O jednym z wielkich naukowych wyzwań na Svalbardzie, jakim jest dotarcie do niezamarzniętej wody w jeziorach podlodowcowych, rozmawiamy z prof. Piotrem Głowackim, glacjologiem, wieloletnim kierownikiem Polskiej Stacji Polarnej Hornsund na Spitsbergenie.
Jesteśmy obecni naukowo na Spitsbergenie już od ponad 60 lat. Jakie wielkie, nierozwiązane dotąd wyzwania stoją przed naukowcami?
Czekają nas dwa wielkie zadania. Pierwsze to sprawdzanie i analizowanie, co się stanie po połączeniu się Morza Grenlandzkiego z Morzem Barentsa po ustąpieniu korka lodowego na końcu fiordu Hornsund, w którym mieści się Polska Stacja Polarna. A drugie wyzwanie, które znane jest już od około 15 lat, ale ciągle pozostaje niezbadane: dotarcie do niezamarzniętej wody w jeziorach podlodowcowych pod kopułami lodowymi na Svalbardzie.
Czy niezamarznięta woda w jeziorach podlodowcowych to ewenement światowy?
Ponad 20 lat temu na Antarktydzie zostały zlokalizowane jeziora podlodowcowe na głębokości ponad 3000-4000 metrów. Do największego z nich – jeziora Wostok, odkrytego w 1996 roku – dowiercono się dopiero po ponad 15 latach. Natomiast na Svalbardzie, a tym samym w całej Arktyce, pierwsze podlodowcowe jezioro zostało udokumentowane dzięki pracom międzynarodowego zespołu, w skład którego wchodzili Hiszpanie, Norwegowie, Rosjanie, Włosi i Polacy. Odkryto jezioro pod wielkim polem lodowym Amundsenisen, które jest zlokalizowane tylko 45 km od naszej stacji. Jezioro jest nieduże. Szacujemy, że jego głębokość może dochodzić do 50 m, a pokrywa lodowa nad nim ma około 600-610 m.
Jak doszło do odkrycia tej podlodowcowej wody?
Przez wiele lat jeździłem skuterem z Polskiej Stacji Polarnej Hornsund do Logyearbyen – „stolicy” Svalbardu. Kopuły lodowe bardzo często nie są równe ze względu na przewiewanie śniegu, na powierzchni tworzą się liczne nierówności, zwane zastrugami. Jazda po takim terenie jest bardzo uciążliwa. Natomiast jeżdżąc przez jeden z fragmentów Amundsenisen obserwowałem, że można tamtędy przejechać szybciej, bo nie było tych nierówności. Pomyślałem, że w tej strefie może dochodzić do częściowego wyrównywania tych nierówności, ponieważ lód może na czymś pływać.
Na Antarktydzie jezioro Wostok odkryto na podstawie analizy danych sejsmicznych oraz analizy zdjęć lotniczych i później laserowych pomiarów satelitarnych. Tam powierzchnia też była względnie gładka.
Jak można potwierdzić obecność wody?
Jeśli chodzi o badania, które pozwalają to określić, to najlepszą techniką są metody sejsmiczne oraz georadarowe. Oczywiście w latach 50-70-tych do badań pokryw lodowych głównie używano metod sejsmicznych, natomiast badania radarowe, łatwiejsze do wykonywania, zaczęto na szeroką skalę stosować w latach 80-90-tych XX wieku i są teraz podstawą w badaniach lodowcowych ze względu na mniejszy koszt, minimalną ingerencję w środowisko oraz bardzo dobrą rozdzielczość. Fale radiowe wysyłane przez radar odbijają się od warstw lodu, ale nie odbijają się od wody, która je prawie w całości pochłania. Dzięki temu można zlokalizować w lodowcu kanały i przestrzenie z wodą, pustki, czy też kamienie wleczone przez lodowiec. Natomiast lód nasycony wodą pochłania falę radiową w różnym stopniu zależnym od częstotliwości takich fal. Badając radarem obszar kopuły Amundsenisen dostaliśmy bardzo dokładny obraz doliny pod kopułą. Jej stoki były bardzo zróżnicowane. A w jednym miejscu otrzymaliśmy obraz płaskiego dna. Ten wytypowany rejon dodatkowo zaczęliśmy badać prowadząc pomiary na profilach tworzących siatkę co kilkadziesiąt metrów. Po obróbce danych otrzymaliśmy obraz doliny w miejscu, gdzie to jezioro występuje. Dzięki temu mogliśmy określić wymiary jeziora. Jego długość szacujemy na ok. 10 km, szerokość to niecały kilometr, a głębokość ok. 50 m. Analizując jeziora w innych dolinach na Spitsbergenie, gdzie lodowce już ustąpiły, wiemy, że są to jeziora wąskie o głębokości również średnio 50 m. Dodatkowo zespół włoski, zajmujący się modelowaniem matematycznym, zrobił interpolację pełnego przebiegu zboczy doliny oraz opracował model hydrauliczny, określający, w jaki sposób ta woda wpływa na zmiany lodu powyżej, jakie może być ewentualne zasilanie jeziora wodami perkolacyjnymi z powierzchni czyli infiltrującymi przez głębsze warstwy lodu.
Czego możemy się dowiedzieć dzięki tej wodzie?
Po pierwsze trzeba się do niej dowiercić. Jest to znacznie trudniejsze niż na Antarktydzie, ponieważ lód w tym miejscu ma charakter lodu politermalnego, czyli zróżnicowanego temperaturowo, czasami o temperaturze bliskiej zeru, więc procesy zaciskania się odwiertu będą zachodzić znacznie szybciej niż na Antarktydzie, gdzie mamy do czynienia z lodem zimnym. Na Antarktydzie procesy zakleszczania się odwiertu zachodziły bardzo wolno, na Spitsbergenie procesy zaciskania odwiertu będą zachodziły o wiele szybciej i to z różną szybkością na różnych głębokościach.
Jeżeli chcemy zbadać próbki wody, nie może dojść do ich zanieczyszczenia podczas dokonywania odwiertu. Muszą być zachowane specjalne warunki w czasie wiercenia, np. nie można wiercić termicznie wodą, nie można odwiertu wypełniać płynami niezamarzającymi.
Podczas wierceń na Antarktydzie pobierano również rdzenie lodowe do analizy zmian, które zachodziły na przestrzeni kilkuset tysięcy lat. Rdzenie lodowe na Spitsbergenie nie będą tak przydatne, ze względu na wspomnianą politermalną strukturę lodu. Dlatego bardziej interesujące jest pobranie samej wody i określenie jej wieku.
Ta woda mogła być odcięta przed ostatnim zlodowaceniem Skandynawii, czyli ponad 20 000 lat temu. Po ostatnim zlodowaceniu mieliśmy w Europie optimum klimatyczne, które wystąpiło ok. 5000 lat temu i część badaczy sugeruje, że mogło wtedy dojść do zaniku pokrywy lodowej nawet na Spitsbergenie. Zatem, jeżeli ta woda będzie miała wiek ok. 5000 lat, to będziemy mieli dowód na to, że ocieplenie klimatyczne na półkuli północnej było duże i dosięgnęło rejonów arktycznych.
Jeśli woda okaże się starsza, będzie miała ponad 20 000 lat, to może być medium, w którym mogą utrzymywać się organizmy żywe, których procesy życiowe zostały spowolnione przez zamknięcie pod pokrywą lodową. Porównamy je wtedy do tych organizmów, które występują współcześnie w wodach na Svalbardzie i dowiemy się, jakie zaszły procesy ewolucyjne w tych organizmach. Będziemy mogli na tej podstawie określić szybkość zmian ewolucji organizmów żywych w warunkach arktycznych i przy zmianach klimatu.
Może się okazać, że ta woda jest jeszcze starsza. Gdyby powstała w okresie jeszcze wcześniejszego optimum klimatycznego na półkuli północnej, czyli ok. 125 000 lat, mielibyśmy możliwość analizowania zmian ewolucyjnych, które zaszły w tak długim okresie. Na Antarktydzie woda ma przynajmniej milion lat, ale tam mamy też inne warunki – przede wszystkim znacznie grubszą pokrywę lodową.
Jak wykonać taki odwiert?
Przygotowanie do takiego wiercenia będzie trwać kilka lat. Trzeba się dobrze przygotować teoretycznie oraz dysponować odpowiednim sprzętem do wierceń. Najlepszym okresem do wierceń byłaby wiosna, gdy temperatura wynosi ok. -30°C, co pozwala na dłuższą, bezpieczną obróbkę rdzeni, opisanie ich i przetransportowanie do Stacji, a następnie zamrożenie w niskich temperaturach, żeby nie zachodziły w nich zmiany.
Dodatkowo trzeba pamiętać, że jest to teren parku narodowego, więc obowiązuje tu wiele restrykcji. Dlatego nawet mając środki finansowe i wysoko wykwalifikowany zespół, trzeba przekonać władze Svalbardu, że efekt wierceń jest na tyle ważny naukowo, że ewentualna ingerencja w środowisko naturalne jest uzasadniona.
Nad wodą mamy około 600 metrów lodu. Czyli nacisk tego lodu wynosi ok. 50 atmosfer. Trzeba to wziąć pod uwagę przy wykonywaniu wiercenia.
Na Antarktydzie otwór wiercono łącznie ponad 15 lat. Otwór był wypełniony freonem i paliwem lotniczym (20 000 litrów), żeby nie zamarzł. Początkowo pobrano wyłącznie rdzenie lodowe, a potem przez wiele lat zastanawiano się, jak zrobić wiercenie, żeby nie zanieczyścić tej wody. Finalnie wykonano je bardzo cienkim wiertłem termicznym. Po przewierceniu otworu woda wypchnęła naftę na wysokość kilkuset metrów. Próbkę pobrano nie bezpośrednio z jeziora, a z tego słupa wypchniętej wody.
Woda na Spitsbergenie jest cieplejsza niż na Antarktydzie. Dlatego pobranie próbki lodowej tu się nie sprawdzi. Być może na Spitsbergenie trzeba będzie użyć mikrowiertła termicznego (tzw. kreta), który będzie się zagłębiał tak wolno, że po wytopieniu nad nim woda będzie zamarzać. Tym sposobem powinno udać się uniknąć zanieczyszczenia. Kret byłby wyposażony w czujniki. Gdy dotrze do wody może sprawdzić pH, przewodność oraz stężenia jonów dzięki elektrodom jonoselektywnym.
Natomiast samo pobranie prób wody mogłoby się odbyć dopiero w drugim etapie – po oczyszczeniu otworu – za pomocą specjalnej kapsuły.
Ze względu na wysoki koszt takiego projektu (minimum 3 mln euro, a nawet do 10 mln euro przy dodatkowych badaniach) pomysł od kilku lat czeka na sfinansowanie. Nasze odkrycie było pierwszym odkryciem wody pod kopułą lodową na półkuli północnej. W międzyczasie zostały odkryte jeziora podlodowcowe pod kopułą Grenlandii. Przy czym tam znajdują się one znacznie głębiej – od ok. 1000 metrów. Pierwsze doniesienia naukowe dotyczące jezior na Grenlandii pochodzą z ubiegłego roku. Ich obecność została potwierdzona metodami geofizycznymi, ale sama woda wciąż czeka na zbadanie.
Rozmawiała: dr Agata Goździk
Obraz doliny z przegłębieniami ukrytej pod powierzchnią lodu na Amundsenisen
Podróż przez Amundsenisen w trakcie wykonywania profili radarowych
topografia Amundsenisen
