ЗАГАДКА СВЕЧЕНИЯ БАЙКАЛЬСКИХ ВОД
Кандидат физико-математических наук Виктор ДОБРЫНИН, ведущий инженер отдела лазерной физики и нанотехнологий Физико-технического института Иркутского государственного национального исследовательского технического университета (НИ ИрГТУ)
Специалисты из Иркутска изучают уникальное явление на Байкале: его вода светится. Свечение сверхслабое (невидимое невооруженным глазом), однако оно достаточно уверенно регистрируется при помощи специализированных приборов для счета одиночных фотонов — фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Его природа до настоящего времени остается загадкой. Ряд свойств указывает на хемилюминесценцию как основной механизм спонтанного свечения на глубинах 25-125 м. Однако конкретный источник, а также природа глубинного свечения пока точно не определены. К сегодняшнему дню можно определенно утверждать, что свечение является признаком чистоты воды озера.
ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ И ИЗУЧЕНИЯ
«Подобные исследования проводятся в морях и океанах. Но там основной механизм явления совсем другой — это светящиеся бактерии, водоросли, другие живые организмы. Они и дают достаточно большой световой фон (так называемая биолюминесценция). На Байкале ничего подобного не обнаружено. Здесь все происходит несколько иначе, и это предстоит еще изучить», — утверждает директор Физико-технического института НИ ИрГТУ, кандидат физико-математических наук Николай Иванов.
Свечение водной среды Байкала* было обнаружено нами в 1982 г. в ходе комплексной научной экспеди-
*См.: М. Кузьмин, Г. Хурсевич. Диатомовая летопись Байкала и изменение климата. — Наука в России, 2012, № 3 (прим. ред.).
ции, возглавляемой московским Институтом ядерных исследований (ИЯИ) РАН. Основные эксперименты до 1991 г. были выполнены научными сотрудниками Иркутского государственного университета (ИГУ), Томского политехнического института, Института химической физики РАН (Москва). Существенную поддержку данному направлению оказывали ИЯИ РАН и Лимнологический институт (ЛИН) СО РАН. Было показано отличие наблюдаемого явления от океанической биолюминесценции, проведены измерения амплитудного и спектрального состава излучения, распределений интенсивности свечения на разных глубинах и в различных районах озера, исследовано поведение свечения в объеме, изолированном от внешней среды, и ряд физико-
химических воздействий на пробы воды. Прикладная задача — изучение фоновых условий для глубоководной регистрации мюонов и нейтрино* на Байкале — была успешно решена, однако вопрос о природе явления остался открытым.
В 2011 г., после многолетнего перерыва, мы возобновили свои изыскания по этой проблеме теперь уже в ИрГТУ и сделали несколько интересных, принципиально новых наблюдений. Основным объектом исследований в данном случае стала вода Ангары**, имеющая «генетическую» связь с Байкалом. Подобные работы помимо академического интереса напрямую связаны с мониторингом качества байкальской и ангарской воды, где свечение выступает в качестве своеобразного природного индикатора состояния среды. Кстати, чистая вода уже во многих странах является дефицитом, скоро она будет дороже нефти, поэтому нам необходимо сохранять уникальный возобновляемый пресноводный источник — озеро Байкал***.
Напомним, изучение световых фонов самого большого пресного водоема нашей планеты в режиме максимально возможной чувствительности фотоэлектронных умножителей мы начали в ИГУ осенью 1981 г. Эти работы были инициированы Байкальским нейтринным проектом. Вначале мы измеряли распределение потоков многократно рассеянного сол-
*Мюон — элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1/2; нейтрйно — нейтральная элементарная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях (прим. ред.).
**Ангара — самый крупный правый приток Енисея, вытекающий из озера Байкал (прим. ред.).
***Запас воды в Байкале — около 23 тыс. км3. Такой же примерно объем содержится во всех вместе взятых пяти Великих озерах Северной Америки, в Балтийском море. Таким образом, озеро является самым объемным хранилищем пресной воды на планете и самой крупной фабрикой по поддержанию ее чистоты. Ведь на его долю приходится около 1/5 мировых запасов поверхностных вод (исключая ледники, снежники и льды Антарктиды, Гренландии и другие резерваты, где вода в твердом состоянии) и более 4/5 запасов поверхностных пресных вод в нашей стране (прим. ред.).
нечного излучения на больших глубинах при спуске и подъеме прибора — батифотометра*. Целью экспериментов являлось уточнение закономерностей затухания солнечного излучения в байкальской воде и определение предельной глубины его проникновения. Предполагалось, что на больших глубинах уровень сигнала этого прибора будет определяться исключительно темновыми шумами ФЭУ. Однако уже следующий опыт, проведенный нами через полгода после первых погружений, полностью опроверг эту гипотезу. Оказалось, в озере на всех глубинах присутствует собственное свечение воды, которое не является светом от астрономических источников, проникающим через поверхность. Словом, можно сказать, что свечение байкальской воды было обнаружено случайно. В то же время это открытие стало закономерным результатом применения новой, более чувствительной методики гидрооптических измерений к такому традиционному объекту исследований, как Байкал.
Все это выявило нетривиальность проблемы световых фонов на Байкале и обусловило необходимость их детального изучения. Основной объем работ был выполнен вблизи расположения глубоководного нейтринного телескопа (в районе 106 км Кругобайкаль-ской железной дороги — 3,5 км от берега). Каждую весну здесь разворачивают ледовый лагерь, проходит международный Байкальский нейтринный проект. Ряд экспериментов проведен с борта научно-исследовательского судна «Г.Ю. Верещагин». Так, в 1983 г. мы совместно с сотрудниками ЛИН СО РАН и Института физики высоких энергий (г. Протвино Московской области) прошли на нем от южной до средней части Байкала и сделали замеры световых полей на шести
*Батифотометр — прибор, способный регистрировать даже очень слабые световые вспышки на глубине водоемов. Сконструирован отечественными и западными специалистами в 1970-х годах (прим. ред.).
Спуск зонда батифотометра.
глубоководных станциях. Тогда же установили, что свечение воды прослеживается в каждой точке на всех изученных глубинах. Но как показали измерения, проведенные на пробах и с помощью погружаемых приборов, интенсивность свечения сильно зависит от глубины. Как правило, его максимум наблюдается на глубинах 50—75 м. Причем во всем диапазоне глубин оно изменяется от 20 до 100 раз, экспоненциально уменьшаясь на больших. И это самый удивительный факт, поскольку изменение содержания основных примесей байкальской воды, как правило, не превышает 50%. Минимальный же уровень свечения мы зафиксировали на самой глубоководной станции (вблизи острова Ольхон*) — порядка 100 фотонов через квадратный сантиметр в секунду.
По-видимому, существует связь между уровнем свечения и прозрачностью, поскольку в районе нейтринного телескопа на глубинах 800—1200 м наблюдается так называемое «ядро прозрачности» — здесь, как правило, самая чистая вода, и при этом она меньше светится. Можно указать также на сезонные вариации свечения: на определенной глубине его яркость меняется в течение одного года 2—5 раз.
В тот же период исследований обнаружили медленное затухание свечения в объеме, изолированном от внешней среды, необратимое исчезновение свечения после нагрева пробы до 25оС, связь интенсивности последнего с концентрацией растворенного в воде кислорода (свечение убывает при его уменьшении и восстанавливается при повышении).
*Ольхон — крупнейший остров Байкала. Его длина — 71 км, ширина — до 12 км, площадь — 730 км2. Совместно с северо-западным берегом озера образует Малое море и пролив Ольхонские ворота. Недалеко от внешней его стороны находится глубочайшее место Байкала — 1642 м (прим. ред.).
Далее. При изучении нами комплекса культур байкальских микроорганизмов совместно с сотрудниками НИИ биологии ИГУ было обнаружено синхронное изменение интенсивности свечения пробы с количеством бактерий. Следует отметить, что в этих опытах биолюминесценция микроорганизмов не наблюдалась, а уровень их свечения (клеточной хеми-люминесценции) был недостаточен для полного объяснения наблюдаемого явления (не превышал 10%). Помимо этого в сотрудничестве и по методикам, разработанным в московском Институте химической физики РАН, мы изучили влияние некоторых физико-химических воздействий на интенсивность свечения байкальской воды. Было показано: на глубинах 25—125 м наибольший вклад в наблюдаемое явление вносят процессы хемилюминесценции (цепные радикальные реакции, инициируемые ОН-радикалом).
И ВСЕ-ТАКИ ОНА СВЕТИТСЯ!
Словом, еще на ранней стадии работ мы поняли: наиболее яркая составляющая свечения байкальской воды обусловлена химическими реакциями, протекающими в воде с участием растворенного в ней кислорода и, скорее всего, еще некоторых органических веществ (примесей). С точки зрения науки это так называемая хемилюминесценция — пример прямого преобразования части химической энергии в световую.
Между тем последние наши результаты показывают: практически любая вода излучает свет. Но дистиллированная (т.е. очищенная от примесей) светится слабо (источником свечения дистиллята является естественный радиационный фон). А текущая у нас в домах из-под крана достаточно быстро затухает. Свечение же байкальской и ангарской воды — более
*' ^
1
интенсивное и продолжительное: тут оно может длиться целый месяц. И чтобы «поймать» невидимые глазом световые потоки, мы используем высокочувствительный прибор — лабораторный фотометр*, последняя версия которого недавно создана в ИрГТУ для повышения эффективности наших наблюдений. Измерительный модуль данного устройства находится в термостате. В него мы помещаем пробы воды. На мониторе компьютера отображается процесс измерений интенсивности свечения пробы во времени. Основная и сопутствующая информация (интенсивность, температу
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.