Космонавтика

Гравитация небесных тел и нейтронные потоки

...До дня "пик" стояла ясная погода. Но в час полного солнечного затмения, 22 июля 1990 г., когда все было готово для полета аэростата, Арктика решила напомнить о себе. С океана потянулись тучи, ветер резко усилился и стал порывистый. Сопка с интригующим названием "Лялькин пуп", отделяющая Международную геофизическую станцию "Тикси", находящуюся на севере Якутии, у впадения реки Лены в Северный Ледовитый океан, курилась. Однако мы не унывали.

Уже несколько месяцев группа сотрудников нашего института готовилась получить экспериментальное подтверждение существования нейтронной короны Солнца. И теоретические исследования физических процессов, и данные наблюдательной астрономии указывали: в атмосфере светила практически непрерывно, даже когда оно, по представлениям специалистов, спокойно, протекают ядерные реакции * . Из этого следовало: Солнце окружено короной из нейтронов со средней энергией в сотни тысяч электрон-вольт. Однако обнаружить ее в околоземном космическом пространстве, на орбите Земли казалось утопией.

Есть ли у солнца нейтронная корона?

Нейтроны - частицы нестабильные. За небольшое время жизни (около 15 мин), отпущенное каждой из них природой, она не долетит до нашей планеты. Точнее, их поток будет столь мал, что обнаружить его можно лишь аппаратурой, обладающей большой светосилой. И такую аппаратуру на основе хорошо зарекомендовавших себя в космических экспериментах газовых гелиевых счетчиков, разработали в отделе космофизических исследований НИИЯФа МГУ, руководимом доктором физико-математических наук М. И. Панасюком.

Летом 1990 г. сотрудники отдела О. И. Нечаев, В. И. Шильцын, автор этой статьи и присоединившийся к нам школьник- доброволец Игорь Кужевский отправились в Тикси, чтобы в день полного солнечного затмения поднять приборы на аэростате.

Почему был выбран именно этот день и такой метод? Дело в том, что регистрировать нейтроны из космоса на поверхности Земли можно, если они обладают энергией в сотни миллионов электрон-вольт и больше. В противном случае эти частицы не пробиваются сквозь атмосферу нашей планеты. Из-за столкновений с ядрами атомов кислорода и азота они быстро слабеют и становятся тепловыми, после чего проживают еще около 0,1 с и поглощаются ядрами азота. Короче, в атмосфере нейтроны в лучшем случае достигают высоты 25-30 км над поверхностью моря. Такой "потолок" под силу аэростату.
 

Момент же полного солнечного затмения мы выбрали из соображений эффекта "день-ночь". В самом деле, если проводить измерения до покрытия Луной солнечного диска, потом в период полного затмения и затем после него, то следует ожидать эффекта, аналогичного оптическому: через некоторое время (порядка 30 мин) после момента покрытия Луной светила скорость счета нейтронов (их число, зарегистрированное в секунду) должно уменьшиться, а потом снова восстановиться.

Итак, все было учтено, правильно выбрано время и место наблюдения (район бухты Тикси попадал в полосу полного солнечного затмения). Однако не зря говорят, что человек только предполагает...

Невзирая на испортившуюся погоду, сильный ветер, работы по запуску аэростата мы не отложили. Огромная гондола постепенно наполнялась водородом. Сильные порывы ветра рвали ее в разные стороны. Кое-кто из наших уже отправился за аппаратурой, чтобы принести ее и укрепить на платформе. И тут раздался хлопок - гондола медленно стала опускаться на землю. Видимо, оболочка все-таки зацепилась за неровности грунта и лопнула. Словом, есть у Солнца нейтронная корона или нет, предстояло узнать позже.

Гравитация, приливы и нейтронные всплески

В то время, как мы пытались поднять аппаратуру в воздух, на Памире, на высоте 4200 м над уровнем моря сотрудник нашего отдела кандидат физико-математических наук Н. Н. Володичев регистрировал нейтроны на уровне почвы. Единственно новым там было намерение включить в интервал наблюдения период солнечного затмения. И когда это получилось, приборы вдруг зафиксировали всплеск потока нейтронов. Неожиданностью стала и длительность эффекта - все вернулось к норме лишь через несколько часов. Ну, а поскольку астрономический момент наступления солнечного затмения произошел значительно раньше включения прибора на Памире, то длительность и амплитуда всплеска были, по- видимому, значительно больше того, что удалось наблюдать. Специалисты поняли: огромный поток зарегистрированных нейтронов не мог быть пришельцем из Вселенной. Мало того, в проводимом эксперименте с помощью пластин из кадмия удалось определить: он шел от поверхности Земли. И тогда вырисовалась следующая картина.

Приливная волна в земной коре, обусловленная гравитационным взаимодействием небесных тел и усилившаяся во время полного солнечного затмения, вызвала увеличение потока естественных радиоактивных газов (изотопов радона). При их распаде возникают альфа-частицы с энергией от 5 до 9 млн. эВ. Такой энергии достаточно, чтобы эти частицы, взаимодействуя с ядрами элементов, составляющих почву и воздух, выбивали из них нейтроны.

Как нередко бывает, решение проблемы вызывает больше вопросов, чем дает ответов. В данном случае, если природа открытого явления определена, значит, подобные нарастания потока нейтронов (буквально всплески) не случайны. Странно лишь, что об этом явлении ученые до сих пор не подозревали.

В самом деле, ведь приливная гравитационная волна существует постоянно. Она обходит нашу планету и дважды в сутки вызывает океанские приливы. Конечно, ее амплитуда в земной коре не идет ни в какое сравнение с величиной в океане, которая, в зависимости от характера береговой зоны, может иногда достигать десятков метров. По лазерным измерениям из космоса амплитуда гравитационной приливной волны в земной коре имеет различные значения для разных континентов, и в среднем она составляет 0,5 м. А в моменты полнолуний и новолуний, как и при солнечных и лунных затмениях, эта амплитуда лишь усиливается. Однако если проводить измерение так, чтобы интервал наблюдений совпадал с моментами новолуний и полнолуний, то эффект - резкое увеличение потока нейтронов - должен регистрироваться часто, хотя и не всегда.

Почему не всегда? Дело в том, что величину нейтронного всплеска определяет не только астрономический момент наступления новолуния или полнолуния. Вероятно, большую роль играют геофизические факторы - концентрация естественных радиоактивных газов, конкретные условия их выхода наружу (это связано с упругими и вязкими свойствами земной коры в данной местности), состояние почвы и атмосферы, скажем, с насыщенностью их влагой. Обратите внимание: район Памира, где Н. Н. Володичев проводил изыскания, является сейсмическим и богат радоновыми источниками. Да и проведенные затем специальные экспедиции сюда подтвердили правильность физической картины возникновения всплесков нейтронов от земной коры и установили корреляцию этих явлений с лунными фазами.

Кстати, аппаратура, которую так и не удалось использовать в Тикси, успешно поработала в другом месте. В октябре того же года ее запустили на аэростате с Кольского полуострова. В проведенном там эксперименте, как и в двух последующих - вблизи г. Долгопрудный (Московская область) в июле 1991 г. и в г. Рыльск (Курская область) в феврале 1992 г. - удалось получить подтверждение: земная кора - постоянный и важный источник нейтронов. Конструкция указанной аппаратуры послужила прообразом большой стационарной установки, с сентября 1992 г. и до настоящего времени функционирующей на Воробьевых горах в Москве и используемой для изучения природы различных вариаций в нейтронном потоке вблизи поверхности Земли. В частности, эти исследования показали: всплески нейтронов происходят не только в сейсмически активных районах нашей планеты.

Итак, поток нейтронов, идущий от планеты, - свидетельство деформации ее коры при прохождении гравитационных приливов. Но ведь в ней возникают изменения и по другим причинам. Сюда можно отнести как естественные природные явления - землетрясения, активизацию вулканической деятельности, оползни, сели, так и события техногенного характера - строительство водохранилищ, плотин, тоннелей, нефте- и газопроводов и т. д.

Естественно возникает вопрос: есть ли возможность в нейтронном потоке, "поднимающемся" от земной коры, научиться выделять для каждой причины деформации характерную именно для нее вариацию? Думается, есть. И дополнительные доказательства тому сегодня имеются. Более того, этот метод по точности результата не уступает другим, используемым в гравиметрии. В то же время он выгодно отличается от них простотой и информативностью.

Однако многочисленные попытки ученых разных стран и в разное время прояснить, связаны ли какие-то крупные природные катаклизмы, например, землетрясения, с деформациями, вызываемыми приливной волной, не увенчались успехом, ибо в некоторых районах планеты такие явления происходили как раз во время фаз полнолуния или новолуния, а в других регионах - нет.

Фазы луны и повторяемость землетрясений

Чтобы доказать или опровергнуть эту взаимозависимость, сотрудник нашего отдела кандидат физико-математических наук А. Н. Подорольский провел статистическую обработку глобального каталога землетрясений с магнитудой > 4,0 и > 5,0 за период с 1964 по 1992 г. Анализировал он крупные и некрупные серии землетрясений, причем каждую из них рассматривал отдельно. В результате выяснилось: в данный период крупные серии (с количеством толчков в день > 30) и магнитудой > 4,0, чьи эпицентры расположены на широтах > 40 о с. ш. или > 10 о ю. ш. начинаются, как правило, не более чем за 3 дня от времени фаз новолуния или полнолуния. Для землетрясений с магнитудой > 5,0 вывод оказался аналогичным, хотя число толчков в серии могло быть и меньше 30.

Таким образом, можно утверждать: с гравитационной приливной волной, с одной стороны, коррелируют нейтронные всплески, распространяющиеся от земной коры, а с другой - серии землетрясений с различным числом толчков в зависимости от величины магнитуды. И если бы регистрацию нейтронов проводили там же, где впоследствии произошли землетрясения, то, возможно, удалось бы зафиксировать особенности временного или амплитудного распределения нейтронного всплеска. А это, в свою очередь, сыграло бы существенную роль в создании метода предсказания подземных толчков.

Впрочем, одна "зацепка" все-таки просматривается при сравнении результатов корреляционного анализа фаз Луны как с нейтронными всплесками, так и с сериями сейсмических явлений: если первые наблюдаются в тот же день, что и новолуния и полнолуния, иногда даже совпадая с ними, то вторые могут отстоять от них на период до трех суток. Выходит, нейтронные всплески предшествуют землетрясениям на промежуток времени как минимум в несколько часов. А этого вполне достаточно, чтобы сделать краткосрочный прогноз.

Провести эксперимент по одновременной регистрации потока нейтронов, идущего от поверхности планеты и толчков внутри нее, удалось в сейсмически активном районе - на Тянь-Шане, вблизи Алматы. В работе участвовали казахские (Университет им. Аль-Фараби, Институт сейсмологии) и российские (НИИЯФ МГУ) исследователи. Здесь, на "Медео", на глубине 40 м находится сейсмическая станция Республики Казахстан. На ее площадке разместили аппаратуру для регистрации нейтронов. В качестве детектора на этот раз использовали сцинтилляционный счетчик на основе литиевого стекла (их широко применяют для геофизического изучения минерального состава земной коры). В отличие от соответствующих устройств, установленных нами для изысканий в Москве и на Памире, детектор на "Медео" обладал малой эффективностью регистрации нейтронов. Поэтому статистически надежными были только часовые значения скорости их счета.

Непрерывные наблюдения с марта 1996 г. по май 1998 г. показали: в среднем отмечалось 12,5 импульса нейтронов в час. Вместе с тем были моменты, когда этот показатель повышался в 2 - 3,5 раза (такие потоки мы назвали аномальными всплесками).

За тот же период сейсмическая аппаратура зафиксировала землетрясения различного класса ** , эпицентры которых находились на расстояниях от 120 до 900 км от станции "Медео". Когда попытались установить связь между величиной аномального всплеска нейтронов и классом землетрясения, то выяснилась удивительная картина. Во- первых, 72,5% случаев аномальных всплесков наблюдались за 24 ч до землетрясений, класс которых был 9 и выше. Во- вторых, между землетрясениями класса 11 и выше и величиной аномального всплеска существует нелинейная возрастающая функциональная связь. В-третьих, минимальный интервал времени между наблюдением аномального нейтронного всплеска и моментом землетрясения составил 1 ч.

Итак, сейчас уже ясно: нейтронные потоки от земной коры - хороший и, возможно, уникальный инструмент для исследования динамических процессов, происходящих в ней. Он может оказаться полезным при изучении не только фундаментальных вопросов геофизики, но и космофизики.

Космогония и нейтронные потоки от небесных тел

Учеными доказано: при гравитационном взаимодействии небесных тел приливные волны возникают везде - на каждом участнике этого процесса. Следовательно, данное явление присуще и Луне. Однако период ее обращения вокруг своей оси и вокруг Земли совпадает. Именно в силу этого приливная гравитационная волна на Луне будет фактически стоячей. Но поскольку орбита нашей соседки эллиптическая, то амплитуда волны будет "дышать" с периодом, равным времени ее движения от апогея до перигея. Такой процесс приводит к деформации лунной коры. И она должна сопровождаться нейтронными потоками, если, конечно, в ней тоже имеются радиоактивные элементы.

Но ведь современная космогоническая теория исходит из того, что первичный материал при образовании всей нашей планетной системы был единым. Выходит, на Луне должны быть радиоактивные элементы с большим периодом полураспада, например, уран и торий. А они - родоначальники семейств радиоактивных изотопов, поставщиков энергичных альфа-частиц. Ну а если дело обстоит так, то дальнейшие события развиваются по схеме, рассмотренной выше применительно к Земле. Кстати, наблюдения за естественным спутником нашей планеты привели к открытию лунотрясений. При этом выявлена их двухнедельная периодичность, что можно объяснить проявлением действия приливной волны, создаваемой Землей. Впрочем, убедиться в правоте всего сказанного можно будет когда-нибудь после регистрации нейтронных всплесков от лунной поверхности, "пойманных" с помощью искусственного спутника ночного светила...

Кроме Земли и Луны, кандидатами в источники нейтронных всплесков являются Меркурий и спутник Юпитера Ио.

Меркурий - ближайшая к Солнцу планета, поэтому его поверхность сильнее, чем другие небесные тела, испытывает воздействие солнечной массы. Правда, и тут, как и в ситуации с Луной, изменения в деформации поверхности Меркурия будут определяться не суточным вращением, а величиной эксцентриситета*** его орбиты. На Ио же наблюдается действие мощного вулкана, что должно приводить к сильным напряжениям в коре спутника Юпитера и к возникновению нейтронных всплесков от ее поверхности.

Поскольку состав небесных тел может различаться, то и механизм генерации нейтронов, очевидно, будет неодинаков. Наблюдение за их потоками с развитием космических методов исследования окажется одним из эффективных способов в экспериментальной космогонии.

Нейтронные потоки и проблемы экологии

Так как вариации нейтронных потоков от поверхности Земли связаны с динамическими процессами в ее коре, то наблюдения за ними необходимы и полезны при разработке фундаментальных и прикладных задач, например, при прогнозировании естественных и возможных техногенных катаклизмов. Ведь создание искусственных водохранилищ, туннелей, нефте- и газопроводов, открытая разработка полезных ископаемых, производственное освоение Арктики - все это существенно меняет статистические и динамические нагрузки в верхнем слое коры нашей планеты и как следствие, условия накопления и выхода естественных радиоактивных газов, что, в свою очередь, влияет на динамику нейтронных потоков от поверхности Земли. Вот почему использование вариаций этих потоков является необходимым для экологического прогноза результатов многих будущих проектов.

* См.: Л. И. Мирошниченко. Солнечные космические лучи: загадки и открытия. - Наука в России, 1995, N 4.

** Класс землетрясения - это значение десятичного логарифма от величины энергии (в джоулях), выделившейся в эпицентре (прим. авт.).

*** Эксцентриситет - отношение между фокусным расстоянием и большой полуосью эллипса, характеризующее сплюснутость орбиты.


Кужевский Б. М.

Смотрите видео о дренажных системах.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD