Поиск метеоритов в Антарктиде
John Schutt (Antarctic Search for Meteorites и Case Reserve University)
4.jpg 249,79К
14 Количество загрузок:
Джон Шутт – геолог и профессиональный альпинист. С 1980 года принимает участие в программе ANSMET, исследователь.
Перевод статьи опубликованной в GPS World, Январь 1998
Перевод выполнен "Навгеоком" © 2000
"Мои глаза слезятся из-за сильного ветра. Холод пронизывает тело. Хотя день солнечный, но из-за ветра температура достигает – 40°С. Я стараюсь сконцентрироваться на своем задании – поиске маленьких, тёмных метеоритов, разбросанных на волнистой поверхности антарктического льда под моими ногами. Во время поисков я постоянно чувствую жгучую боль в медленно замерзающих пальцах.
Неожиданно один из членов экспедиции останавливается. Я не могу слышать его из-за завываний ветра, но взмах его рук означает, что он нашел ещё один метеорит – это 15-тый за день. Четыре члена экспедиции и я заводим наши снегоходы и с нетерпением мчимся к находке. Каждый раз, когда кто-то находит метеорит, наша команда всегда получает передышку от непрекращающегося ветра и едва переносимых вибраций при езде по шероховатому льду. Мы рады возможности немного размяться. Это заставляет кровь двигаться. Кроме того, всегда приятно взглянуть на что-то внеземное.
Всё вышеописанное - всего лишь типичный рабочий день для тех, кто собирает метеориты в Антарктиде, самом холодном, сухом, высоком и ветреном континенте планеты.
Рекордно низкая температура в Антарктиде – 89.2° С, а среднегодовая температура равна - 57° С. Скорость ветра достигает 100 м/с. Средняя высота над уровнем моря около 2000 метров, а средняя толщина льда 2160 метров на площади 14 миллионов квадратных километров. Самое большое значение толщины льда равно 4776 метров. 70% запасов пресной воды на Земле находится в льдах Антарктики. Это составляет 90% льдов на земном шаре. Центр материка – это ледяная пустыня с нормой выпадения осадков менее 5 см (эквивалент воды) в год, в виде снега.
Несмотря на постоянно присутствующие катабатические (katabatic) ветра, которые способствуют возникновению бесснежной поверхности, они также дают пронизывающий до костей холод. Эти ветра, достигающие больших скоростей, возникают, когда течение холодного воздуха, более плотного чем теплого, опускается вниз под своей же тяжестью. Наличие крутых склонов и температурные градиенты над полярной ледяной шапкой создаёт прекрасные условия для возникновения таких ветров. После недель проведённых во льдах, их постоянно завывание становиться настоящим испытанием.
Работа и быт в столь суровом климате, ставят множество задач и проблем для любого, кто решился работать на полюсе. Мотивация, решимость и нетрадиционные методы решения проблем необходимы, чтобы вынести тяжёлые условия окружающей среды.
Одной из проблем является поиск маршрута в ледяной пустыне, так как ориентиров очень немного. Решение данной проблемы - использование GPS для определения местоположения и навигации. Но работа с оборудованием GPS в таких условиях имеет свою специфику. Что впоследствии и обнаружили члены группы поиска метеоритов в Антарктике при составлении карт территории и нанесении типов метеоритов обнаруженных на этом суровом материке.
Когда метеориты говорят
С 1980 года я работал на мерзлоте в программе ANSMET. Это – проект, разработанный для поиска метеоритов на ледяной поверхности полюса и определения их местонахождения. С 1976 года членами ANSMET было обнаружено около 9000 образцов метеоритов.
Экспедиции других стран нашли 8000 фрагментов других тел солнечной системы. В целом, все эти находки могут быть представителями группы крупных метеоритов (в количестве от 2000 до 5000), выпавших в Антарктиде за последние 1 млн. лет. Обнаруженные здесь метеориты, увеличили в три раза количество внеземных образцов, имеющихся в распоряжении учёных для исследований. Изучение этих уникальных объектов, особенно, редких и необычных, обнаруженных на ледяной поверхности полюса, поможет понять этапы формирования солнечной системы и возникновения планет.
Одной из важнейших целей программы ANSMET является определение областей льда, где может быть найдено большое количество метеоритов, и попытаться понять структуру их распределения подо льдом. В этих особых местах, известных как stranding поверхности, ледяной пласт служит ловушкой, где на поверхности содержатся метеориты, запертые в древних льдах.
Но метеориты довольно часто распределены неравномерно. Многие факторы влияют на концентрацию объектов в группы и скопления. Например, движение ледников и то, что метеориты часто падают как ливень и разбиваются на фрагменты после удара об ледяную поверхность или ломаются на куски из-за выветривания после выхода на поверхность льда. Усилия ANSMET по составлению карт направлены на то, чтобы объяснить, как эти образцы связаны с вышеупомянутым движением ледников в данном регионе и как долго система была активна. Кроме того, необходимо разработать методику поиска других участков, где можно обнаружить метеориты.
Создание карт также помогает учёным проводить сравнительное изучение метеоритов. Многие образцы являются частью массивного объекта и часто разбросаны на большой территории. Фрагменты найденные и нанесённые на карту в определённом районе в течение одного сезона могут быть сопоставлены с фрагментами, найденными поблизости в течение другого сезона. Карты содержат данные о том, где метеориты были найдены, чтобы в будущем научные экспедиции имели возможность вернуться для поисков дополнительных образцов на этой территории.
Для выполнения этих целей, персонал ANSMET наносит на карту все находки в течение более 20 лет, используя различные методы, включая измерения с помощью верёвки и компаса, электронными дальномерами, а в последнее время и GPS оборудованием.
Хорошие традиции
В таких экстремальных условиях исследователи ANSMET очевидно должны придерживаться определённой схемы работы. Каждый год команда ANSMET, состоящая из 4-8 человек, проводит во время антарктического лета в декабре - январе от 6-ти до 8 недель полевых работ. Эти экспедиции мобильны, имеют относительно лёгкую поклажу и состоят из учёных и студентов со всего мира, изучающих метеориты или связанную с ними земную и планетарную геологию.
Хотя группа ANSMET во время поисков во льдах автономна, большое количество вспомогательного персонала находится на станциях McMurdo, South Pole, и Palmer. Множество научных исследований ежегодно проводится в Антарктиде и эти люди обеспечивают поддержку для всех антарктических программ США.
Члены команды должны поделать путь в 15 дней, чтобы достичь места работ. В начале ноября из моего дома в штате Вашингтон я сажусь на борт коммерческого рейса и за 16 часов добираюсь до Christchurch, Новая Зеландия, где весна в полном разгаре. По сравнению с дождливым унынием наступающей зимы на Северо-западе США, этот вид радует глаз.
Члены группы проводят один или два дня в Christchurch, где получают зимнюю одежду и инструкции от представителей американской антарктической программы. Оттуда мы садимся на грузовой самолет С-130 Hercules, оборудованный лыжами. За 8 долгих часов, пролетая над антарктическим океаном, мы мельком видим внизу айсберги в штормящем море. При подлёте к границе континента, наше возбуждение достигает предела при виде острых вершин гор поднимающих из снега и льда, кажется, что огромная ледяная равнина простирается в бесконечность. Этот ошеломляющий, нереальный ландшафт даже после 17 поездок все ещё приводит меня в такой же трепет, как в первый раз, когда я спустился с борта самолета в McMurdo. Ностальгия? Определенно. Антарктическая лихорадка никогда не проходит.
В McMurdo группа проводит от одной до двух недель, готовясь к экспедиции. Мы собираем и проверяем наши сани, снегоходы, палатки, печки, топливо и бесчисленные принадлежности, необходимые для жизни во льдах. Тестовый заезд на санях накануне вечером со станции даёт возможность проверить оборудование и ощутить особенности жизни в Антарктиде неопытным членам команды. Мы тренируемся в технике спасения при падении в трещины ледников, изучаем методы выживания в ледяной пустыне, а также учимся маневрировать на снегоходах и санях.
После выполнения всех приготовлений, мы готовы к полёту на ледник. Команда обычно добирается до зоны сбора метеоритов на борту самолёта Hercules, хотя иногда для некоторых операции использовали вертолет или самолет Twin Otter. Иногда, от места посадки до интересующего нас района необходимо пересечь 160 км. Во время этого перехода каждый управляет снегоходом и буксирует двое саней Нансена. Эти сани внешне очень похожи на те, которыми пользовали первые исследователи Антарктиды, и было доказано что они наилучшим образом подходят к тяжелым условиям материка. Они сделаны из дерева и сыромятной кожи, связаны веревками и могут нести до 400-450 кг груза.
В 1996 году целью нашей экспедиции была Слоновая Морена (Elephant Moraine), в южной части Земли Виктория, приблизительно в 250 км северо-западней от станции McMurdo. Мы время от времени исследовали этот регион начиная с 1976 года, и уже извлекли около 4000 образцов метеоритов. Наши шансы на удачную охоту были прекрасны.
На льду
По прибытию на место работ, команда должна разбить лагерь и подготовиться. Мы располагаемся на снегу в палатках Скотта, названных в честь английского исследователя Роберта Фалкона Скотта, который погиб вместе со своими спутниками во время возвращения из героического похода к Южному Полюсу в 1912 году. Эти пирамидообразные палатки, которые внешне очень похожи на те, которыми пользовались первые исследователи, по размеру представляют квадрат со стороной 2.7 метра (высота 2.7 метра) и имеют плотную нейлоновую оболочку, задрапированную по углам шестом. Две маленьких печки обеспечивают тепло. Конструкция выдерживает ветер силой 200 км/ч и более. Эти палатки довольно удобны в условиях летних месяцев.
В ясную погоду, команда исследователей использовала солнечные панели, обеспечивающие электроэнергией многочисленное оборудование экспедиции.
Летняя погода довольна мягкая по сравнению с зимней: средняя температура в течении периода наших работ составляет –18°С. Кабатические ветра, однако, часто снижают температуру до - 40° и ниже, удерживая нас от поисков, что делает нашу жизнь крайне неудобной. Когда скорость ветра превышает 40 км/ч, желание членов команды садиться на свои снегоходы сильно падает. Команда потратит больше времени и усилий, стараясь предотвратить обмораживания носов и пальцев, чем на поиски метеоритов. Такая ветреная погода может продержаться неделю, а трех- и четырехдневные периоды непогоды не являются чем-то необычным. Следовательно, 20-30 % времени, отведенного на поиски, проводится в палатках в ожидании времени, когда ветер утихнет. Хороший запас книг крайне необходим, чтобы не умереть от скуки.
В нашем лагере есть две 12-вольтовые, 100 А/ч батареи, которые снабжают все электрические приборы. Мы заряжаем эти батареи, от солнечных панелей. Преобразователи необходимы для попеременного использования персонального компьютера, радио, зарядного устройства батареек светодальномера, принтера и других электронных приборов. Так как летом, в этом регионе 24 часа в сутки есть дневной свет, и обычно дни ясные, солнечные панели обеспечивают необходимую мощность, кроме того времени, когда нам требуется много энергии в течение затянувшихся облачных дней.
История картографирования региона
На раннем этапе проекта мы пользовались грубыми методами составления карт, такими как длина шага или одометры снегоходов для измерения расстояния и компас или буссоль для определения направления и угла. В 1983 году мы начали использовать традиционные геодезические приборы для получения большей точности. Несмотря на это, любой, кто работал с теодолитом на ветру при температуре ниже нуля, поймёт, что я имею в виду.
Вскоре после этого мы также стали выполнять привязку реперов на более отдаленных месторождениях с помощью спутниковых методов геодезии. Побочным эффектом, стала возможность измерения векторов перемещения льдов при повторных измерениях на этих точках через несколько лет.
Первоначально мы применяли “доплеровские” системы для определения местоположения точек, используя спутники Transit. Это оборудование давало нам точность в 1-10 метров в плане. Обеспечивая это оборудование электричеством, в течении требуемых двух дней можно получить достаточно данных для одной точки, однако процесс сбора данных требует постоянного внимания.
В течение сезона 1990-1991 гг. мы приобрели свой первый GPS. Этот 5-канальный, L1, C/A-кодовый приёмник помог нам ориентироваться на льду и определять местоположение метеоритов, найденных во время разведки и систематических поисков. Эти работы повлекли за собой пересмотр аэрофотоснимков и спутников снимков пустынных ледяных территорий, которые согласно опыту, вероятно, принесли бы богатые находки. Когда мы впервые использовали GPS, “избирательный” доступ был включен из-за войны в Персидском заливе, и точность определения координат одним GPS приёмником составляла около 15-30 метров.
Основываясь на нашем первоначальном успехе при использовании этой технологии, мы оценили её преимущества в нашей работе и приобрели ещё два аналогичных приёмника для сезона 1991-1992 годов. Тем не менее, когда мы начали использовать приёмник в дифференциальном режиме измерений (DGPS), мы столкнулись с определёнными проблемами.
Наши первые GPS приёмники имели не только минимальный объём памяти, но и работали одновременно только с 4-мя спутниками в дифференциальном режиме. Поэтому мы должны были постоянно держать оператора на базовой станции, чтобы управлять процессом записи данных и передавать информацию о том, какие из спутников в данный момент отслеживаются. Попытки объединить отдельные приёмники по типу портативного радио было ещё одним кошмаром. Радиосигналы сильно ослабевали даже на небольшом расстоянии при прохождении через лёд. В некоторых случаях, мы посылали человека на вершину ближайшего холма, или на высокую точку, для ретрансляции. Время от времени приходить ползти на руках и коленях из-за сильного ветра.
Для определения контрольных точек (где в дальнейшем устанавливалась базовая станция) при составления карт, мы иногда использовали геодезические пункты службы геологических исследований США, которые были расположены в широком интервале на Трансантарктических горах в течение прошедших 40 лет. При работе в непосредственной близости от этих точек, мы старались привязаться к этой сети. Однако в большинстве случаев мы должны были создавать свои собственные точки с длинными базовыми линиями от GPS пунктов, расположенных на станции McMurdo. Это позволяет нам получить точность в пределах 10-30 см. В других случаях, мы получали координаты усреднением данных, собранных одним GPS приёмником в течении 2 - 3 недель. Ограниченное тестирование этого метода показало точность на уровне 2-5 метров.
Несмотря на эти проблемы, определение координат при помощи GPS крайне удобно в наших условиях. В 1991-1992 гг., ветер позволил нам использовать теодолит и светодальномер только в течение в 2-х дней из трех недель. Только благодаря GPS мы смогли собрать данные местонахождения метеоритов.
После шести лет работы, использование GPS приёмников стало неотъемлемой частью нашей работы по составлению карт. В 1996 году мы модернизировали наш первоначальный 5-канальный на 10-канальный, фазовый GPS приёмник, который обеспечил субметровую точность после обработки. Сейчас, когда мы находим метеориты, разбросанные на ледяном поле, и если мы всё ещё не установили базовую станцию, то используются усреднённые данные собранные одним приёмником. Если метеориты более сконцентрированы, команда использует DGPS и обрабатывает данные на портативном персональном компьютере.
Мы пользуемся персональными компьютерами в поле для вычисления результатов съёмки и хранения данных в течение 15 лет. В 1995 году мы отказались от устаревшей системы на базе 286 процессора и заменили её на 486, которую используем для обработки и дифференциальной коррекции GPS данных.
Когда позволяет погода
Если ветер ослабевает до терпимого уровня и работа начинается, нашей главной задачей становиться систематический поиск метеоритов, на площадях которые мы наметили во время рекогносцировки. В некоторых случаях, у нас есть возможность облететь район поиска. Однако мы не можем увидеть метеориты с воздуха. Для определения места концентрации метеоритов, нужно приземлиться и провести осмотр. Это наиболее захватывающая часть нашей работы – исследовать территории, где побывали один - два человека до тебя или вообще никто. Новые горизонты и эффектные виды открываются на каждом повороте. Кроме того, мы надеемся найти действительно большие метеориты, которые часто обнаруживают на новых посадочных площадках.
Если отдельное ледяное поле достойно более тщательного осмотра, мы проводим детальное исследование всей территории с разбивкой на отдельные сектора. Общая площадь иногда достигает 150 кв. км. При поиске метеоритов, команда использует снегоходы и двигается с интервалом в 25-30 метров. Как группа, мы пересекаем льды со скоростью 10-15 км/час, высматривая тёмные объекты на поверхности. В некоторые местах, кроме метеоритов на поверхности льда больше ничего не встречается. И наоборот, там где земные скалы, беспорядочно разбросаны по поверхности, требуется утомительный поиск пешком. Я бы сравнил этот процесс с поговоркой “поиск иголки в стоге сена”.
К сожалению, многие образцы горных пород имеют тёмно-коричневый или чёрный цвет и очень похожи на метеориты. Распознать едва уловимые отличия от метеоритов по цвету и текстуре поверхности очень трудно, но возможно при наличии опыта и внимания. При разработке новой площади, мы обычно находим от 10 до 40 образцов в день, но в некоторых случаях мы находили и собирали 120 и более образцов. В 1996, в самый удачный день мы обнаружили 37 находок, а за сезон - 392 образца.
Когда мы находим метеориты, их собирают таким образом, чтобы предотвратить загрязнения. Мы присваиваем им уникальный полевой номер и укладываем каждый образец в специальный стерильный пакет. В это время записываются GPS измерения. Мы обычно регистрируем данные в течение 6-8 минут в дифференциальном режиме для получения cубметровой точности. Если координирование точки обязательно или возможно, мы в среднем регистрируем 500 эпох.
Прогресс технологии
С современными GPS приёмниками мы можем записывать фазовые измерения на базовой станции в течение 8 часов непрерывно, а вечером выгружать файлы. Это огромное усовершенствование по сравнению с первыми приёмниками, которые имели мало памяти и меньше каналов. С увеличением объёма памяти для хранения данных в 10-канальном GPS приёмнике, мы можем не возвращаться на базовую станцию пока вся команда ищет и собирает образцы.
С 1995-1996 гг., мы регулярно получали точность около метра в дифференциальном режиме. С оптимизированным программным обеспечением в GPS приёмниках мы ожидаем получение дециметровой или даже лучшей точности в течение текущего сезона.
Когда мы встречаем ледяное поле, густо усеянное метеоритами, нам требуется работать аккуратно, точно и быстро. Перед модернизацией оборудования мы часто вынуждены были использовать теодолит и светодальномер. Это означает, что мы должны ждать благоприятных метеоусловий. Теперь - GPS приёмник стал эффективной заменой традиционному оборудованию.
Проблемы с электропитанием
Обеспечение электроэнергией передвижных приёмников осуществляется от внутренних батареек. Ёмкости батареек хватает только на 20-30 минут непрерывной работы. Аккумулятор каждого снегохода имеет напряжение 12-вольт, что даёт возможность подключить к нему GPS приёмник и внешнюю антенну. Однако, иногда мы вынуждены брать с собой приёмник туда, куда на снегоходе добраться невозможно.
Для решения этой проблемы, мы построили корпус из блоков пенистого каучука, которые мы взяли на станции McMurdo. На дно корпуса под приёмником мы поместили две химические обогревающие подушечки и поместили весь сверток в пластиковый пакет. В таком изоляторе, батарейки работали весь предусмотренный срок.
Сложности навигации в Антарктиде
После нескольких сезонов использования GPS приёмников для навигации, я удивляюсь, как можно найти путь в бескрайней ледяной пустыне – при отсутствии гор и ориентиров – без такого оборудования. Навигация при помощи компаса в Антарктике очень затруднительна. В некоторых местах магнитное склонение изменяется на один градус каждые 6 км. Другая техника навигации, включает в себя слежение за Солнцем с часами для определения направления. Но возможности GPS систем при любой погоде обеспечивают членов команды дополнительным уровнем безопасности, если кого-нибудь застанет неожиданная метель вне лагеря.
GPS позволяет членам команды быстро определить свое местонахождение в любое время суток, например, если понадобится срочная спасательная группа, или если нам необходимо ориентировать подлетающий самолет в случае травмы, болезни одного из сотрудников или при поставке продовольствия. Этот уровень безопасности даёт дополнительную уверенность, когда ты находишься в лагере в центре огромной, замершей пустыни.
В 1995 г., я оказался в ситуации, когда GPS не смог мне помочь. Мы были в нескольких милях от лагеря, когда начался неожиданный шторм. Я подумал, что сейчас время по-настоящему проверить GPS в действии. К сожалению, когда я попытался установить курс в GPS, я обнаружил, что забыл определить координаты лагеря и ввести его как точку маршрута. Я был достаточно хорошо знаком с местностью, и мы проделали обратный путь в лагерь без инцидентов. Однако, этот случай преподал важный урок для меня. Никакие высокие технологии мира не могут исправить ошибок человека.
Итоги
В конце полевого сезона мы вернулись на станцию McMurdo и упаковали образцы в отдельные контейнеры, которые затем транспортировались в холодильниках в Хранилище антарктических метеоритов в Космическом Центре им. Джонсона, NASA, Хьюстон, Техас.
Так как метеориты в Антарктике находились в условиях глубокой мерзлоты, они не подверглись сильному воздействию погоды, что только увеличивает их научную ценность. Для того, чтобы избежать воздействия внешних условий и окисления образцов в будущем, NASA обрабатывает каждый метеорит в сухом азоте в стерильных условиях. Учёные составляют описание физических свойств и подготавливают тонкие срезы для анализа образцов и классификации каждого метеорита. Данные рассылаются исследователям во всем мире, которые могут потребовать дополнительные образцы для углубленного изучения.
Многие исследователи также получают карты местоположения метеоритов в Антарктиде, составленные по программе ANSMET. Они используют их для изучения распределения метеоритов по видам. Мы сейчас разрабатываем возможность применение ГИС, которая бы позволила исследователям проводить детальный пространственный анализ мест распределения образцов.
К сведению, Хранилище NASA обеспечило более чем 12000 экземпляров для 260 исследователей из 20 стран. Метеориты, которые активно исследуются, остаются в NASA, но остальные материалы транспортируются в Музей Истории Естественных Наук Смитсонианского Иститута (Smithsonian Institution-s Museum of Natural History) на постоянное хранение.
В Антарктиде найдено более чем 17000 образцов, многие из которых редки и необычны. Наиболее уникальные образцы включают марсианские и лунные метеориты.
Вклад ANSMET в науку включает самый большой антарктический метеорит. Первоначально объект весил около 407 килограмм, но мы обнаружили его разбросанным по льду в виде 40 фрагментов. Наиболее большой единичный образец храниться в ANSMET и весит 110 килограмм. Большая часть кусков, обнаруженных нами, весит менее чем 200 грамм и имеет меньше 5 см в диаметре, а их средняя масса составляет 12 грамм.
Поиск мелких образцов представляется крайне важным при сборе антарктических метеоритов. В ANSMET верят, что найденные метеориты составляют большую часть того, что упало в течение прошедших миллиона лет в область, которую мы проводили исследования. Следовательно, у нас появилась возможность раскрыть подлинное разнообразие различных типов метеоритов. Это также повышает наши шансы на обнаружение редких и уникальных метеоритов, например, экземпляры с Марса, которые неоценимы при изучении геологии этой планеты поиске следов внеземной жизни на ней.
GPS оказалось очень полезным при работе по полярной программе ANSMET. Мы имели возможность определить местонахождение метеоритов во всех случаях, кроме тех, когда погода была слишком суровой, что дало нам возможность продуктивно работать в условиях непригодных для традиционного геодезического оборудования. Вместе с технологией GPS, наши полярные исследования продолжают развиваться и совершенствоваться по мере углубления наших знаний о GPS и приобретении дополнительного опыта работы в суровом климате.
Благодарности
Национальный Фонд Развития Наук (National Science Foundation) финансирует проект поиска метеоритов в Антарктике как часть Антарктической программы США. Ральф Гарвей (Ralph Harvey) из Case Western Reserve University в настоящее время является главным исследователем этого проекта. Автор хотел бы поблагодарить Вильяма Касседи (William Cassidy) за ценные замечания при работе над данной статьёй. Отдельное спасибо Ларри Готем (Larry Hothem) и Гордон Шуп (Gordon Shupe) из отдела картографии Национального геологического общества США (U.S. Geological Survey-s National Mapping Division), которые в течении нескольких лет в Антарктике обеспечивали нас информацией и полезными советами по GPS исследованиям и геодезии.
http://www.meteoriti...opic.php?p=1441
