Jezero Vostok - Lake Vostok
| Jezero Vostok | |
|---|---|
 Radarový satelitní snímek jezera Vostok
| |
  Jezero Vostok | |
| Souřadnice | 77 ° 30'S 106 ° 00 'východní / 77 500 ° S 106 000 ° E Souřadnice: 77 ° 30'S 106 ° 00' východní / 77 500 ° S 106 000 ° E |
| Jezerní typ | Starověké jezero , subglaciální rozsedlinové jezero |
| Země povodí | Antarktida |
| Max. délka | 250 km (160 mi) |
| Max. šířka | 50 km (30 mi) |
| Plocha povrchu | 12500 km 2 (4830 čtverečních mil) |
| Průměrná hloubka | 432 m (1417 stop) |
| Max. hloubka | 510 m (1700 stop) až 900 m (3000 stop) |
| Objem vody | 5400 km 3 (1300 cu mi) ± 1600 km 3 (400 cu mi) |
| Doba pobytu | 13 300 let |
| Nadmořská výška povrchu | C. −500 m (−1,600 ft) |
| Ostrovy | 1 |
| Osady | Stanice Vostok |
Jezero Vostok ( rusky : озеро Восток , ozero Vostok ) je největší z Antarktidy to téměř 400 známých subglacial jezer . Jezero Vostok leží na jižním pólu Studený , pod ruskou Vostok stanice pod povrchem centrálního východní Antarktidy ledového příkrovu , který je na 3,488 m (11,444 ft) nad mořem . Hladina tohoto sladkovodního jezera je přibližně 4 000 m (13 100 stop) pod povrchem ledu, čímž se nachází přibližně 500 m (1 600 stop) pod hladinou moře.
Měří 250 km (160 mi) na délku a 50 km (30 mi) na šířku v nejširším místě a pokrývá plochu 12 500 km 2 (4 830 sq mi), což z něj činí 16. největší jezero podle rozlohy . S průměrnou hloubkou 432 m (1417 stop) má odhadovaný objem 5400 km 3 (1300 cu mi), což z něj činí 6. největší jezero podle objemu .
Jezero je hřebenem rozděleno na dvě hluboké pánve . Hloubka kapalné vody přes hřeben je asi 200 m (700 stop), ve srovnání se zhruba 400 m (1300 stop) hluboko v severní pánvi a 800 m (2600 stop) hluboko na jihu.
Jezero je pojmenováno podle stanice Vostok, která je zase pojmenována po lodi Vostok (Восток), válečné lodi, což v ruštině znamená „východ“. Existenci subglaciálního jezera v oblasti Vostok poprvé navrhl ruský geograf Andrey Kapitsa na základě seismických sond, které byly provedeny během sovětských antarktických expedic v letech 1959 a 1964 k měření tloušťky ledové pokrývky. Pokračující výzkum ruských a britských vědců vedl ke konečnému potvrzení existence jezera v roce 1993 JP Ridley pomocí laserové altimetrie ERS-1 .
Nadložní led poskytuje nepřetržitý paleoklimatický záznam 400 000 let, i když samotná voda z jezera může být izolována 15 až 25 milionů let. Dne 5. února 2012 dokončil tým ruských vědců dosud nejdelší ledové jádro o délce 3 768 m (12 400 stop) a probodl ledový štít na hladinu jezera.
První jádro čerstvě zmrzlého jezerního ledu bylo získáno 10. ledna 2013 v hloubce 3 406 m (11 175 stop). Jakmile však byl led probodnut, voda z podzemního jezera vytryskla do vrtu a smísila se s freonem a petrolejem, který zabraňoval zamrznutí vrtu. Byl vyvrtán nový vrt a údajně nedotčený vzorek vody byl získán v lednu 2015. Ruský tým plánuje nakonec spustit sondu do jezera, aby sbíral vzorky vody a usazeniny ze dna. Předpokládá se, že v tekuté vrstvě jezera, rezervě fosilní vody, lze nalézt neobvyklé formy života . Protože jezero Vostok může obsahovat prostředí uzavřené pod ledem po miliony let, podmínky by se mohly podobat podmínkám oceánů pokrytých ledem, u nichž se předpokládá, že existují na Jupiterově měsíci Europa a Saturnově měsíci Enceladus .
Objev
Ruský vědec Peter Kropotkin poprvé navrhl myšlenku sladké vody pod antarktickými ledovými příkrovy na konci 19. století. On se domníval, že ohromný tlak vyvíjený kumulativní hmotností tisíců vertikálních metrů ledu může snížit teplotu tání v nejnižších částech ledové pokrývky až do bodu, kdy se z ledu stane kapalná voda . Kropotkinovu teorii dále rozvinul ruský glaciolog IA Zotikov, který na toto téma v roce 1967 napsal disertační práci.
Ruský geograf Andrey Kapitsa použil k měření tloušťky ledové pokrývky seismické sondáže v oblasti stanice Vostok provedené během sovětské antarktické expedice v letech 1959 a 1964. Kapitsa jako první navrhl existenci subglaciálního jezera v regionu a následný výzkum jeho hypotézu potvrdil.
Když britští vědci v Antarktidě prováděli na začátku 70. let radarové průzkumy pronikající ledem , detekovali na místě neobvyklá radarová měření, která naznačovala přítomnost tekutého sladkovodního jezera pod ledem. V roce 1991 Jeff Ridley, specialista na dálkové snímání z Mullardovy vesmírné vědecké laboratoře na University College London , nasměroval satelit ERS-1 tak, aby otočil své vysokofrekvenční pole směrem ke středu antarktické ledové pokrývky . Data z ERS-1 potvrdila zjištění z britských průzkumů z roku 1973, ale tato nová data byla publikována v Journal of Glaciology až v roce 1993. Vesmírný radar odhalil, že toto subglaciální těleso sladké vody je jedním z největších jezer v svět a jedno z asi 140 subglaciálních jezer v Antarktidě. Ruští a britští vědci vymezili jezero integrací různých dat, včetně leteckých radarových zobrazovacích pozorování pronikajících ledem a vesmírné radarové výškoměrky, a objev jezera byl publikován ve vědeckém časopise Nature dne 20. června 1996. bylo potvrzeno, že jezero obsahuje velké množství kapalné vody pod více než 3 kilometry silnou ledovou čepicí. Jezero má nejméně 22 dutin kapalné vody , v průměru 10 kilometrů (6 mi).
Stanice, podle níž je jezero pojmenováno, připomíná Vostok (Восток), 900tunovou loď šalupy, kterou plavil jeden z objevitelů Antarktidy, ruský průzkumník admirál Fabian von Bellingshausen . Protože slovo Vostok znamená v ruštině „východ“, názvy stanice a jezera také odrážejí skutečnost, že se nacházejí ve východní Antarktidě.
V roce 2005 byl v centrální části jezera nalezen ostrov. Poté, v lednu 2006, byl zveřejněn objev dvou blízkých menších jezer pod ledovou čepicí; jmenují se 90 stupňů východně a sovětská . Existuje podezření, že tato antarktická subglaciální jezera mohou být spojena sítí subglaciálních řek. Centrum pro polární pozorování a modelování glaciologové navrhují, aby mnoho subglaciálních jezer Antarktidy bylo alespoň dočasně propojeno. Vzhledem k měnícímu se tlaku vody v jednotlivých jezerech se mohou náhle vytvořit velké podpovrchové řeky a poté protlačit velké množství vody pevným ledem.
Geologická historie
Afrika se od Antarktidy oddělila zhruba před 160 miliony let, následován indickým subkontinentem na počátku křídy (asi před 125 miliony let). Asi před 66 miliony let měla Antarktida (tehdy spojená s Austrálií) stále tropické až subtropické klima, doplněné vačnatou faunou a rozsáhlým mírným deštným pralesem .
Povodí jezera Vostok je malý (50 kilometrů široký (31 mil)) tektonický prvek v celkovém nastavení několik set kilometrů široké kontinentální kolizní zóny mezi pohořím Gamburtsev , subglaciálním pohořím a kopulí Dome C kraj. Jezerní voda je kolébána na korytě sedimentů o tloušťce 70 metrů (230 stop), což nabízí možnost, že obsahují jedinečný záznam klimatu a života v Antarktidě, než se vytvořila ledová čepička.
Vlastnosti
Odhaduje se, že voda z jezera byla uzavřena pod silným ledovým příkrovem asi před 15 miliony let. Zpočátku se předpokládalo, že stejná voda tvoří jezero od doby jeho vzniku, což dává dobu pobytu v řádu jednoho milionu let. Pozdější výzkum Robina Bella a Michaela Studingera z observatoře Země Lamont – Doherty na Kolumbijské univerzitě naznačil, že voda v jezeře neustále mrzne a je unášena pohybem antarktického ledového příkrovu , přičemž je nahrazuje voda tající z jiných částí ledové pokrývky v těchto podmínkách vysokého tlaku. Výsledkem byl odhad, že se celý objem jezera vymění každých 13 300 let - což je jeho efektivní střední doba pobytu.
Nejchladnější přirozeně se vyskytující teplota, jaká kdy byla na Zemi pozorována, −89 ° C (−128 ° F ), byla zaznamenána na stanici Vostok dne 21. července 1983. Průměrná teplota vody je vypočtena kolem –3 ° C (27 ° F); zůstává tekutý pod normálním bodem mrazu kvůli vysokému tlaku z hmotnosti ledu nad ním. Geotermální teplo z nitra Země může ohřívat dno jezera, zatímco ledová vrstva sama izoluje jezero od chladných teplot na povrchu.
Jezero Vostok je oligotrofní extrémní prostředí, od kterého se očekává přesycení dusíkem a kyslíkem, které měří 2,5 litru dusíku a kyslíku na 1 kg vody, což je 50krát více než obvykle nacházející se v běžných sladkovodních jezerech na zemském povrchu. Odhaduje se, že k vysoké koncentraci plynu přispívá samotná hmotnost a tlak kolem 345 barů (5 000 psi ) kontinentální ledové pokrývky na vrcholu jezera Vostok.
Kromě rozpouštění ve vodě jsou kyslík a další plyny zachyceny v typu struktury zvané klatrát . V klatrátových strukturách jsou plyny uzavřeny v ledové kleci a vypadají jako zabalený sníh. Tyto struktury se tvoří ve vysokotlakých hloubkách jezera Vostok a byly by nestabilní, pokud by byly vyneseny na povrch.
V dubnu 2005 němečtí, ruští a japonští vědci zjistili, že jezero má příliv a odliv . V závislosti na poloze Slunce a Měsíce se hladina jezera zvedá asi o 12 mm (0,47 palce). Jezero je pod úplnou tmou, pod tlakem 355 barů (5 150 psi) a očekává se, že bude bohaté na kyslík, takže se spekuluje o tom, že jakýkoli organismus obývající jezero se mohl vyvinout způsobem, který je v tomto prostředí jedinečný. Na východním pobřeží jezera je magnetická anomálie 1 mikrotla , která zabírá 105 x 75 km (65 x 47 mi). Výzkumníci předpokládají, že anomálie může být způsobena ztenčením zemské kůry v tomto místě.
Živé mikroorganismy Hydrogenophilus thermoluteolus byly nalezeny v hlubokých vrtech jádra jezera Vostok; jsou existujícími druhy žijícími na povrchu. To naznačuje přítomnost hluboké biosféry využívající geotermální systém podloží obklopující subglaciální jezero. Existuje optimismus, že mikrobiální život v jezeře může být možný navzdory vysokému tlaku, stálému chladu, nízkému přísunu živin, potenciálně vysoké koncentraci kyslíku a nedostatku slunečního světla. Jupiterův měsíc Evropa a Saturnův měsíc Enceladus mohou také skrývat jezera nebo oceány pod hustou ledovou krustou. Jakékoli potvrzení života v jezeře Vostok by mohlo posílit vyhlídky na přítomnost života na ledových měsících.
Výzkum
Vědci pracující na stanici Vostok vyrobili v roce 1998 jedno z nejdelších ledových jader na světě . Společný ruský, francouzský a americký tým vyvrtal a analyzoval jádro o délce 3 623 m (11 886 stop). Ukázalo se, že vzorky ledu z jader vyvrtaných v blízkosti vrcholu jezera jsou staré až 420 000 let. Předpokládá se, že jezero bylo uzavřeno od povrchu od doby, kdy se před 15 miliony let vytvořil ledový příkrov. Vrtání jádra bylo záměrně zastaveno zhruba 100 m (300 ft) nad předpokládanou hranicí mezi ledovým příkrovem a kapalnými vodami jezera. To mělo zabránit kontaminaci jezera 60tunovou kolonou freonu a petroleje, která měla zabránit kolapsu a zamrznutí vrtu.
Z tohoto jádra, konkrétně z ledu, o kterém se předpokládá, že se vytvořil ledovou vodou zamrzlou na dno ledové pokrývky, byli nalezeni extremofilní mikrobi , což naznačuje, že voda z jezera podporuje život. Vědci navrhli, že jezero by mohlo mít jedinečný biotop pro starověké bakterie s izolovaným mikrobiálním genofondem obsahujícím vlastnosti vyvinuté snad před 500 000 lety.
V lednu 2011 vedoucí ruské antarktické expedice Valerij Lukin oznámil, že jeho týmu zbývá k vrtání jen 50 m (200 stop) ledu, aby se dostali k vodě. Vědci poté přešli na novou tepelnou vrtací hlavu s „čistou“ kapalinou ze silikonového oleje, která zbytek cesty provrtala. Místo toho, aby vrtali až do vody, řekli, že se zastaví těsně nad ní, když senzor na tepelném vrtáku detekuje volnou vodu. V tu chvíli měl být vrták zastaven a vytažen z vrtaného otvoru. Odstranění vrtáku by snížilo tlak pod ním a vtáhlo by vodu do otvoru, který by nechal zmrznout, a ve spodní části otvoru by se vytvořila zátka ledu. Vrtání se zastavilo 5. února 2011 v hloubce 3720 m (12200 stop), aby se výzkumný tým mohl dostat z ledu před začátkem zimní sezóny v Antarktidě. Vrtný tým opustil letadlo dne 6. února 2011.
Následující léto měl tým podle plánu znovu provést hloubku, odebrat vzorek tohoto ledu a analyzovat ho. Rusové obnovili vrtání do jezera v lednu 2012 a 6. února 2012 dosáhli horního povrchu vody. Vědci nechali spěchající jezerní vodu zamrznout ve vrtu a o několik měsíců později shromáždili vzorky jádra ledu z tohoto nově vytvořeného ledu a poslán k analýze do Laboratoře pro glaciologii a environmentální geofyziku v Grenoble ve Francii.
Výsledky biologie
Spojené království a Spojené státy
Vědci poprvé uvedli důkazy o mikrobech v akrečním ledu v roce 1999. Od té doby odlišný tým vedený Scottem O. Rogersem identifikoval různé bakterie a houby z akrečního ledu (nikoli ze subglaciální vodní vrstvy) shromážděného během vrtných projektů v USA v devadesátých letech. Podle něj to naznačuje, že jezero pod ledem není sterilní, ale obsahuje jedinečný ekosystém. Poté Scott Rogers v červenci 2013 publikoval, že jeho tým provedl sekvenování nukleových kyselin ( DNA a RNA ) a výsledky umožnily odpočet metabolických drah zastoupených v akrečním ledě a potažmo v jezeře. Tým našel 3 507 unikátních genových sekvencí a přibližně 94% sekvencí bylo z bakterií a 6% bylo z Eukarya . Taxonomické klasifikace (podle rodu a/nebo druhu) nebo identifikace byly možné pro 1623 sekvencí. Taxony byly obecně podobné organismům dříve popsaným z jezer, brakické vody, mořského prostředí, půdy, ledovců, ledu, jezerních sedimentů, hlubinných sedimentů, hlubinných termálních průduchů, zvířat a rostlin. Byly přítomny sekvence aerobních , anaerobních , psychrofilních , termofilních , halofilních , alkalifilních , acidofilních , odolných vůči vysychání, autotrofních a heterotrofních organismů, včetně řady mnohobuněčných eukaryot.
V roce 2020 Colby Gura a Scott Rogers rozšířili svoji studii o akrečním ledu Lake Vostok a také o bazálním ledu, který do jezera proudí. Zjistili, že základní led obsahuje téměř úplně jiné společenství organismů ve srovnání s těmi, které se nacházejí v ledovém akrečním ledě, což naznačuje, že znamenají dva zcela odlišné ekosystémy. Byly hlášeny další bakterie a eukaryota. Nejvyšší diverzita organismů v jezerním ledu byla významně spojena (p <0,05) s vyšší koncentrací iontů a aminokyselin. Zatímco jejich předchozí práce naznačovala přítomnost bakterií, které obývají střeva ryb, nebyly nalezeny žádné sekvence z ryb. Ve studii 2020 však našli sekvenci rRNA, která byla> 97% podobná sekvenci z tresky skalní společné podél pobřeží Antarktidy. Toto je první zpráva o druhu ryby, který pravděpodobně žije v jezeře Vostok. O rybě je známo, že produkuje nemrznoucí bílkoviny.
Mikrobiolog David Pearce z University of Northumbria v Newcastlu ve Velké Británii uvedl, že DNA může být jednoduše kontaminací z procesu vrtání a není reprezentativní pro samotné jezero Vostok. Stará jádra ledu byla vyvrtána v devadesátých letech minulého století, aby se hledaly důkazy o minulých klimatech pohřbených v ledu, a ne na celý život, takže vrtné zařízení nebylo sterilizováno . Také Sergey Bulat, expert Lake Vostok z Petrohradského institutu jaderné fyziky v Gatchině v Rusku, pochybuje, že by některé z buněk nebo fragmentů DNA ve vzorcích patřily k organismům, které by v jezeře ve skutečnosti mohly existovat. Říká, že je velmi pravděpodobné, že vzorky jsou silně kontaminovány tkání a mikroby z vnějšího světa.
Scott Rogers vyvrátil možnost kontaminace, protože kontrolní opatření byla přísná a kombinace organismů nalezených v každém ze vzorků ledu byly v souladu s organismy žijícími ve studeném jezeře a ledu (včetně sekvence z tresky obecné v Antarktidě) a byly v rozporu s kontaminací zavedenou při odběru vzorků nebo z laboratorních postupů. Rovněž všechny laboratorní postupy byly prováděny souběžně se vzorky ledu z jezera Erie a dva výsledné soubory dat byly zcela odlišné. Vzorek Lake Erie nevykazoval mnoho signálů lidského osídlení, zatímco vzorky ledu Lake Vostok nevykazovaly žádné signály lidského osídlení. Vzorek Lake Erie měl také téměř úplně jiný profil bakteriální a eukaryotické fyly.
Rusko a Francie
Ruští a francouzští vědci provádějí studie molekulární DNA vody z jezera Vostok, která byla zmrazena ve vrtu, a to výstavbou mnoha knihoven DNA , což jsou sbírky fragmentů DNA, které vědcům umožňují identifikovat, ke kterým druhům bakterií mohou patřit. Vzorky odebrané z jezera dosud obsahují asi jednu část petroleje na 1000 vody a jsou kontaminovány bakteriemi, které byly dříve přítomny ve vrtáku a vrtné kapalině pro petrolej. Vědcům se dosud podařilo identifikovat 255 kontaminujících druhů, ale také našli neznámou bakterii, když v roce 2012 zpočátku vrtali na hladinu jezera, bez shody v jakýchkoli mezinárodních databázích, a doufají, že to může být jedinečný obyvatel jezera Vostok. Vedoucí laboratoře studie téže instituce Vladimar Korolev však uvedl, že bakterie by v zásadě mohla být kontaminant, který jako zdroj energie používá petrolej - nemrznoucí směs používanou při vrtání.
Kritici z vědecké komunity uvádějí, že nelze získat žádné cenné informace, dokud nebudou moci testovat čisté vzorky vody z jezera, nekontaminované vrtnou kapalinou. Bez ohledu na problémy s kontaminací bylo v květnu 2013 vrtné zařízení na ruské antarktické stanici Vostok prohlášeno za historickou památku jako „výsledek uznání úspěchů ruského výzkumu Antarktidy mezinárodní vědeckou komunitou a jedinečných operací“ při otevření subglaciálního jezera Vostok provedeném ruskými vědci 5. února 2012. “
V lednu 2015 ruský tisk uvedl, že ruští vědci vytvořili nový „čistý“ vrt do jezera Vostok pomocí speciální 50kilogramové sondy, která zachytila asi 1 litr vody nezfalšované nemrznoucí kapalinou. Použitá technologie vrtání se ukázala jako nevhodná pro sběr kapalné vody obecně a zvláště pro čisté vzorky a výsledky nebyly hlášeny. Předpovídalo se, že voda stoupne o 30–40 m ve spodní části vrtu, ale ve skutečnosti voda stoupala z jezera do výšky více než 500 m. V říjnu téhož roku byla práce na to jižní léto pozastavena kvůli nedostatečnému financování federální ruskou vládou.
Znečištění v důsledku vrtných kapalin
Proti projektu vrtání se postavily některé ekologické skupiny a vědci, kteří tvrdili, že vrtání horkou vodou by mělo omezenější dopad na životní prostředí . Hlavní obavou je, že by se jezero mohlo kontaminovat nemrznoucí směsí, kterou Rusové používali k zamrzání vrtu. Vědci z Národní rady pro výzkum Spojených států zaujali stanovisko, že je třeba předpokládat, že v jezeře Vostok existuje mikrobiální život a že po tak dlouhé izolaci vyžadují všechny formy života v jezeře přísnou ochranu před kontaminací.
Původní technika vrtání používaná Rusy zahrnovala použití freonu a petroleje k mazání vrtu a zabránění jeho kolapsu a zamrzání; Na ledě nad jezerem Vostok bylo dosud použito 60 malých tun (54 t ) těchto chemikálií. Jiné země, zejména Spojené státy a Británie, nedokázaly přesvědčit Rusy, aby neprorazili k jezeru, dokud nebudou k dispozici čistší technologie, jako je vrtání horkou vodou. Ačkoli Rusové tvrdí, že zlepšili své operace, nadále používají stejný vrt, který již byl kontaminován petrolejem. Podle šéfa ruských antarktických expedic Valerije Lukina vyvinuli vědci z petrohradského institutu jaderné fyziky nové vybavení, které by zajistilo, že jezero zůstane při vniknutí nekontaminováno. Lukin opakovaně ujistil ostatní signatářské státy systému Smlouvy o Antarktidě, že vrtání jezero neovlivní, a tvrdil, že při průlomu voda vyletí do vrtu, zamrzne a utěsní ostatní tekutiny.
Některé ekologické skupiny zůstávají těmito argumenty nepřesvědčeny. Antarctic a Jižní oceán Koalice tvrdí, že tento způsob vrtání je hluboce pomýlený krokem, který ohrožuje jezero Vostok a další subglacial jezera v Antarktidě (které někteří vědci jsou přesvědčeni, že jsou vzájemně propojeny s jezerem Vostok). Koalice tvrdila, že „by bylo mnohem vhodnější spojit se s jinými zeměmi, aby pronikly do menšího a izolovanějšího jezera, než znovu přezkoumají, zda je průnik jezera Vostok ekologicky obhájitelný. Pokud budeme moudří, bude jezeru umožněno odhalit jeho v pravý čas tajemství. "
Lukin tvrdí, že vrtání horkou vodou je pro mikrobiotickou faunu mnohem nebezpečnější, protože by uvařilo živé druhy a narušilo celou strukturu vodních vrstev jezera. Kromě toho by vrtání horkou vodou vyžadovalo více energie, než by ruská expedice mohla vygenerovat v jejich vzdáleném táboře. Vzorky vody získané ruským týmem však byly silně kontaminovány vrtnou tekutinou, a tak v květnu 2017 oznámili, že v tuto chvíli není možné získat spolehlivé údaje o skutečném chemickém a biologickém složení jezerní vody.