ILoveDiving.ru

Лаборатория физиков — морское дно

Гидрофизические исследования, выполнявшиеся акванавтами, за малым исключением касались двух аспектов гидрофизики: гидродинамики и гидрооптики.

Следует отметить, что акванавты снимали и фоновые данные, необходимые для полноты наблюдений по другим научным дисциплинам, например биологии или гидрохимии, измеряя целый ряд параметров морской воды по программам, близким к программам стандартных гидрологических станций. Так, в экспериментах по программе «Силэб-2» акванавты смонтировали под водой комплекс измерительных приборов, с помощью которых были получены продолжительные серии данных о временном ходе скорости и направления течений и температуры воды на двух горизонтах. Акванавты «Гидролаб» определяли скорость и направление течения, температуру и соленость воды. Однако эти и подобные им измерения носили подчиненный характер, для их выполнения использовалась стандартная техника, и экспериментом в полном смысле слова их назвать -,было нельзя. Основным же аспектом гидродинамических исследований, выполнявшихся экипажами подводных лабораторий, было изучение микроструктуры придонных течений воды.

Начало этим работам было положено экипажем подводной лаборатории «Преконтинент-3». Акванавты подводной лаборатории по заданию французского Центра атомной энергии должны были попытаться определить скорость и направление придонных течений. Предполагалось, что течения эти хотя и существуют, они настолько слабые, что обычные измерители скорости течений их не «чувствуют».

Акванавты установили на дне легкую ферму, в верхней части которой находился бункер, заполненный шариками, имеющими очень малую, близкую к нулевой, отрицательную плавучесть. Специальный механизм периодически выпускал из бункера по одному шарику. Шарики медленно опускались на дно, и в процессе падения придонное течение относило их в сторону от вертикали. На дне, прямо под фермой, была уложена сетка, на которую и падали шарики. Чем сильнее было течение, тем в более дальнюю ячейку попадали падающие шарики. Подсчитав количество шариков по ячейкам, можно было определить преобладающие скорости и направления течений.

Обработка результатов опыта показала, что придонные течения в изучавшемся акванавтами районе Средиземного моря существуют и скорость их иногда бывает значительной. Данные, полученные акванавтами, были использованы при выборе места для захоронения в море радиоактивных отходов атомной промышленности Франции.

Гидрофизические исследования, проведенные экипажем «Черномора», также имели одной из задач изучение микроструктуры придонных течений. Акванавты установили на дне в 50 м от подводной лаборатории мачту, на которой в диапазоне 2 см — 6 м от дна смонтировали 14 тензометрических датчиков скоростного напора воды. Сигналы с датчиков передавались по кабелям в подводную лабораторию, где усиливались и регистрировались.

Для измерения скоростей течений, лежащих ниже порога чувствительности тензометрических датчиков, акванавты использовали киносъемку движений окрашенной воды на фоне масштабной сетки.

Для этой цели на дне перпендикулярно к нему была установлена легкая рамка размером 1,5X1,5 м с натянутыми на ней масштабными нитями, образующими сетку с ячеей 10 см. Шарнирная подвеска рамки позволяла ей ориентироваться по потоку воды. По краю рамки, омываемому набегающим потоком воды, были подвешены равномерно распределенные резиновые емкости с флюоресцеином. Специальное устройство выпускало краску из всех емкостей одновременно. Акванавты фиксировали на кинопленке распространение струек краски в воде на фоне сетки. Расшифровка кинограмм давала возможность определить абсолютные скорости течений, распределение течений в придонном 1,5-метровом слое воды и турбулентность слоя. Эти данные оказались весьма важными для геологов, изучающих процессы осадконакопления и переноса осадков.

Наибольший объем гидрофизических исследований, выполненных акванавтами, приходится на гидрооптику. Экипажи программ «Тектайт», «Гидролаб», «Черномор» изучали особенности естественного подводного светового поля, однако акванавты каждой из этих программ преследовали свою вполне определенную цель. Американские акванавты фиксировали подводную освещенность как фоновую величину, нужную биологам. Гидрооптические исследования, выполнявшиеся акванавтами «Черномора», носили более фундаментальный, академический характер. Многолетняя программа гидрооптических исследований Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР в своем роде уникальна и заслуживает особого внимания.

Исследования естественного светового поля под водой ведутся в институте уже много лет. Обычно для таких целей используются надводные суда. Однако качка судов, с которых спускают приборы, их дрейф, хаотические и неконтролируемые колебания самих приборов, висящих на длинном тросе под кораблем, вносят настолько значительные помехи в результаты измерений, что интерпретировать их очень трудно.

Только после того, как появилась возможность устанавливать приборы на жестком основании на морском дне, стало возможно получать показания, свободные от наведенных помех. Однако обслуживание оптической измерительной аппаратуры, стационарно установленной на дне, требует большого объема водолазного труда. Неудивительно поэтому, что именно гидрооптика была одной из первых научных дисциплин, включенных в программу «Черномор».

Во время первого года эксплуатации подводная лаборатория «Черномор» несла на себе приборы для измерения подводной освещенности и яркости, степени и плоскости поляризации естественного светового поля под водой, дальности горизонтальной видимости. Экипажи подводной лаборатории регистрировали также флуктуацию естественного светового поля под водой при различных условиях — при разной высоте солнца, изменениях ориентации фотометров относительно солнца, интенсивности поверхностного волнения.

Оценивая результаты измерений, ученые-гидрооптики пришли к выводу, что наиболее интересным и многообещающим направлением гидрооптических исследований на базе подводной лаборатории может стать изучение флуктуации естественного светового поля под водой. Начиная с 1969 г. и до 1974 г. гидрооптические исследования по программе «Черномор» были подчинены именно этой цели.

Стоит упомянуть, что проблема эта интересна не только в академическом плане. Флуктуации естественного светового поля, вызванные волнением на поверхности, затенением светоприемников облаками, могут создавать помехи для самых различных подводных систем, например систем подводной световой связи и локации.

Для гидрооптических исследований по программе «Черномор» характерно размещение приборов в толще воды на жестком основании — вертикально установленной на дне на глубине 20—30 м мачте, верхняя часть которой поднимается на несколько метров над поверхностью воды. Поплавок и растяжки обеспечивают мачте, изготовленной из тонкостенной нержавеющей трубы, устойчивое вертикальное положение. Основание мачты закреплено на валу поворотного устройства, уложенного на дне. Вращая рукоятку поворотного устройства, акванавт может ориентировать мачту — и установленные на ней приборы — в азимутальном направлении.

Рис. 24. Акванавт — член экипажа подводной лаборатории «Черномор» оборудует придонный гидрологический полигон (фото В. Антипова).

Примерно в центре мачты смонтирован узел крепления поворотной штанги. Акванавт может вращать штангу в вертикальной плоскости, изменяя ее положение от вертикального, вдоль мачты, до горизонтального, поперек нее.

На штанге в заданном программой исследований комплекте закреплены датчики. При работах по программам последних лет на поворотной штанге крепились прозрачномер и датчики подводной освещенности и яркости. На участке мачты, выступающем из воды, размещались датчики надводной яркости и освещенности, волнограф, анемометр. В непосредственной близости от мачты на дне устанавливался автономный измеритель скорости и направления течений.

Монтаж приборов на подводной части мачты и прокладка кабельных линий к лаборатории, техническое обслуживание приборов и ориентация их в пространстве при выполнении измерений — всем этим занимался экипаж лаборатории. Он же должен был регулярно очищать иллюминаторы светоприемников от обрастаний, появляющихся на них через несколько дней после погружения.

Показания всех приборов фиксировались самописцами на борту подводной лаборатории. Акванавт, контролирующий запись, и об служивающий мачту и приборы на ней член экипажа поддерживали между собой постоянную двухстороннюю телефонную связь.

За все время работы подводной лаборатории «Черномор» гидрооптики получили около 300 серий записей флуктуаций подводного светового поля, сделанных синхронно с записью состояния поверхности моря. Эти серии записей были обработаны на электронно-вычислительной машине «Минск-22» и проанализированы.

Полученные энергетические спектры флуктуаций подводной освещенности оказались близки к энергетическим спектрам волнения моря на поверхности, причем с увеличением глубины расположения приборов это подобие возрастает.

Анализ показал, что на низкочастотные флуктуации подводной освещенности накладываются высокочастотные колебания, амплитуды которых в несколько десятков раз меньше, чем амплитуда низкочастотной составляющей. Было выяснено также, что с увеличением глубины высокочастотная часть спектра флуктуаций «сглаживается», пропадает.

В настоящее время гидрооптики составляют атлас энергетических спектров флуктуаций светового поля под водой. Ученые предполагают, что им удастся решить и обратную задачу — по статистической характеристике светового поля под водой определять состояние моря на поверхности. Дело в том, что по сдвигам в спектрах флуктуаций освещенности под водой четко прослеживается усиление ветра на поверхности. Флуктуации подводной яркости, вызванные усилением ветра, выражены, как правило, еще более четко.

Одним из примеров «нестандартного» подхода к использованию возможностей подводных лабораторий могут служить опыты по регистрации космических частиц высокой энергии, проведенные экипажами программ «Гидролаб» и «ПРИНУЛ».

Обычно при изучении таких частиц в качестве фильтра, задерживающего частицы малых энергий, использовали толщу Земли. Фотокассеты для регистрации следов столкновения космических частиц высокой энергии с атомами в эмульсионном слое фотопластинки экспонировали в глубоких шахтах, однако разные слои Земли имеют различные фильтровальные характеристики и опыты получились не чистыми.

Физики, занимающиеся исследованием космического излучения, обратили внимание на то, что вода по своей природе представляет собой высокоэффективный однородный фильтр. Низкоэнергетическое излучение, которым пронизана атмосфера Земли, проникает в воду неглубоко, и, следовательно, начиная с некоторой глубины в воде присутствуют лишь частицы высокой энергии.

Однако прежде чем приступить к опытам по регистрации этих частиц под водой, надо было преодолеть одну трудность. В атмосфере космическое излучение вездесуще. Поэтому сразу же, как только на пластинку наносится фотоэмульсия, на нее начинает действовать фоновое излучение. По этой причине нельзя залить пластинку эмульсией на поверхности, а потом отправить ее с водолазами на дно, под воду,— фоновое излучение успеет повлиять на чистоту эксперимента.

В 1972 г. физики обратились к океанологам с просьбой дать им возможность провести серию опытов по фиксации следов космических частиц высокой энергии с использованием подводной лаборатории в качестве базы для изготовления регистрационных фотопластинок.

Для этого эксперимента, носящего в основном методический характер, была выбрана подводная лаборатория «Гидролаб». Расчет показал, что 15-метровый слой воды над лабораторией — достаточно надежный фильтр.

В феврале 1973 г., выключив в рабочем отсеке лаборатории все освещение, кроме красной лампы, акванавты приготовили к экспозиции 40 см5 высокочувствительной эмульсии. Приготовленную эмульсию нанесли на фотопластинки слоем 400 мк на площади 52 см2. Пластинки собрали в два блока, по двадцать штук в каждом, и уложили в водонепроницаемые кассеты. Затем акванавты вынесли кассеты в воду и установили одну кассету на верхней палубе лаборатории на глубине 11 м, а вторую — на дне, в стороне от лаборатории, на глубине 30 м.

В апреле акванавты достали первую кассету и проявили пластинки, а в мае была обработана вторая кассета. Проявленные пластинки отправили на расшифровку в Вашингтонский университет. В мае же акванавты подготовили и установили под водой еще один блок пластинок, но уже на глубине 45 м. В августе, после четырехмесячной экспозиции, и эти пластинки были обработаны и отправлены на расшифровку.

Сотрудники Вашингтонского университета, изучая фотопластинки под микроскопом, обнаружили несколько следов пролета и столкновений мюонов.

Успех проведенного эксперимента побудил к новой серии опытов, на этот раз на базе подводной лаборатории «Ла Чалупа» программы «ПРИНУЛ», установленной на большей глубине — 29 м. Однако из-за влажности и высокой температуры дыхательной смеси в отсеке фотоэмульсия не легла на пластрнки должным образом. Эксперимент не удался.

Тем не менее из-за этой частной неудачи новый метод фиксации частиц высокой энергии не утратил своей привлекательности для физиков. Специалисты надеются, что со временем на глубине 300—600 м можно будет установить приборы, которые смогут обнаруживать не только мюоны, но и неуловимые нейтрино и даже проблематичные волны гравитации. Эксперимент, считают они, может быть организован таким образом. Акванавты в подводной лаборатории на глубине 30—60 м готовят кассеты с блоками фотопластинок, а затем с помощью подводного аппарата кассеты доставляются на глубину, например 450 м. После экспозиции их на этой глубине в течение нескольких месяцев подводный аппарат забирает кассеты и возвращает в подводную лабораторию. Акванавты проявляют кассеты и готовят их к расшифровке.

Фиксаторы следов нейтрино’ и детекторы Вебера для индикации гравитационных волн могут устанавливаться на дно прямо с поверхности — они нечувствительны к фоновому излучению.

Опубликовано:
27.07.12

Категория - Подводные лаборатории