Доклад В.П.Мельникова на Х Международной конференции по мерзлотоведению

Новейшие явления, концепции, инструментарий как фундамент для старта к новым горизонтам криологии.

Прежде всего, напомню Вам о том, что 5 февраля этого года скважина в Антарктиде достигла цели, пройдя сквозь почти 4 км. толщу льда, позволив взять первую пробу воды из оз. Восток. Конечно, все открытия еще впереди, но реализация сложнейшего технологического проекта, это уже огромная победа человечества. Жаль, что первооткрыватели этого озера чл.-корреспонденты РАН И.А. Зотиков и А.П. Капица не дожили до конца эксперимента.

Познавательный и практический интерес к сокровищам Арктики и Антарктики как никогда повысил значимость исследований криосферы Земли, а значит и требования к криологическому сообществу, обязанному отвечать на многие вопросы, возникающие при продвижении человека в высокие широты.

Их сложность не позволяет нам оставаться в рамках традиционных подходов геолого-географического направления, изучать только мерзлоту, т.е. одну из многих составляющих криосферы. В последние десятилетия в структуру наших исследований прочно вошли  проекты физико-химического, физического, астрономического, информационного и биологического содержания. По существу мы, углубляясь в суть криосферы наводим мосты между отдельными естественно-научными дисциплинами, что обусловлено, прежде всего, необходимостью создания синтетической конструкции нашего объекта в широком диапазоне пространственно-временных параметров (рис. 1). Вернадский первым создал синтетическую конструкцию и назвал ее биогеохимией, впервые показав, что весь облик Земли, структура ее атмосферы, гидросферы и, естественно, криосферы обязаны жизни, ее разносторонним проявлениям.

Сегодня в поисках ответов на вопросы в проблемах климат и мерзлота, потепление-похолодание, модели климата, криогенез в атмосфере мы вынуждены рассматривать взаимосвязь явлений и процессов в верхних горизонтах криосферы, т.е. в отрицательно температурных слоях тропосферы и стратосферы с процессами в криолитозоне и в традиционно гляциологических объектах – льдах во всех их проявлениях.

Под натиском информации, особенно из космоса, о широчайшем распространении льда на планетах и их спутниках, о разнообразии фазовых состояний и химического состава льда в солнечной системе и за ее пределами, удивляемся силе простейших представлений и определения льда как просто твердого агрегатного состояния воды. Из справочников и учебников, литературно-песенных произведений в нашу подкорку внедрилось отношение к воде и льду как  к единому веществу в разных состояниях. А вот по отношению к алмазам, графиту и саже такого в нашем сознании нет. А ведь у них вещество тоже одно – углерод.

В настоящее время мы вернулись к исследованию льда как самостоятельного объекта с изучением его функциональных различий и роли в природе (рис. 2).

Всплеск интереса к изучению льда и газовых гидратов связан не только с альтернативным газу источником энергии, но и активным использованием  льда в современных нанотехнологиях. Так специалистами Гарвардского университета разработана ледовая нанолитография, включающая создание, использование и удаление тонких слоев льда на поверхности углеродных нанотрубок.

Разрабатываются эффективные модели межмолекулярного взаимодействия, изучаются свойства газогидратных каркасов, наноструктур газогидратного типа в свете появившейся потребности хранения больших запасов водорода в водородной энергетике, транспорта и хранения газа.

Хотелось бы остановиться на некоторых явлениях, непосредственно связанных с нашим объектом обнаруженных, в основном, в последнем десятилетии. Часть из них вписывается в пространственно-временной диапазон, характерный для  дисциплин, показанных на рис. 1, а некоторые выходят значительно или незначительно за пределы этого диапазона.

Очевидно, что воздействие мантийных процессов на криосферу происходит через вулканические извержения. Потоки горячей пыли и водяных паров со скоростью современного пассажирского самолета прорывают тропосферу и стратосферу за 15-20 минут, пронизывая при этом и два отрицательно-температурных слоя. После недавней паники по поводу озоновых дыр, появились работы по влиянию вулканических аэрозолей на толщину озонового слоя в основном за счет действия соединений хлора.  Тюменскими учеными в последние годы ведутся исследования нового явления – стремления капель воды в водных аэрозолях к образованию пространственно упорядоченных структур (мультик). Оказалось, что эти  структуры обладают поверхностным натяжением и вязкостью, превышающей вязкость воздуха. Напомню, что значительно раньше обнаружена способность мельчайших частиц пыли структурироваться в кластеры.

Таким образом, при извержении вулканов происходит мощнейшее воздействие на криосферу новообразованиями, в виде пылевых и капельных кластеров, формирующих устойчивые пограничные слои в высоких слоях атмосферы, меняющих кинетику переноса тепла и массы, влияя на погоду и климат.

Структурированные аэрозоли способствуют образованию озоновых дыр. Благодаря капельным кластерам аэрозольные облака с серокислотной компонентой, разрушающей озон, приобретают стабильность и  большее время существования, усугубляя негативное воздействие на озоновый слой.

Так через открытые тюменцами в 2004 г. капельные кластеры, мы выходим на новые механизмы образования потоков тепла и массы в тропосфере и стратосфере и циркуляции атмосферы.

Впервые полученный результат, доказывающий возможность длительного существования при отрицательных температурах метастабильных газовых гидратов  – это серьезный шаг в понимании механизмов динамики неустойчивых геологических образований коими являются  газовые гидраты при изменении термодинамических условий среды.  Становится более понятным происхождение реликтовых газовых гидратов в мерзлоте и в целом природная цикличность появления и исчезновения скоплений этого полезного ископаемого.

Огромный интерес вызвала информация о так называемых ice finger of dethe или brincl, что можно также назвать ледяным смерчем. Во время образования морского льда при понижении температуры воздуха происходит выделение СО2 в атмосферу,  связанное с разложением гидрокарбоната кальция на СО2 и СаСО3. Холодный рассол, опускаясь вниз в отрицательно-температурной воде, создает нечто похожее на ледяной смерчь, опускающийся до дна и создающий ледяную дорожку, в которую  вмерзает морская живность.

Это явление аномальной кристаллизации морской воды ранее никак не учитывалось в моделях тепломассопереноса, в которых толща воды между дном и поверхностным льдом принималась за однородный слой.  Для нас это прежде всего дополнительный источник холода, влияющий на параметры субаквальной мерзлоты, а также как регулятор циркуляции потоков в морях Арктики и Антарктики.

Криогенные ресурсы: Мы с гордостью говорим о природных ресурсах своего края.  Когда речь заходит о природных богатствах России, то вне конкуренции выходит Сибирь в географическом понимании этого названия. За редким исключением счет в доле Сибири того или иного полезного ископаемого начинается с 70%. Мерзлотоведы могут похвастаться тем, что и нашего криогенного ресурса в Сибири более 70%. Только отношение к нему еще не сформировано, его многоликость не отражена в энциклопедиях.

Так что же это за ресурс?

Прежде всего, это часть исчерпаемого и невозобновимого (по В.М. Котлякову) ресурса под названием – территория. При этом функция криогенной составляющей, по существу, фундаментальная – средоформирующая.  Речь идет о мерзлоте, подземных, наземных, и покровных льдах. Представьте себе, что подземные пластовые льды Ямала и мерзлота вдруг исчезли, как об этом предвещают проповедники глобального потепления. Большая часть территориального ресурса уйдет под воду. Но средообразующая функция криогенного ресурса может быть и экстерриториальной. Антарктиде и Гренландии в этом нет конкурентов, если не считать покровные оледенения в ледниковых периодах.

Известно, что оледенение Антарктиды носит апериодический характер [Моисеев.]: баланс антарктического льда всегда положителен. Теряет же свой лед она практически за счет откалывания айсбергов.

Антарктида – это грандиозный насос, выкачивающий воду из мирового океана и атмосферы. Страдает от этого больше всего Австралия, где формируется аридный климат, т.е. понижается качество ее территориального ресурса.

Можно считать, что и речной лед обладает экстерриториальной функцией  во время ледохода, формируя русло и меняя ландшафты вдоль реки. Криогенные ресурсы составляют значительную часть вещественно-энергетических ресурсов атмосферы, гидросферы, литосферы, педосферы и биосферы, а также и часть экологических природных ресурсов.

Давно назрела необходимость в экономических проектах в криолитозоне оценивать риски и закладывать мероприятия, направленные на сохранение даже в далекой перспективе средоформирующего криогенного ресурса.

Хотелось бы надеяться, что такие новейшие результаты, как увеличение скорости коррозии металлов на контакте со льдом или  «сухая вода», увеличивающая скорость образования газовых гидратов в разы по сравнению с объемной водой и молотым льдом, не только привлекут  практиков строителей или химиков-технологов, но впишут также новые страницы в концепции геологической эволюции Земли, по-новому осветят жизнь нашей планеты в ледниковые периоды.

Криосфера является средой жизнеобеспечения и сферой деятельности многочисленных видов микроорганизмов, среди которых находятся те ,что сохраняют жизнеспособность сотни тысяч и миллионы лет. Их способность препятсвовать разрушению  генетического аппарата в геологическом масштабе времени уникальна и предполагает наличие особых неизвестных пока механизмов защиты или репараций ДНК от тепловой деструкции, излучений, свободных радикалов и других повреждающих факторов.

Одна из  таких бактерий, которую мы защитили патентом под названием Bacillus Frost, стала объектом совместных исследований с коллегами из почти двух десятков лабораторий России, Украины, Швеции, Австрии, Японии, Норвегии. Выделенные новые виды бактерий крайне немногочисленны, находятся в мерзлых породах в виде единичных выживших клеток, относятся к психротолерантным непатогенным микроорганизмам.

Изучение биологической активности палеобиоты в отношении различных представителей современных экосистем [растений (пшеница), гидробионтов (инфузории), насекомых (дрозофилы) и животных (лабораторные мыши)], позволило выделить отдельные штаммы микроорганизмов с активно проявленными свойствами адаптогенов и способными активировать адаптивный потенциал современных живых систем. Причем биопотенциал палеобиоты активируется в условиях пониженных температур и проявляется в дозах в 1000-100 раз меньших, чем у их современных аналогов.

В последнее десятилетие мировая научная общественность направила свои усилия на развитие нового научного направления – геомедицины, одной из задач которой, является поиск средств адаптации человека к новым условиям, связанным с погодой и климатом, загрязнением окружающей среды, длительными полетами и погружениями и т.д. Даже первые результаты опробования продуктов из палеобиоты на высших организмах говорит о перспективности этого нового направления.

В 30-е годы ХХ столетия В.И. Вернадский обратил самое серьезное внимание первым находкам Каптерева – жизнеспособной биоты в мерзлоте. В его записях находим, что эта проблема требует большого внимания и является одной из важнейших работ «комитета» (по вечной мерзлоте). И далее – «основным является вопрос о геологической длительности, в какой латентная жизнь сохраняется в вечной мерзлоте».

После некоторого забвения эта проблема ярко выразилась в работах нашего коллеги Д.А. Гиличинского, не дожившего до нашей конференции 4 месяца. Его работы по палеобиоте, неизменно поддерживаемые академиком Г.А. Заварзиным, исследования в Антарктиде и Субарктике, труды по астробиологии – достойный ответ на призыв Владимира Ивановича Вернадского.