Контактный пост – 4

Поскольку блог пока что живет в режиме вопросов-ответов, открываю новый контактный пост. Как всегда, прошу принимать во внимание мои пожелания по поводу вопросов.

Исследовательские работы для школьников

В контактном посте меня попросили предложить какие-нибудь темы исследовательских работ, которые могли бы выполнить школьники без спецоборудования, с помощью приборов, которые можно найти в обычном школьном кабинете физики. И мне захотелось ответить отдельным постом.

Контактный пост – 3

Предыдущий контактный пост переполнился, поэтому открываю новый пост для вопросов и связи. Перед тем, как задать вопрос, обратите, пожалуйста, внимание на мои пожелания.

Про открытие хиггсовского бозона

Для тех, кто волнуется, почему нет комментариев про сегоднящнее открытие бозона Хиггса. Там всё в порядке, не беспокойтесь. У меня тут так всё совпало, что прямо в этот день я уезжаю (уже уехал :)) и буду без инета несколько дней. Поэтому я пока отписался очень кратко на «Элементах», а подробная новость будет потом.

Вкратце, есть по 5 сигм в каждом из двух детекторов, так что это уже официально открытие. Некоторые, конечно, осторожничают и говорят, что это открытие какой-то там частицы, необязательно бозона Хиггса, но подавляющее большинство физиков высоких энергий уверено, что это действительно бозон Хиггса — уже слишком хорошо всё сходится друг с другом. Другой вопрос — стандартный ли это Хиггс или нет. Вот это сейчас будет очень горячая тема (хотя, казалось бы, куда уж горячее).

Так что да, начинается новая эра в физике элементарных частиц. Желающие могут посмаковать подробности из оригинальных докладов и поугадывать будущее развитие ситуации.

Механическая модель коллайдера

Год назад, в рамках фестиваля «Весна науки», который ежегодно проходит в Льеже, мы с женой сконструировали механическую модель коллайдера элементарных частиц. Это очень простая модель, в которой катаются, сталкиваются и разлетаются металлические шарики. Но с помощью нее можно продемонстрировать с десяток физических явлений, которые происходят в реальных ускорителях и детекторах. Демонстрация модели школьникам шла на ура, они после объяснений сами лезли запускать шарики и регистрировать столкновения.

Сейчас у меня наконец-то дошли руки до того, чтоб снять ее в действии и рассказать, что интересного можно с помощью нее показывать.

Детектор ICARUS измерил скорость нейтрино

В сентябре прошлого года коллаборация OPERA сообщила о наблюдении сверхсветового движения нейтрино. Другие нейтринные эксперименты посмотрели на это большими глазами и пообещали перемерять скорость нейтрино на своих установках. Это, конечно, правильно, но это уже будут другие эксперименты, в других условиях. А хотелось бы, так, на всякий случай, перепроверить именно OPERA. Для этого, в идеале, нужно поставить в ту же подземную лабораторию Гран Сассо другой аналогичный нейтринный детектор, который бы отлавливал те же нейтрино, выпущенные из ЦЕРНа.

Так вот, в кустах оказался рояль такой детектор уже там стоит — ICARUS T600 (T600 обозначает, что рабочим веществом является 600 тонн жидкого аргона). Он заработал в 2010 году и даже по-своему отметился в истории со сверхсветовыми нейтрино: в октябре он рапортовал об отсутствии черенковского излучения, которое должны были бы интенсивно излучать эти сверхсветовые нейтрино. Это как бы опровергало данные OPERA, но только косвенно (да и к тому же не все были убеждены, что связь настолько однозначная).

А сейчас тот же ICARUS измерил скорость нейтрино напрямую. Люди там не стали тратить два года на то, чтобы перемерять расстояние от ЦЕРНа и до детектора или синхронизовать время. Они просто взяли результаты измерения времени и расстояния, выполненные OPERA. Зато точные моменты прихода нейтрино они измеряли на своей аппаратуре.

В течение двух недель, с 21 октября по 6 ноября прошлого года ЦЕРН провел специальный сеанс, в котором он «пулял» нейтринные сгустки в специальном режиме, очень короткими выстрелами длительностью около 3 нс. Это было сделано как раз с целью отсечь возможные погрешности OPERA, связанные с фронтами длинного сигнала (подробнее см. в новости и у меня в блоге). OPERA, кстати, тогда сообщила, что новые измерения за эти две недели подтверждают сверхсветовые нейтрино (а на самом деле это значит, что была устранена лишь одна из возможных проблем).

В течение тех двух недель детектор ICARUS тоже набирал данные и поймал семь нейтрино (подробная статистика по каждому их этих семи событий содержится в статье). Результат таков: разница между временем прилета нейтрино и ожидаемым временем прихода светового сигнала в пределах погрешности равна нулю. Распределение по этой разнице времен для ICARUS и для OPERA показано на рисунке.

Распределение по разнице между временем прихода нейтрино и  ожидаемым временем прихода  светового сигнала (изображение из статьи коллаборации ICARUS). 

Таким образом, ICARUS прямо опровергает данные OPERA и подтверждает ожидания теории относительности.

Мне, правда, не очень понятно, изменится что-либо в синхронизации времени в свете недавно найденных ошибок в OPERA. Так что проверки на других установках всё равно будут полезны. Но, по-видимому, OPERA — всё.

Про пресс-релизы и журналистов

Дмитрий Вибе написал на днях любопытную заметку с хорошими примерами насчет дутых «научных сенсаций» в СМИ. Только общий вывод, к которому он приходит, неверен, и я не понимаю, почему это ему не очевидно.

Дмитрий Вибе сетует на то, что излишняя сенсационность часто присутствует уже в пресс-релизах научных организаций. А журналист, мол, видит в сообщении только сенсацию, срывается с катушек («раз ученые позволили себе драматизм, то и я могу!») — и на выходе получается галиматья. И вывод, к которому Дмитрий подталкивает, таков: как бы да, журналисты такие-сякие, никто не спорит, но ученые тоже часто виноваты в перекосах того, как СМИ освещают научные исследования. Так вот, это обман.

Во-первых, пресс-релизы пишут не ученые, а те же самые журналисты, которых организация наняла для этой задачи. В худшем случае это выпускники какого-нибудь факультета журналистики или «школы научной журналистики», в лучшем случае — это люди, которые закончили универ по естественнонаучной специальности (и возможно даже получили какую-то степень!), но дальше не смогли идти в науку. Зато им понравилось писать на публику, чем они и занимаются. Ни тот, ни другой даже близко не считаются учеными, а тем более — учеными, выполнившими эту конкретно работу или досконально разбирающимися в ней.

Во-вторых, в пресс-релизах постоянно втыкают цитаты авторов исследования или прочих «экспертов», и они вроде как вполне поддерживают общее возбуждение. Я уже писал про вред такого цитирования (у меня в блоге есть отдельный тэг «Наука и СМИ»), так вот здесь еще один пример — на этот раз вреда для самих ученых. Когда журналист берет комментарий, он просит, хочет, настаивает выразить это попроще. У ученого обычно есть некая граница, ниже которой он сам по себе не опустился бы в упрощении. Но журналист тащит его вниз, настаивает на дальшейшем сокращении и упрощении, мотивируя это тем, что он, журналист, лучше знает, что требуется публике. Далее, всем хорошо известно, что даже из короткого интервью можно надергать цитат (даже без перевирания!) так, чтоб они подтверждали самые разные утверждения, даже очень далекие от реальности (гуру в этом деле, конечно, тележурналисты). Поэтому написать (специально или нечаянно) пресс-релиз, сильно искажающий реальные результаты работы, но содержащий при этом как бы подтверждающие комментарии экспертов, легко. И тот факт, что потом тычут пальцем в такие пресс-релизы и пеняют на ученых — это тоже прямой вред.

В-третьих, у меня за последние годы было несколько онлайн споров с журналистами, пищущими о науке. Причем с журналистами, которые себя (или друг друга) относят к элите научной журналистики Рунета. Формулировки были разные, но общий вывод тот же: по их мнению, цепочка «пресс-релизы, информагентство, газета» хорошо работает, и они не видят другого способа писать о науке без неё в таких же объемах. Увы! Может быть, это было единственным доступным и худо-бедно работавшим методом 50 лет назад, но уж точно не сейчас, когда информация так легко доступна и читателям, и самим журналистам. Нет, разумеется, если цель — гнать объем и погорячее, то разговора нет. Но если действительно задумываться о качестве, то нет, это не может быть источником качественных новостей науки. Просто потому, что обман начинается уже на самом первом этапе.

Поймите, наука в изложении СМИ — это словно наркоман, сидящий на каких-то ядрёных возбуждающих препаратах. Там нет фазы спокойной жизни, там нет возможности поразмышлять, там постоянно бушуют крайности, драмы и революции. И сложившаяся цепочка «пресс-релизы, информагентство, газета» является хорошо зарекомендовавшим себя поставщиком той информационной наркоты.

Я не призываю идеализировать ученых. Есть и такие, которые сами чрезмерно упрощают научные результаты, искажая смысл. Но это даже близко не такое массовое явление, как институт пресс-релизов.

Дополнение про «летающие мушки»

Когда я писал свой прошлый пост про близорукость, я почему-то был уверен, что всякие плавающие пятна и волоски, которые видны внутри кружочка боке, — это «мусор» на поверхности глаза. Но мне потом в комментариях неоднократно говорили, что, во-первых, видно их и просто при взгляде на однородно освещенную поверхность, а во-вторых, находятся они вовсе не на поверхности глаза, а внутри стекловидного тела. Я немножко почитал и поделал простые опыты с собой, и вот что я скажу.

Близорукость и физика

Если внимательно присмотреться к моему фото в блоге, то можно заметить, что у меня довольно сильная близорукость (в зависимости от глаза и от направления от −12 до −14). В целом это, конечно, неудобно, но у близоруких людей тем не менее есть некоторые оптические преимущества перед «обычными» людьми — мы можем видеть некоторые вещи, которые обычные люди не видят (или не замечают). Так что вот небольшой рассказ с картинками про то, как вижу я. :)

Я конечно не могу приложить фотографии того, как я вижу в реальности, поэтому я буду всё иллюстрировать на фотографических эффектах.

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. :)

Контактный пост – 2

Новый контактный пост для вопросов и связи. В старом уже слишком много комментов, листать неудобно. Перед тем, как задать вопрос, обратите, пожалуйста, внимание на мои пожелания.

Внимание: т.к. комментов стало много, пролистайте вниз страницы и кликните на ссылку «Ещё», тогда откроются новые комментарии.

Подлёдное озеро Восток

Где-то в эти дни должно произойти — а может быть, и уже произошло — проникновение в знаменитое подлёдное озеро Восток в Антарктиде. Оперативной блогоподдержки работ, какая была в прошлом сезоне (antarctic-2010.livejournal.com), сейчас нет, и поэтому (как мне подсказали в комментариях) информацию приходится выуживать из официальных новостей и пресс-релизов на сайте ААНИИ. Новости очень скудные и сухие, да к тому же и устаревшие (трехнедельной давности). Вероятно, из-за высокой важности события оперативную информацию там придерживают. У других источников информации тоже нет (см. например заметку в Science).

Вообще, краткую историю обнаружения, исследования и бурения к озеру Восток см. в статье Лукина У порога неизведанного. Более подробно — в монографии И.А.Зотикова «The Antarctic subglacial lake Vostok» 2006 года издания, которую при желании можно найти в сети. Сейсмическое и радиолокационное зондирование показывают, что озеро начинается на глубине 3750±20 метров. В прошлом году бурение было остановлено на отметке 3720,47 м, т.е. до озера оставалось несколько десятков метров. В этом сезоне после подготовительных работ бурение началось 2 января. В норме оно идет со скоростью около двух метров в сутки, и поэтому к концу января должны уже были добуриться до озера.

Из имеющихся источников не очень понятно, что именно и в каком порядке дальше будут делать. В само озеро зонды спустят не ранее сезона 2013-2014, но какие-то образцы воды, которая поднимется на десяток метров по шахте сразу после пробоя, наверно можно взять и сейчас.

Дополнение: 5 февраля 2012 года на глубине 3769,3 м бур коснулся водного тела озера. После этого вода поднялась по каналу на 30-40 метров, изолировав воды озера от буферной жидкости. А на следующий день все погрузились на самолет и улетели домой :) Интересно, что за день до этого бур прошел через водную линзу; свежезамерзшие образцы этой воды взяты на анализ. Подробности см. в официальном сообщении на сайте ААНИИ.