Что интересного происходит в науке Голосов: 1 Адрес блога: http://igorivanov.blogspot.com/ Добавлен: 2008-05-17 13:57:21 блограйдером Lurk

Как открывали озеро Восток – 2

2012-02-15 05:29:00 (читать в оригинале)

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, 43 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 данных 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 выврода. 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 следует...

---

Как открывали озеро Восток

2012-02-13 04:57:00 (читать в оригинале)

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.

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 следует ...

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

---

Контактный пост – 2

2012-01-30 22:41:00 (читать в оригинале)

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.

---

Подлёдное озеро Восток

2012-01-30 22:31:00 (читать в оригинале)

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.

---

Триллион кадров в секунду

2011-12-21 05:40:00 (читать в оригинале)

На днях по СМИ и блогам прошла новость про сверхскоростную чудо-камеру, созданную в MIT, которая может снимать видео со скоростью триллион кадров в секунду. Вот страничка на сайте MIT про эту разработку, где можно найти кучу видеороликов и дальнейшие ссылки на литературу. Поскольку я немножко разбирался с быстропротекающими процессами, когда готовился вот к этой лекции, мне есть что сказать по этому поводу.

Если одним предложением, то разработка действительно интересная, но на мой взгляд, авторы её распиарили совершенно нечестным образом. В результате подавляющее большинство людей, услышав про эту камеру, представят себе совсем не то, чем она на самом деле является. На самом деле, это устройство не позволяет заснять с заявленной скоростью отдельный быстропротекающий процесс. Вот некоторые пояснения.пикосекунды. Но для современной физики это огромный промежуток времени. Уже давно влегкую изучают и фемтосекундные явления, а не так давно уже забрались и в аттосекундный диапазон. А в ядерной физике и физиче частиц с помощью косвенных методов можно изучать процессы, длящиеся еще на несколько порядков меньше.

Так что есть огромное разнообразие процессов, которые слишком быстротечны для этой камеры. Просто они протекают на микроскопических масштабах, на уровне атомов или ядер. Так что в своем заявлении авторы на самом деле имели в виду только макроскопически процессы.

3. Теперь насчет того, как работает это устройство. Я пересказывать в деталях не буду, на сайте группы всё объяснено. Я лишь кратко обрисую принцип работы.

Основой устройства является стрик-камера. Это устройство, которое не просто посылает изображение на экран, а очень быстро поворачивает его на экране, в результате чего на экране возникает временная развертка быстропротекающего процесса (вот простенький апплет, иллюстрирующий работу стрик-камеры). Однако для того, чтобы изображение не накладывалось на себя, приходится снимать только одномерную полоску. Поэтому на двумерном экране (на CCD матрице) одно направление — это реальное пространственное измерение, а второе направление — время.

Вообще, стрик-камеры — это совершенно стандартная технология, она используется уже не одно десятилетие, а сами камеры выпускаются промышленно. Временное разрешение у топовых стрик-камер обычного типа тоже заметно лучше, в фемтосекундном диапазоне. А в последнее десятилетие активно разрабатывается и используется технология «аттосекундной стрик-камеры». Собственно, тот эксперимент, про который я рассказывал в аттосекундом диапазоне, тоже можно назвать стрик-камерной технологией.

Единственное новшество, которое внесли изобретатели из MIT, состоит в том, что они получают разветку во времени не одно-, а двумерного изображения. Т.е. они показывают не светящуюся полоску, а нормальные снимки. Правда, снимают-то они все равно одномерные полоски, но только эти полоски раз за разом смещаются вниз по изображению (они просто поворачивают зеркальце). Поэтому реальный кадр, а тем более те видики, которые они показывают, получаются не непосредственно в устройстве, а лишь после многократного повторения эксперимента и после компьютерной обработки огромного числа полосок. Это вычисленные, а не снятые кадры.

4. Является ли это устройство видеокамерой?
Из пояснения должно стать понятно, что это устройство не может заснять однократный процесс. Для того, чтобы получить в нем видеоролик, требуется повторять один и тот же эксперимент раз за разом, и надеяться, что он всегда будет развиваться одинаково. Кстати, для того, чтобы получить то видео со световым импульсом, распространяющемся в бутылке, авторам потребовался час работы!

Необходимость повторять эксперимент огромное количество раз сужает тот набор вещей, которые можно так увидеть. Вы, например, не увидите, как разлетаются отдельные кусочки вещества, как на снимках настоящей камерой с миллионом кадров в секунду. Просто потому, что каждый раз ошметки будут вылетать в разные стороны, вы лишь увидите размазанное распыление вещества в целом. (Это словно фотография не отдельного человека, а усредненное фото миллиона отдельных лиц.)


В общем, я подчеркну — никакой способности «видеть» развитие единичного процесса во времени эта камера не дает, увы. Поэтому и видеокамерой ее можно называть только с большой натяжкой. И значит сравнивать с настоящими камерами, которые выдают непрерывный поток кадров (нынешний рекорд — 6 млн. кадров в секунду) просто нельзя, это совсем разные приборы.

Но в конце я еще раз подчеркну: несмотря на мою критику пиара, сам по себе устройство получилось интересное, изображения оно выдает симпатичные, и наверняка пригодится в разных областях. Но только это не видеокамера, которая снимает быстропротекающий процесс с заявленной скоростью.