В.И.Николаев^1*, В.М.Федоров²

Экспедиция “Millennium” к Южному полюсу (изотопно-кислородные исследования поверхностного снега Антарктиды)

¹ Институт географии РАН, Старомонетный пер., 23, Москва, 109017, Россия

²Географический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, 119899

Expedition “Millenium” to South Pole

(Oxygen isotope investigation of Antarctic snow cover)

Nikolaev Vladimir^1* , Fyodorov Valeriy²

¹ Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Staromonetny per., 29, 109017, Moscow, Russia

² Geography Faculty, Moscow State University, Moscow, 119899, Russia

* Corresponding author. Tel.: +007 (095) 427 15 05; Fax: +007 (095) 959 00 33;

E-mail: V.Nikolaev@g23.relcom.ru

ВВЕДЕНИЕ.

Анализ данных 30-летних исследований стабильных изотопов в атмосферных осадках свидетельствует о существовании тесной корреляционной связи между температурой приземного воздуха, количеством осадков и их изотопным составом [Rozanski et al., 1993]. К настоящему времени эти зависимости широко используется для реконструкции климатических изменений в полярных регионах [Dansgaard et al., 1973; 1982, 1993; Grootes et al., 1993; Johnsen et al., 1972, 1992; Lorius et al., 1979; 1985; Jouzel et al., 1987b; Petit et al., 1997 и др.].

Был разработан ряд моделей описывающих формирование изотопного состава атмосферных осадков. Во-первых, это модели описываемые уравнением Рэлея как предполагающие немедленное удаление конденсата [Dansgaard, 1964], так и допускающие его существование в облаке [Merlivat, Jouzel, 1979]. Они предназначены для моделирования изотопного состава атмосферных осадков сформированных из изолированных воздушных масс с одним источником водяного пара.

Во-вторых, разрабатывались также динамически более сложные модели [Eriksson, 1965; Rozanski et al., 1982; Fisher and Alt, 1985; Fisher, 1990]. И наконец, циклы изотопов воды были включены в модели общей циркуляции атмосферы [Joussaume et al., 1984; Jouzel et al., 1987a, 1991].

Несмотря на широкое развитие теоретических представлений, палеоклиматическая интерпретация изотопного состава древних атмосферных осадков базируется главным образом на пространственных особенностях распределения изотопного состава современных осадков получаемых эмпирически. Так по изотопным профилям ледяных кернов с полярных ледников реконструируется эволюция термического режима за время формирования изученного льда, при этом предполагается, что используемые изотопно-температурные зависимости в прошлом были идентичны современным полученным при региональных исследованиях снежного покрова [Dansgaard et al., 1973, 1989; Jouzel et al., 1987b].

Добавим, что в случае внутриконтинентальных полярных регионов Антарктиды изучение поверхностных проб проводилось главным образом вдоль маршрутов нескольких трансантарктических походов. Полученные данные носят разновременный характер как по времени получения проб поверхностного снега и фирна, так и по стратиграфическому объему изученных проб и покрывают ограниченную территорию.

Наиболее значимыми работами наших предшественников являются данные по маршруту станция Дюмон-д’Юрвиль - купол С (Земля Адели) [Lorius, Merlivat, 1977] и Международной трансантарктической экспедиции 1990 года Антарктический полуостров - Пэтриот Хиллс - Южный полюс - станция Восток - станция Комсомольская - станция Мирный [Qin Dahe et al., 1994].

МАРШРУТ ЭКСПЕДИЦИИ, ПРОБЫ, ИХ РЕПРЕЗЕНТАТИВНОСТЬ

В соответствии с Федеральной программой мероприятий по встрече III тысячелетия и празднования 2000-летия христианства (Указы Президента РФ №138 от 6.02.98, №1468 от 4.12.98), а также международной программой “Марш мира - дорога в новое тысячелетие” в декабре 1999 г. - январе 2000 г. была проведена международная комплексная антарктическая экспедиция ("Millennium Expedition") - руководитель экспедиции заслуженный мастер спорта СССР В.С.Чуков. Участники экспедиции совершили трансантарктический поход от пункта Пэтриот Хиллс (горы Элсуэрт, хребет Херитидж; 80,32^oS, 81,37^oW) до Южного полюса и обратно, с использованием дизельных вездеходов на колесах сверхнизкого давления.

Целью экспедиции было совершенствование технологий проведения поисково-спасательных операций: испытание новой техники, оборудования, снаряжения, новых высококалорийных продуктов питания, а также сбор научной информации и натурных материалов в целях гляциологических и медико-физиологических исследований.

Подготовка и проведение экспедиционных работ проходили при поддержке Правительства РФ, Государственной Думы Федерального собрания РФ, Научно-технического совета Междуведомственной комиссии по делам Арктики и Антарктики, Министерства по чрезвычайным ситуациям РФ. В разработке научной программы и обработке полученных данных и материалов приняли участие Федеральная служба воздушного транспорта России, Институт Географии РАН, ЦНИИ авиационной и космической медицины (МО РФ), Географический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова. В составе экспедиции приняли участие гражданине России, Белоруссии, Франции, США и других стран (всего 18 стран).

Доставка экспедиции в Антарктиду была проведена самолетом ИЛ-76ТД (командир экипажа - Герой России Р.Г.Грифанов) по маршруту Москва - Минск - Мадрид - о-ва Зеленого мыса - Ресифи (Бразилия) - Пунта Аренас (Чили) - Пэтриот Хиллс (Антарктида) в период с 17.12.99 г. по 25.12.99 г. Впервые в истории освоения Антарктиды самолет с посадочной массой 190 тонн совершил посадку на неподготовленную ледовую площадку.

31 декабря 1999 года в районе базового лагеря Пэтриот Хиллс под руководством мастера спорта испытателя парашютов Е.И.Бакалова было благополучно выполнено массовое (32 человека) десантирование с самолета. Первоначально предполагалось осуществить десантирование на Южном полюсе, но в связи с тем, что в 1997 году при аналогичной попытке трое из шести американских парашютистов погибли, а остальные получили тяжелые ранения и увечья прыжки в районе станции Амундсен-Скотт были запрещены.

Главным мероприятием экспедиции был поход к Южному полюсу и обратно (02-14.01.2000 г.) на вездеходах во время которого производился отбор проб снега и фирна на изотопно-кислородный анализ (маршрут похода см. Рис.1). Были использованы дизельные (с катализатором, использующие полярную солярку) вездеходы на колесах сверхнизкого давления разработанные и произведенные в Республике Беларусь и оснащенные двигателями производства фирмы Volkswagen (Германия). Во время похода был организован промежуточный (страховочный) лагерь на 86^оS, где осталась половина участников и 4 из 8 вездеходов. Полюса достигло 16 участников (из них 4 - россияне) на трех вездеходах пройдя 1200 км за 7 дней. На полюсе впервые в истории Антарктиды был поднят воздушный шар (пилот Иван Трифонов из Австрии). В ночь с 13 на 14 января в базовый лагерь вернулись все участники похода на всех 8 вездеходах. Эвакуация экспедиции из Антарктиды была проведена самолетом в период с 17 по 24.01.2000г.

Пробы снега и фирна отбирались по всему маршруту экспедиции (всего 15). Координаты и высота над уровнем моря мест отбора получены методами спутниковой геодезии (см. Рис. 1 и Табл. 1). Среднегодовые значения температуры воздуха (температуры фирна на глубине 10м) и аккумуляции снега по маршруту экспедиции получены по соответствующим картам Атласа снежно-ледовых ресурсов мира [1998] путем интерполяции между изолиниями.

Рис.1. Местоположение разрезов по которым изучался изотопный состав поверхностного снега в Антарктиде ( Пэтриот Хиллс - Южный полюс [настоящая работа]; Пэтриот Хиллс - Восток - Мирный [Qin Dahe et al., 1994]; Дюмон-д’Юрвиль [Lorius., Merlivat, 1977].

1- основные ледоразделы; 2 - климаторазделы (по [Котлякову и др., 1989] с упрощениями);

АО - сфера влияния Атлантического океана; ТО - Тихого океана; ИО - Индийского океана

Метеорологические условия в отдельные годы могут сильно различаться. Год от года разняться скорости снегонакопления и интенсивности ветровой дефляции снега. Следовательно, представительные средние годовые значения d¹⁸О для выявления температурных зависимостей могут быть получены лишь при анализе интегральных проб, охватывающих периоды аккумуляции нескольких лет. Пробы представляли собой вырезанные пробоотборником цилиндры снега и фирна длиной 120-160 см. Время формирования таких проб (их стратиграфический объем) меняется от места к месту и зависит от скорости аккумуляции. Исследования [Qin Dahe and Ren Jiawen, 1991] показали, что средняя плотность 1-метрового поверхностного слоя снежно-фирновой толщи в центральных районах Антарктиды варьирует в пределах от 0,3 до 0,4 г/см³. Учитывая, что наши пробы охватывали в среднем 1,5-метровую толщу, мы в своих расчетах использовали значение средней плотности равное 0,4-0,45 г/см³, что соответствует 3-4 годовым слоям в районе Пэтриот Хилс и 8-12 на Южном полюсе [Атлас снежно-ледовых ресурсов мира, 1998]. В исследованиях подобных нашим обычно принимается, что стратиграфический объем интегральных проб снежного покрова должен превышать 3-5-ти летний период (см., например [Котляков ,Гордиенко, 1982; Qin Dahe et al., 1994]), чтобы уменьшить влияние случайных факторов на получаемые результаты. Таким образом, с формальной стороны все изученные пробы - репрезентативны.

Таблица 1.

Местоположение изученных проб, аккумуляция снега и среднегодовая температура приземного воздуха [Атлас снежно-ледовых ресурсов, 1998] мест их отбора, результаты изотопно-кислородного анализа

В середине января в базовом лагере собранные пробы снега были растоплены в герметично закрытых пластиковых пакетах при комнатной температуре, перелиты в полиэтиленовую посуду снабженную уплотнителями. В начале февраля пробы поступили в лабораторию где хранились до проведения изотопного анализа в замороженном виде.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изотопно-кислородные исследования были проведены в Институте географии РАН. Подготовка проб воды к изотопному анализу кислорода (¹⁸O/¹⁶O) осуществлена методом изотопного уравновешивания c углекислым газом, при котором масс-спектрометрически изучается изотопный состав кислорода углекислого газа, изотопно уравновешенного с исследуемой водой.

В настоящей работе все изотопные данные выражены как относительное отклонение, d, содержания тяжелого изотопа в образце от содержания в стандарте V–SMOW (Венская средняя океаническая вода с отношением ¹⁸O/¹⁶O – 2005,2 ppm [Beartschi, 1976]) в промилле (‰). Стандартные отклонения повторных измерений тех же самых образцов воды лежали в пределах от ±0,1 до ±0,15‰ (1s). Результаты изотопно-кислородных исследований приведены в Таблице 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты изотопно-кислородных исследований показаны на Рис.2. Здесь же для сравнения приведены вариации температуры фирна (T^oC) и аккумуляции (А, г/см²) по данным [Атлас снежно-ледовых ресурсов мира, 1998]. Координаты (j)