Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе работ по проекту в 2018 г. был выполнен большой объем аналитических исследований древнего антарктического льда. Исследования проводились по ледяным кернам скважин 5Г-1 и 5Г-3, пробуренных на станции Восток, и по керну скважины DC2, пробуренной на станции Конкордия в рамках европейского проекта EPICA на Куполе С (EPICA DC). Образцы керна со станции Конкордия были переданы исполнителям проекта по решению Координационного научного комитета проекта EPICA (EPICA SSC) в соответствии с нашей заявкой, поданной в EPICA SSC на стадии подготовки проекта. Впервые проведены измерения размера и счетной концентрации кристаллических включений гидратов воздуха в самом древнем на сегодняшний день датированном ледяном керне из скважины DC2 (станция Конкордия). Полученные данные подтвердили существование строгой линейной зависимости размера гидратов от возраста льда в придонных слоях восточно-антарктического ледникового покрова. Выполнены измерения геометрических параметров гидратов воздуха в интервале глубин 3460-3538 м ледяного керна новой скважины 5Г-3. Новые данные дополнили результаты проведенных ранее исследований керна 5Г-1 и подтвердили максимальные размеры гидратов в самых нижних слоях атмосферного льда, вблизи его контакта с конжеляционным льдом озера Восток. Полученные нами экспериментальные данные по кернам станций Восток и Конкордия, а также имеющиеся данные по керну станции Купол Фуджи были использованы для оценки скорости роста гидратов в трех районах восточно-антарктического ледникового покрова. Было установлено, что скорость роста гидратов в древнем льду варьирует в относительно узком диапазоне, что свидетельствует о близости эффективных температур роста гидратов. Приведение эмпирических скоростей роста, полученных по кернам Конкордии и Купола Фуджи к начальному размеру гидратов в керне станции Восток позволило получить наиболее надежное среднее значение скорости роста гидратов в районе Востока 62±8 мкм/ млн. лет), которое было использовано для построения предварительной (основанной только на данных о размере гидратов) шкалы возраста атмосферного льда в базальной части ледника в районе станции Восток. В соответствии с этой шкалой возраст льда на глубине 3500 м составляет 0,69±0,07 млн. лет, а на глубине 3537 м – 1,22±0,15 млн. лет. Таким образом, есть все основания утверждать, что имеющийся в нашем распоряжении ледяной керн со станции Восток является на сегодняшний день самым древним и, более того, единственным полученным в Восточной Антарктиде керном, возраст льда в котором превышает 1 млн. лет. «Гидратный» метод датирования древнего льда, разработка которого была в целом завершена на первом этапе проекта, пригоден для оценки возраста древних (старше 400 тыс. лет) ледяных отложений с частично нарушенной последовательностью залегания ледяных слоев. Проведены петрографические исследования ледяных кернов из скважин 5Г-1 и 5Г-3, которые позволили получить непрерывный сводный профиль размера зерен льда в интервале 3455-3539 м, а также охарактеризовать особенности строения ледяной породы на этих глубинах. Установлено что в нижней части ледниковой толщи наблюдается мелкомасштабное перемешивание слоев льда, образовавшихся в разные климатические эпохи и поэтому имеющих разное строение и реологические свойства. Перемешивание слоев разного возраста нарушает монотонный характер увеличения возраста льда с глубиной, однако связанный с этим разброс возраста в соседних слоях не превышает 20-50 тыс. лет. Впервые проведены непрерывные измерения изотопного состава (delta D, delta 18O) древнего атмосферного льда с разрешением по глубине 10 см по ледяным кернам, поднятым из двух параллельных скважин 5Г-1 и 5Г-3. В общей сложности было отобрано и измерено около 3300 проб. С помощью нашей «гидратной» временной шкалы изотопный профиль керна был преобразован во временной ряд изотопного состава льда. Сравнение этого ряда с изотопными кривыми, полученными по ледяному керну Конкордии и колонкам морских донных отложений, показало существенное уменьшение амплитуды изотопных вариаций в нижней части восточного керна. Расчеты, выполненные с помощью модели изотопной диффузии, свидетельствуют, что одно лишь диффузионное сглаживание изотопного сигнала не могло привести к его практически полному стиранию во льду. Был сделан вывод, что полученный нами изотопный профиль с нарушенным и низкоамплитудным изотопным сигналом сформировался в результате наложения двух процессов – крупно- и мелкомасштабного перемешивания ледяных слоев и диффузионного сглаживания нарушенного этими процессами изотопного профиля льда. Важно отметить, что изотопные ряды, полученные по кернам древнего льда со станции Восток, сохранили информацию о среднем уровне изотопного состава льда ледниковых и межледниковых эпох. Это дает возможность выявлять и изучать продолжительные климатические тренды, превосходящие по своей длительности ледниковые циклы. На следующих этапах проекта будет сделана попытка восстановить палеоклиматическую информацию, которая сохранилась в измеренном изотопном профиле керна. Получены данные об общем содержании газа в недавно поднятом керне 5Г-3. Они подтвердили примерное постоянство газосодержания льда на всем протяжении разреза ледниковой толщи в районе станции Восток. В соответствии с существующими представлениями об условиях, определяющих эту характеристику ледяной породы, постоянство газосодержания льда свидетельствует о стабильности высоты ледникового покрова в данном районе Восточной Антарктиды на протяжении последних примерно 1,2 млн. лет, в течение которых происходило формирование изученной ледниковой толщи. Сделан обзор существующих динамических моделей климата, описывающих смену ледниковых и межледниковых эпох в плейстоцене. В качестве основного критерия качества модели была принята сила причинно-следственной связи между временными рядами используемого в модели астрономического форсинга (инсоляции) и рассчитанными по модели климатическими рядами. Расчеты, выполненные с помощью метода условных дисперсий (MCD), показали одинаковую количественную причинность в эмпирических и расчетных рядах, полученных по модели М. Вербицкого с соавторами [Verbitsky et al., 2018]. Это говорит о высоком качестве данной климатической модели, которая и была выбрана для исследования причин и механизмов перестройки климатической системы планеты в середине плейстоцена (MPT) на следующих этапах проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе работ по проекту в 2019 г. был выполнен большой объем аналитических исследований, направленных как на уточнение возраста древнего антарктического льда со станции Восток, так и на извлечение содержащейся в нем палеоклиматической информации о периоде времени 1,2–0,4 млн. лет назад. Произведены измерения изотопного состава аргона (delta 40/38Ar и delta 38/36Ar) в воздухе, экстрагированном из 15 образцов древнего льда, которые были отобраны в интервале глубин 3422–3535 м. На основе этих данных с помощью калибровочной прямой, определяющей зависимость содержания аргона-40 в атмосферном воздухе от его возраста [Bender et al., 2008], сделаны определения возраста ледяной породы. Впервые в мировой практике выполнено абсолютное датирование древнего антарктического льда по данным о содержании космогенного радионуклида 81Kr в экстрагированном изо льда воздухе. Измерение изотопов 81Kr и 85Kr проводилось методом анализа следов элементов в атомных ловушках (ATTA) [Jiang, et al., 2012] на образцах льда, непрерывно отобранных в интервалах керна 3510,5–3521,5 м, 3529,5–3532,5 м и 3533,5–3537,0 м. Полученные аргоновые и радиокриптоновые датировки хорошо согласуются с гидратной шкалой возраста керна, разработанной нами на первом этапе проекта. Усилия по датированию древнего антарктического льда с нарушенной стратиграфией, в которых, помимо российских ученых, принимали участие специалисты из Китая, США и Франции, убедительно показали, что в нижней (глубже 3520 м) части керна со станции Восток возраст атмосферного льда достигает 1,2 млн. лет [Lipenkov et al., 2019]. Эта находка стала первым прямым свидетельством наличия древнего льда в центральной части восточно-антарктического ледникового щита, подтвердившим обоснованность усилий международного научного сообщества по получению в этом районе Антарктиды ледяных кернов, возраст которых превышает возраст среднеплейстоценового перехода (MPT). Впервые по ледяному керну, добытому в центральной части Восточной Антарктиды, получены прямые данные о содержании углекислого газа в атмосфере Земли более миллиона лет назад. Измерение концентрации СО2 выполнено в 28 образцах, отобранных с 18 горизонтов ледниковой толщи в интервале глубин 3494–3536 м. Среднее значение концентрации CO2 в образцах «восточного» льда возрастом 800–1160 тыс. лет составило 228 ppm, что примерно соответствует среднему уровню СО2 в керне проекта EPICA возрастом 450–800 тыс. лет [Luthi et al., 2008]. Главной отличительной чертой данных, полученных по древнему льду Востока, является незначительная амплитуда вариаций СО2, которая оказалась здесь в три раза меньше той, которая наблюдается в керне проекта EPICA и в два раза меньше амплитуды вариаций СО2 в керне возрастом 833–1116 тыс. лет, который был добыт в районе распространения голубого льда в горах Аллан Хиллс [Higgins et al., 2015]. Показано, что причиной исчезновения климатического сигнала во временном ряду СО2, полученном по «восточному» керну, является его диффузионное сглаживание, эффект которого многократно усилен перемешиванием льда в субметровом масштабе. В интервалах керна 3317,9–3318,9 м, 3363,0–3364,0 м и 3399,0–3402,0 м проведены непрерывные измерения изотопного состава льда (delta D, delta 18O) с разрешением 1,0–1,5 см. Анализ результатов измерений позволил определить длину диффузии молекул воды во льду – параметра, определяющего степень диффузионного сглаживания первоначального изотопного сигнала. Показано, что экспериментальная длина диффузии по порядку величины совпадает с теоретически предсказанной и вряд ли отличается от последней более чем на 30 %. Таким образом, «дополнительная» диффузия молекул воды в жидком слое по границам кристаллов, которая, как предполагается, должна доминировать во льду, имеющем температуру выше -10 °С [Pol et al., 2010], не оказывала заметного влияния на сглаживание климатического сигнала в изотопном профиле «восточного» керна. Установлено, что исчезновение климатического сигнала в профилях изотопного состава древнего льда, как и в случае с данными по углекислому газу, происходит в результате диффузионного сглаживания, которое особенно эффективно проявляет себя в комбинации с мелкомасштабным перемешиванием ледяных слоев в придонных частях ледника [Екайкин и др., 2019]. Разработаны изотопные критерии обнаружения слоев с опрокинутым залеганием в толще древнего льда. С помощью этих критериев в интервале глубин 3318–3455 м установлены границы четырех опрокинутых слоев мощностью от 8 до 25 м. Показано, что разброс возраста льда, связанный с образованием в леднике опрокинутых макроскладок (15–35 тыс. лет), не выходит за пределы общей погрешности разработанной нами шкалы возраста льда, которая увеличивается с глубиной от ±40 до ±150 тыс. лет и, по определению, должна включать в себя все источники неопределенности датирования древнего льда с нарушенной стратиграфией. В интервале 3318–3455 м реконструирована первоначальная последовательность залегания ледяных слоев, что позволило полностью восстановить климатический сигнал во временном ряду изотопного состава льда возрастом до 485 тыс. лет. Восстановление изотопного сигнала в более глубокой части керна затруднено в виду мелкомасштабного перемешивания льда. Полученные здесь данные позволяют оценить лишь осредненные за 50–100 тыс. лет значения изотопного состава льда [Екайкин и др., 2019]. Обнаружение льда возрастом более 1 млн. лет под станцией Восток означает, что вверх по течению льда от станции, в районе Ледораздела В, откуда берет начало линия тока льда, проходящая через «восточную» скважину, может залегать очень старый антарктический лед с ненарушенной стратиграфией. Задача сводится к определению места образования древнего льда, который был найден в «восточном» керне. С учетом этих соображений была выполнена предварительная оценка перспективности указанного района в отношении возможности залегания здесь древнейшего льда Антарктиды. На начальном этапе работы исследование базировалось на уже имеющихся модельных и натурных данных. На их основе была реконструирована траектория движения древнего льда между Ледоразделом B и станцией Восток и установлено положение Купола В, т.е. положение места образования древнего атмосферного льда, который был обнаружен под станцией Восток. Дальнейшие исследования показали, что Купол B оставался относительно стабильным в течение последнего миллиона лет (его положение изменялось не более чем на 50 км), а вероятность базального таяния в этом районе за последние 1,5 млн. лет мала и не превышает 15%. [Skakun et al., 2019]. На основании полученных результатов был сделан вывод о целесообразности проведения детальных полевых наземных работ в районе Купола В с целью выбора наиболее подходящего места для бурения на древний лед.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 г. работы по проекту проводились по трем основным направлениям: 1) продолжение экспериментальных и теоретических исследований, нацеленных на получение палеоклиматической информации о периоде времени 1,2-0,4 млн. л.н., содержащейся в кернах древнего льда со станции Восток; 2) теоретические и экспериментальные исследования перспективности Ледораздела В для поиска древнего антарктического льда с ненарушенной стратиграфией; 3) подготовительные работы и исследования, связанные с программой Российской антарктической экспедиции по поиску и исследованию древнейшего льда Антарктиды. Получены новые данные высокого разрешения (1/10 см) об изотопном составе льда (дейтерий, кислород-18, dxs) в интервале глубин 3290,00-3319,64 м керна новой скважины 5Г-5, вмещающем резкий переход от льда МИС11 ко льду МИС12, который соответствует верхней границе первого перевернутого слоя в керне древнего льда со станции Восток. Сравнение изотопных профилей кернов 5Г-5 и 5Г-1 подтвердило отличную воспроизводимость полученных нами экспериментальных данных. Предложена интерпретация «холодного» изотопного пика, обнаруженного в керне станции Восток на глубине 3521,6 м. Показано, что этот пик, вероятнее всего, относится к ледниковому периоду 22-й морской изотопной стадии, которая маркирует завершение среднеплейстоценового перехода. Таким образом, возраст этого пика оценивается в 870-880 тыс. лет, что примерно на 65 тыс. лет меньше возраста льда по разработанной нами временной шкале VOITS2019 (939 тыс. лет). Отметим, что обе датировки согласуются между собой с учетом большой неопределенности VOITS2019 на этой глубине (±90 тыс. лет). На основе анализа данных об общем газосодержании древнего льда возрастом 800-1200 тыс. лет и результатов расчетов изменения толщины ледника в районе станции Восток по модели (Pollard & DeConto, 2009) установлено, что средняя мощность ледника в районе скважины до начала среднеплейстоценового перехода была близка к современной. Вместе с тем, амплитуда изменений толщины льда до климатической перестройки была заметно меньше (около 65 м), чем на протяжении последних четырех климатических циклов (105 м). Увеличение амплитуды колебаний мощности льда в центральных районах Антарктиды в пост-перестроечную эпоху, по-видимому, связано с разрастанием Восточно-Антарктического ледникового покрова в период MPT. Такой сценарий, характеризующий роль Восточной Антарктиды в среднеплейстоценовом переходе и последовавшем за ним увеличении амплитуды глобальных изменений на нашей планете, подкрепляется выводами работы (Raymo et al., 2006), результатами геологических исследований (Wilson et al., 2018) и данными моделирования (DeConto & Pollard, 2016). Завершены измерения концентрации углекислого газа в воздухе, экстрагированном из керна древнего льда со станции Восток. На заключительном этапе проекта измерение концентрации СО2 было выполнено в 104 образцах, отобранных с 58 горизонтов ледниковой толщи в интервале глубин 3350-3495 м (возраст льда 439-702 тыс. лет по шкале VOITS2019). Установлено, что в интервале 450-650 тыс. л.н. «восточный» ряд СО2 достаточно хорошо совпадает с рядом EPICA как по среднему уровню значений, так и по амплитуде вариаций. Неполное совпадение хода изменений СО2 по данным Востока с кривой EPICA может быть объяснено значительной неопределенностью (до ± 40 тыс. лет на этих глубинах) датировки льда по шкале VOITS2019. В интервале 650-800 тыс. л.н. средний уровень СО2 по данным Востока (229 ppm), значительно превышает уровень по данным керна EPICA (212 ppm), в то врем как амплитуда вариаций СО2 существенно уменьшается вследствие усиления перемешивания ледяных слоев в субметровом масштабе, которое многократно усиливает эффект диффузионного сглаживания климатического сигнала. Сравнение наших данных по концентрации СО2 в древнем льду Востока с результатами исследований керна древнего голубого льда из района Аллан Хиллс (Higgins et al., 2015) привело нас к выводу, что наиболее надежной оценкой средней концентрации углекислого газа в атмосфере Земли в период времени 1,0-1,2 млн. л.н. является полученное нами по керну Востока значение 228±7 ppm. Этот результат говорит о том, что уровень концентрации СО2 в атмосфере в преддверии среднеплейстоценового перехода был близок тому, который наблюдался в последние 800 тыс. лет. В январе 2020 г. участниками проекта при поддержке логистического персонала Российской антарктической экспедиции был осуществлен первый в истории научный поход на Ледораздел В, находящийся в 300 км к западу от станции Восток. Научная программа похода включала непрерывное георадарное профилирование снежной толщи, геодезические измерения, а также отбор проб снега на изотопный и химический анализы по профилю Восток – Купол В. На Куполе В была пробурена 20-метровая скважина с отбором керна и произведены стратиграфические исследования снежной толщи в 2-метровом шурфе. Данные, полученные в результате анализа отобранных образцов и обработки георадарных профилей, показали, что средняя скорость аккумуляции снега на Куполе В (2,28 г/см2 год) всего на 10% выше, чем на Востоке. Таким образом, Купол B относится к наиболее «засушливым» районам Антарктиды с минимальной скоростью снегонакопления. Температура снега ниже горизонта затухания сезонных вариаций температуры, по данным измерения на глубине 20 м, равна -58.1±0.2 ºC, что на 1,5°С ниже, чем на той же глубине на станции Восток. Примерно в 170 км вверх по течению льда от Востока был обнаружен район с предельно низким содержанием тяжелых изотопов в снегу (-58.2 ‰ по кислороду-18). Минимальные для шестого материка (и всей нашей планеты) значения концентрации тяжелых изотопов в осадках свидетельствую о том, что этот участок склона Ледораздела В входит в число районов Антарктиды наиболее удаленных от источника влаги. Низкая скорость аккумуляции и низкая температура поверхности ледника являются благоприятными условиями для сохранения древнего льда в придонных частях ледника. Данные, полученные в научном походе, были использованы при моделировании распределений возраста и температуры льда в толще ледника в районе Купола В. Проведенные численные эксперименты показали, что для всех вариантов задания граничных условий возраст льда на высоте 60 м от ложа ледника значительно превышает 1 млн. лет, а для наиболее вероятного сценария, при котором средняя скорость аккумуляции за весь период формирования толщи равнялась 1,8 г/см2 год, возраст льда на этой отметке достигает 1,4 млн. лет. Температура ложа для всего диапазона реалистичных оценок геотермального потока тепла находится ниже точки плавления, а для наиболее вероятного сценария составляет около -13 °С. Расчеты по модели диффузии молекул воды во льду свидетельствуют о том, что, благодаря относительно низкой температуре, климатический сигнал в изотопном профиле керна льда возрастом около 1,5 млн. лет, который когда-нибудь будет получен на Куполе В, будет практически не искажен диффузионным сглаживанием. На основе опыта, полученного участниками проекта во время бурения нового бокового ствола 5Г-5 глубокой скважины 5Г на станции Восток в январе 2019 г., разработан и сформулирован детальный протокол выполнения операции забуривания бокового ствола скважины на заданной глубине из наклонной скважины с углом отклонения от вертикали, превышающим 1-2 градуса. Данный протокол применим для получения параллельных кернов из придонных слоев ледника с помощью штатных электромеханических снарядов на грузонесущем кабеле, что является актуальной задачей для международных и национальных проектов поиска и исследования древнего льда Антарктиды. Предполагается, что эта методика будет использована для получения параллельного керна древнего льда в ходе реализации нового проекта глубокого бурения ледника на Куполе В.