Президент Императорской академии наук его высочество великий князь Константин Константинович 10 марта 1900 г. утвердил состав Северной экспедиции. В нее входили: руководитель экспедиции — барон Э. В. фон Толль; капитан шхуны «Заря» — лейтенант флота Н. Н. Коломейцов (употребляемый в некоторых источниках вариант «Коломейцев» неверный); геодезист, метеоролог, фотограф — лейтенант флота Ф. А. Матисен; гидрограф, гидролог, гидрохимик, магнитолог — лейтенант флота А. В. Колчак; зоолог экспедиции — А. А. Бялыницкий-Бируля (старший зоолог Зоологического музея Санкт-Петербургской академии наук; тайный агент Ордена); астроном и магнитолог — Ф. Г. Зееберг (доктор физики; встречается написание Зеберг); врач-бактериолог, зоолог Г. Э. Вальтер (доктор медицины, тайный агент Ордена). В команду вошли боцман Н. И. Бегичев; старший механик Э. И. Огрин; матросы-рулевые С. Е. Евстифеев, С. К. Толстов, А. В. Семашко (которого заменил П. Н. Стрижев), И. И. Малыгин (заменен С. М. Расторгуевым), В. И. Железняков, Н. К. Безбородов; машинист Э. З. Червинский; старший кочегар И. Ф. Клуг; второй кочегар Г. Т. Пузырев; третий кочегар Т. П. Носов; кок — Ф. И. Яскевич (тайный агент Ордена).
21 июня 1900 г. шхуна «Заря» покинула акваторию Санкт-Петербургского порта. В Кронштадте пополнили запасы угля и получили дополнительный груз — приборы и оборудование. На проводы пришли вице-адмирал С. О. Макаров с супругой. 11 июля шхуна прибыла в Кольский залив, в Александровск. А спустя 10 дней начала плавание по плану экспедиции.
Устья Енисея достигли в начале августа и стали продвигаться вдоль острова Диксон, производя морскую съемку. Александр Васильевич постоянно уточнял координаты приметных ориентиров, впоследствии на основе этих записей и схем он составит новые карты берегов Сибири от Диксона до мыса Челюскин. К середине сентября судно подошло к архипелагу Норденшельда. Столкнувшись со сплошным льдом, барон принял решение стать на зимовку, которая длилась 11 месяцев. Несмотря на наступившую полярную ночь, работа и исследования на шхуне продолжались.
С началом льдообразований Колчак вел наблюдения за этим процессом и определил, что толщина покрова доходит до 180 см и зависит от суровости зимы. За зимовку он осуществил топографическую съемку и изготовил карту рейда шхуны. Изучал состояние развития морских льдов, вел магнитные наблюдения, брал пробы глубинного грунта, а также изучал морское дно сбором водорослей и живых организмов. Тогда же он совершил две санные поездки вдоль побережья Таймыра и на мыс Челюскин. Активно занимался астрономическими наблюдениями, что позволило ему впоследствии определить степень влияния звездных систем на строение Земли и тектонические процессы, проходящие в ее глубинах на Таймыре и на всем протяжении Сибири.
Александр Васильевич тогда внедрил метод строительства из камней специальных знаков-гурий, с точными координатами, относительно которых можно производить тригонометрическую съемку окружающих территорий с ориентировкой на звезды.
Колчак, не зная всех тех научных астрономических истин, которые были открыты еще жрецами в Древнем Египте, осуществил фундаментальные открытия в области астрономии, — влияние Космоса на структуру Земли, а, значит, на тектонические процессы и внутреннее ее содержание.
В период работы экспедиции барон Толль назвал ряд безымянных объектов именами членов своей экспедиции. Среди других на карте был обозначен им и остров Колчака (впоследствии «благодарная» советская власть вычеркнула его имя с карты мира и назвала этот остров именем Расторгуева).
По завершении зимовки экспедиция составила отчет по своей работе. К концу августа 1901 г. лед вокруг «Зари» пришел в движение, на судне подняли пары и двинулись по экспедиционному маршруту, направляясь в море Лаптевых.
К началу сентября достигли мыса Челюскин. Фон Толль записывает в дневнике: «1 сентября наша ближайшая цель Достигнута — мыс Челюскин показался перед нашими глазами! В волнении я потряс руки офицерам. Я спешил высадиться на берег, чтобы ознакомиться с этим мысом и произвести с нашими специалистами комплексные наблюдения: астрономические, магнитные, зоологические, ботанические и геологические…» Под руководством Колчака здесь был сооружен гурий, ставший впоследствии известным многим северопроходчикам. На его фоне сфотографируются члены экипажа «Заря»…
Когда спустя 12 лет сюда подойдут корабли «Таймыр» и «Вайгач» русской гидрографической экспедиции Северного Ледовитого океана (начальник экспедиции Б. А. Вилькицкий), то в дневнике врача Л. М. Старокадомского появятся слова: «Еще издали мы увидели знак на невысоком мысе. Опознали его без труда — это знак, поставленный экспедицией Толля в 1901 году. Высота его метра три, сложен он из крупных темно-серых плит, наверху которых наложены бесформенные куски ослепительно-белого кварца… На западе, милях в пяти, возвышался еще один мыс, он и был истинным мысом Челюскин. К нему мы и направились…» Так что фон Толль радостно пожимал руки, увидев не мыс Челюскин, а… мыс Щербина (с 1970 г. — мыс Чекина), там же был сооружен и гурий, известный как знак «Зари» (в 1918 г. был разобран норвежцами из экспедиции Амундсена, — те, приняв его за знак Норденшельда, искали в основании какие-либо бумаги. Восстановлен советскими энтузиастами в 70-е годы XX в.).
Исследователи осуществили высадку на берег, и А. В. Колчак продолжил свои исследования, которые подтверждали его первоначальные наблюдения. Замеряя глубины, сравнивая температуры и соленость воды, он сделал вывод, что полярные воды, несмотря на низкую температуру, с изменением глубины неоднородны по своему составу и что в них наблюдаются резкие перепады как по температуре, так и по солености.
Уже значительно позже он напишет об этом не одну серьезную научную работу.
По мнению Александра Васильевича, наша планета формировалась в течение многих миллиардов лет в разнообразной среде физико-химических процессов. Придет к выводу, что не только океан, а и вся Земля — это громадная лаборатория, где идут сложнейшие биохимические процессы. И покажет взаимосвязь между Космосом и оболочками Земли: атмосферой (воздушной оболочкой), литосферой (камённой поверхностью) и гидросферой (водной поверхностью). Показывая, что в их взаимодействии — на протяжении различных этапов развития — рождаются богатства, которые хранятся внутри.
До сих пор, — напишет он, — несмотря на известные научные исследования в разных странах, в том числе и русских ученых, наши недра хранят в секрете как большинство этапов своего развития, так и особенности глубинного строения. Любой ученый, геолог, гидрограф, гидролог не видит эти особенности недр (и что в них таится!) под землей, под дном океанов и морей. В нашем распоряжении, — приводил он пример, — в лучшем случае имеются сведения о бурении дна на небольшую глубину, что обходится весьма дорого и позволяет изучать последовательность залегания пород лишь в определенной, одной координатной точке, т. е. там, где пробурена скважина. Наша же задача, — убеждал ученый, — установить, что находится под твердой оболочкой Земли.
Особенно нам интересны горы, подводные хребты и впадины, в том числе и Ледовитого океана, нам важны скопления минералов и полезных ископаемых, разломы и трещины земной коры, различные геологические слои, которые на первый взгляд ничего не говорят, но проявляют себя физическими полями и процессами. Звезды и наше небесное тело, несомненно, — был уверен Колчак, — окружают магнитные, гравитационные, акустические, электрические, атомно-молекулярные и другие поля (тогда частью употреблялись иные термины, но они суть то же самое). Являясь неотъемлемой частью космической, надземной, водной и донной сред в морях и океанах, они несут в себе важную объективную информацию о физических параметрах космоса и гидросферы, их изменениях во времени и в пространстве. Мы благодаря этому познанию сможем изучить физические свойства Земли не только в локальном, но и в региональном смысле, — в глобальном масштабе; в том числе и процессы, происходящие внутри ее. Ученые, занимающиеся этой проблемой, должны использовать все достижения науки, которые способны обнаружить различия в плотностных, магнитных, электрических и иных свойствах; подходить к проблеме масштабно, действовать в сочетании знаний геологии, химии и физики с точным математическим расчетом тектонических подвижек нашей планеты. Проникая в различные сферы научной деятельности, мы должны изучить все известные и неизвестные физические явления, которые связаны с естественными и искусственно создаваемыми внутри Земли электромагнитными и гравитационными полями самой Земли, атомно-молекулярным устройством горных и донных пород, упругими волнами, тепловыми потоками… Мы смело должны утверждать, что геофизика, зародившаяся в России в XIX веке, должна получить мощное развитие в XX веке.
