Но настоящее, систематическое, изучение Антарктиды началось всего за несколько лет до описываемых событий. Начавшиеся в период Международного геофизического года и перед ним исследования Антарктического материка показали, что высота поверхности льда растёт по мере удаления от краёв ледникового покрова сначала быстро, а потом все медленнее, то есть так, как полагается расти толще каравая при передвижении от его края к срединной части. Уже было выяснено, что высота ледяной поверхности над уровнем моря в центральных областях превышает три тысячи метров. Однако ничего не было известно о толщине ледника, а значит, о положении скального ложа ледника над (или под) уровнем моря. Не было ничего известно и о характере льда или снега в толще, о температуре льда.
Чтобы ответить на эти вопросы, в глубь Антарктиды с разных сторон пошли советские, американские, английские, новозеландские санно-тракторные поезда. При остановках этих поездов проводилось неглубокое бурение толщи, измерение температуры в полученных скважинах, исследование структуры снега с целью выявить, сколько же его ежегодно выпадает на поверхность материка. Определялось также положение верхней границы ледника. Но самым важным в таких походах было сейсмическое зондирование ледникового покрова. В связи с резкими различиями физических свойств толщи льда и подстилающей лёд скальной поверхности граница между ними легко определялась по времени прохождения до неё взрывной волны и возвращения её обратно.
Первые же такие походы принесли ценные данные. Оказалось, что толщина льда везде была больше, чем предполагалось. Во многих местах, особенно в центральной части. . нижняя поверхность ледника располагалась даже ниже уровня моря. Огромная тяжесть льда как бы продавила земную кору, заставив её немного «утонуть» до нового положения гидростатического равновесия в относительно жидком и тяжёлом подстилающем слое. Температура же льда на глубинах около пятнадцати — двадцати метров, где её значения уже не колебались в течение года и отражали средние многолетние величины, опускалась до минус 56 градусов.
Санно-тракторные походы, сопровождающиеся сейсмическим исследованием подлёдного ложа, явились целой страницей в исследовании Антарктиды. Мой товарищ Андрей Капица ещё не знал тогда, что эти походы позволят ему построить первую достаточно подробную карту подлёдного ложа Антарктиды.
Сидя в нашей заваленной снегом гляциологической лаборатории дома номер шесть в посёлке Мирный, мы старались иногда стряхнуть с себя рутину из авралов, погрузок бочек соляра или бензина, откапывания домиков, борьбы с пургой, ожидания весточек из дома и снова воспарить. И тогда опять Антарктида представлялась нам континентом удивительных загадок.
Ещё в конце прошлого века известный революционер Пётр Кропоткин, которого мы считаем основоположником русской гляциологии, пришёл к выводу, что температура в толще ледникового покрова на горизонтах, где не сказываются годовые её колебания, то есть на глубинах более пятнадцати метров, должна повышаться линейно по мере удаления в глубь от поверхности. Этот вывод он сделал, исходя из теоретических соображений по аналогии с тем, что уже наблюдалось в скважинах и шахтах в обычной земной коре. Такое повышение температуры казалось вполне естественным. Ведь из глубин земли к её поверхности поступает в среднем постоянный для всего земного шара поток тепла. Такой же поток, казалось бы, должен проходить и через лёд ледникового покрова. Значит, температура в толще ледника должна повышаться при продвижении вглубь. Повышение приблизительно равно 2,5 градуса на сто метров глубины. Это так называемая геотермическая ступень. Именно такой температурный градиент наблюдается при измерениях в скважинах и шахтах в обычных горных породах.
Но ведь лёд не совсем обычная горная порода, он плавится при нуле градусов. Значит, даже при температуре поверхности льда минус 50 градусов в леднике толщиной два километра температура у его ложа уже должна равняться температуре плавления льда. А при толщине ледника в четыре километра? В 1955 году только один человек, крупнейший исследователь льдов Арктики, профессор Московского университета Николай Николаевич Зубов, задал вслух этот вопрос и нарисовал картину гипотетического (не антарктического) ледникового каравая, верхней частью которого является лёд, а сердцевиной — «смесь воды со льдом, в которой идут сложные процессы» (так осторожно написал Н. Н Зубов). Но такая «линза» воды толщиной два километра и диаметром в тысячу с лишним со слоем льда над ней ещё в два километра, которая получалась из представлений Зубова, казалась настолько нереальной, что других желающих высказаться в этом же направлении не нашлось. Было ясно, что дальнейшие мысленные построения должны идти на основе какой-то новой модели процессов переноса тепла в этом огромном леднике.
Однако именно в это время появились первые сведения о распределении температуры в толще ледникового покрова Антарктиды. Они были получены измерениями в скважине глубиной сто метров, пробурённой норвежско-английско-шведской экспедицией в одном из ледников Антарктиды. Температура в скважине на глубине около пятнадцати метров была близка к минус 20 градусам, то есть к средней за много лет температуре воздуха в этом месте. Это «устраивало» всех. Однако, к всеобщему удивлению, эта температура почти не повышалась по мере углубления от поверхности, несмотря на то что общая толщина ледника была ненамного более ста метров и конечно же температура льда у его дна должна была равняться температуре морской воды, в которой ледник плавал. А уж эта-то температура измерялась много раз. Она не может быть ниже минус 2. иначе вода замёрзнет.
Пробурили ещё скважину, но уже на склоне ледникового каравая, сползающего по суше. Опять загадка: ниже пятнадцати метров температура с глубиной не повышалась, а понижалась. Вспомнили, что в 20-х годах в Гренландии такой же ход температуры по мере удаления вглубь уже был получен и назван по имени обнаружившего его исследователя «эффектом Зорге». Зорге считал, что это законсервированная температура прошлых более холодных лет, то есть эффект, обусловленный потеплением климата в полярных широтах.
Английский физик Гордон Робин, обнаруживший указанный эффект в Антарктиде, объяснил его влиянием переноса холода за счёт движения льда в ледниках Антарктиды. Действительно, на поверхность шельфового ледника, в котором им была пробурена скважина, ежегодно выпадало существенное количество осадков (около одного метра льда в год). Робин предполагал, что то же количество льда стаивает с нижней поверхности ледника за счёт теплообмена с морской водой. В таком случае каждая частица ледника как бы двигалась сверху вниз со скоростью метр в год. И вот оказалось, что, если в уравнение переноса тепла в леднике ввести учёт переноса холода этим вертикальным движением.
Тогда расчётное распределение станет таким же, как измеренное. Механизм образования «обратного градиента», то есть понижения температуры с глубиной, обнаруженного на краю ледникового покрова, оказался такого же типа. Почему же эти эффекты переноса тепла движением льда были замечены в Антарктиде, а не на хорошо изученных ледниках гор? Да потому, что здесь сыграли шутку огромные размеры ледника. Оказалось, что в уравнениях переноса тепла и холода в ледниках влияние эффекта движения льда пропорционально не его скорости, а произведению этой скорости на величину линейного размера ледника, а уж размеры-то здесь огромны! Значит, и эффекты переноса оказались неожиданно большими.
Работа Робина произвела огромное впечатление на всех, кто занимался ледниками. Казалось бы, следующий шаг, который он должен был сделать, — это использовать предложенный подход для анализа условий, которые существуют под ледяным караваем Антарктиды. Но он почему-то этого не сделал.
Следующий шаг пришлось делать мне. Сначала я выяснил, что и с учётом переноса холода оседающими вниз частицами льда для каждого значения скорости вертикального движения льда в толще и температуры у поверхности ледника, а также величин геотермического потока тепла существует всегда некая, «критическая» толщина ледника, при которой температура у ложа в точности равна температуре плавления льда. Если толщина ледника меньше критической, температура у ложа ниже температуры плавления льда. Ну а можно ли теоретически представить себе ледник толщиной больше критической (например, в четыре километра), состоящим по всей его толщине только изо льда? Конечно, можно! Только в этом случае надо считать, что такой ледник должен находиться в условиях непрерывного таяния у его нижней границы, то есть на ложе. В этом случае часть тепла, поступающая к ложу из нижележащих слоёв земли и за счёт трения при движении, будет затрачиваться на непрерывное таяние, а вверх через лёд будет отводиться ровно столько тепла, сколько нужно, чтобы у ложа ледника любой толщины поддерживалась температура плавления льда.
