Лаборатория в водах Байкала
Николай Михайлович Буднев, доктор физико-математических наук директор Научно-исследовательского института прикладной физики Иркутского государственного университета. Область научных интересов: физика высоких энергий, физика космических лучей, нейтринная астрофизика, науки о Земле.
Н.М.Буднев
За миллионы лет в оз.Байкал сформировалось уникальное биологическое сообщество, две трети которого составляют эндемики, обитающие только здесь виды рыб, моллюсков, водорослей и т.д. В конце XX в. здесь появился еще один обитатель — первый в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ200 [1].
Наш резидент на озере
Идея создания гигантских детекторов в прозрачных природных средах для поиска нейтрино высоких энергий от астрофизических источников принадлежит академику М.А.Маркову [2], в 2010 г. ей исполнилось 50 лет. Суть предложения в следующем. Наблюдение нейтринного сигнала может стать важным источником информации о многих процессах во Вселенной, однако электрически нейтральное нейтрино невозможно зарегистрировать никакими современными методами, можно лишь наблюдать, например, че-ренковское излучение релятивистских заряженных частиц, рождающихся при взаимодействии нейтрино со средой. Поскольку ожидаемые потоки нейтрино высоких энергий невелики, а вероятность их взаимодействия с веществом очень мала, для регистрации астрофизических нейтрино высоких энергий нужны установки с характер© Буднев Н.М., 2011
ным размером порядка кубического километра и больше. Такой детектор можно получить, если создать в прозрачной среде (в воде, во льду) пространственную решетку высокочувствительных приемников света, которые будут регистрировать вспышки, возникающие при взаимодействии нейтрино со средой.
Действующие в настоящее время Байкальские нейтринные телескопы НТ200 и НТ200+ (рис.1) расположены в 3.5 км от берега в районе 106-го километра Круго-Байкальской железной дороги на Южном Байкале, глубина в этом месте около 1370 м. В целом, установки представляют собой сеть притопленных буйковых станций (БС), верхние плавучести которых находятся на глубине около 20 м. На них размещаются: оптические модули (ОМ), регистрирующие черенковское излучение релятивистских заряженных частиц, электронные модули,
предназначенные для обработки поступающих от ОМ сигналов и связи с береговым центром, а также различные гидроакустические, гидрооптические, гидрологические и другие приборы. В 2011 г. на Байкале было развернуто три гирлянды будущего глубоководного нейтринного телескопа НТ1000 с эффективным объемом порядка 1 км3. Установка будет состоять из 12 кластеров, подобных НТ200+, по восемь гирлянд в каждом, на каждой гирлянде будет по 192 оптических модуля — всего 2304.
Природная вода — неотъемлемая часть Байкальских нейтринных телескопов, ее свойства (прозрачность, световой фон, температура и т.д.) и происходящие в озере процессы (течения, седиментация и др.) существенно влияют на работу установок. Поэтому важную часть Байкальского нейтринного проекта составляют исследования самого озера — «среды обитания» че-
Рис.1. Байкальский глубоководный нейтринный телескоп. 1 —нейтринный телескоп НТ200, 2 — внешние гирлянды нейтринного телескопа НТ200+, 3 — калибровочные лазеры.
ренковских детекторов. Развитие новых методик непрерывных измерений на стационарных буйковых станциях, создание высокоточных приборов позволило получить множество уникальных данных о гидрофизических и биогеохимических процессах в озере. Можно сказать, что в рамках нейтринного проекта у него появилась новая роль — роль инструмента астрофизических исследований. Одновременно открылись новые возможности для изучения самого озера.
Вообще-то Байкал — одно из самых изученных озер мира, первые научные исследования которого были начаты в середине XIX в. польскими ссыльными
Б.Дыбовским и В.Годлевским; огромный вклад в его изучение внесли Г.Ю.Верещагин, М.М.Ко-жов, Г.И.Галазий, М.А.Грачев и многие другие ученые. Однако до сих пор многие принципиальные стороны функционирования байкальской экосистемы остаются неясными. Сложности связаны, в частности, с тем, что наряду с относительно слабыми общими трендами в изменении показателей, которые качественно и количественно характеризуют биотические и абиотические компоненты озерной экосистемы, наблюдаются весьма сильная межгодовая и межсезонная изменчивость различных процессов, а также большая пространственная неоднород-
ность большинства гидрофизических, гидробиологических и гидрохимических показателей среды. Например, продуктивность средообразующей эндемичной для озера диатомовой водоросли Аи1асо$в1та Ътса1вп-згз в разные годы различается в десятки и в сотни раз. Вспышкам ее численности присуща некоторая квазипериодичность: как правило, они происходят через три-четыре года, но иногда через два или 6—8 лет. Причины таких вариаций до настоящего времени достоверно не известны; в работе [3] предложена простая модель, связывающая их с циклами Солнечной активности, но насколько она правильна?
В последние годы стало понятно, что особую роль в экосистеме Байкала играют гидрофизические процессы, многие из которых более характерны для океанов и морей, чем для континентальных озер. Они приводят к активному горизонтальному и вертикальному обмену вод и в итоге обеспечивают высокое качество байкальской воды, во многом определяют не только биологические ритмы, особенности биоразнообразия и эндемизма байкальских гидробион-тов, но и саму возможность существования жизни в глубинной зоне озера. Именно благодаря активному обмену вод вся толща озера насыщена кислородом; более того, кислород проникает на несколько сантиметров в донные отложения. Эти же процессы ответственны за эффективный возврат из глубинной зоны в верхние слои различных биогенных веществ, причем их количество по порядку величины близко к количеству веществ, поступающих в озеро извне.
Важнейший режим — температурный
Основная причина высокой активности гидрофизических процессов в озере заключается в том, что температура его верхних слоев дважды в год перехо-
дит через значение Тмп, когда плотность воды максимальна. В это время более плотная вода оказывается над менее плотной, что приводит к развитию так называемой свободной температурной конвекции и полному перемешиванию верхнего трехсотметрового слоя воды. При атмосферном давлении (на поверхности озера) температура максимальной плотности Тмп = = 4°С, с ростом глубины она падает примерно на 0.2° на каждые 100 м. Зависимость Тмп от глубины Н очень важна для гидрофизических процессов в Байкале на глубинах более 300 м, где температура воды Т(Н) тоже уменьшается с глубиной, но медленнее, чем ТМП(Н), так что везде Т(Н) > ТМП(Н) (рис.2), и глубже 300 м круглый год наблюдается слабая, но устойчивая вертикальная стратификация воды.
Тонкая структура распределения температуры воды очень важна не только для гидрофизических, но и для гидробиологических процессов, поэтому наблюдениям за ее изменениями уделяется очень большое внимание. Роль температуры как метки для фиксаций, например, интрузий поверхностных вод в придонную зону так велика, потому что прямыми методами наблюдать опускание вод с типичными для Байкала скоростями порядка 1 мм/с и менее почти невозможно.
Наиболее подробные данные о годовом ходе температуры и многих гидрофизических процессах получены с помощью приборов TR-1050, TR-1060 и других, размещенных почти на 50 горизонтах (глубины от 15 до 1362 м) на четырех буйковых станциях в районе Байкальского нейтринного телескопа. Эти приборы на основе полупроводниковых датчиков позволяют каждые 10 с измерять температуру воды с разрешением 0.001° в течение года и хранить результаты. На рис.3 представлены в качестве примера данные о температуре в верхнем 300-метровом слое в период с 11 марта
Рис.2. Схематическая зависимость температуры максимальной плотности воды и температуры воды в Байкале от глубины в разные сезоны года.
Рис.3. Годовой ход температуры в деятельном слое Байкала. Отсчет шкалы времени на горизонтальной оси начинается с 1 марта 2000 г. Каждая линия отображает изменения температуры на горизонте, отмеченном соответствующим цветом.
2000 г. по 10 марта 2001 г. По этим данным даже на качественном уровне можно следить за развитием многих гидрофизических процессов. В начале марта до глубины 127 м наблюдалась обратная температурная стратификация (т.е. T с глубиной росла), но уже во второй половине марта прогрев воды приникающим через лед солнечным светом достиг глубины 19 м. В середине апреля температуры на глубинах 19 и 25 м сравнялись, и тогда же начали отчетливо проявляться сущест-
венные колебания на горизонтах 75 и 90 м. Это связано с развитием свободной температурной конвекции, которая постепенно захватывала все большие глубины и привела в конце концов к весенней гомотермии, которая на Южном Байкале устанавливается обычно в конце июня — начале июля. Профиль температуры в слое 0—300 м в это время близок к профилю Тмп с очень маленьким градиентом (около 0.002°С/м). Вертикальная устойчивость воды в этом слое близка к нулю, что
создает хорошие условия для перемешивания под действием ветра и течений.
После перехода температуры воды на поверхности через 4°С конвекция прекращается; быстро формируются относительно теплый верхний слой с типичной температурой 10—12°С — эпилимнион (размером до 5— 10 м) и слой температурного скачка — термоклин, слой с большими вертикальными градиентами температуры (0.2— 0.4°С/м). В теплое время года его нижняя граница достигает глубины 10—40 м. Из-за относительно резкого увеличения плотности воды с глубиной термоклин служит как бы жидким дном для эпилимниона. В последнем происходит концентрация осаждающихся органических веществ, поэтому здесь скапливаются питающиеся ими зоопланктонные организмы. Термоклин оказывается также важным источником биогенных элементов для верхних слоев воды, куда они частично возвращаются при ветровом перемешивании, и временной преградой для поступления кислорода в более глубокие слои (гипо-лимнион), поэтому ниже термоклина временами может возникать дефицит кисл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.