced by interactions between ice, water, sediments, and organisms. They contain active biological communities of extremophilic microbes that are adapted to cold, low nutrient conditions and facilitate biogeochemical cycles independent of energy inputs from the sun. Subglacial lakes and their inhabitants are of particular interest in the field of astrobiology and the search for extraterrestrial life.
Физикалық сипаттамалары
Субледистік көлдердегі су сұйық күйде қалады, себебі геотермальдық жылу мұз бетіндегі жылу шығынымен теңеседі. Үстінен жатқан мұздықтың қысымы судың қату температурасын 0°C-тан төмен түсіреді. Субледистік көлдің төбесі судың қысыммен төмендеген қату температурасы мен температура градиентінің қиылысқан нүктесінде болады. Антарктикадағы ең ірі субледистік көл – Восток көлінде, көл үстіндегі мұз оны қоршаған мұздыққа қарағанда әлдеқайда қалың. Гипертұзды субледистік көлдер тұздың көп мөлшерінің арқасында сұйық күйде қалады.
Мұздықтардың қозғалысына әсер етуі
Мұз асты көлдерінің мұз динамикасындағы рөлі әлі толық анықталған жоқ. Гренландия мұз қабатында мұз асты суы базалық мұз қозғалысын күрделі жолмен күшейтеді. Антарктидадағы Қалпына келтіру мұздығының астындағы "Қалпына келтіру көлдері" ірі мұз ағынының бастапқы бөлігінде орналасқан және аймақтың динамикасына әсер етуі мүмкін. Шығыс Антарктидадағы Берд мұздығының шамалы (10%) жылдамдауы мұз асты дренаждық оқиғаның нәтижесі болуы мүмкін. Мұз асты су ағыны мұздықтардың жүз жылдық мерзімде көшіп-қонуы, жылдамдауы немесе тоқтауы белгілі аймақтарда байқалады, бұл мұз асты суы мұз қабатының жерге сіңу сызығы арқылы шығарылуы мүмкін екенін көрсетеді.
Тарих және экспедициялар
Ресейлік революционер және ғалым Петр А. Кропоткин 19 ғасырдың соңында Антарктика мұз қабатының астында сұйық тұщы су бар екенін алғашқы болып ұсынды. Ол, мұз қабатының түбіндегі геотермиялық жылудың әсерінен мұздың астындағы температура нөлден төмен болатын мұздың еріу температурасына жете алатынын болжады. Мұз қабаты астындағы тұщы су идеясын орыс мұзтанушысы Игорь А. Зотиков одан әрі дамытып, теориялық талдау арқылы Антарктика мұзының беткі қабатындағы мұздың еруі салдарынан азаю мүмкіндігін көрсетті.
Ертедегі барлау
Антарктикадағы ғылыми жетістіктер бірнеше маңызды ынтымақтастық және әріптестік кезеңдеріне байланыстырылады, мысалы, 1882-1883, 1932-1933, 1957-1958 және 2007-2008 жылдардағы төрт Халықаралық полярлық жыл (IPY). 1957-1958 жылдардағы IPY-ның сәттілігі Антарктика зерттеулері жөніндегі ғылыми комитет (SCAR) мен Антарктика шарты жүйесінің құрылуына әкелді, бұл мұз асты көлдерін бақылаудың тиімді әдістемесі мен процесін жасауға мүмкіндік берді. 1959 және 1964 жылдары, төрт совет Антарктика экспедициясының екеуі барысында, ресейлік географ және саяхатшы Андрей П. Капица Антарктикадағы Восток станциясының астындағы геологиялық қабаттардың профилін жасау үшін сейсмикалық зерттеулер жүргізді. Бұл жұмыстың бастапқы мақсаты Антарктика мұз қабатын кең ауқымды зерттеу болып табылды. Дегенмен, осы зерттеулерден алынған деректер 30 жылдан кейін қолданылып, Восток көлінің мұз асты көлі екенін анықтауға мүмкіндік берді. 1950 жылдардың соңынан бастап, ағылшын физиктері Стэн Эванс және Гордон Робин мұздың қалыңдығын анықтау үшін радиоэхо-дыбыс (RES) радиоглациологиялық әдісін қолдана бастады. Мұз асты көлдері RES деректерінде гидростатикалық тұрақтылықты қамтамасыз ету үшін мұз бетіне қатысты шамамен x10 бұрышпен төмен қарайтын үздіксіз және айна тәрізді шағылыстырғыштар ретінде анықталады. 1960 жылдардың соңында олар RES құралдарын ұшақтарға орнатып, Антарктика мұз қабатының деректерін жинады. 1971 және 1979 жылдар аралығында Антарктика мұз қабаты RES жабдықтарын пайдалана отырып, жан-жақты зерттелді. Осы тәсілді қолдану арқылы Капица және оның командасы 17 мұз асты көлін анықтады. RES Гренландиядағы алғашқы мұз асты көлінің табылуына да ықпал етті. Бұл суреттеу Восток көлінің солтүстік шекарасының айналасындағы тегіс бетті көрсетті, ал ERS 1 спутнигінен алынған деректер Антарктикадағы мұз асты көлдерінің географиялық таралуын одан әрі нақтылады. 2005 жылы Лоренс Грей және мұзтанушылар тобы RADARSAT деректерінен мұз бетінің құлдырауы мен көтерілуін зерттеді, бұл су қозғалысына ұшырайтын гидрологиялық жағынан "белсенді" мұз асты көлдердің болуы мүмкін екенін көрсетті. 2003-2009 жылдар аралығында NASA Жерді бақылау жүйесінің бөлігі ретінде ICESat спутнигін пайдалана отырып, мұз бетінің биіктігін ұзақ жолмен өлшеу Антарктидадағы белсенді мұз асты көлдердің алғашқы континенттік картасын жасады. Грей және авторлар (2005) RADARSAT деректерінен мұз бетінің құлдырауы мен көтерілуін мұз асты көлдерінің "белсенді" көлдерді толтыруы және босатуының нәтижесі ретінде түсіндірді. Wingham және авторлар (2006) радиолокациялық биіктік өлшегіш (ERS 1) деректерін пайдаланып, көлдер арасындағы су ағынын көрсететін бір мезгілде судың көтерілуі мен құлдырауын көрсетті. NASA-ның ICESat спутнигі осы тұжырымдаманы одан әрі дамытуға көмектесті, ал келесі зерттеулер осы құбылыстың кең таралғанын көрсетті. ICESat 2007 жылы өлшеуді тоқтатты, ал анықталған "белсенді" көлдерді Смит және авторлар (2009) жинады, олар 124 осындай көлді анықтады. Көлдердің өзара байланысты екенін түсіну көлдерге бұрғылау жоспарларына қатысты жаңа ластану алаңдаушылықтарын тудырды (төмендегі Үлгі алу экспедициялары бөлімін қараңыз). Бірнеше көлдер 1970 жылдардың ортасына дейін жүргізілген SPRI NSF TUD зерттеулері арқылы анықталды. Бұл бастапқы жинақтан бері жүргізілген бірнеше кішігірім зерттеулер Антарктидада көптеген мұз асты көлдерін тапты, әсіресе Картер және авторлар (2007), олар (RES) деректер жиынтығындағы қасиеттеріне негізделген мұз асты көлдерінің түрлерін анықтады.
Сынама алу экспедициялары
2010 жылдың наурызында Балтиморда Америка геофизикалық одағының Чепмен конференциясында мұз асты көлдері тақырыбындағы алтыншы халықаралық конференция өтті. Конференция инженерлер мен ғалымдарға мұздықты бұрғылау жобаларында қолданылатын жабдықтар мен стратегияларды – мысалы, ыстық сумен бұрғылау құрылғыларын, суды өлшеу және сынама алуға арналған жабдықтарды, шөгінділерді қалпына келтіруді, сондай-ақ тәжірибелік тазалық және экологиялық жауапкершілік протоколдарын талқылауға мүмкіндік берді. Көл суы бұрғылау саңылауын толтырып, қыс мезгілінде қатып қалды, ал қайтадан қатып қалған көл суының (аккрециялық мұздың) үлгісі 2013 жылдың жаз айларында алынды. 2012 жылдың желтоқсан айында Ұлыбритания ғалымдары таза қол жеткізуге арналған ыстық су бұрғысын пайдаланып Элсворт көліне кіруге тырысты; алайда, жабдықтың бұзылуына байланысты миссия тоқтатылды. 2013 жылдың қаңтарында АҚШ жетекшілігімен жүргізілген Уиланс мұз ағынының мұз астына кіру зерттеу бұрғылау экспедициясы (WISSARD) Батыс Антарктидадағы Уиланс көлінен микробиологиялық өмірді зерттеу үшін сынамалар мен өлшемдер алды. 2018 жылдың 28 желтоқсанында Субглациалды Антарктика көлдеріне ғылыми қол жеткізу (SALSA) тобы жоғары қысымды ыстық су бұрғысымен 1067 метр (3501 фут) мұзды ерітіп, Мерсер көліне жеткенін хабарлады. Бұл Шығыс Антарктика көлдерінің мұз асты су жүйесі арқылы базальды еріген сумен толықтырылатынын көрсетеді. Антарктиканың ең ірі мұз асты көлдері Шығыс Антарктиканың C-Восток аймағында шоғырланған, бұл қалың жылу оқшаулағыш мұздың және қиын, тектоникалық әсер еткен мұз асты топографиясының салдары болуы мүмкін. Батыс Антарктидада Элсворт көлі Элсворт тауларының ішінде орналасқан және салыстырмалы түрде кішкентай және жақсы тереңдігі жоқ. Сипл жағалауындағы мұз ағындары, сондай-ақ Батыс Антарктидада, көптеген шағын мұз асты көлдерінің үстінде жатыр, олардың ішінде Уиланс, Энгельхардт, Мерсер, Конвей көлдері және олардың төменгі көршілері – Төменгі Конвей (LSLC) және Төменгі Мерсер (LSLM) бар.
accompanied by their lower neighbours called Lower Conway (LSLC) and Lower Mercer (LSLM).
Гренландия
Гренландия мұздықтарының астындағы су асты көлдерінің бар екендігі соңғы он жылдықта ғана анықталды. Радиоэхо-талдау нәтижелері мұздықтың солтүстік-батыс бөлігінде екі су асты көлін көрсетті. Мұздықтың оңтүстік-батыс жиегіне жақын жерде тағы бір мүмкін су асты көлі табылды, мұздың астындағы дөңгелек ойыс климаттың жылынуына байланысты көлдің жақында құрғап қалғанын көрсетеді. Мұндай құрғау, мұздықтан түскен балқыған судың жиналуы арқылы мұздықтың табанына жылу берумен қатар, мұз ағысының жылдамдығына және Гренландия мұздықтарының жалпы мінез-құлқына әсер ететіні болжанып отыр. Исландиядағы су асты көлдерінің көп бөлігі Ватнайокульл және Мирдальсйокульл мұздықтарының астында орналасқан, онда гидротермалдық белсенділіктен пайда болған балқу тұрақты шұңқырларды құрайды, олар балқыған сумен толады. Гримсвоттн – Ватнайекулл мұздығының астындағы ең белгілі су асты көлі. Мұздықтың астындағы басқа көлдер Skatfá, Pálsfjall және Kverkfjöll қазандықтарында жатыр. Мырдальсйокульл мұздық қаптары, тағы бір маңызды су асты көлінің орны, Катла жанартау жүйесінің оңтүстік бөлігіндегі белсенді жанартау кальдерасы жүйесінің үстінде орналасқан. Бұл палео-су асты көлдері, соңғы мұз дәуірінде Лорантид мұздықтарының кеңеюіне дейін пайда болған аңғарларда орналасқан болуы мүмкін. Дегенмен, екі су асты көлі Канаданың Нунавут аймағындағы Девон мұздықтарының астындағы тау жынысы қабаттарында радиоэхо-талдау арқылы анықталды. Бұл көлдердің құрамындағы тұздылықтың жоғары болуы, олардың астындағы тұзды тау жыныстарымен байланысты, және Антарктидадағы сирек кездесетін тұзды су асты көлдеріне қарағанда оқшауланған. Поляр көлдерді зерттейтін көрнекті ғалым, профессор Джон Приску Антарктиданың су асты экожүйесін "біздің планетамыздың ең ірі ылғалды жері" деп атады. Су асты көлдерінің қараңғылығында фотосинтез жүрмейді, сондықтан олардың азық тізбегі химиялық синтез және мұз басудан бұрын жиналған ежелгі органикалық көміртектің пайдалануы арқылы қамтамасыз етіледі.
Microorganisms and weathering processes drive a diverse set of chemical reactions that can drive a unique food web and thus cycle nutrients and energy through subglacial lake ecosystems. No photosynthesis can occur in the darkness of subglacial lakes, so their food webs are instead driven by chemosynthesis and the consumption of ancient organic carbon deposited before glaciation.
Биогеохимиялық циклдер
Мұз асты көлдерінің шамалы бөлігі ғана тікелей зерттелгендіктен, мұз асты көлдерінің биогеохимиясы туралы қазіргі білімнің көп бөлігі аз ғана үлгілерге негізделген, олардың көпшілігі Антарктидадан алынған. Үлгі алынбаған мұз асты көлдерінің ерітінді концентрациясы, химиялық процестері және биологиялық әртүрлілігі туралы қорытындылар да жоғарыдағы мұздықтардың табанындағы аккрециялық мұзды (қайтадан мұздатылған көл суын) талдау арқылы жасалды. Бұл қорытындылар аккрециялық мұздың оны құраған көл суымен ұқсас химиялық іздерге ие болады деген болжамға сүйенеді. Ғалымдар мұз асты көлдерінде әртүрлі химиялық жағдайларды анықтады, олардың жоғарғы қабаттары оттектің артық мөлшерімен толып, ал төменгі қабаттары оттектіксіз және күкіртке бай. Әдеттегідей олиготрофтық жағдайларына қарамастан, мұз асты көлдері мен шөгінділерде аймақтық және жаһандық маңызы бар қоректік заттар, әсіресе көміртек мөлшері көп деп саналады.
Көл-мұз аралықта
Мұздық мұзда қамалған ауа клатраттары басқа жағдайда жабық мұз асты көлдер жүйесіне кіретін оттегінің негізгі көзі болып табылады. Көлдің үстіндегі мұздың төменгі қабаты еріген кезде клатраттар мұздың кристалдық құрылымынан босатылады және оттегі сияқты газдар микробтарға аэробты тыныс алу сияқты процестер үшін қолжетімді болады. Кейбір мұз асты көлдерінде көл мұзының беткі қабатындағы мұздың балқуы жоғары көл суын оттегімен байытады, бұл әдеттегі жер бетіндегі суларға қарағанда 50 есе жоғары концентрацияға жетеді. Субледистік көлдің үстіндегі мұздық мұз қабатының еруі су асты суларын темір, азот және фосфорлы минералдармен, сондай-ақ кейбір еріген органикалық көміртек пен бактериялық жасушалармен қамтамасыз етеді. Оксидті немесе аздап субоксидті сулар мұздық көлдің интерфейсіне жақын орналасқан, ал аноксия көлдің ішкі және шөгінділерінде микробтардың тыныс алуына байланысты басым. Кейбір мұз асты көлдерінде микробтық тыныс алу көлдегі барлық оттегіні тұтынады, бұл жаңа оттегіге бай су ағып келгенше толығымен оттегісіз ортаны жасайды. Мұз ерігеннен алынған оттегі мен микробтардың оттегіні тұтынуы су асты мұздық көл су бағанасында редокс градиенттерін тудыруы мүмкін, жоғарғы суларда нитрификация сияқты аэробты микробтық процестер, ал аноксикалық суларда анаэробты процестер жүреді. Антарктика мұздықтарының субледистік ағыны, оның ішінде субледистік көлдердің ағыны, Оңтүстік мұхитқа әлемдегі ең үлкен өзендердегідей еріген заттардың мөлшерін қосады деп бағаланады. Субледистік көлдердің морфологиясы олардың гидрологиясы мен циркуляция үлгілерін өзгертуге мүмкіндік береді. Мұздың қалыңдығы жоғары аймақтарда балқу жылдамдығы жоғарылайды. Керісінше, мұздық ең жұқа жерлерде көл суының қайта тоңазуына мүмкіндік туады. және қазіргі заманғы мұхит шөгінділеріндегі реактивті көміртек мөлшерімен шамалас болуы мүмкін, бұл мұз асты шөгінділерін әлемдік көміртек циклінің маңызды, бірақ жеткіліксіз зерттелген компоненті етеді. Метан Уилан көлінде анықталды, ал тәжірибелер метаногендік археялар Антарктида мен Арктика мұздықтарының астындағы шөгінділерде белсенді бола алатынын көрсетті. Субледистік көл шөгінділерінде сақталмай қалған метанның көп бөлігін оттегімен толыққан жоғарғы сулардағы метанотрофты бактериялар тұтынады. Уилан көлінде ғалымдар бактериялардың тотығуынан метанда бар газдың 99% -ы жойылғанын анықтады. Антарктиканың мұз асты суларында да еріген органикалық көміртек пен бактериялық биомасса түрінде органикалық көміртектің көп мөлшері бар деп есептеледі. Бірақ соңғы 30 жылда мұз асты көлдерінен, шөгінділерден және мұздан жиналған жерлерден микробтық өмір мен жоғары деңгейдегі өмірдің белгілері табылды. Өсімдіктер сияқты, хемолитоавтотрофтар көмірқышқыл газын (CO2) жаңа органикалық көміртеңге бекітіп, оларды мұз асты көлдерінің азық тізбегінің негізіндегі негізгі өндірушілерге айналдырады. Күн сәулесін энергия көзі ретінде пайдаланудың орнына, хемолитоавтотрофтар литосферадан алынған органикалық емес элементтердің тотығуы немесе азаюы нәтижесінде туындайтын химиялық реакциялардан энергия алады. Субледистік экожүйелерде хемолитоавтотрофтар пайдаланатын ортақ элементтерге сульфид, темір және шөгінділерден алынған карбонаттар жатады. Редокс жағдайларының өзгермелілігі және шөгінділерден алынатын әртүрлі элементтер мұз асты көлдерінде көптеген басқа метаболизмік стратегияларға мүмкіндік береді. Субледистік көл микробында қолданылатын басқа метаболизмдерге метаногенез, метанотрофия және хемолитогетеротрофия жатады, онда бактериялар органикалық заттарды тұтынады, ал органикалық емес элементтерді тотықтайды. Егер бұл организмдер болса, бактериялар мен басқа микроорганизмдерді жеп өмір сүре алады.
Қоректік заттардың шектелуі
Мұз асты көлдерінің сулары өте аз қоректік затты деп саналады және оларда азот пен фосфор сияқты қоректік заттардың концентрациясы төмен. Жер бетіндегі көлдердің экожүйелерінде фосфор дәстүрлі түрде экожүйедегі өсімді шектейтін негізгі қоректік зат ретінде қарастырылған, бірақ азот пен фосфордың бірлескен жеткіліксіздігі көбінесе кездеседі. Дегенмен, Уилланс көлінен алынған мәліметтер кейбір мұз асты суларында азоттың шектейтін қоректік зат екенін көрсетеді, себебі азот пен фосфордың арақатынасы Редфилд қатынасына қарағанда өте төмен. Антарктидадағы басқа мұз асты үлгілеріне Тейлор мұздығының астындағы тотықтандырылмаған, тым тұзды судың шоғыры кіреді, онда 1,5-2 миллион жыл бұрын атмосферадан оқшауланған микробтық қоғамдастық қоныстанған. Тейлор мұздығының астындағы бактериялар органикалық заттарды ыдырату үшін сульфат пен темір иондарын пайдаланатын жаңа метаболизм стратегиясына ие болып көрінеді.
Исландия
Исландияның Ватнайокуль мұздық қабатының астындағы мұз асты көлдері микробтық өмір үшін бірегей ортаны қамтамасыз етеді, себебі олар мұз асты вулканизмнен жылу және химиялық заттар алып, көл сулары мен шөгінділерінің химиялық құрамына әсер етеді. Гримсвоттн жанартаулық калдыраның астындағы көлде белсенді психофильді, автотрофты бактериялар табылды. Шығыстағы Skaftárketill және Kverkfjallalón мұз асты көлдерінде микробиологиялық қоғамдастықтың әртүрлілігі төмен, онда бактериялардың геобактер және Desulfuosporosinus түрлері кездеседі, олар анаэробты тыныс алу үшін күкірт пен темірді пайдалана алады. Батыс Скафта көліндегі оттегізсіз судың түбінде метаногендер емес, ацетат өндіретін бактериялар басым. Өмір көбінесе мұздық және мұз асты ортада сақталған, сондықтан қазіргі мұз асты көлдері Жер тарихының осы кезеңін түсіну үшін маңызды зерттеу жүйесі болып табылады. Соңғы кезде Исландиядағы мұз асты көлдері Квартерлік мұз дәуірінде жер асты амфиподтарына пана болған болуы мүмкін.
Жерден тыс тіршілікке әсері
Субледістік көлдер – ғарыштағы мұзбен жабылған су денелерінің үлгісі болып табылады, осылайша оларды астробиология саласындағы маңызды зерттеу нысанына айналдырады. Астробиология – Жерден тыс жерде өмір болу мүмкіндігін зерттейтін ғылым. Жердің су асты көлдеріндегі тірі экстремофиль микроорганизмдердің табылуы, басқа планеталардағы ұқсас ортада өмірдің болу мүмкіндігін көрсетеді. Юпитердің Еуропа және Сатурнның Энцелад спутниктері ғарыштық өмірді іздеуде үміт беретін мақсаттар болып табылады. Еуропа мұзды қабықпен жабылған кең мұхитқа ие, ал Энцеладта да су асты мұхиты бар деп саналады. Энцеладтың бетіндегі жарықтардан шығатын мұзды су буының спутниктік талдауы, сутегінің қатты өндірілісін көрсетеді, бұл темірлі минералдар мен органикалық заттардың тотығуына себеп болуы мүмкін. 2018 жылы Марстағы су асты көл, Mars Express ғарыш кемесіндегі RES құралы арқылы ашылды. Бұл су, Марстың оңтүстік полюстік қабатты шөгінділерінің астында табылды және геотермальдық жылудың әсерінен мұз қабатының астында еру нәтижесінде пайда болған деп болжанады.