Что именно сейчас утверждает коллаборация OPERA?

По поводу сегодняшних новостей про эксперимент OPERA, которые разлетелись по всем СМИ, я не хотел ничего писать (поскольку реального повода что-то писать пока и нет). Но вот увидел в блоге Матта Страсслера (Of Particular Significance) замечательную диаграмку, которой хочу поделиться. Диаграмка эта не про сам эксперимент, а про то, как его сейчас освещают СМИ.

Что именно сейчас утверждает коллаборация OPERA? Автор изображения Matt Strassler. 

По вертикали отложено время, на которое нейтрино якобы опережают световой сигнал. Пять колонок — от a) до e) — разные варианты развития или изложения событий.

a) (синим цветом): Первоначальное заявление коллаборации OPERA: опережение составляет примерно 60 нс и с высокой статистической значимостью отличается от нуля.

b) (розовым цветом): То, что сейчас передают практически все СМИ — якобы найдена ошибка, которая полностью сводит на нет 60-наносекундное опережение. Т.е. утверждается, что измеренная точка сдвинулась вниз (без ухудшения точности) как раз настолько, чтоб измерение полностью совпадало с ожиданиями.

Однако в реальном сообщении OPERA, которое передает ЦЕРН, ничего такого не утверждается. В нем говорится о наличии двух неучтенных ранее проблем, но никакого вердикта не выносится. Поэтому возможны в принципе разные ситуации, например:

• c): значение остается примерно тем же, но ухудшается точность. При этом результат всё еще отличается от ожиданий, но не столь статически значимо.
  
• d): точность ухудшается настолько, что уже неважно, есть эти 60 нс или нет — всё в пределах ошибки согласуется с ожиданием.
  
• e): проблема такова, что заявленный результат просто теряет доверие, и требуется полностью переделать эксперимент.
  

Возможны и какие-то еще варианты.

Самое главное, что сейчас, на основании краткого сообщения коллаборации OPERA, нет возможности узнать, какой из этих вариантов верен. Поэтому утверждать так, как утверждают большинство СМИ (вариант b), просто неправильно. К сожалению, все эти оттенки СМИ передавать не умеют — у них, как правило, либо «революционное открытие!», либо «всё окончательно объяснено».

Как открывали озеро Восток – 3

Последняя часть рассказа про открытие подлёдного озера Восток в Антарктиде по мотивам книги И.А.Зотикова (часть 1, часть 2).

«Озёра»

С самолетами там связана еще одна забавная вещь. Буквально с первых же полетов над Антарктикой (т.е. с конца 1950-х годов) пилоты время от времени замечали на однородном белом фоне снежной пустыни какие-то пятна овальной формы с плавными берегами. Зачастую они были единственными визуальными «зацепками», которые можно было использовать для навигации. Между собой пилоты их так и называли — «озёра». Размеры их оценивались в десяток километров; более точно измерить их было трудно из-за условий наблюдения. Дело в том, что видны эти озера были только при очень низком Солнце и в направлении, противоположном направлению на Солнце. То есть, видны были только те «озёра», которые находились далеко от самолета, около горизонта.

Робинсон проанализировал эти сообщения и в 1960 году в короткой статье высказал предположение, что эти «озёра» представляют собой участки снежного покрова с необычно ровной горизонтальной поверхностью. Несмотря на то, что над Антарктидой лежит (точнее, медленно течёт) многокилометровый ледник, у него тоже есть некий плавный рельеф, с холмами и впадинами (посмотрите рис. 2 в прошлом посте). А эти участки размером в десяток километров были исключительно горизонтальные, и потому при подходящем освещении они (а также их берега) визуально выделялись.

Такая исключительная горизонтальность могла означать, что в этом месте ледник не лежит на скальном основании, а плавает над подлёдным озером.

Вот тут полезно пояснить одну вещь. Сейчас про озеро Восток СМИ пишут много, и иногда они для иллюстрации приводят схему бурения, как например на рис. 1.

Рис. 1. Схема бурения к озеру Восток.

Эта схема, при всей своей информативности (и формальной точности!), «обманывает» читателя в соотношении вертикальных и горизонтальных размеров. На схеме кажется, что сквозь толстый слой льда, который опирается в основном на сушу, люди добурились до маленького озера. В реальности картина с тем же Востоком выглядит скорее так, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Та же картинка, но с соотношением горизонтальных и вертикальных масштабов, более близких к реальности. 

Ледник, конечно толстый, но размеры озера намного больше. И поэтому в основной своей массе ледник реально опирается на воду. А это неизбежно означает, что верхняя его поверхность тоже должна быть ровной (в пренебрежении горизонтальным движением ледника). Реальные числа — перепад высот порядка метра на километры(!) дистанции.

Но эти выводы легко делать сейчас, когда много что известно про Антарктиду. А Зотиков в своей книге вновь поражается, что ни он, ни Робинсон тогда, в далеком 1960 году, не выдвинули предположения, что эти «озёра» могут лежать на реальных подлёдных озёрах. Т.е. они пообсуждали эти наблюдения, и всё. Робинсон погиб несколько лет спустя, и уже значительно позже Зотиков пытался найти какие-то данные по местоположению этих «озёр», чтоб сопоставить их с результатами радиолокации, но насколько я понимаю, безрезультатно.

Спутниковые наблюдения

Спутниковые наблюдения революционизировали науки о Земле. Это, разумеется, коснулось и исследований Антарктиды. Европейский спутник ERS-1, запущенный в 1991 году, проводил альтиметрические измерения и просканировал в том числе и значительный кусок Антарктиды. В 1993 году Ридли обработал полученные к тому моменту данные, которые позволили восстановить антарктический рельеф с точностью около полуметра. Площадь «пиксела» на этой карте Антарктиды составляла 10 км², что более чем достаточно для надежного обнаружения озера Восток.

Рис. 3. Рельеф Антарктиды в районе озера Восток по данным спутника ERS-1. Линии уровня проведены через каждые два метра. Изображение из книги И.А.Зотикова.

И оно действительно бросалось в глаза. На рис. 3 показан рельеф антарктического ледника вблизи озера; линии уровня проведены через каждые два метра высоты. Посреди склона ледника обнаружилось вытянутое плато размером примерно 50 на 200 км с аномально плоским рельефом, со средним наклоном примерно 1 метр на 5 км.

Забавно, что станция Восток находится буквально в самом начале озера (когда выбирали место для будущей станции, разумеется, ни о чем подобном не догадывались). Поэтому непосредственно под станцией озеро действительно не слишком широкое (именно поэтому рис. 1 формально правильный, если взять поперечное направление).

Консенсус

После этих спутниковых данных существование подлёдной водной массы вблизи станции Восток стало практически очевидным. Вопрос тут только в том, насколько это озеро глубоко и не забилось ли оно всякой галькой и осадочными породами, которые движущийся поперек озера лёд натащил в него. В 1993 году в Кембридже был организована однодневная рабочая встреча того небольшого тогда коммьюнити, которое занималось этим озером. После обсуждений расчетов и данных было признано, что скорость наноса материала в озеро слишком мала для того, чтобы забить его полностью. (Глубина озера тогда была неизвестна, но было зато известен типичный рельеф скального основания в Восточной Антарктиде на масштабах озера, так что долины глубиной в несколько сот метров можно было ожидать).

Но тогда ещё более остро встал другой вопрос: почему же Капица на своих сейсмограммах 1964 года озеро не увидел? Может быть, там всё-таки была водная поверхность, а он лишь неправильно их интерпретировал? Поскольку Капица тоже присутствовал на встрече, люди попросили его снова проанализировать свои данные. Он начал тоже склоняться к этому варианту и сказал, что конечно же данные перепроверит по возвращению в Москву.

Правда, как рассказывает Зотиков, тут тоже не обошлось без приключений. Публично пообещав перепроверить данные, Капица также оговорился, что старые сейсмограммы у него хранились на даче. А на даче у него как-то случился пожар, и часть дома сгорела. Но в этот раз всё обошлось — Капица-таки нашел на даче эти сейсмограммы и, вновь обработав результаты (30 лет спустя!), он согласился, что на них виден 500-метровый слой именно воды, а не осадочных пород. В сентябре 1994 года Капица сделал доклад с новой интерпретацией своих данных, полностью сняв все вопросы. А у программы бурения на станции Восток, которая длилась уже не одно десятилетие, появилась новая цель — добуриться до озера.

И уже заключительным аккордом стала та самая статья в Nature 1996 года, с которой я начал рассказ. И авторами её по справедливости стали именно те люди, которые — каждый по-своему — открывали это озеро на протяжении нескольких десятилетий: Капица, Зотиков, Робин, Ридли и Зайгерт.

Дальше, конечно, можно много рассказывать и про само озеро, но это уже отдельная тема и тут я вновь рекомендую книжку Игоря Алексеевича Зотикова «The Antarctic subglacial lake Vostok». А я лишь ограничился пересказом истории открытия, которая мне показалась очень любопытной.

Как открывали озеро Восток – 2

Продолжение истории открытия озера Восток, начало в прошлом посте.

Вода под антарктическим ледником

Впервые до воды под антарктическим ледником добурились американцы 28 января 1968 года. Да-да, 44 года назад. Тут вообще есть целая история того, как люди пытались плавить, а затем бурить антарктический ледник. Каждая попытка позволяла достичь какой-то глубины, а дальше приходилось придумывать и осуществлять новую технологию бурения, и так несколько раз. Так вот, американцы в середине 60-х годов научились бурить шельфовые ледники (а это несколько сот метров) и поставили перед собой следующую цель — пробурить ледник на станции Бёрд (Byrd Station) толщиной более 2 км. Они построили новый бур, в феврале 1967 года установили его на станции и принялись за работу.

Отчет об этом бурении с картинками и технической информацией доступен онлайн. Там рассказывается, что 28 января 1968 года на глубине 2376 метров было отмечено резкое падение потребляемой буром мощности, что означает, что бур вошел в новый материал. Последующий анализ привел к выводу, что в этот момент бур прошел через водный слой толщиной несколько десятков сантиметров. Через несколько минут мощность снова возросла, и бур углубился еще на метр. Подняв бур, техники нашли вместо ледового керна лишь вмороженные камни и грунт. Они пытались бурить дальше еще пару дней, но бур ничего не поднимал, а на его поверхности зато появились следы ржавчины. Более того, с каждым заходом становилось всё проблематичнее поднимать бур с глубины: он просто оледеневал из-за свеженамерзающей воды и увеличивался риск того, что он там застрянет намертво. 2 февраля бур вытащили и дальнейшее бурение прекратили.

В этой истории примечательно вот что. Несмотря на то, что подледная вода была предсказана за годы до этого, техники разрабатывали этот бур лишь для бурения льда и горной породы и совершенно не приняли эту возможность во внимание. Вероятно, они просто не верили, что там будет вода. Однако после этого эпизода стало понятно, что технология бурения должна учитывать воду и предотвращать попадание и подъем воды по скважине.

И еще в качестве личного воспоминания Зотиков в своей книге рассказывает, что эта новость пришла к нему непосредственно перед защитой докторской. В подледную воду верили далеко не все, и якобы были планы завалить его на защите по этому вопросу. Однако зачитав на защите телеграмму американцев, он полностью снял все вопросы.

Радиолокационное зондирование ледников

Рис. 1. Самолет R4D, разбившийся около антарктической станции Hallett в 1960 году. Источник изображения.  

В 1960-х годах антарктический ледник начали активно исследовать с воздуха с помощью радиозондирования. Радиоволны хорошо проникают через лед и отражаются как от внутренних границ, разделяющих слои с разными свойствами, так и от скального основания. Кстати, поначалу такая радиопрозрачность льда была большой проблемой: радиолокационное оборудование на самолетах часто сильно ошибалось в оценке высоты полета и приводило к катастрофам (рис. 1). А уже потом люди поняли, что ее можно использовать и для изучения профиля скального основания континента.

Тут кстати интересно, что для хорошей точности данных все полеты приходилось делать недалеко от станций, держа их в пределах видимости. Просто визуально ориентироваться на равномерно белой Антарктиде с нужной точностью было нереально, а никакой GPS в те времена еще не было. Поэтому удачно получилось так, что область в районе станции Восток была исчиркана самолетными рейсами вдоль и поперек.

Рис. 2. Эхограмма при самолетном радиозондировании ледника. Изображение из статьи A Brief History Of Radio – Echo Sounding Of Ice

Обычно радиозондирование показывало какой-то характерный ландшафт скального основания, со своими горами и впадинами (см. рис. 2). Однако иногда попадались участки с аномально ровной горизонтальной поверхностью (рис. 3). Кроме того, сигнал от них был намного резче, чем от обычного скального массива. (Кстати, как выглядят современные данные по радиозондированию в Антарктике, можно посмотреть, например, вот в этой статье 2011 года.)

Рис. 3. Принцип радиозондирования и пример эхограммы с поверхностью полдедного озера. Источник изображения.

Опять же, сама собой напрашивается интерпретация этих горизонтальных поверхностей как поверхностей озер. Эту интерпретацию активно продвигал Гордон Робин, одна из ключевых фигур в исследовании антарктических ледников. В своих статьях он писал прямым текстом, что эти данные свидетествуют о наличии подледных озер, разбросанных по всей Антарктиде (его статья 1973 года в Nature так и называется Lakes Beneath the Antarctic Ice Sheet). В частности, в 1977 году он утверждал на основании данных от нескольких полетов, что «...озеро около 180 км в длину и в среднем 45 км в ширину расположено и недалеко от станции Восток».

Зотиков говорит, что именно с этой статьей можно связать реальное открытие озера Восток (хотя оно тогда так не называлось, да и вообще было не слишком широко известно). Но и тут далеко не все были убеждены в правильности вывода. Если верить Зотикову, в то время к радиолокационным (т.е. новым) методам относились более скептически, чем к надежно проверенному сейсмическому зондированию. И Робину возражали — ведь в 1964 году Капица на основании сейсмических данных пришел к выводу, что в районе станции Восток есть слой осадочных пород, ну так вот его поверхность вы и видите.

У Робина был один сильный аргумент. Точнее, мог бы быть, если бы ... не зажевало пленку во время одного из рейсов. Дело в том, что этот рейс удачно пришелся как раз на всю длину озера Восток, и на протяжении практически 200 км радиозондирование показывало ровную горизонтальную поверхность. Однако как потом выяснилось, аппарат, на который снимались данные, зажевал пленку почти в самом начале полета и аппарат удалось вновь запустить только ближе к концу рейса, поэтому он не был полностью задокументирован. Вот какие вещи иногда вмешиваются в научные исследования :).

Окончание: часть 3.

Как открывали озеро Восток

Книжка Игоря Алексеевича Зотикова «The Antarctic subglacial lake Vostok», которую я рекомендовал в прошлом посте про это озеро, — это скорее книга личных воспоминаний об исследовании этого озера, чем научная монография, но приведенные там исторические подробности очень интересны. Вот, например, краткий пересказ истории о том, как это озеро открывали.

Подлёдная вода

Само название «озеро Восток» и вообще факт существования большого (50 на 200 км) озера под почти четырехкилометровым ледником широко разрекламировали в 1996 году, после того, как в Nature вышла статья A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Но само озеро открыли существенно раньше. Правда, что понимать под «открытием», в этом случае не совсем понятно.

Вообще, то, что под антарктическим ледниковых щитом есть незамерзающая вода, совсем неудивительно. Несмотря на то, что в Антарктиде холодно, из-под Земли идет тепло. Поэтому температура меняется с глубиной от подземной (сильно выше нуля) до атмосферной (сильно ниже нуля) довольно плавно. На какой-то глубине она проходит через точку плавления льда (из-за большого давления она чуть ниже нуля градусов, для давления примерно в 300 атмосфер плавление происходит примерно при ­−3°C). Вопрос только в том, расположена эта точка в грунте или внутри ледника (рис. 1). Если в грунте, то там образуется слой вечной мерзлоты, а ледник при этом не тает. Если внутри ледника, то ледник тает, и тогда на границе раздела ледника и скального основания есть вода.

Рис.1 Распределение тепла при тонком и толстом леднике. Когда толщина больше критический, происходит плавление льда внизу ледника. «Нуль градусов» здесь — это условное обозначение точки плавления льда, она слегка отличается от настоящего нуля по Цельсию.

Получается, чем ледник толще, тем выше температура его нижней поверхности — ледник служит «шубой», защищающей Землю от холодной атмосферы. А значит, существует некоторая критическая толщина ледника (при заданных метеоусловиях): если реальный ледник толще нее, то он будет таять внизу. Расчеты, проведенные Зубовым в 1956 году и улучшенные Зотиковым в 1961, показали, что толщина антарктических льдов на значительной части континента больше критической. Поэтому вполне естественно ожидать какой-то слой воды есть везде, где мощность ледника достигает двух-трех километров.

А вот в каком виде эта вода там находится, это уже более сложный вопрос. Это прослойка может быть и чистой водой, а может быть и этакой смесью подтаявшего льда и грунта. Вытечь из-под ледника, кстати, эта вода не может — на краю ледника точка плавления уходит под землю. Поэтому если породы не позволяют воде просачиваться, вода не может никуда уйти, она может только скапливаться в долинах и вновь намерзать на краях континента.

Сейсмические данные

Методы сейсморазведки в 50-х годах были уже вполне развиты, поэтому естественно, что как только были основаны первые станции в глубине Антарктиды, началось сейсмическое прощупывание ледника. Андрей Петрович Капица провел в начале 1960-х годов серию взрывов для изучения ландшафта скального основания под ледником. Там ему для улучшения точности пришлось слегка усовершенствовать методику и размещать геофоны не на поверхности, а в скважинах на глубине 50 м (несколько десятков метров в Антарктиде можно выплавить простым нагреванием) — иначе получались слишком большие погрешности.

Рис. 2. Одна из сейсмограмм, полученных А.П.Капицей в 1964 году, на которой видно отражение сигнала от двух поверхностей под ледником. Изображение из книги И.Зотикова.

Одна из полученных Капицей сейсмограмм (в районе станции Восток) приведена на рис. 2. Здесь показаны записи с нескольких геофонов спустя промежуток времени от 1,85 до 2,9 секунды с момента взрыва (5 кг ТНТ). Поскольку геофоны были расположены на разной глубине, можно заметить не только момент, но и направление прихода волны. Сам взрыв тоже был осуществлен не на поверхности, а на глубине 40 метров, поэтому вниз пошла не только исходная ударная волна, но и волна, отразившаяся вначале от границы ледник-воздух (поэтому сигнал состоит из двух близких всплесков, отмеченных двумя черточками).

Самый главный результат на этой сейсмограмме — наличие двух отражений. Первое пришло примерно через 2 секунды, а второе через 2,7 секунды после взрыва. Это означает, что в районе станции Восток есть две четкие границы, отражающие сейсмические волны, и расстояние между ними примерно 500 метров.

Какой бы вы отсюда сделали вывод? Казалось бы, открытие напрашивается само собой. И вот потому Зотиков в своей книге поражается тому, что в тот момент ни он сам, ни Капица не поняли, что перед ними верхняя и нижняя граница озера. Капица интерпретировал это как слой осадочных пород, и почему-то все были этим вполне удовлетворены.

Продолжение: часть 2, часть 3.

А пока я пишу продолжение, предлагаю вам самим попробовать решить задачку про антарктический ледниковый щит. :)