С какими препятствиями сталкиваются участники уникальной научной экспедиции в Ярославской области
Весь Некоузский район Ярославской области в эти дни наблюдает чудо чудное: в небе над поселком Борок висит аэростат, белый с синим, парящий в воздухе подобно огромному киту. «Туристов катают, что ли», – говорит старушка в сельском поселении Веретея, покупая хлеб в сельпо. «Не, – вторит ей другая, – это они что-то распыляют. А потом помидоры все зеленые». На самом деле это проводят научные исследования сотрудники геофизической обсерватории «Борок» Института физики Земли.
ФОТО: АНДРЕЙ АФАНАСЬЕВ Поднять в воздух аэростат – дело непростое и дорогое, такое здесь случается не каждое лето. Только заправить его инертным газом – всё равно, что купить новый автомобиль. Да и сам аэростат недешев. Лишиться такого для ученых равносильно потере любимого друга.
Нам повезло. Покружив на машине по лесу, мы выехали на экспериментальное поле, где тихонько потрескивают приборы, пахнет еловыми шишками – это закипел самовар, а научные сотрудники сгрудились за деревянным столиком – пьют чай и обсуждают результаты работы.
Как в космосе
«Аэростат – лишь видимая часть работы, наземные исследования не менее важны и трудоемки, – объясняет Константин Афиногенов, научный сотрудник геофизической обсерватории, начальник полевого экспедиционного отряда. – Наша работа сезонная, все эти приборы устанавливаются, когда сходит снег, и до первого снега – октябрь-ноябрь. Здесь мы ведем наблюдения за атмосферным электричеством, проводим метеорологические наблюдения, а также смотрим за активностью радона – естественного радиоактивного газа».
Данные по изменению напряженности электрического поля, плотности вертикального атмосферного электрического тока, концентрации ионов в воздухе, температуре, влажности, ветру, осадкам регистрируются и сохраняются в базах данных. Аэростат измеряет все то же самое, но наверху, на высоте порядка ста метров.
Отличие наземного комплекса от аэростатного – массогабаритные показатели и энергопотребление. В аэростатном оборудовании важен каждый грамм веса – прямо как в космосе. Туда даже букашку лишнюю посадить нельзя. Грузоподъемность аэростата ограничена, всего 25 кг, причем нет возможности питать оборудование с помощью кабельных линий, вся работа ведется от автономного источника — аккумулятора, вес которого тоже должен быть минимальным. Чтобы оборудование работало достаточно долго, энергопотребление должно быть сведено к минимуму.
При этом на максимально облегченной аэростатной платформе в автоматическом режиме работает целая куча приборов и устройств, измеряющих напряженность атмосферного электрического поля, концентрацию легких аэроионов, аэрозольных частиц, объемную активность радона, температуру и влажность воздуха, а еще телеметрическая аппаратура – спутниковое навигационное оборудование, барометрический высотомер, 3D компас и акселерометр-гироскоп. Все эти приборы управляются автономной системой сбора данных на базе микрокомпьютера, а связь с платформой осуществляется по Wi-Fi каналу.
Голь на выдумки хитра
Возникает закономерный вопрос – зачем всё это нужно? Оказывается, важное значение имеет распределение электрических характеристик атмосферы именно в приземном слое и внутри атмосферного пограничного слоя, до высот, где образуются облака. Здесь изменчивость наблюдается сильнее всего. Сейчас есть достаточно много публикаций о наблюдениях за атмосферным электричеством выше атмосферного пограничного слоя с помощью самолетов и беспилотников, а таких исследований почти нет. «Мало того – то, что делаем мы с таким набором оборудования, не делал никто и никогда в мире», – подчеркивает Константин Афиногенов.
Константин Афиногенов. ФОТО: АНДРЕЙ АФАНАСЬЕВ Техника, которой пользуются геофизики, уникальна. С аэростатом они работают с 2014 года, а наземные наблюдения ведутся уже много лет, с 70-80-х годов прошлого века. Начинал это Сергей Васильевич Анисимов, нынешний директор обсерватории, часть приборов – его личная разработка. Это, например, электростатические флюксметры или антенна токового коллектора диаметром 300 метров. Круглый год 24/7 без праздников и выходных, в полевых условиях под открытым небом флюксметр работал исправно в течение 15 лет, и ремонтировать его пришлось только после того, как рядом с ним произошел мощный разряд молнии. А после ремонта он работает уже 12 лет без остановок. Такая надежность оборудования в геофизике – правило, а не исключение.
Позже коллективом геофизиков были разработаны и изготовлены датчики концентрации легких аэроионов, которые позволяют измерять количество ионов – молекул воздуха, которые потеряли один электрон, или, наоборот, приобрели лишний. Ионы в воздухе, или аэроионы, определяют электрическую проводимость атмосферы и влияют на многие атмосферные явления. В нормальной среде концентрация легких аэроионов в одном кубическом сантиметре воздуха может быть в диапазоне от десятков до тысяч штук. Причем ионы разного заряда могут иметь и разную концентрацию.
Помимо концентрации и заряда ионов есть еще такая характеристика, как подвижность — это то, насколько ион мобилен в электрическом поле. Ион с высокой подвижностью в электрическом поле движется гораздо быстрее, чем ион с низкой подвижностью. А раз движется быстрее, значит и вносит более существенный вклад в электрическую проводимость воздуха. «Мы привыкли считать, что воздух — это диэлектрик, то есть не проводит электрический ток, – поясняет Константин Афиногенов. – Однако это не так: наличие ионов делает воздух проводником электричества, хотя мы этого совсем не ощущаем, так как токи, образованные ионами, очень малы. Так вот датчик концентрации аэроионов, разработанный нашим коллективом, позволяет одновременно измерять концентрацию аэроионов положительного и отрицательного заряда, и с применением специальной методики измерений можно даже разделить концентрацию аэроионов по подвижностям. Чувствительность прибора такова, что он надежно детектирует один ион в кубическом сантиметре воздуха».
Особняком стоит оборудование для аэростатных наблюдений, которое также разработано и изготовлено в Борке. Пришлось решить массу нетривиальных задач, чтобы уложиться в требуемые параметры и при этом не пожертвовать чувствительностью и отказоустойчивостью приборов.
Предсказать пожар
Такие приборы невозможно ни купить, ни где-либо заказать. Сколько геофизики ни пытались дать такую заявку, все отказываются или назначают невероятные цены и сроки. Вот и приходится всё делать самим. А заодно становиться специалистами в очень широком круге дисциплин – электроника, программирование, техническое 3D моделирование, навыки работы в слесарной мастерской с ручным инструментом, знание принципов построения радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, частая работа в полевых условиях формирует практические навыки выживания в дикой природной среде.
Какие же результаты этой непростой работы? «В первую очередь, это экспериментальный материал для моделирования изменений атмосферного электричества, – говорит Константин Афиногенов. – Хорошая математическая модель позволит по каким-то единичным признакам иметь представления обо всем спектре электрических характеристик атмосферы».
Выверенная модель обладает предсказательной силой. Атмосферное электричество связано, например, с метеорологической обстановкой. Мы хотим предсказывать катастрофические события – сильные грозы, ураганы, шквалистый ветер. Но это очень сложно, поскольку обычно они носят внезапный характер. Эти исследования могут здесь помочь, так как дадут дополнительные параметры прогнозируемых явлений. К примеру, есть наблюдения, что перед ураганом сильно меняется напряженность электрического поля. Также по характеру изменения электрического поля можно оценивать вероятность возникновения грозовых явлений, в том числе и несущих серьезную опасность.
Или лесные пожары – их можно прогнозировать на этапе, когда о них никто не подозревает, за счет того, что меняется аэрозольный и ионный состав воздуха. Такой пожар только зарождается на глубине – его ни носом не почувствуешь, ни с вертолета не увидишь, а геофизики могут сказать, что угроза существует. Это четко прослеживается в электрическом состоянии нижней атмосферы. В частности, в 2010 году, когда горели леса и торфяники, они часто фиксировали такой подъем напряженности электрического поля, предшествующие пожару.
«Таких прикладных возможностей может быть очень много, – подчеркивает Константин Афиногенов. – Наши приборы могут найти применение в медицине, в производстве высокоточной электроники, в «чистых» комнатах. К примеру, такие системы применяются в промышленности при производстве электронных чипов, в медицине для контроля чистоты воздуха в операционных».
ФОТО: АНДРЕЙ АФАНАСЬЕВ Не обходится и без неожиданностей. Иногда ученые сталкиваются с явлениями, природы которых не понимают. Был период, когда они вели измерения вертикальных профилей атмосферного электричества. Для этого аэростат поднимали на двести метров, потом спускали на пять метров, и вот так, ступеньками, мерили на разных высотах, что там происходит.
В процессе измерения стали наблюдать, что вдруг появляется слой активности радона, которого там быть не должно. Откуда он попал на эту высоту? Долгое время не могли это определить, да и до сих пор не знают наверняка, есть только ряд предположений.
Радон – естественный радиоактивный газ, который, распадаясь, ионизирует среду. Ионы, в свою очередь, это активные ядра конденсации. Если в воздухе есть много воды в виде молекулярного газа и нет ядер конденсации, вода так и останется в газообразном виде. Как только ядра конденсации появляются – водяной пар моментально превращается в тучу, туман, и при жаркой погоде возможна гроза. Причем это может быть быстрая, спонтанная и очень мощная гроза, спрогнозировать которую сложнее всего.
«Так что нередко, отвечая на один вопрос, мы получаем еще несколько новых вопросов, ответы на которые придется искать в дальнейшей работе, – говорит Константин Афиногенов. – Каждый раз появляется что-то новое, и это нас стимулирует, наполняет энергией и позитивом».
Не изменяй
Работа в поле полна романтики. Бывает, лось запутается в проводах или выйдет на запах съестного лиса. Вечером налетают тучи комаров, на которых геофизики, в отличие от нас, уже не реагируют. Говорят – это ерунда. Было настоящее несчастье, когда два года назад внезапно налетел ураган с градом размером с ладонь, с острыми краями. Аэростат моментально разнесло в клочья. Пришлось покупать новый. Поэтому дежурства тут круглосуточные, и, хотя в поле стоят палатки на случай холода, всегда есть кто-то бодрствующий. И крепкий чай всегда наготове.
ФОТО: АНДРЕЙ АФАНАСЬЕВ А еще, признается Константин Афиногенов, бывает стыдно за низкий культурный уровень некоторых граждан. Был случай, пришла бабушка, говорила, что из-за нас у её коровы надои падают, потому что мы «распускаем радиацию». Ладно, бабушка – приезжал мужик на дорогой машине, говорил, что, по его информации, мы устанавливаем контакт с инопланетянами, тарелки тут летают, чертовщина всякая творится. А кто-то говорит, что мы заражаем местность ядовитыми газами. «Чего только про себя не услышишь, – сетуют мои собеседники. – На самом деле мы занимаемся наукой, которая дает знания о том, как живет наша планета».
Основное их правило – не изменяй! Все наблюдения должны проводиться с минимальными (а лучше и вовсе с нулевыми) изменениями той среды, которую они наблюдают. Важно наблюдать неискаженную антропогенным влиянием среду, поэтому работа и проводится вдали от промышленных центров и городов. Эти знания не зря зовутся фундаментальными — это фундамент для последующих исследований, которые могут спасти миллионы жизней, предскажут катастрофы, позволят человечеству жить в гармонии со своей планетой, не разрушая ее и себя.
…Не успели мы договорить и допить чай из металлических кружек, как пришел неблагоприятный прогноз – надвигается сильный ветер, возможна гроза, а значит, аэростат надо немедленно опускать!
И тут же несколько пар сильных рук на «раз-два-три» потянули воздушного великана, а он послушно пошел вниз, затем его уложили и укутали толстым брезентовым «одеялом», закрепили веревками, чтобы не унесло. Поскольку уже стемнело, во лбу у геофизиков засветились «шахтерские» фонарики. Это действо и правда напоминало какой-то ритуал, а объемный аэростат, лежащий в поле – инопланетный корабль пришельцев. Кто знает, может быть, они смотрят сверху и восхищаются энтузиазмом наших ученых?
_Yalta_naberezhnaya.jpg/dw900h500.jpg)
