Что находится в бездне челленджера
Как глубока Бездна Челленджера: измерение глубины
«Надо понимать всю глубину наших глубин» (С) ДМБ
Приветствую вас, глубокоуважаемые!
Всегда поражался, что расстояние до луны измеряется с миллиметровой точностью. Даже при открытии экзопланет методом лучевых скоростей, скорости звезд измеряются с точностью до 0.97 м/с. А вот, например, глубина Бездны Челленджера определена с точностью ± 10 метров.
Почему же с водой все так сложно?
С этим вопросом разбираемся под катом. В качестве вишенки на торт: приложение для визуализации движения звука через воду со слоями разной плотности с исходниками на гитхабе и онлайн-калькулятор.
Напомню, что есть ровно два с половиной фундаментальных способа определения глубины:
Я люблю всегда рассматривать ситуацию в пределе. Марианская впадина в целом и Бездна Челленджера в частности — это и есть предел ситуации с глубиной на нашей планете. Многие эффекты становятся существенны и отчетливо видны только на больших глубинах.
Итак, история измерения больших глубин берет свое начало от того самого Челленджера — HMS Challenger, чье имя и носит самая глубокая впадина земного океана. Вот, кстати он на фото:
Весной 1875 года экспедиция измерила при помощи веревки глубину, ни много ни мало — 8184 метров. К слову, проблемы измерения глубины веревкой помимо таких очевидных как дрейф судна и течения, описаны в Занимательной Физике у Перельмана: веревка испытывает трение об воду, извивается, скручивается как молекулы белков и вниз, после определенной глубины, уже не идет — не принимает вода ее.
С тех пор люди не сидели без дела и в 1952 году глубины марианской впадины измерял уже HMS Challenger II:
Раскапывая, или что атмосфернее, погружаясь в историю исследования мирового океана, в одной из прошлых статей я упомянул легендарное советское исследовательское судно «Витязь» — в качестве КДПВ использовал изображение почтовой марки с ним:
В 1957 году «Витязь» измерил самую глубокую глубину наших глубин — 11034 м. Измерения были сделаны на пределе диапазона эхолота исходя из постоянной скорости звука в 1500 м/с, после чего были взяты бутылочные пробы воды для построения профиля температуры и солености, по которым в последствие и было получено значение в 11034 метра. Хоть этот результат и попадается всюду, где речь заходит о марианской впадине, современные специалисты смотрят на него скептически.
Откуда берутся все эти ±20 и 50? Вдумчивый читатель скорее всего давно сообразил к чему я клоню — скорость звука в воде зависит от температуры, солености и давления, т.е. от плотности среды.
Профиль температуры и солености — это набор измерений с привязкой к глубине.
И ни температуру, ни соленость нельзя измерить дистанционно — необходимо «сунуть» термометр и кондуктометр в нужную точку океана. Желательно сделать много измерений по линии как можно вертикальнее и через каждый метр.
Вот так выглядят некоторые профили:
Американское исследовательское судно «OCEANUS», 10 апреля 2010.
Место измерения на гуглокартах
Кстати, на этом океанусе даже вебкамера есть.
История измерения самой глубокой точки не бедна и курьёзами
В 1992 году (казалось бы!) участники экспедиции университета Токио измерили глубины, как наши соотечественники в 1957 — исходя из постоянной скорости звука в 1500 м/с, но по какой-то причине не собрали профили температуры и солености. Вместо этого они откорректировали данные по таблицам 1980 (!) года и получили значение в 10933 м без указания погрешностей.
Уже в 2002 экспедиция на судне Keirei Японского агентства науки и технологий по изучению морских недр (JAMSTEC) проводила исследования по поиску глубочайшей глубины при помощи довольно продвинутого многолучевого эхолота. Они получили значение в 10920 ±5 м. Они собрали большое количество профилей, но отказ термометра-кондуктометра вынудил их воспользоваться профилями двухлетней давности.
Японцам периодически не везло.
Позднейшие измерения
В 2008 исследователи из университета Гавайев вот на таком красавце Kilo-Moana
Получили глубину в 10903 метра при помощи многолучевого эхолота EM 120 от Kongsberg Maritime.
В 2010 ученые из университета Нью Хемпшира на USNS Sumner при помощи более новой модели EM 122 от тех же норвежцев получили глубину 10944 ± 40 м в точке (позиция на гуглокартах).
В конечном счете
Неоднозначности при определении глубин при помощи эхолотов есть следствия следующих факторов:
Мы принимаем допущение о том, что звук у нас почти как мячик от пинг-понга — путешествует исключительно вертикально, отскакивает от дна весь целиком, корабль неподвижен, дно ровное. Время мы измеряем без погрешностей. И единственное что нас путает — наличие профиля скорости звука.
Как при этом он повлияет на измеряемую глубину?
В этом случае наша модель может быть описана простой формулой:
Где 
— пройденный звуком путь, 
— скорость звука в i-й интервал времени, длительность которого 
.
Если мы уменьшаем (а мы не можем) то дело идет к интегралу из школьной физики:
Далее, исходя из измеренного времени распространения звука (от начала излучения до приема отраженного сигнала) нам нужно:
Скорость звука считается по формуле Чена и Миллеро. Она нравится мне потому, что там параметром идет давление, которое измеряется непосредственно, а не глубина, как в других моделях. Плюс диапазон по параметрам у этой модели покрывает почти все разумные случаи.
Например, для второго профиля, который получен в этой точке 10 апреля 2010 года, разница между глубиной, полученной по стандартному значению скорости звука и глубиной, полученной по приведеному выше расчету при времени распространения 5 секунд (туда и обратно) получается 18 метров: 3750 против 3768.3 метров, а для 6 секунд разница возрастает до 32 метров.
К сожалению у меня нет профиля из марианской впадины, и вообще мне пока не попадался ни один профиль глубже 6000 метров. Но если принять, что после 4-5 км глубины параметры меняются слабо и скорость звука в основном меняется из-за давления, то получается, что для обсуждаемых глубин разница получается порядка 420 метров, а время от момента излучения сигнала эхолотом до принятия отражения составляет более 14 секунд.
В качестве демонстрационных материалов имеется:
онлайн-калькулятор, в котором можно вручную ввести профиль или использовать одни из трех, так сказать, hard-coded.
Поскольку я толком ничего не смыслю в JavaScript, то мне проще было сделать спустя рукава визуализацию на C#. Проект я положил на GitHub.
Я знаю, что все знают, но опыт показывает что лучше дать прямую ссылку и на Release
Окно приложения выглядит вот так:
По умолчанию стоит время распространения 5 секунд и какой-то профиль с северной части тихого океана всего из 13 точек.
Справа 4 колонки, в каждой из которых (после нажатия кнопки ANIMATION конечно) звук начинает путешествовать с разной скоростью:
В меню PROFILE можно выбрать один из трех демо-профилей (в них мало точек), также можно загрузить несколько профилей, выдранных мной из World Ocean Database которую бережливо собирает NOAA.
Эти профили лежат в виде CSV и помимо всего прочего содержат информацию о месте замера, времени, стране, управляющем институте и судне, на котором он производился. Более подробно об этом я писал в статье «Кто и как исследовал мировой океан: разбираем базы NOAA».
Совсем для ленивых (каюсь, я такой же) я собрал GIF-анимацию, но GIF везде отображается по-разному, и «полного эффекта присутствия» не получится:
При написании исторического обзора про исследование марианской впадины я пользовался статьей Джеймса Гарднера с сотоварищами. Крайне рекомендую для интересующихся. Там очень хорошо описаны сложности при измерении, казалось бы, такой «простой» вещи, как глубина.
Хочу поблагодарить всех тех, кто голосовал в предыдущей статье. За то, чтобы появилась эта, было отдано аж 109 голосов — ребята, это для вас! Те двое, кто был против — пардон, я прислушался к мнению большинства.
Марианские хроники: как была покорена «бездна Челленджера»
23 января 1960 года управляемый подводный аппарат «Триест» впервые в истории человечества достиг самой глубокой (по крайней мере известной людям) точки Мирового океана: так называемой бездны Челленджера в Марианской впадине, в 500 км от острова Гуам. На борту батискафа находились двое: швейцарский океанолог Жак Пикар и офицер ВМС США Дон Уолш. Спуск на глубину 10 919 м занял 4 часа 48 минут, и проведенные на самом дне Уолшем и Пикаром 20 минут дали науке, пожалуй, не меньше неожиданной информации, чем первый космический полет, — учтем, что на такой головокружительной глубине до «Триеста» бывали разве что лоты-глубиномеры (замеры производили в 1950-е советское океанографическое судно «Витязь» и британский научный корабль «Челленджер», давший имя самому глубокому месту на Земле). «Известия» вспоминают о том невероятном погружении, повторить которое суждено было лишь еще одному человеку.
Задача
К концу 1950-х мир как бы уменьшился в размерах: реактивные пассажирские лайнеры — а на регулярные трассы уже вышли наш Ту-104, французская «Каравелла», британская «Комета» и американский Boeing 707 — сделали авиапутешествия быстрее и доступнее. Военные уже освоили сверхзвуковые скорости, да и первая космическая перестала относиться к мечтаниям фантастов. Человечество уже вырвалось за пределы стратосферы — с орбиты Земли подавали сигналы советские «Спутники» и американские «Эксплореры». В 1959 году автоматическая станция «Луна-2» успешно опустилась на поверхность естественного спутника Земли, а «Луна-3» впервые в истории позволила впервые увидеть его обратную сторону. Было понятно, что до полета в космос человека остаются считаные годы, если не месяцы.
Макет батискафа «Триест»
Но успехи в покорении космоса никак не закрывали собой тот факт, что для людей оставались неизведанными куда более близкие пространства — океанские глубины. Подводные лодки позволяли опускаться на пару сотен метров, а изобретение акваланга сделало знакомство с подводным миром доступным почти каждому желающему — но что таится дальше, на глубине километров, по-прежнему было еще большей тайной, чем открытый космос. Что творится на самых больших глубинах, возможна ли там жизнь и позволяет ли достигнутый после Второй мировой уровень технологий опуститься более чем на километр — эти вопросы волновали ученых. И конечно, военных — как ни парадоксально, но многие прорывы в науке были сделаны именно по причине «милитаристского» любопытства.
Попытки продвинуться в глубину, конечно, предпринимались: в 1953 году глубоководный аппарат «Триест» опустился на 3150 м; спустя год французский FNRS-3 преодолел отметку в 4 км. Конструктором обоих был швейцарский ученый и изобретатель Огюст Пикар, а за штурвалом находился его сын Жак.
Человек
Огюст Пикар (1884–1962) родился в швейцарском Базеле в семье университетского профессора химии. Его брат-близнец Жан пошел по стопам отца, а Огюст выбрал своей специальностью физику — и в 1922-м сам стал профессором Брюссельского университета. В детстве он зачитывался романами Жюля Верна и, став ученым, был чем-то похож на верновского Паганеля.
П. Лятиль, Ж. Ривуар «С небес в пучины моря»
«Представьте себе Пикара, когда он, заложив руки за спину и склонив голову, прохаживается взад и вперед, погруженный в глубокие раздумья, когда он вышагивает, стараясь удержать равновесие, по краю тротуара, — и вчерне его портрет готов. Студенты с веселым изумлением созерцали эту поразительно длинную, поразительно худую, поразительно нескладную фигуру. Теперь вообразите еще и голову с огромным лбом, с маленьким подбородком, с густой вьющейся шевелюрой и тонкой шеей, выступающей из слишком широкого воротника».
Так описывал профессора один из его бывших студентов. Кстати, именно с Пикара «срисовал» своего профессора Турнесоля знаменитый бельгийский карикатурист и художник комиксов Эрже, создатель отважного журналиста Тин-Тина и его друзей. Джин Родденберри, подаривший нам мир «Стар Трека», дал фамилию Пикар одному из командиров звездолета «Энтерпрайз» тоже в честь сумасбродного профессора — и его сына Жака.
Огюст Пиккар в гондоле стратостата FNRS-1
До пятого десятка Огюст Пикар вел жизнь почти кабинетного ученого. «Почти» — потому что он не только занимался лабораторными исследованиями урана и разработкой способов получения искусственных алмазов, но и совершал полевые вылазки на ледники своей родной Швейцарии, изучая их физические характеристики. Во второй половине 1920-х его захватила мысль об исследованиях стратосферы — и вскоре он разработал и построил первый в мире аппарат для исследования верхних слоев атмосферы. Более того, в мае 1931 года 47-летний профессор сам не побоялся совершить первый полет на спроектированном им стратостате FNRS-1 (вместе со своим молодым ассистентом Паулем Кипфером) — и поставил рекорд, достигнув высоты 15 785 м. В дальнейшем Пикар поднимался в заоблачные выси еще 26 раз, на высоту до 23 км.
В середине 1930-х Пикар понял, что концепция аппарата с герметичной гондолой, соединенной с «поплавком», пригодна не только для воздушной, но и для водной среды. Свое новое детище он назвал «батискаф», от греческих слов «глубокий» и «корабль». Проект был готов уже в 1937-м, но строительству помешала война — и первый батискаф, FNRS-2, был спущен на воду лишь в 1946 году. «Триест» (названный так в честь итальянского города, где шла сборка аппарата) стал второй, усовершенствованной моделью подводного судна Пикара.
Революционность конструкции Пикара состояла в автономности батискафа. В отличие от батисфер, использовавшихся для рекордных погружений с конца XIX века и опускавшихся в воду при помощи стального троса, батискаф был практически полностью автономен — положительную плавучесть обеспечивали емкости с бензином (который к тому же успешно противостоял давлению на глубине), а спуск и подъем осуществлялся при помощи балласта, подобно аэростату. Сброс чугунной или стальной дроби производился открыванием электромагнитной задвижки, что добавляло и гарантий безопасности — в случае ЧП, после полной разрядки батарей (запас энергии составлял 24 часа), задвижки гарантированно открывались.
Пикар, по своему обыкновению, лично участвовал в нескольких погружениях — управлял батискафами его сын, океанолог Жак. Последний раз ученый, которому уже исполнилось 69, опустился на борту «Триеста» на глубину 3150 м. Вскоре исследованиями заинтересовались американские военные, согласившиеся купить «Триест-2» и финансировать рекордное погружение, получившее кодовое название «проект «Нектон». Для «Триеста» была заказана новая гондола из сверхпрочной стали заводов «Крупп». Сам аппарат был доработан с учетом ожидаемых на глубине 11 км сверхвысокого давления и низкой температуры. К началу 1960 года всё было готово для решающего погружения.
Погружение
Утром 21 января 1960 года место в гондоле «Триеста» заняли Жак Пикар и лейтенант ВМС США Дон Уолш. После нескольких технических остановок для стравливания бензина, с глубины 200 м погружение пошло без остановок — и без каких-либо приключений. В 13:06 по времени Гуама конец гайдропа (стального каната, использовавшегося в качестве тормоза для плавной остановки батискафа) коснулся дна «бездны Челленджера». Выпустив еще часть бензина, исследователи «приземлили» батискаф.
Была замерена температура забортной воды — 3,3°С (в самой гондоле было тоже не жарко — всего лишь 4,5 градуса), радиационный фон, а также внутренний диаметр гондолы — оказалось, что под воздействием давления воды он уменьшился на 3 мм. Пикар и Уолш уверяли, что видели в иллюминатор плоскую рыбу, вроде камбалы, и существо, похожее на креветку, что доказывало возможность существования на такой глубине достаточно сложных, даже позвоночных, форм жизни — однако многие биологи поставили под сомнение наблюдения гидронавтов.
«Триест» находился на дне около 20 минут, когда Пикар заметил, что стекло иллюминатора начало давать трещину. Была дана команда на экстренное всплытие, и спустя 3 часа 27 минут батискаф показался на поверхности. В дальнейшем аппарат после модернизации (он был оснащен в числе прочего телекамерой и манипулятором) использовался флотом США для поисковых операций — в частности, именно при помощи «Триеста» были обнаружены останки пропавшей в 1963 году в Атлантике атомной подлодки «Трешер». Затем батискаф был списан и сейчас хранится в морском музее Вашингтона.
С тех пор в «бездну» удалось спуститься еще лишь одному человеку — в марте 2012 года на борту аппарата Deepsea Challenger там побывал знаменитый режиссер Джеймс Кэмерон. Его путешествие на дно заняло всего лишь два часа, зато на месте Кэмерон провел шесть часов, собрав образцы грунта (в котором было обнаружено 68 видов до того неизвестных науке организмов) и сделав фото- и видеосъемки. И кстати, подтвердив существование того самого существа, похожего на креветку, оказавшегося рачком-бокоплавом.
Deepsea Challenger: Кэмерон на дне Марианской впадины
Как известно, большинство сверхвысоких гор имеют по несколько пиков. Например, у первого восьмитысячника, покоренного человеком, гималайской Аннапурны, их целых девять штук, высотой от 6993 (Мачапучаре) до 8091 м (Аннапурна I). Точно так же у Марианской впадины есть несколько «обратных пиков» разной глубины. Самая глубокая точка ущелья называется Бездной Челленджера и достигает, по официально принятой версии, 10 994 м ниже уровня моря.
Марианский желоб был открыт в 1875 году экипажем исследовательского судна «Челленджер» (интересно, что именно в честь последнего впоследствии были названы американские космические челноки). Замер глубины дна осуществлялся в те времена ручным диплотом и потому точностью не отличался. В отчете были указаны две глубины — 8184 и 8367 м, по двум точкам замера. Уже по этим данным становилось понятно, что ученые нашли один из глубочайших океанских желобов на Земле. И, как ни странно, с точной глубиной Марианской впадины не определились до сих пор.
Споры о глубине
Основная причина «глубинной неопределенности» — сложный рельеф дна впадины. Впервые ее дно было картографировано с более или менее высокой точностью лишь в 2010 году: в течение трех месяцев американская экспедиция, снаряженная Центром берегового и океанского картографирования, снимала дно впадины с помощью многолучевого эхолота с разрешением 100 м (для подобного устройства это сверхточность) и в итоге обнаружила на дне несколько хребтов высотой до 2,5 км. По составленной экспедицией трехмерной модели сегодня можно ориентироваться при замерах глубины- и то с некоторыми допущениями.
Дело в том, что никакой эхолот на подобных расстояниях не способен обеспечить точность лучшую, нежели ±10 м, и даже такая точность достигается многократными измерениями и получением усредненного результата. По официальным данным, глубина Марианской впадины (точнее, Бездны Челленджера) на сегодняшний день составляет 10994±40 м. То есть вполне вероятно, что Бездна уходит вглубь более чем на 11 км — если считать, что именно она является самой глубокой точкой желоба, в чем тоже нет стопроцентной уверенности.
Знаменитый советский замер 1957 года, показавший результат 11023 м и до сих пор приводимый во многих русскоязычных книгах и учебниках, на сегодняшний день признан ошибочным. Советские ученые при использовании эхолота не учитывали особенности распространения звука в воде на больших глубинах, то есть при высоком давлении, и потому итоговое число оказалось явно завышенным.
Полвека назад
Как ни странно, добраться до Бездны Челленджера ненамного проще, чем до другой планеты, и потому за всю историю лишь четыре аппарата погружались на дно Марианской впадины. Целью каждого погружения был сбор максимального количества информации — фотоснимков, видеозаписей, проб грунта и воды, по возможности — наблюдение за глубоководной жизнью, если таковая вообще может существовать на глубине 11 км ниже уровня моря.
Впрочем, до недавнего времени погружение было одним-единственным, и его 23 февраля 1960 года совершили американский морской офицер Дон Уолш и француз Жак Пикар на батискафе «Триест». Главным конструктором батискафа выступил швейцарский инженер Огюст Пикар, отец Жака. Собственно, именно Огюст Пикар изобрел батискаф как таковой (модель FNRS-2, первое погружение в 1948 году), «Триест» же стал главным проектом его жизни. Внешне «Триест» напоминал в первую очередь дирижабль с гондолой. Верхняя 18-метровая часть батискафа наполнялась бензином (в целях создания нейтральной плавучести), нижняя представляла собой батисферу диаметром 2,16 м, в которой размещался экипаж. Толщина стенок сферы составляла 12,7 см. Надо сказать, что изначально «Триест» не предназначался для подобных глубин, но в 1958 году, спустя пять лет после спуска на воду, ВМС США приобрели его у Швейцарии специально для исследований сверхвысоких глубин и модернизировали (в частности, была заменена батисфера). В какой-то мере погружение в желоб было частью технологического соперничества с Советским Союзом, и 23 марта 1960 года батискаф был спущен на воду с корабля Wandank и направился вниз.