Что такое бездна 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.
Загадочная «жажда» Марианской впадины: самое глубокое место на Земле поглощает в никуда тонны воды
В то время, как на самой высокой точке планеты, Эвересте, побывали тысячи человек, на дно Марианской впадины спустились лишь трое. Это самое малоизученное место на Земле, вокруг него существует множество загадок. На прошлой неделе геологи выяснили, что за миллион лет через разлом на дне впадины в недра Земли проникло 79 млн т воды. Что произошло с ней после этого, неизвестно. «Хайтек» рассказывает о геологическом строении самой низкой точки планеты и о странных процессах, которые происходят на ее дне.
Читайте «Хайтек» в
Без солнечных лучей и под колоссальным давлением
Марианская впадина — не вертикальная бездна. Это желоб в форме полумесяца, растянувшийся на 2,5 тыс. км к востоку от Филиппин и к западу от Гуаме, США. Самая глубокая точка впадины, бездна Челленджера, находится на расстоянии 11 км от поверхности Тихого океана. Эвересту, окажись он на дне впадины, до уровня моря не хватило бы 2,1 км.
Марианский желоб (как еще принято называть впадину) — часть глобальной сети прогибов, пересекающих морское дно и образовавшихся в результате древних геологических событий. Они возникают при столкновении двух тектонических плит, когда один пласт погружается под другой и уходит в мантию Земли.
Подводную траншею обнаружил британский исследовательский корабль «Челленджер» во время первой глобальной океанографической экспедиции. В 1875 году ученые попытались измерить глубину диплотом — веревкой с привязанным к ней грузом и метровой разметкой. Веревки хватило только на 4 475 морских саженей (8 367 м). Спустя почти сто лет судно «Челленджер II» вернулось к Марианской впадине с эхолотом и установило нынешнее значение глубины — 10 994 м.
Дно Марианской впадины скрыто в вечной темноте — солнечные лучи не проникают на такую глубину. Температура всего на несколько градусов выше нуля — и близка к точке замерзания. Давление в бездне Челленджера составляет 108,6 МПа, что примерно в 1 072 раза больше нормального атмосферного давления на уровне Мирового океана. Это в пять раз больше давления, которое создается при ударе пули о пуленепробиваемый объект и примерно равно давлению внутри реактора для синтеза полиэтилена. Но люди нашли способ добраться до дна.
Человек на глубине
Первыми людьми, побывавшими в бездне Челленджера, стали американские военные Жак Пиккар и Дон Уолш. В 1960 году на батискафе «Триест» они за пять часов спустились на 10 918 м. На этой отметке исследователи провели 20 минут и почти ничего не увидели из-за облаков ила, поднятых аппаратом. Кроме рыбы из вида камбалообразных, на которую попал луч прожектора. Наличие жизни под таким высоким давлением стало главным открытием миссии.
До Пиккара и Уолша ученые считали, что в Марианском желобе не могут жить рыбы. Давление в нем настолько велико, что кальций может существовать только в жидком виде. Это значит, что кости позвоночных должны буквально растворяться. Нет костей, нет и рыб. Но природа показала ученым, что они ошибаются: живые организмы способны адаптироваться даже к таким невыносимым условиям.
Множество живых организмов в бездне Челленджера обнаружил батискаф Deepsea Challenger, на котором в 2012 году на дно Марианской впадины в одиночку спустился режиссер Джеймс Кэмерон. В образцах грунта, взятых аппаратом, ученые нашли 200 видов беспозвоночных, а на дне впадины — странных полупрозрачных креветок и крабов.
На глубине 8 тыс. м батискаф обнаружил самую глубоководную рыбу — нового представителя вида липаровых или морских слизней. Голова рыбы напоминает собачью, а ее тело очень тонкое и эластичное — во время движения она напоминает полупрозрачную салфетку, которую несет течением.
На несколько сотен метров ниже живут гигантские десятисантиметровые амебы, называемые ксенофиофоры. Эти организмы демонстрируют удивительную устойчивость к нескольким элементам и химическим веществам, таким как ртуть, уран и свинец, которые убили бы других животных или человека за несколько минут.
Ученые считают, что на глубине существует еще множество видов, ожидающих открытия. Кроме того, до сих пор не ясно, как такие микроорганизмы — экстремофилы — могут выживать в столь экстремальных условиях.
Ответ на этот вопрос приведет к прорыву в биомедицине и биотехнологиях и поможет понять, как зародилась жизнь на Земле. Например, исследователи из Университета Гавайев полагают, что грязевые термальные вулканы вблизи впадины могли обеспечить условия для выживания первых организмов на планете.
Что за разлом?
Впадина обязана своей глубиной разлому двух тектонический плит — тихоокеанский пласт уходит под филлипинский, образуя глубокий желоб. Регионы, в которых произошли такие геологические события, называют зоной субдукции.
Толщина каждой плиты составляет почти 100 км, а глубина разлома — по меньшей мере 700 км от самой нижней точки бездны Челленджера. «Это айсберг. Человек даже не был на вершине — 11 ничто по сравнению с 700, скрывающимися на глубине. Марианская траншея — это граница между пределами человеческих знаний и реальностью, которая недоступна человеку», — рассказывает геофизик Роберт Стерн из Техасского университета.
Ученые предполагают, что через зону субдукции в мантию Земли попадает вода в больших объемах — скалы на границах разломов действуют, как губки, поглощая воду, и транспортируют ее в недры планеты. В результате вещество оказывается на глубине от 20 до 100 км ниже морского дна.
Геологи из Университета Вашингтона выяснили, что за последний миллион лет через стык в недра земли попало более 79 млн т воды — это в 4,3 раза больше предыдущих оценок.
Главный вопрос — что происходит с водой в недрах. Считается, что водный цикл замыкают вулканы, возвращая воду в атмосферу в виде водяного пара во время извержений. Эта теория подтверждалась предыдущими измерениями объемов воды, проникающих в мантию. Вулканы выбрасывали в атмосферу примерно равный поглощенному объем.
Новое исследование опровергает эту теорию — подсчеты свидетельствуют о том, что Земля поглощает больше воды, чем возвращает. И это действительно странно — при условии, что уровень Мирового океана за последние несколько сотен лет не только не уменьшился, но и вырос на несколько сантиметров.
Возможное решение — отказ от теории равных пропускных возможностей всех зон субдукции на Земле. Вероятно, условия в Марианском желобе более экстремальные, чем в других частях планеты, а через разлом в бездне Челленджера в недра проникает больше воды.
«Зависит ли количество воды от особенностей строения зоны субдукции, например, от угла изгиба плит? Мы предполагаем, что аналогичные разломы существуют на Аляске и в Латинской Америке, но пока человеку не удалось обнаружить более глубокой структуры, чем Марианская впадина», — добавил ведущий автор исследования Даг Винес.
Вода, скрывающаяся в недрах Земли, — не единственная загадка Марианской впадины. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) называет регион парком развлечений для геологов.
Это единственное место на планете, где углекислый газ существует в жидкой форме. Он выбрасывается несколькими подводными вулканами, расположенными за пределами Окинавского прогиба вблизи Тайваня.
На глубине 414 м в Марианской впадине находится вулкан Дайкоку, который представляет собой озеро чистой серы в жидкой форме, которая постоянно кипит при температуре 187 °С. На 6 км ниже располагаются геотермальные источники, выбрасывающие воду при температуре 450 °С. Но эта вода не кипит — процессу мешает давление, оказываемое 6,5-километровым водным столбом.
Океаническое дно на сегодня изучено человеком меньше, чем Луна. Вероятно, ученым удастся обнаружить разломы глубже Марианской впадины или, по меньшей мере, исследовать ее строение и особенности.