Die Lufttemperatur in der Forschungsstation Wostok in der Antarktis ist jetzt niedriger als am Nordpol, obwohl auf der Südhalbkugel bekanntlich Hochsommer herrscht. Die bittere Kälte, der Wind und die Schneestürme werden für die Wissenschaftler der Bergbauuniversität St. Petersburg und des AARI zur Qual. Dennoch beabsichtigen sie, alle ursprünglich geplanten Experimente durchzuführen. Dazu gehört die Gewinnung von Schnee- und Firnkernen aus den oberen Horizonten des Gletschers, der fast den gesamten Kontinent bedeckt und in der Region des Ostens eine Höhe von etwa dreieinhalb Kilometern über dem Meeresspiegel erreicht.
"Aus den entnommenen Schnee- und Firnkernen wird eine Rekonstruktion des Klimas der letzten 2000 Jahre erstellt. Dabei geht es darum, zu verstehen, welche Veränderungen in der Erdatmosphäre in dieser Zeit stattgefunden haben und welche Auswirkungen sie hatten. Auf der Grundlage dieser Daten lassen sich Vorhersagen für die Zukunft treffen. Ein neues, flaches Bohrloch VK-23 wurde vor zehn Tagen abgeteuft. Die derzeitige Tiefe beträgt 22,5 Meter. Das Bohrloch ist einen halben Meter tief und enthält einen Kern, der von den Glaziologen des AARI weiter untersucht wird", so Alexei Bolschunow, Leiter der Forschungsgruppe an der Bergbauuniversität St. Petersburg.
Bei der Untersuchung von Proben von Schnee- und Firnablagerungen messen Wissenschaftler des Arktis- und Antarktis-Forschungsinstituts die elektrische Leitfähigkeit des Kerns und identifizieren Marker für das absolute Alter: Schichten, die die Produkte großer Vulkanausbrüche enthalten. Zum Beispiel der peruanische Winaputina, der im Jahr 1600 so viel Asche in die Atmosphäre schleuderte, dass er die so genannte Kleine Eiszeit auslöste, die eine große Hungersnot in Russland und mehreren anderen Ländern verursachte. Weitere Forschungsarbeiten werden es ermöglichen, ein detailliertes konsolidiertes Dichteprofil der Schneefirndicke von der Oberfläche bis in die Tiefe zu erstellen, die Isotopenzusammensetzung zu messen und die Methodik der paläoklimatischen Rekonstruktionen zu verbessern.
"Die Antarktis ist eine Schatztruhe mit unschätzbaren klimatischen Informationen. Anhand von Bohrkernen aus der Tiefe des Gletschers erhalten wir Daten über den Klimawandel über Hunderttausende von Jahren vor Christus. Gleichzeitig ist die Untersuchung der oberen Schneeschichten von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des noch jüngeren Klimawandels. Sie ermöglichen es uns, mit großer Präzision über die Veränderungen zu sprechen, die in den letzten Jahrhunderten stattgefunden haben", sagt AARI-Direktor Alexander Makarow.
So stellten die Experten des Instituts fest, dass es in den vergangenen zweitausend Jahren bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts zu einer leichten Abkühlung und einem Rückgang der Schneeansammlung in der östlichen Region kam. Doch in den letzten 200 Jahren hat sich die Situation geändert - sowohl die Schneemengen als auch die Temperaturen sind gestiegen. Die Veränderungsrate an der meteorologischen Station Wostok betrug 1,6 Grad pro hundert Jahre.
"Im Vergleich zu den Paläodaten aus Eisbohrkernen kann nicht behauptet werden, dass die heutige Temperatur außerhalb der natürlichen Variabilität liegt. Gleichzeitig war die durchschnittliche Schneeakkumulation im letzten halben Jahrhundert die höchste seit 2.200 Jahren", erklärte Alexander Makarow.
Was die Lufttemperatur "hier und jetzt" betrifft, so herrschte vor zwei Wochen, als die Polarforscher im Wostok ankamen, tagsüber eine Temperatur von minus 30-32°С. Aber jetzt ist die Temperatur auf -40° C gefallen, was natürlich die Bohrung des flachen Bohrlochs VK-23 erschwert hat. Die Steuerplatine begann daher einzufrieren und muss nun regelmäßig zum Abtauen in die warmen Räume des Bahnhofs gebracht werden.
"Im Februar werden die Temperaturen noch weiter sinken; letztes Jahr haben wir den Wostok bei minus 45°-50° Celsius verlassen. Es ist kein angenehmes Gefühl: Nach einer Minute an der frischen Luft verkleben unsere Wimpern, unser Bart ist von der heißen Luft, die wir ausatmen, mit Eiszapfen bedeckt, sie klebt an unserer Kleidung. Auch Metall verhält sich anders, es verliert an Festigkeit. Meine Erfahrung auf Öl- und Gasbohrungen zeigt, dass bei -45°C die Arbeit auf der Bohrinsel vorübergehend eingestellt werden muss, da das Risiko eines Ausfalls des Bohrturms, der Bohrung und der Hilfsgeräte sehr hoch ist. Das Gleiche gilt für alle Maschinen. Deshalb müssen wir Wostok wie geplant Ende der ersten Februardekade verlassen, obwohl wir natürlich alle gerne die Saison noch etwas verlängern würden, um unsere Erkundungen fortzusetzen. Wir werden mit einem Schlitten-Raupen-Trekking zur Progress-Station an der Küste zurückkehren, was leider sehr lange dauert - 10-14 Tage im Vergleich zu einem dreitägigen Trekking mit dem Burlak-Geländewagen", sagte Wjatscheslaw Kadotschnikow, leitender Ingenieur der Bergbauuniversität.
Die Tiefbohrung 5G-5 (der fünfte Schacht) wird unter etwas angenehmeren Bedingungen in einem Innenraum gebohrt. Doch die Aufgabe, vor der die Wissenschaftler stehen, ist immens schwierig: Sie müssen Eiskerne aus Horizonten gewinnen, die westliche Spezialisten noch nie erreicht haben - ihr Rekord liegt bei 2800 Metern. Russische Polarforscher entnahmen den ersten Bohrkern der Saison aus einer Tiefe von 3437 Metern. Seine Länge betrug 160 Zentimeter. Sie ist geringer als die Kernlänge der im letzten Jahr entnommenen Zylinder, aber dafür gibt es eine sehr logische Erklärung. Das Absinken ist auf Temperaturschwankungen und die Besonderheiten der Bildung alter Eiskristalle in so großen Tiefen zurückzuführen.
"Im Moment befindet sich die Wand in einer Tiefe von mehr als 3.490 Metern. Der letzte bisher entnommene Kern ist 140 Zentimeter lang. Jeder zehnte Meter ist schwieriger zu bohren, die Eindringtiefe sinkt und die Filter sind verstopft. Es ist harte Arbeit, aber wir sammeln einzigartige Erfahrungen beim Bohren eines tiefen Eislochs, was ein Schritt zur Verbesserung der Kerntechnologie und zur Entwicklung noch effizienterer Geräte und Werkzeuge ist. Mehrere Patente für neue Bohrwerkzeuge sind bereits in der Pipeline", sagt Danil Serbin, leitender Ingenieur bei Bergbauuniversität.
Das flache Bohrloch wird nicht nur für die Entnahme von Schnee- und Eiskernproben benötigt, sondern auch für die Beprobung des beim Bohren der oberen Horizonte anfallenden Eisabfalls. Wenn es nicht rechtzeitig aus dem Bohrloch entfernt wird, kann es sich sehr negativ auf den Betrieb der Geräte auswirken. Deshalb ist eines der dringlichsten Probleme, mit denen die Wissenschaftler konfrontiert sind, die Steigerung der Effizienz des Schlammtransports.
Dmitri Wasiliew, Doktorand an der Universität St. Petersburg, erforscht zusammen mit seinen Kollegen die Verwendung von Druckluft als Reinigungsmittel. Ein spezieller Stand für diese Forschung wurde von Wissenschaftlern der Bergbau-Universität entwickelt und in deren Lehr- und Versuchswerkstätten hergestellt. Es versteht sich von selbst, dass alle Versuche strikt außerhalb der Arbeitszeiten im Bohrkomplex durchgeführt werden.
"Zurzeit untersuchen wir Proben von Eisabschnitten aus dem Bohrloch VK-23. Mit Hilfe von Laborsieben analysieren wir die Partikelgröße und bestimmen den äquivalenten Durchmesser und das Volumen der Eispartikel anhand von mikroskopischen Aufnahmen. Parallel dazu bestimmen wir für Eisschlamm aus verschiedenen Horizonten die Drallgeschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit der Aufwärtsströmung, bei der das Teilchen eine ausgeglichene Position einnimmt, ohne aufzusteigen und herunterzufallen. Diese Eigenschaft ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung von Bohrsystemen mit Luft", so Dmitri Wasiliew.
Er erläuterte auch, dass Polarforscher in dieser Saison Experimente durchführen, um den Prozess der Abscheidung von Eisschlamm mit Hilfe neuer Zyklonfilter zu untersuchen. Jetzt werden in Bohranlagen, einschließlich der KEMS-132, die für Tiefbohrungen in der Wostok-Station eingesetzt wird, Netzfilter für diesen Zweck verwendet. Aber sie haben auch einige gravierende Nachteile. Wissenschaftler der University of Mines haben ein neues Konzept entwickelt, das auf dem Prinzip der Zyklon-Luftreinigung beruht. Die in dieser Saison durchgeführten Forschungsarbeiten werden ihre Anwendung im technologischen Prozess der Bohrung durch die Schnee- und Firnschichten des Gletschers rechtfertigen.
Eine weitere Innovation wird von Vyacheslav Shadrin, einem Postgraduierten der Berguniversität, weiterentwickelt. Er befindet sich in der Endphase des Aufbaus eines Versuchsstandes zur Untersuchung des Prozesses des Eisbrechens durch Hin- und Herbewegung, der auf dem dynamischen Gleichgewichtsbohrer (DUBS) basiert, der von dem Professor des ältesten technischen Instituts Russlands Eduard Zagrivny entwickelt wurde.
"Im Moment haben wir die Tragstruktur des Standes montiert, das Stromversorgungssystem installiert und in den Bohrkomplex 5G-5 integriert und den Algorithmus-Programmcode geschrieben. Die Experimente werden eines Tages beginnen, und meine Kollegen helfen mir in ihrer Freizeit, nach 8-Stunden-Schichten. Danil Serbin und Wjatscheslaw Kadotschnikow haben einen Sägezahnbohrer entworfen und hergestellt, und Alexei Bolschunow und Sergei Ignatyew haben einen Bürstenbohrer entworfen. Bei den Experimenten werden wir die Wirksamkeit des hin- und hergehenden Brechens von Eis testen und verschiedene Arten von Gesteinszerstörungswerkzeugen untersuchen, die bisher noch nicht in der Praxis eingesetzt wurden", erklärte Wjatscheslaw Schadrin.
All diese Entwicklungen werden in Zukunft gefragt sein, bei der nächsten, bereits dritten Penetration zum subglazialen Wostoksee. Er befindet sich in einer Tiefe von 3700 Metern unter der Station und war lange Zeit von der Erdatmosphäre isoliert. Wissenschaftler der University of Mines und von AARI drangen zweimal, 2012 und 2015, in ihn ein und sammelten einzigartige Reliktwasserproben. In beiden Fällen stieg das Wasser, wie vorhergesagt, mehrere hundert Meter in den Brunnen, bevor es gefror.
Damit russische Wissenschaftler ihre eigene Leistung wiederholen und übertreffen können, indem sie beispielsweise Proben von Seesedimenten oder Daten über die Auswirkungen von Tiefenphänomenen im Inneren der Antarktis auf die Magnetosphäre des Planeten gewinnen, muss ein neuer Bohrkomplex gebaut werden (der derzeitige ist sowohl moralisch als auch physisch bereits veraltet). Alle Innovationen, an denen die Polarforscher derzeit arbeiten, werden die technologische Grundlage bilden.
