Подледные озёра: скрытые резервуары пресной воды.

Введение

Подледниковое озеро — это озеро, расположенное под ледником, как правило, под ледяным щитом или ледяной шапкой. Подледниковые озера формируются на границе между льдом и нижележащей скальной основой, где давление понижает температуру плавления льда. Со временем налегающий лёд постепенно тает со скоростью в несколько миллиметров в год. Талая вода течёт из областей высокого гидравлического давления в области низкого и накапливается, образуя водоём с жидкой водой, который может быть изолирован от внешней среды на протяжении миллионов лет. С момента первых открытий подледниковых озёр под Антарктическим ледниковым щитом, в Антарктиде было обнаружено более 400 подледниковых озёр, под ледниковым щитом Гренландии и под ледяной шапкой Ватнайокуль в Исландии. Подледниковые озера содержат значительную часть жидкой пресной воды Земли, при этом объём только антарктических подледниковых озёр оценивается примерно в 10 000 км³, что составляет около 15% всей жидкой пресной воды на Земле. Являясь экосистемами, изолированными от атмосферы Земли, подледниковые озера испытывают влияние взаимодействия между льдом, водой, отложениями и организмами. Они содержат активные биологические сообщества экстремофильных микробов, адаптированных к холодным условиям с низким содержанием питательных веществ и способствующих биогеохимическим циклам, независимым от поступления энергии от солнца. Подледниковые озера и их обитатели представляют особый интерес в области астробиологии и в поисках внеземной жизни.

Физические характеристики

Вода в подледниковых озерах остается жидкой, поскольку геотермальный нагрев компенсирует потерю тепла на поверхности льда. Давление от налегающего ледника понижает температуру плавления воды ниже 0 °C. Потолок подледникового озера находится на уровне, где температура плавления воды, обусловленная давлением, пересекается с температурным градиентом. В озере Восток, крупнейшем подледниковом озере Антарктиды, лед над озером, таким образом, значительно толще, чем окружающий его ледяной покров. Гиперсоленые подледниковые озера остаются жидкими благодаря содержанию в них соли.

Влияние на движение ледников

Роль подледниковых озер в динамике льда остается неясной. Безусловно, на Гренландском ледниковом щите подледниковая вода сложным образом способствует увеличению скорости скольжения льда по основанию. "Озера Восстановления", расположенные под ледником Восстановления в Антарктиде, находятся в начале крупного ледяного потока и могут оказывать влияние на динамику этого региона. Небольшое (10%) увеличение скорости ледника Берда в Восточной Антарктиде, возможно, было вызвано подледниковым дренажным событием. Наблюдается приток подледниковой воды в нижних участках, где ледяные потоки мигрируют, ускоряются или застаиваются в течение столетий, что указывает на возможность сброса подледниковой воды за линию заземления ледникового покрова.

История и экспедиции

Русский революционер и ученый Петр А. Кропоткин впервые высказал предположение о существовании жидкой пресной воды под Антарктическим ледяным щитом в конце XIX века. Он полагал, что благодаря геотермальному нагреву у основания ледяного щита температура под льдом может достигать точки плавления льда, которая находится ниже нуля. Идею о наличии пресной воды под ледяными щитами развил российский гляциолог Игорь А. Зотиков, который теоретически показал возможность уменьшения объема антарктического льда из-за таяния льда у основания.

Ранние исследования

Научные достижения в Антарктике связаны с несколькими крупными периодами сотрудничества, такими как четыре Международных полярных года (IPY) в 1882–1883, 1932–1933, 1957–1958 и 2007–2008 годах. Успех IPY 1957–1958 годов привел к созданию Научного комитета по антарктическим исследованиям (SCAR) и Антарктической договорной системы, что способствовало разработке более эффективной методологии и процесса наблюдения за подледниковыми озерами. В 1959 и 1964 годах, в ходе двух из четырех Советских антарктических экспедиций, российский географ и полярник Андрей П. Капица использовал сейморазведку для построения профиля геологических слоев под станцией Восток в Антарктиде. Изначальной целью этой работы был широкий обзор Антарктического ледникового щита. Однако данные, собранные в ходе этих исследований, были использованы спустя 30 лет и привели к открытию озера Восток как подледникового озера. Начиная с конца 1950-х годов, английские физики Стэн Эванс и Гордон Робин стали использовать радиoglациологический метод радиоэхолокации (РЭЛ) для картирования толщины льда. Подледниковые озера идентифицируются по данным РЭЛ как непрерывные и зеркальные отражатели, угол наклона которых к поверхности льда составляет примерно x10 угла наклона самой поверхности, что необходимо для гидростатической устойчивости. В конце 1960-х годов им удалось установить приборы РЭЛ на самолеты и получить данные для Антарктического ледникового щита. В период с 1971 по 1979 год Антарктический ледниковый щит был детально профилирован с использованием оборудования РЭЛ. С помощью этого подхода Капица и его команда задокументировали 17 подледниковых озер. Полученные изображения показали плоскую поверхность вокруг северной границы озера Восток, а данные, собранные со спутника ERS-1, дополнили информацию о географическом распределении антарктических подледниковых озер. В 2005 году Лоуренс Грей и группа гляциологов начали интерпретировать проседание и подъем поверхностного льда по данным RADARSAT, что указывало на возможность существования гидрологически «активных» подледниковых озер, подверженных движению воды. В период с 2003 по 2009 год, в рамках системы NASA по наблюдению за Землей, с использованием спутника ICESat было проведено обследование высоты поверхности льда на больших расстояниях, что позволило создать первую карту континентального масштаба активных подледниковых озер в Антарктиде. Грей и др. (2005) интерпретировали проседание и подъем ледяной поверхности по данным RADARSAT как свидетельство заполнения и опустошения подледниковых озер, названных «активными». Уингем и др. (2006) использовали данные радиолокационного высотомера (ERS-1) для демонстрации одновременного подъема и опускания, что указывает на дренаж между озерами. Спутник ICESat NASA сыграл ключевую роль в дальнейшем развитии этой концепции, а последующие исследования подтвердили повсеместность этого явления. ICESat прекратил измерения в 2007 году, и обнаруженные «активные» озера были собраны Smith и др. (2009), которые идентифицировали 124 таких озера. Осознание взаимосвязанности озер вызвало новые опасения по поводу загрязнения при планировании бурения в озера (см. раздел «Отбор проб» ниже). Несколько озер были очерчены в ходе известных исследований SPRI, NSF и TUD, проводившихся до середины 1970-х годов. С тех пор несколько небольших обследований обнаружили множество других подледниковых озер по всей Антарктиде, в частности, Carter и др. (2007), которые определили спектр типов подледниковых озер на основе их характеристик в наборах данных РЭЛ.

Scientific advances in Antarctica can be attributed to several major periods of collaboration and cooperation, such as the four International Polar Years (IPY) in 1882 1883, 1932 1933, 1957 1958, and 2007 2008. The success of the 1957 1958 IPY led to the establishment of the Scientific Committee on Antarctic Research (SCAR) and the Antarctic Treaty System, paving the way to formulate a better methodology and process to observe subglacial lakes. In 1959 and 1964, during two of his four Soviet Antarctic Expeditions, Russian geographer and explorer Andrey P. Kapitsa used seismic sounding to prepare a profile of the layers of the geology below Vostok Station in Antarctica. The original intent of this work was to conduct a broad survey of the Antarctic Ice Sheet. The data collected on these surveys, however, was used 30 years later and led to the discovery of Lake Vostok as a subglacial lake. Beginning in the late 1950s, English physicists Stan Evans and Gordon Robin began using the radioglaciology technique of radio echo sounding (RES) to chart ice thickness. Subglacial lakes are identified by (RES) data as continuous and specular reflectors which dip against the ice surface at around x10 of the surface slope angle, as this is required for hydrostatic stability. In the late 1960s, they were able to mount RES instruments on aircraft and acquire data for the Antarctic Ice Sheet. Between 1971 and 1979, the Antarctic Ice Sheet was profiled extensively using RES equipment. Using this approach, 17 subglacial lakes were documented by Kapista and his team. RES also led to the discovery of the first subglacial lake in Greenland This imaging revealed a flat surface around the northern border of Lake Vostok, and the data collected from ERS 1 further built the geographical distribution of Antarctic subglacial lakes. In 2005, Laurence Gray and a team of glaciologists began to interpret surface ice slumping and raising from RADARSAT data, which indicated there could be hydrologically “active” subglacial lakes subject to water movement. Between 2003 and 2009, a survey of long track measurements of ice surface elevation using the ICESat satellite as a part of NASA's Earth Observing System produced the first continental scale map of the active subglacial lakes in Antarctica. Gray et al. (2005) interpreted ice surface slumping and raising from RADARSAT data as evidence for subglacial lakes filling and emptying termed "active" lakes. Wingham et al. (2006) used radar altimeter (ERS 1) data to show coincident uplift and subsidence, implying drainage between lakes. NASA's ICESat satellite was key in developing this concept further and subsequent work demonstrated the pervasiveness of this phenomenon. ICESat ceased measurements in 2007 and the detected "active" lakes were compiled by Smith et al. (2009) who identified 124 such lakes. The realisation that lakes were interconnected created new contamination concerns for plans to drill into lakes (see the Sampling expeditions section below). Several lakes were delineated by the famous SPRI NSF TUD surveys undertaken until the mid seventies. Since this original compilation several smaller surveys has discovered many more subglacial lakes throughout Antarctica, notably by Carter et al. (2007), who identified a spectrum of subglacial lake types based on their properties in (RES) datasets.

Экспедиции по отбору проб

В марте 2010 года в Балтиморе в рамках конференции Чепмана Американского геофизического союза состоялась шестая международная конференция по подледниковым озерам. Конференция позволила инженерам и ученым обсудить оборудование и стратегии, используемые в проектах бурения льда, такие как разработка буровых установок для горячей воды, оборудование для измерения и отбора проб воды и извлечения донных отложений, а также протоколы обеспечения экспериментальной чистоты и экологической безопасности. Вода из озера заполнила скважину и замерзла в течение зимнего сезона, а образец повторно замерзшей воды озера (аккреционный лед) был извлечен в следующем летнем сезоне 2013 года. В декабре 2012 года ученые из Великобритании предприняли попытку получить доступ к озеру Эллсворт с помощью буровой установки для горячей воды, однако миссия была прервана из-за поломки оборудования. В январе 2013 года экспедиция WISSARD (Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling) под руководством США провела измерения и взяла пробы в озере Уиланс в Западной Антарктиде для поиска микробной жизни. 28 декабря 2018 года команда SALSA (Subglacial Antarctic Lakes Scientific Access) объявила о достижении озера Мерсер после проплавления сквозь 1067 м льда с помощью буровой установки для горячей воды высокого давления, что указывает на то, что восточноантарктические озера питаются подледниковой системой, транспортирующей базальную талую воду по подледниковым руслам. Крупнейшие антарктические подледниковые озера сосредоточены в районе Дома C и станции Восток в Восточной Антарктиде, возможно, из-за толстого изолирующего слоя льда и пересеченной подледниковой топографии, сформированной тектоническими процессами. В Западной Антарктиде подледниковое озеро Эллсворт расположено в горах Эллсворт и является относительно небольшим и мелким. Ледяные потоки побережья Сипл, также в Западной Антарктиде, перекрывают многочисленные небольшие подледниковые озера, включая озера Уиланс, Энгельхардт, Мерсер и Конвей, а также их нижние соседи – Нижний Конвей (LSLC) и Нижний Мерсер (LSLM).

Гренландия

Существование подледниковых озер под ледяным щитом Гренландии стало очевидным лишь в последнее десятилетие. Радиоэхозвуковые измерения выявили два подледниковых озера в северо-западной части ледяного щита. Еще одно потенциальное подледниковое озеро было обнаружено вблизи юго-западного края ледяного покрова, где круговое углубление под льдом свидетельствует о недавнем дренаже озера, вызванном потеплением климата. Считается, что такой дренаж, в сочетании с передачей тепла к основанию ледяного щита через накопление надледниковой талой воды, влияет на скорость течения льда и общую динамику ледяного щита Гренландии. Большинство исландских подледниковых озер расположено под ледяными шапками Ватнайокуль и Мирдальсйокуль, где таяние, вызванное гидротермальной активностью, создает постоянные впадины, заполняемые талой водой. Гримсветн, пожалуй, наиболее известное подледниковое озеро под ледяной шапкой Ватнайокуль. Другие озера под ледяной шапкой находятся в котлованах Skatfá, Pálsfjall и Kverkfjöll. Ледяная шапка Mýrdalsjökull, еще одно ключевое место расположения подледниковых озер, лежит на вершине активной системы кальдер вулкана в самой южной части вулканической системы Катла. Эти палео-подледниковые озера, вероятно, занимали долины, образовавшиеся до наступления Лаврентидского ледяного щита во время последнего ледникового максимума. Однако два подледниковых озера были идентифицированы с помощью радиоэхолокации в скальных желобах под ледяной шапкой Девон в Нунавуте, Канада. Считается, что эти озера гиперсолены в результате взаимодействия с лежащими в основе соленосными породами и гораздо более изолированы, чем немногочисленные известные соленые подледниковые озера в Антарктиде. Профессор Джон Приску, выдающийся ученый, изучающий полярные озера, назвал подледниковые экосистемы Антарктики «крупнейшим водно-болотным угодьем на нашей планете».

Микроорганизмы и процессы выветривания приводят в действие разнообразный набор химических реакций, которые могут формировать уникальную пищевую сеть и, таким образом, обеспечивать круговорот питательных веществ и энергии в экосистемах подледниковых озер. В темноте подледниковых озер фотосинтез невозможен, поэтому их пищевые сети основаны на хемосинтезе и потреблении древнего органического углерода, отложившегося до наступления оледенения.

Биогеохимические циклы

Поскольку прямые отборы проб из подледниковых озер немногочисленны, большая часть существующих знаний о биогеохимии подледниковых озер основана на небольшом количестве образцов, преимущественно из Антарктиды. Выводы о концентрациях растворенных веществ, химических процессах и биологическом разнообразии неподвергавшихся отбору проб подледниковых озер также делались на основе анализа аккреционного льда (повторно замерзшей воды озера) у основания налегающих ледников. Эти выводы основаны на предположении, что аккреционный лед будет иметь сходные химические характеристики с водой озера, из которой он образовался. К настоящему времени ученые обнаружили разнообразные химические условия в подледниковых озерах, от верхних слоев, перенасыщенных кислородом, до нижних слоев, являющихся бескислородными и богатыми серой. Несмотря на их обычно олиготрофные условия, считается, что подледниковые озера и отложения содержат регионально и глобально значительные количества питательных веществ, особенно углерода.

На границе между озером и льдом

Воздушные клатраты, заключенные в ледниковом льду, являются основным источником кислорода, поступающего в изолированные системы подледниковых озер. По мере таяния нижнего слоя льда над озером, клатраты высвобождаются из кристаллической структуры льда, и газы, такие как кислород, становятся доступными для микроорганизмов для осуществления процессов, таких как аэробное дыхание. В некоторых подледниковых озерах циклы замораживания-оттаивания на границе озеро-лед могут обогащать верхние слои воды озера кислородом в концентрациях, в 50 раз превышающих типичные для поверхностных вод. Таяние слоя ледникового льда над подледниковым озером также снабжает нижележащие воды железом, азотом и фосфором, содержащимися в минералах, а также некоторым растворенным органическим углеродом и бактериальными клетками. Оксичные или слабо субоксичные воды часто встречаются вблизи границы ледника и озера, в то время как аноксия преобладает в глубинных водах озера и донных отложениях из-за дыхания микроорганизмов. В некоторых подледниковых озерах микробное дыхание может потреблять весь кислород в озере, создавая полностью аноксичную среду до поступления новой, богатой кислородом воды из связанных подледниковых сред. Приток кислорода от таяния льда и его потребление микроорганизмами могут создавать окислительно-восстановительные градиенты в водной толще подледникового озера, при этом аэробные микробиологические процессы, такие как нитрификация, происходят в верхних слоях, а анаэробные процессы – в аноксичных глубинных водах. Подледниковый сток Антарктического ледникового щита, включая сток из подледниковых озер, оценивается как добавляющий в Южный океан количество растворенных веществ, сопоставимое с количеством, вносимым крупнейшими реками мира. Морфология подледниковых озер способна изменять их гидрологию и циркуляционные модели. В областях с наиболее толстым ледяным покровом наблюдаются более высокие скорости таяния. Обратное происходит в областях с наименьшей толщиной ледяного покрова, что способствует повторному замерзанию воды озера. и может быть сравнимо с количеством реактивного углерода в современных океанических отложениях, потенциально делая подледниковые отложения важным, но недостаточно изученным компонентом глобального углеродного цикла. Метан был обнаружен в подледниковом озере Уиланс, и эксперименты показали, что метаногенные археи могут быть активны в отложениях под антарктическими и арктическими ледниками. Большая часть метана, высвобождающегося из хранилищ в подледниковых озерных отложениях, по-видимому, потребляется метанотрофными бактериями в кислородных верхних слоях воды. В подледниковом озере Уиланс ученые обнаружили, что бактериальное окисление потребляет 99% доступного метана. Антарктические подледниковые воды, как полагают, также содержат значительное количество органического углерода в форме растворенного органического углерода и бактериальной биомассы. Однако за последние тридцать лет активная микробная жизнь и признаки более сложных форм жизни были обнаружены в водах подледниковых озер, отложениях и льду, образовавшемся путем намерзания. Подобно растениям, хемолитоавтотрофы фиксируют углекислый газ (CO2) в новый органический углерод, делая их основными продуцентами в основе пищевых сетей подледниковых озер. Вместо использования солнечного света в качестве источника энергии, хемолитоавтотрофы получают энергию от химических реакций, в которых неорганические элементы из литосферы окисляются или восстанавливаются. Переменные окислительно-восстановительные условия и разнообразие элементов, доступных из отложений, предоставляют возможности для множества других метаболических стратегий в подледниковых озерах. Другие метаболизмы, используемые микроорганизмами подледниковых озер, включают метаногенез, метанотрофию и хемолитогетеротрофию, при которой бактерии потребляют органическое вещество, окисляя неорганические элементы. При наличии эти организмы могут выживать, потребляя бактерии и другие микроорганизмы.

Air clathrates trapped in glacial ice are the main source of oxygen entering otherwise enclosed subglacial lake systems. As the bottom layer of ice over the lake melts, clathrates are freed from the ice's crystalline structure and gases such as oxygen are made available to microbes for processes like aerobic respiration. In some subglacial lakes, freeze melt cycles at the lake ice interface may enrich the upper lake water with oxygen concentrations that are 50 times higher than in typical surface waters. Melting of the layer of glacial ice above the subglacial lake also supplies underlying waters with iron, nitrogen, and phosphorus containing minerals, in addition to some dissolved organic carbon and bacterial cells. Oxic or slightly suboxic waters often reside near the glacier lake interface, while anoxia dominates in the lake interior and sediments due to respiration by microbes. In some subglacial lakes, microbial respiration may consume all of the oxygen in the lake, creating an entirely anoxic environment until new oxygen rich water flows in from connected subglacial environments. The addition of oxygen from ice melt and the consumption of oxygen by microbes may create redox gradients in the subglacial lake water column, with aerobic microbial mediated processes like nitrification occurring in the upper waters and anaerobic processes occurring in the anoxic bottom waters. Subglacial outflow from the Antarctic Ice Sheet, including outflow from subglacial lakes, is estimated to add a similar amount of solutes to the Southern Ocean as some of the world's largest rivers. The morphology of subglacial lakes has the potential to change their hydrology and circulation patterns. Areas with the thickest overlying ice experience greater rates of melting. The opposite occurs in areas where the ice sheet is thinnest, which allows re freezing of lake water to occur. and may rival the amount of reactive carbon in modern ocean sediments, potentially making subglacial sediments an important but understudied component of the global carbon cycle. Methane has been detected in subglacial Lake Whillans, and experiments have shown that methanogenic archaea can be active in sediments beneath both Antarctic and Arctic glaciers. Most of the methane that escapes storage in subglacial lake sediments appears to be consumed by methanotrophic bacteria in oxygenated upper waters. In subglacial Lake Whillans, scientists found that bacterial oxidation consumed 99% of the available methane. Antarctic subglacial waters are also thought to contain substantial amounts of organic carbon in the form of dissolved organic carbon and bacterial biomass. but over the last thirty years, active microbial life and signs of higher life have been discovered in subglacial lake waters, sediments, and accreted ice. Like plants, chemolithoautotrophs fix carbon dioxide (CO2) into new organic carbon, making them the primary producers at the base of subglacial lake food webs. Rather than using sunlight as an energy source, chemolithoautotrophs get energy from chemical reactions in which inorganic elements from the lithosphere are oxidized or reduced Common elements used by chemolithoautotrophs in subglacial ecosystems include sulfide, iron, and carbonates weathered from sediments. The variable redox conditions and diverse elements available from sediments provide opportunities for many other metabolic strategies in subglacial lakes. Other metabolisms used by subglacial lake microbes include methanogenesis, methanotrophy, and chemolithoheterotrophy, in which bacteria consume organic matter while oxidizing inorganic elements. If present, these organisms could survive by consuming bacteria and other microbes.

Ограничение питательных веществ

Подледниковые воды озер считаются ультраолиготрофными и содержат низкие концентрации питательных веществ, особенно азота и фосфора. В поверхностных экосистемах озер фосфор традиционно рассматривался как ограничивающий рост питательный элемент, хотя наиболее распространенным представляется совместное ограничение как азотом, так и фосфором. Однако данные, полученные из подледникового озера Уиланс, свидетельствуют о том, что азот является ограничивающим питательным веществом в некоторых подледниковых водах, что подтверждается измерениями, показывающими очень низкое соотношение азота к фосфору по сравнению с соотношением Редфилда. К другим подледниковым исследованиям в Антарктиде относится подледниковый бассейн бескислородной, гиперсоленой воды под ледником Тейлор, в котором обитает микробное сообщество, изолированное от атмосферы 1,5–2 миллиона лет назад. Бактерии под ледником Тейлор, по-видимому, используют новый метаболический путь, основанный на использовании сульфатов и ионов железа для разложения органического вещества.

Исландия

Подледниковые озера под ледяным щитом Ватнайокуль в Исландии предоставляют уникальные среды обитания для микробной жизни, поскольку они получают тепло и химические вещества от подледниковой вулканической активности, что влияет на химический состав нижних слоев воды и донных отложений. Активные психофильные, автотрофные бактерии были обнаружены в озере под вулканической кальдерой Гримсветн. Микробное сообщество с низким разнообразием также было найдено в восточных подледниковых озерах Скафтаркетилл и Кверкфьялалон, где бактерии включают виды Geobacter и Desulfuosporosinus, способные использовать серу и железо для анаэробного дыхания. В западном озере Скафта, в аноксичных глубинных водах, по-видимому, преобладают бактерии, производящие ацетат, а не метаногены. Жизнь, вероятно, существовала преимущественно в ледниковых и подледниковых условиях, что делает современные подледниковые озера важной системой для изучения этого периода в истории Земли. В последнее время подледниковые озера в Исландии могли служить убежищем для подземных амфипод в течение четвертичного оледенения.

Последствия для внеземной жизни

Подледниковые озера служат аналоговой средой для внеземных водоемов, покрытых льдом, что делает их важной системой для изучения в области астробиологии – науки о потенциальной возможности существования жизни за пределами Земли. Обнаружение живых экстремофильных микроорганизмов в земных подледниковых озерах может указывать на то, что жизнь способна существовать в подобных условиях на других планетах и спутниках. Луна Юпитера Европа и луна Сатурна Энцелад являются перспективными объектами в поисках внеземной жизни. Европа обладает обширным океаном, покрытым ледяной корой, а считается, что под поверхностью Энцелада также существует подледниковый океан. Анализ данных, полученных с помощью спутников, показал, что из трещин на поверхности Энцелада выбрасывается водяной пар, содержащий значительное количество водорода, образовавшегося в результате восстановления минералов, содержащих железо, и органических веществ. В 2018 году с помощью радара, установленного на космическом аппарате Mars Express, было обнаружено подледниковое озеро на Марсе. Этот водоем находится под слоистыми отложениями Южного полюса Марса и, предположительно, образовался в результате геотермального нагрева, вызвавшего таяние льда.