Геофизическая обсерватория «Борок» Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН — огромное заснеженное пространство на севере Ярославской области, где нет шумных автотрасс и больших населенных пунктов. Это удивительное место, где изучают магнитные свойства нашей планеты и саму жизнь как волновое явление. Об истории и исследованиях обсерватории рассказывает ее директор — доктор физико-математических наук Сергей Васильевич Анисимов.
Сергей Васильевич, расскажите об истории возникновения вашей геофизической обсерватории. Почему было выбрано именно это место, удаленное от мегаполисов?
Геофизическая обсерватория «Борок» в настоящее время — это филиал Института физики земли Российской академии наук. Обсерватория представляет собой структурное подразделение, которое ведет прежде всего экспериментальные работы в области геофизики. Геофизика — вообще наука экспериментальная. Возникновение геофизической обсерватории «Борок» связано с Международным геофизическим годом. 9 декабря 1955 г. вышло распоряжение президиума Академии наук СССР, которым и была подчеркнута необходимость создания магнитной станции «Борок» на севере Ярославской области.
Почему именно это место в ничем не примечательном с точки зрения науки крае вдруг стало базисом для развития экспериментальной геофизики? Дело в том. что одно из важных направлений Международного геофизического года — организация сети геомагнитных наблюдений. И в нынешнее-то время при достаточно чувствительном оборудовании сложно найти место, подходящее для проведения геомагнитных наблюдений. А в те годы это было совсем непросто, потому что уровень электромагнитных помех был высок в районе крупных городов, а уровень чувствительности аппаратуры для записи полезных сигналов был сравнительно низок. Подмосковье было подробно исследовано на предмет возможности проведения геомагнитных наблюдений: уровень помех, например от электричек, очень существенно влиял на их результаты, в том числе на регистрацию теллурических токов, которые представляют собой следствие динамики геомагнитного поля.
С выбором именно этой местности связаны имена наших основателей. В первую очередь, это В.А. Троицкая, известный в мире геофизик, которая избиралась президентом МАГА (Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии) и была секретарем Международного геофизического комитета АН СССР. В то время И.Д. Папанин уже работал в Борке над созданием биологической станции, которая впоследствии превратилась в Институт биологии внутренних вод РАН. Видимо, обсуждая на совещаниях, а возможно и в коридорах, реализацию программы МГГ, Иван Дмитриевич предложил провести пробную запись в районе уже тогда существующей Биологической станции «Борок» в Ярославской области.
Валерия Алексеевна откликнулась на это предложение. Вскоре из Москвы, из Института физики Земли, с Большой Грузинской, состоялась первая экспедиция в эти края. До железнодорожной станции Шестихино ходил пассажирский поезд. А дальше с оборудованием нужно было как-то добираться до Борка, а это около 20 км. Проселочная дорога была, по сути, непроезжей. Добирались на водометном катере по реке Сутке. Организовали полевой геофизический пункт наблюдений и включили первые пробные записи теллурических токов. Для этого два электрода закапывались в землю на глубину примерно 1 м и между ними измерялась разность потенциалов с помощью чувствительных гальванометров. Так было проведено тестирование, и место оказалось вполне благоприятным. Ближайший промышленный центр — город Рыбинск — располагался в 40 км по прямой от Борка. Железнодорожный транспорт не электрифицирован и помех практически не создавал. Именно это послужило отправной точкой для решения о строительстве здесь первой в стране магнитной станции для проведения геомагнитных наблюдений в средних широтах европейской части России.
А что эти наблюдения дают? Для чего они нужны?
Магнитное поле Земли — одно из важнейших геофизических полей, определяющих жизнь на нашей планете. Земля находится под воздействием энергичных частиц, источники которых расположены на Солнце, а также в ближнем и дальнем космосе. Кроме того, важна активность Солнца. Если бы магнитосферы — этого магнитного щита, панциря Земли — не было, тогда солнечный ветер обдувал бы непосредственно поверхность Земли и жизнь на ней была бы невозможна. Магнитологи чем-то похожи на селекционеров, которые изначально собирают все семена, которые есть на планете, строго их архивируют и не позволяют себе даже в моменты тяжких испытаний, таких, как голод в Ленинграде во время Великой Отечественной войны, попробовать хотя бы одно зернышко.
Современная магнитология — это квантование и архивирование состояния геомагнитного поля на определенные дискретные временные интервалы. Геофизическая обсерватория «Борок» одной из первых в России вошла в сеть «Интермагнет», мы работаем в Международной сети магнитных станций строго по международному протоколу: регистрируем, например, с частотой 1 с величину напряженности магнитного поля в средних широтах европейской части России, записываем в базу данных и строго сохраняем. Нами движет четкая необходимость регистрации и наблюдения магнитного поля Земли, что обусловлено задачами мониторинга состояния окружающей среды. Магнитное поле — это компонент земного окружения, и наша работа востребована для контроля нормальных приемлемых геофизических условий земного бытия.
Много говорят и пишут о конце света, связанном, в том числе с инверсией магнитного поля. Нет ли угрозы такого явления?
Инверсия — процесс геологического масштаба времени, в котором жизнь человеческая — маленькая песчинка. Временные интервалы спокойного геомагнитного поля исчисляются десятками миллионов лет. Поэтому даже если такое явление и возможно, то оно не будет мгновенным с нашей точки зрения. Мы это увидим в регистрации полей, и это будут какие-то очень медленные процессы, которые будут говорить нам о постепенном изменении геомагнитного поля.
Но ведь магнитное поле — это не что- то постоянное, это меняющаяся величина. И, насколько я знаю, скажем, во времена Римской империи оно было значительно выше, чем сейчас. Изменения магнитного поля как-то влияют на судьбы человечества, ход истории?
Изменение магнитного поля — лишь верхушка айсберга. В основе его, согласно современному представлению о генерации геомагнитного поля с точки зрения теории турбулентного динамо, лежат процессы, происходящие внутри Земли, в жидком ядре, которое расположено между внутренним твердым ядром и литосферой. Мы видим сейчас, и это наблюдательный факт, что, например, Северный полюс смещается. Тем не менее, мы не зарегистрировали каких-либо экстремально катастрофических явлений, которые сопровождали бы это движение. Что же касается вашего вопроса о влиянии таких смещений на исторические события — здесь у нас мало достоверных наблюдательных данных. Пожалуй, косвенными доказательствами могут быть временные совпадения инверсий геомагнитного поля с некоторыми серьезными изменениями биосферы, исчезновениями и появлениями новых биологических видов на планете. Хотя в подобных оценках я стараюсь быть осторожным.
В последние годы много говорят о магнитных бурях. Об этом даже стали предупреждать метеорологи: надвигается очередная мощная магнитная буря, и людям метеозависимым необходимо пить таблетки и всячески беречься. Что вы можете сказать по этому поводу?
Так уж сложилась, что моя научная судьба напрямую связана с атмосферным электричеством, которое некоторыми рассматривается как некое метеорологическое явление. Я на него смотрю совсем иначе. Это очень интересный природный объект. Для чего вдруг природе понадобилось электрическое поле атмосферы? Тут возможен широкий спектр ответов: например, для того чтобы обеспечить баланс воды в природе между атмосферой и океаном. А магнитная буря, прежде всего, связана с активностью Солнца. Более конкретно — это активность тех областей, которые принято называть солнечными пятнами, и активность эта заключается в том, что с поверхности пятна происходит выброс солнечной плазмы, протонов, которые движутся с очень высокой скоростью. При условии если солнечный ветер повышенной плотности и скорости взаимодействует с магнитосферой Земли, возникает так называемая магнитная буря. Это связано с тем, что магнитное поле Земли начинает выполнять свою защитную функцию от этого повышенного фона, в первую очередь радиоактивного излучения, физически обусловленного именно солнечным ветром. При этом защитные свойства этого «экрана» падают иногда значительно — в два раза. Действительно, здесь следует ожидать влияния на биосферу, на все земное окружение.
Но давайте посмотрим на всю историю такого влияния именно сточки зрения геологического масштаба времени. Когда Солнце как звезда начало продуцировать солнечный ветер и изменение его потоков, связанное с активностью различных областей солнечного ветра, на нашем светиле образовались зоны солнечных пятен. Как только солнечные пятна начали попадать в зону, позволяющую воздействовать через солнечный ветер на магнитосферу Земли, на нашей планете появились магнитные бури. Представьте себе, в геологическом масштабе времени у нас всегда были так называемые рекуррентные магнитные бури. Все живое на Земле начиная с момента зарождения жизни в океане и до выхода ее на берег находилось под циклическим воздействием магнитных бурь.
Можно ли предположить, что это было необходимым условием формирования и развития жизни?
По крайней мере, следует точно сказать, что жизнь на Земле развивалась и эволюционировала в условиях магнитных бурь, которые связаны с активностью солнечных пятен на Солнце. Они всегда были, они могли смещаться на самом Солнце, но они были.
Я думаю, что нормальный здоровый организм, какой бы он ни был, простейший или сложнейший, такой как человек, эволюционировал, развивался именно при наличии воздействия рекуррентных, регулярно повторяющихся магнитных бурь. Поэтому считаю, что магнитные бури — это совершенно естественное для нас явление, которого не надо бояться. Магнитные бури были, есть и будут.
Интересно, что в последние два с половиной года солнечная активность значительно упала. Если оценивать по девятибалльной шкале геомагнитной активности, которая выступает следствием солнечной активности, получается, что мы находимся на уровне ниже среднего. Бури бывают очень редко, да и то довольно слабые.
В последнее время на человечество сыплется масса серьезных испытаний. Так, может быть, это как раз следствие снижения магнитной активности и отсутствия магнитных бурь?
Тут нельзя дать однозначный ответ, а заниматься спекуляциями я не хочу. Одно можно сказать наверняка: для здорового, нормально развивающегося организма необходим такой компонент внешней среды. как магнитная буря. Они должны происходить регулярно в течение примерно 27-дневного цикла, что обусловлено проявлением периодичности солнечной активности. Если этого нет, организм начинает давать сбой, не понимая, что происходит. Это очень сложная медико-биологическая, биофизическая проблема, изучение которой может дать ответ на ваш вопрос.
Сейчас возникло новое направление — магнитная биология, изучающая на глубоком физико-биологическом уровне влияние магнитного поля на живые системы. Сотрудники обсерватории участвуют в исследованиях по магнитобиологической тематике совместно с учеными Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, используя оригинальные установки для компенсации геомагнитного поля и создания искусственного магнитного воздействия на биологические объекты.
Но ведь вы не станете отрицать, что есть метеозависимые люди?
Наверное, они есть, и я в свое время относил метеозависимость к изменению атмосферного давления. Это в каком-то смысле сообщающиеся сосуды — внешнее давление влияет на внутреннее. Метеозависимость — явление, когда у человека теряется здоровая адаптация к изменению метеорологических условий. Возможно, здесь кроется неопределенный пока до конца параметр метеозависимости: нет какого-то строгого набора количественных характеристик, что именно и каким образом у человека изменилось — давление, пульс или частота сердечных сокращений. Здесь пока не существует количественных оценок. А я всегда настаивал и настаиваю на том, что такие цифры и есть наука. Если мы говорим о каком-то явлении, давайте охарактеризуем его количественно. Если мы этого сделать не можем, значит у нас пока нет никаких научных фактов, подтверждающих достоверность того или иного явления.
Сергей Васильевич, вы часто употребляете термин «турбулентность», говорите об этом как о важном физическом явлении. Что она собой представляет с вашей точки зрения, какие перспективы открывает для науки ее изучение?
Я иногда говорю, что физика будущего в значительной части будет наукой о турбулентности и хаосе. Что такое турбулентность? Что представляет собой хаос — строительный материал порядка? Всякое движение реальной геофизической среды — например, течения в океане, которые образуют гигантский конвейер, определяющий климат на планете, или течение Волги, русло которой находится в 2 км от нашей обсерватории, — это все течения турбулентные. Исследования турбулентности геофизической среды активно развиваются во всем мире. Создаются научные центры, особенно в передовых университетах США, где занимаются турбулентностью, в том числе математическим и лабораторным моделированием турбулентных процессов различных пространственно-временных масштабов.
Уникальность исследований, проводимых в геофизической обсерватории «Борок», заключается в том, что мы занимаемся турбулентной электродинамикой, изучая электрическое состояние атмосферного пограничного слоя. Атмосферный пограничный слой в районе среднеширотной геофизической обсерватории «Борок» имеет высоту от нескольких сотен метров до одного километра. Верхнюю границу этого слоя можно представить как некую крышку над котлом, регулирующую перенос тепловой энергии от земной поверхности в свободную атмосферу. Это область, которая очень важна для формирования погоды и составления ее прогноза. Последние работы говорят о том, что влияние подстилающей поверхности, неоднородность этой поверхности, следовательно, и турбулентность, которая будет порождаться этими неоднородностями, влияют на формирование погодных условий. При этом не только природная среда, но и среда городская неоднородна, рождает турбулентность на границе горизонтального ламинарного потока. В любом городе, где мы живем, нас окружают турбулентные вихри, определяющие перенос тепла и пассивных примесей.
Атмосферный пограничный слой — важное звено не только с метеорологической точки зрения, но и с электродинамической. В глобальной электрической цепи — замкнутом распределенном токовом контуре, образованном нижними слоями ионосферы, верхними слоями океана и земной коры, — это участок с самым большим электрическим сопротивлением, который определяет величину тока из ионосферы на земную поверхность или водную гладь, в океаны. Основные природные ионизаторы атмосферы над континентами — альфа-, бета- и гамма-излучение содержащихся в грунте радиоактивных элементов, поступающие из земной коры в атмосферу изотопы радона и продукты их радиоактивных распадов, а также космические лучи.
И вот что интересно. Если мы говорим об ионизации, то речь идет о размерах атомного уровня. Если мы говорим о глобальной электрической цепи, то речь идет о земном радиусе, а это уже 6,37 тыс. км как минимум. А если мы будем рассматривать галактические космические лучи как источник ионизации, то мы должны учитывать космические масштабы. Мы изучаем весь этот скэйлинг геофизических процессов — от атомарных до галактических масштабов.
Что еще уникального в вашей геофизической обсерватории?
Ответ на этот короткий вопрос может быть слишком длинным: все, что мы здесь делаем, обладает элементами уникальности. Например, для изучения электричества атмосферного пограничного слоя нами создана не имеющая аналогов установка. Это аппаратная аэростатная платформа, содержащая блок электростатических флюксметров для измерения напряженности электрического поля, датчики электрической проводимости атмосферы, метеорологические датчики, а также радонометр и прибор для измерения концентрации аэрозолей. Имеются системы передачи и предварительной обработки данных. Привязной аэростат, на который крепится аппаратная платформа, поднимается до высоты 500 м. Вес платформы — около 25 кг, что для аэростатных наблюдений представляется значительной величиной. В течение суток установка может непрерывно работать, будучи фиксированной на определенной высоте. Мы можем управлять аэростатом, поднимать его, опускать, осуществлять измерения на разных высотах и снимать высотные профили, изучать электричество атмосферы и турбулентность. Это совершенно уникальное оборудование. Исследования проводятся при финансовой поддержке Российского научного фонда. Результаты наблюдений опубликованы в ведущих зарубежных и отечественных журналах, статьи находятся в открытом доступе.
Читала о том, что странные завихрения на картинах Ван Гога — это не что иное, как изображение турбулентных вихревых потоков. Якобы это может помочь физикам изучать турбулетность. Это правда или чьи-то выдумки?
Я слышал об этом. С большим интересом отношусь к творчеству Винсента Ван Гога. Знаю его биографию, этапы жизни. Был в Музее Ван Гога в Амстердаме, перелистываю и перечитываю книги о нем. Люди подобного масштаба находятся в гармонии с природой. Он не просто видел по-своему мир — он еще и чувствовал его движение, изменения этого мира не в привычных для нас масштабах типа «день — ночь» или «лето — зима», а в других, неподвластных обычному взгляду. Я говорил о секундном разрешении многих наших измерений. А здесь у человека проявляются подобные способности. Гармония — это означает, что не только сам человек чувствует природу, но и природа начинает что-то ему отдавать, открывать для него. Поэтому зачастую я оцениваю ученых именно по тому, что же им нового открыла природа, какую она дала им возможность. Ведь наша основная цель — новые знания о природе.
Вы имеете в виду интуицию в науке?
Можно и так сказать. Но интуиция — только первый момент, необходимое условие, направление. А будет ли еще хватать природного ума, образования, знаний для того, чтобы понять, осознать этот объект? И позволит ли сама природа взять эти знания о себе? Может быть, мы еще должны дорасти до каких-то знаний о природе? Думаю, нам всем еще многое предстоит на этом пути.
■
Беседовала Наталия Лескова
