ЗАГАДКА СВЕЧЕНИЯ БАЙКАЛЬСКИХ ВОД

Дата публикации: 12 октября 2022
Автор: Виктор ДОБРЫНИН →
Публикатор: Научная библиотека Порталус
Рубрика: БИОЛОГИЯ →
Источник: (c) Наука в России, № 2, 30 апреля 2013 Страницы 11-16 →
Номер публикации: №1665602504 / Жалобы? Ошибка? Выделите проблемный текст и нажмите CTRL+ENTER!

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 экспедиции, 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-

* См.: М. Кузьмин, Г. Хурсевич. Диатомовая летопись Байкала и изменение климата. - Наука в России, 2012, N 3 {прим. ред.).

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 солнечного 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 Кругобайкальской 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

* Мюон - элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1/2; нейтрино - 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.).

*** 3апас 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.).

**** Батифотометр - прибор, способный регистрировать даже очень слабые световые вспышки на глубине водоемов. Сконструирован отечественными и западными специалистами в 1970-х годах (прим. ред.).

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 25°С, связь интенсивности последнего с концентрацией растворенного в воде кислорода (свечение убывает при его уменьшении и восстанавливается при повышении).

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 хемилюминесценции) 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 OH-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

* 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.).

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, температура, время, состояние датчиков) записываются в файл с временным шагом 1 мин.

Мы уверены, у описываемых опытов - большие перспективы, ведь свечение может служить своеобразным индикатором чистоты природных вод. Сегодня основным объектом нашего внимания является Ангара. А поскольку ее вода вплоть до плотины Иркутской ГЭС близка по гидрохимическим и гидробиологическим показателям к байкальской, то она является удобным, и что немаловажно - более доступным объектом для изучения. Это позволило многократно повысить объем получаемых данных и соответственно - информативность наблюдений, отработать методики измерений, которые были использованы в экспериментах с байкальской водой. Для дальнейшего развития этого направления работ мы предлагаем установить возле истока Ангары мониторинговую станцию, чтобы в режиме реального времени получать экспресс-данные о состоянии водной среды озера или, точнее, информацию о ее качестве по свечению. Все это можно и нужно дополнять микробиологическими и гидрохимическими анализами.

СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ФОТОМЕТРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Для продолжения изучения обнаруженного нами феномена свечения вод Байкала мы создали комплекс высокочувствительной аппаратуры, позволяющий проводить исследования как на пробах, так и в естественных условиях. Помимо лабораторного фотометра, нами в сотрудничестве со специалистами ИГУ в 2012 г. был разработан глубоководный счетчик фотонов на базе новейшего фотоэлектронного умножителя ХР3540В производства группы европейских компаний PHOTONIS. Чувствительность прибора превышает аналогичный параметр используемых в 80-х годах XX в. батифотометров более чем в 100 раз! Данное устройство предназначено для зондирующих измерений световых потоков в Байкале.

В ходе ледовой экспедиции 2012 г. были проведены натурные испытания глубоководного счетчика фотонов и с его помощью получены новые данные о тонкой структуре распределений интенсивности свечения водной среды и ее динамике. Ранее подобные измерения осуществляли с шагом не менее 50 м по глубине. Теперь мы практически не останавливали работу прибора - и 5 суток непрерывно проводили измерения в диапазоне глубин от 150 до 1340 м при спусках и подъемах зонда. "Ключевые" эксперименты выполняли ночью, когда уменьшался фон от астрономического света, проникающего через поверхность озера. Это позволило определить уровень собственного свечения воды на малых глубинах. Мы работали практически по 20 ч в сутки: береговая часть прибора - батифотометра - располагалась в КУНГе** (лаборатории) на льду.

Электропитание ледового лагеря обеспечивал дизель-генератор. Зонд опускали в прорубь ("майну") кабель-тросовой лебедкой. Информацию на "береговой" центр передавали по кабелю. По датчику давления автоматически определяли глубину погружения зонда. Электроника последнего располагалась в прочном корпусе, через иллюминатор которого посредством ФЭУ регистрировали излучение воды и свет астрономических и искусственных источников.

В результате мы получили 21 вертикальный профиль освещенности с высоким пространственным и временным разрешением, выявили любопытные

* Фотометр - прибор для измерения каких-либо фотометрических величин, однако чаще других - одной или нескольких световых (прим. ред.).

** КУНГ - тип закрытого кузова-фургона для грузовых автомобилей (прим. ред.).

Зависимость интенсивности спонтанного свечения ангарской воды после серии из шести облучений пробы светодиодным источником белого света: по горизонтальной оси - время (ч); по вертикальной - интенсивность свечения в импульсах ФЭУ в секунду (темновой шум ФЭУ вычтен); 1 - 6 - периоды освещения пробы светодиодным источником; Imax, Imin - максимальные и минимальные уровни свечения.

Сезонная зависимость максимумов интенсивности свечения проб ангарской воды (пунктир) и продолжительность светового дня (кривая): по горизонтальной оси - время (сутки), отсчет времени производится с 1 января 2012 г. (нулевое значение шкалы); по вертикальной - интенсивность свечения в импульсах ФЭУ в секунду (левая шкала) и продолжительность светового дня (ч) (правая шкала); штрих-пунктир - контроль стабильности показаний лабораторного фотометра.

эффекты и вариации интенсивности свечения на средних глубинах озера. Причем на большинстве из них изменения были несущественные, однако в районе 600 - 800 м зафиксированы вариации уровня свечения в 1,5 - 2 раза. По-видимому, понадобятся дополнительные исследования для объяснения причин этого в период вертикальной устойчивости водных масс Байкала.

Во время экспедиции мы провели также ряд вспомогательных работ с искусственным источником света. В ходе одного из них параллельно с определением интенсивности свечения воды измеряли многократно рассеянное излучение синего светодиода. Наша цель состояла в установлении взаимосвязи между количеством рассеивателей (взвесью) и интенсивностью свечения. И подобную зависимость мы обнаружили, но она оказалась нелинейной. Теперь предстоит дать интерпретацию полученных данных. Кроме того, выполненные в ходе экспедиции измерения многократно рассеянного солнечного излучения позволили с высокой точностью оценить оптические характеристики байкальской воды на глубинах порядка 400 м.

Ряд новых результатов о свечении проб ангарской и байкальской воды получен нами на лабораторном фотометре. Одно из последних открытий - определение характера воздействия ультразвука и внешнего излучения на интенсивность спонтанного свечения проб: ультразвук с развитой кавитацией* и жесткий ультрафиолет (с длиной волны менее 300 нм) необратимо гасят свечение, а влияние внешнего освещения является обратимым. Как было выяснено в серии опытов, тушащее действие на спонтанную люминесценцию ангарской и байкальской воды оказывает синий свет. Например, мощные источники лазеров красного и зеленого излучения, а также светодиоды соответствующих цветов в наших опытах практически не произвели заметного действия. В то же время белые и синие светодиоды резко уменьшают спонтанную люминесценцию природной воды в 2 - 4 раза (величина эффекта зависит от мощности излучения светодиода и времени экспозиции), после чего она снова возрастает почти до первоначального уровня. Именно синяя составляющая излучения белого светодиода оказывает тушащее действие на спонтанное свечение природной воды.

Эти выводы позволили нам высказать новую гипотезу о генерации света в изученных пробах микроорганизмами, чувствительными к синему свету. Наиболее вероятными источниками излучения в данном случае могут являться цианобактерии, обладающие не столь совершенным фотосинтетическим аппаратом, как высшие растения или водоросли. Вполне возможно, что относительно низкий "коэффициент полезного действия" аппарата цианобактерии приводит к потере клетками части энергии в виде светового излучения, которое мы и наблюдаем. Целью же предстоящих экспериментов с природной водой является выяснение вклада "живой компоненты" в суммарное ее свечение, а также уточнение видового состава микроорганизмов, генерирующих свет в процессе их жизнедеятельности (клеточная хемилюминесценция).

Итоги долговременных периодических наблюдений за свечением проб ангарской воды также косвенно подтверждают эту гипотезу, поскольку мы наблюдаем ярко выраженный сезонный ход интенсивности (по-видимому, связанный с изменением продолжительности светового дня и ее влиянием на жизненные циклы водных обитателей). С сентября 2011 г. по январь 2012 г. происходило снижение интенсивности свечения проб ангарской воды более чем в 50 раз! Минимум свечения смещен во времени относительно дня зимнего солнцестояния. После 19 января 2012 г. наблюдается экспоненциальный рост интенсивности свечения проб, который, как показали дальнейшие измерения, после дня летнего солнцестояния сменяется очередным падением. По-видимому, в данном случае мы наблюдаем циклы развития гидробионтов, связанные с изменением внешних условий (температуры, освещения и др.).

В настоящее время разрабатываются также альтернативные гипотезы для объяснения механизмов свечения ангарской и байкальской воды, требующие экспериментальной проверки.

НА МЕЖДУНАРОДНОМ УРОВНЕ

Результаты своей работы за истекший период мы доложили на XVIII Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", который прошел в начале июля 2012 г. в Иркутске на базе Института солнечно-земной физики СО РАН, и был организован совместно с Томским институтом оптики атмосферы им. В. Зуева СО РАН под эгидой Министерства образования и науки РФ и Российского фонда фундаментальных исследований.

Со своей стороны мы представили один устный и четыре стендовых доклада, касающихся последних данных изучения свечения природных вод. Помимо этого в соавторстве с сотрудниками ИГУ был сделан объединенный доклад по совместной разработке - "Счетчик фотонов для глубоководных исследований".

Представленные нами подробные сведения вызвали неподдельный интерес у мирового научного сообщества. В ходе конференции мы установили немало деловых контактов. В частности, получили предложение на проведение совместных экспериментов на научной базе в районе поселка Большие Коты в Иркутской области на Байкале заместителя директора по научному направлению, заведующего лабораторией Томского института оптики атмосферы доктора физико-математических наук Михаила Панченко.

ФЕНОМЕН СВЕЧЕНИЯ БАЙКАЛА В КИНО

Добавим: нашими научными изысканиями в 2012 г. заинтересовался Роскосмос**. Его съемочная группа посетила технопарк ИрГТУ с целью запечатлеть уникальный процесс изучения свечения байкальских вод. Съемки проводили в лаборатории нанолюминесценции и непосредственно на самом озере.

Наши исследования стали центральной темой уже шестой по счету экспедиции специалистов Роскосмоса на Байкал. Ранее журналисты активно участвовали в проекте "Миры" на Байкале"***, при этом даже погружаясь на батискафах на дно, снимали работу нейтринного телескопа. А о явлении свечения озерных вод до этого практически не упоминали.

Поэтому специально для нового сюжета мы подробно рассказали и показали нашим гостям, как реально проводятся лабораторные исследования свечения байкальской и ангарской воды.

* Кавитация - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Возникает в результате местного понижения давления в жидкости (прим. ред.).

** См.: М. Евгеньева. Наступление на космос. - Наука в России, 2011, N 4; М. Хализева. "Радиоастрон" приблизит дальний космос. - Наука в России, 2012, N 1 (прим. ред.). *** См.: М. Хализева. Донные трассы "Миров". - Наука в России, 2009, N 1 (прим. ред.).

Опубликовано 12 октября 2022 года