Академик Александр Глико: «Нужно перестать вредить природе»
25 декабря 2023 г.
О науках о Земле, сейсмологии, планетарной геофизике и многом другом «Научной России» рассказал академик РАН Александр Олегович Глико – руководитель научного направления «Планетарная геофизика» Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, член Президиума РАН.
– Александр Олегович, вы много лет руководили Институтом физики Земли, почти 15 лет были академиком-секретарем отделения наук о Земле РАН. Наверное, в науках о Земле вы знаете практически все?
– Конечно же, нет. Любое знание ограничено, а наше незнание бесконечно велико. Но в каких-то пределах я компетентен.
– Какие направления в науках о Земле сейчас наиболее важны в плане как фундаментальных, так и прикладных исследований?
– Науку часто делят на прикладную и фундаментальную. Это можно принять как некоторую условность, но не в виде жесткой дихотомии: многие открытия в науке, ставшие важными в целом, начинались с решения практических задач, а многие фундаментальные исследования через некоторое время приводили к новым достижениям в технологической сфере и выходу в практику.
В науках о Земле практическая часть всегда была связана с геологическими исследованиями, поиском месторождений твердых полезных ископаемых, нефтяных и газовых залежей и в целом с развитием минерально-сырьевой базы. Поэтому ближе других дисциплин к непосредственному практическому использованию своих достижений находятся горные науки (новые эффективные методы разработки месторождений, а также обогащения минерального сырья), нефтяная геология и геофизика.
– Одно время стало модным называть наше национальное богатство (нефть, газ и соответствующие добывающие отрасли) «нефтяным проклятием», мешающим развитию высокотехнологичных производств. Вы с этим согласны?
– Категорически нет. Какое же это проклятие, если страна этим жила и живет до сих пор?! Беда заключалась в возобладавшей примитивной мысли: «Все, чего у нас нет, мы можем купить (за счет доходов от продажи углеводородов на Запад), и это обойдется нам дешевле, чем развивать собственную промышленность». Сейчас вместе с осознанием реальности прилагаются большие усилия для стимулирования технологического развития, и эти усилия должны принести свои плоды.
Фундаментальная часть наук о твердой оболочке Земли определяется необходимостью получения знаний о структуре и вещественном составе земных недр, о геодинамических процессах, определяющих тектоническое развитие нашей планеты, о физических полях Земли, о сейсмических процессах и вулканических явлениях.
Для другой части наук о Земле, связанной с изучением океана, атмосферы, водных ресурсов, также характерно тесное взаимодействие фундаментальных и прикладных направлений. Самый замечательный пример – исследования климатических изменений, осуществляемые на основе анализа огромного количества разнообразных данных, построения и использования сложнейших физико-математических моделей. Практическая сторона этой проблемы, связанная в частности с глобальным потеплением, очевидна и представлена в многочисленных дискуссиях и обсуждениях в средствах массовой информации. Среди членов отделения наук о Земле есть ряд выдающихся ученых – специалистов в области климатологии, океанологии и физики атмосферы, которые могут предметно рассказать об этой проблеме.
– Как давно люди начали интересоваться вопросами строения Земли, ее недрами?
– Трудно ответить конкретно. Неоспоримо вечное стремление человека проникнуть в сущность вещей. Тут уместно вспомнить Тита Лукреция Кара и его замечательную поэму «О природе вещей». Можно привести и более ранний пример Эратосфена, библиотекаря из Александрии, сумевшего в III в. до н. э. определить размер окружности Земли. Попытки понять причины тех или иных наблюдаемых явлений, осознать связь различных фактов были всегда свойственны человеческому разуму. Но величайшие открытия совершались истинными гениями, такими как Исаак Ньютон, Д. И. Менделеев, И. П. Павлов.
– Но ведь и в науках о Земле тоже были великие люди?
– Это так. У нас в вестибюле Института физики Земли вы можете увидеть бюст князя Бориса Борисовича Голицына – одного из основателей современной сейсмологии. Это удивительная фигура! Окончил Морскую академию и Страсбургский университет, внес огромный вклад в теорию теплового излучения (им было впервые введено представление о температуре излучения абсолютно черного тела), теорию критического состояния вещества, а также оптику. При этом он был директором Главной физической обсерватории, заведующим Экспедицией заготовления государственных бумаг, а в годы Первой мировой войны до своей кончины в 1916 году – начальником Главного военно-метеорологического управления.
Но его важнейшие достижения относятся к сейсмологии. Именно Б. Б. Голицын создал первый современный сейсмограф. Нам сейчас не кажется удивительным тот факт, что сейсмические (упругие) волны, генерируемые землетрясениями, могут регистрироваться на расстояниях в десятки тысяч километров. К началу ХХ в. были изобретены первые весьма несовершенные механические сейсмографы. Они характеризовались огромной массой (от нескольких сот килограммов до нескольких тонн) и очень низким коэффициентом усиления. При механическом способе регистрации для записи вертикальной составляющей сейсмических колебаний с характерными периодами порядка нескольких секунд требовались маятники именно с такими величинами массы.
Б. Б. Голицыным был предложен, теоретически обоснован и разработан принципиально новый электромагнитный метод регистрации сейсмических колебаний, позволивший достичь увеличения в несколько сот тысяч раз. Но самое главное его достижение связано с введением в систему электромагнитного затухания, что решило проблему веса: сейсмографы Б. Б. Голицына, которыми в течение короткого срока были оборудованы сейсмологические сети многих стран, весили всего несколько килограммов.
Среди других достижений Б. Б. Голицына – способ определения координат эпицентра землетрясения по данным одной сейсмической станции, метод вычисления энергии землетрясения по записям сейсмических волн и ряд других существенных результатов.
– Сейсмология – в большей степени фундаментальная или прикладная наука?
– Сейсмология относится, с одной стороны, к фундаментальной науке, потому что дает ответ на вопрос о происхождении и природе землетрясений на основе синтеза наблюдений и теории распространения волн. Б. Б. Голицыну принадлежит крылатая фраза: «Можно уподобить всякое землетрясение фонарю, который <…> освещает недра Земли…». Наблюдая сейсмические волны, можно определить строение Земли и ряд физических параметров ее вещества.
Практическая же сторона сейсмологии связана с тем, что она обеспечивает информацию об основных характеристиках сейсмического процесса, позволяет определить сейсмически опасные районы, провести градацию этих районов по степени опасности и оценить закономерности повторения сейсмических событий. Это так называемое сейсмическое районирование. Я уже не говорю о прогнозировании землетрясений. Это особая и сложная проблема.
– Научимся ли мы когда-нибудь делать краткосрочные прогнозы землетрясений?
– Вопрос очень глубокий. Для Института физики Земли это всегда было одним из основных направлений научных исследований. Сама тема возникла достаточно давно. Необходимость целенаправленного исследования процессов подготовки сильных землетрясений встала на повестку дня после разрушительного Ашхабадского землетрясения 1948 года. В этом же году О. Ю. Шмидт передал руководство институтом академику Г. А. Гамбурцеву, выдающемуся геофизику, разработавшему ряд новых методов геофизической разведки, успешно применяемых и до настоящего времени, а также метод ГСЗ (глубинного зондирования Земли).
Г. А. Гамбурцев понимал, что успех вряд ли могут принести разрозненные исследования, не объединенные некоторой общей концепцией. Он выдвинул замечательную цельную программу изучения сейсмических процессов, основанную не только на непосредственных сейсмических наблюдениях и их обработке, но и на постановке широких сейсмотектонических работ, привлечении средств изучения медленных движений земной коры, которые могут иметь связь с сейсмическими событиями, учете реологических свойств пород в зоне сейсмических разломов и т. д.
– Но ведь его программа не была реализована?
– Это так. Возможно, свою роль сыграла критическая статья, опубликованная в центральной газете «Правда». Крупнейший натиск на проблему прогнозирования землетрясений охватывает примерно тридцатилетний период (до 1988 года), когда эта тема была провозглашена директором института академиком М. А. Садовским в качестве одного из главных направлений работы ИФЗ РАН.
В это время в институте сложился мощный коллектив выдающихся исследователей (Б. В. Костров, Г. А. Соболев, В. Ф. Писаренко, И. Л. Нерсесов и многие другие), и в результате выполненных в это время работ были выявлены многие закономерности и особенности сейсмических процессов. Большую роль здесь сыграл специальный полигон ИФЗ РАН, построенный в Гарме (Таджикистан). Именно на этом полигоне изучались разнообразные предвестники землетрясений и осуществлялось широкое международное сотрудничество, прежде всего с американскими сейсмологами.
Прекрасный полигон был оборудован на Камчатке, где проводятся целенаправленные комплексные геофизические наблюдения. Были развернуты лабораторные работы, направленные на физическое моделирование сейсмических процессов.
– Что же удалось в результате понять?
– Было предложено несколько типов предвестников, ассоциировавшихся с теми или иными землетрясениями. Они выявлялись в различных геофизических полях. Но доказать их универсальность не получалось. С этой целью нужно было изучить фон, на котором эти предвестники проявлялись. Это изучение показало, что масса предвестников (или квазипредвестников) затушевываются другими событиями. Появилась мысль, что нужно строить большие сети наблюдений. Наиболее плотная сеть наблюдений была организована на территории Калифорнии, подверженной сильной сейсмической активности. Но предсказать землетрясение на юге штата, произошедшее в 2019 году и принесшее ущерб в $1 млрд, система не помогла.
– Сейсмические приборы не сработали?
– Проблема в том, что концепции прогнозирования основываются не только на анализе собственно сейсмических данных, но и на изучении вариаций концентрации радона в воде, изменений электрического сопротивления среды, мониторинге других физических параметров. Землетрясение имеет многофакторную природу. Поэтому краткосрочные события анализу не поддаются.
Постепенно на смену «буре и натиску» пришло понимание огромной сложности изучаемых явлений и процессов. Нередко получается, что изначальная концепция оказывается не то чтобы неверной, но не совсем адекватной. Стало очевидно, что землетрясение – это очень сложное явление, при котором крайне важен масштаб. Многие физические процессы могут быть всесторонне исследованы на лабораторных моделях в случае соблюдения соотношений подобия, определяющихся характерными безразмерными величинами. Эти числа представляют собой комбинацию физических параметров (например, в гидродинамике это числа Рейнольдса, Прандтля, Нуссельта).
– А с землетрясениями так нельзя?
– К сожалению, вряд ли. В данном случае эффект масштаба определяется величиной подвижки. В лаборатории, как правило, можно наблюдать разрушение образца с очень небольшой подвижкой по образовавшемуся разлому. А при сильном землетрясении масштаб подвижки – метры. Оказывается, что на больших глубинах на преодоление трения при движении по разрыву расходуется намного больше энергии, чем на образование самого разрыва. При этом в зоне смещений за счет трения может происходить разогрев вплоть до дегидратации отдельных минералов и даже плавления. Известны даже специфические породы, так называемые псевдотахилиты, структура которых указывает на их происхождение в очаговых зонах землетрясений. Поэтому физическое моделирование землетрясений – безумно сложное, но очень важное направление исследований.
Есть и еще один, возможно, центральный момент в проблеме краткосрочного прогнозирования. Это вопрос о необходимости очень высокой точности прогноза. Ведь в случае прогноза разрушительного землетрясения для территории крупного города население должно будет покинуть дома, учреждения, транспортные средства и др. При вероятностном характере прогноза вполне можно неоправданно вызвать всеобщий коллапс с колоссальными убытками. Точный же прогноз времени землетрясения в настоящее время невозможен.
– Что же делать?
– Интерес к прогнозированию стал таять, и в этих условиях акцент переместился на сейсмическое районирование. Это очень важная вещь – детально знать районы, где может случиться разрушительное землетрясение с магнитудой восемь баллов, а где-то, скажем, с магнитудой шесть баллов, и строить здания с учетом этой информации. Эта тема лежит за пределами нашей беседы, но я хочу сказать, что примат сейсмического районирования возобладал даже в Японии, хотя Япония – страна, где у каждого жителя есть понимание того, что катастрофическое землетрясение может случиться хоть завтра. Есть очень интересный роман Кэндзабуро Оэ «Объяли меня воды до души моей», фабула которого связана с жизнью маргинальной группы подростков, одержимых мыслью о скором катастрофическом землетрясении и готовящихся к тому, чтобы во время всеобщей паники захватить корабль и уйти на нем в море.
– А как же цунами?
– Во-первых, не каждое сильное землетрясение приводит к цунами – необходимо большое вертикальное смещение поверхности дна в области очага; во-вторых, цунами в настоящее время достаточно хорошо прогнозируется. Так что времени на то, чтобы захватить судно и отплыть, у них могло бы быть достаточно. А в открытом океане цунами не ощущается.
– Нужны ли еще какие-то научные исследования, чтобы дополнить те работы, которые сейчас ведутся?
– Можно ожидать, что дополнительный свет на процессы, происходящие в зоне подготовки и самого очага землетрясения, прольют физико-химические исследования пород типа псевдотахилитов и реакций, приводящих к их формированию. В отношении статистических моделей возможно выявление неизвестных до сих пор закономерностей в сейсмическом процессе на основе применения новых методов анализа больших данных.
– А что лично вам удалось объяснить в геофизических процессах?
– Мой интерес к самым разным аспектам жизни земных недр сформировался под влиянием моего учителя академика Владимира Александровича Магницкого, человека широчайшего кругозора и энциклопедических знаний. В первую очередь меня заинтриговала природа таких ярких явлений, как магматизм и вулканизм. В те ранние для меня годы (середина 1970-х годов) С. А. Федотовым на Камчатке был обнаружен эффект обогащения спектра сейсмических волн высокими частотами на записях станций, расположенных перед вулканами, и низкими частотами на записях станций, находящихся за вулканами.
– Как можно объяснить этот эффект?
– Объяснить этот факт можно было, исследовав дифракцию падающей волны на неоднородность, которую представляет собой глубинный магматический очаг. Решение соответствующей задачи позволило показать, что дифракционная картина лучше всего согласуется с предположением о частичном плавлении вещества очага. Проверить и конкретизировать этот вывод можно было, рассмотрев имеющиеся данные по поглощению сейсмических волн в вулканических зонах и сравнив эти данные с параметрами поглощения волн в двухфазной среде, которую представляет собой частично расплавленное вещество.
В данном случае двухфазная среда рассматривается как упругая матрица, содержащая включения вязкой жидкости в виде изолированных включений или распределенной системы взаимосвязанных объемов.
Здесь нужно сказать, что теория эффективных упругих модулей (и эффективных скоростей упругих волн) таких сред была очень хорошо разработанной областью, существовали различные подходы и методы оценки указанных свойств. Но вопрос об эффективном поглощении сейсмических волн в двухфазной среде оставался практически неразработанным. Было важно найти методы оценки поглощения волны, распространяющейся через такую среду (конечно, в условиях, когда длина волны намного больше характерного масштаба среды). Соответствующая потеря энергии измеряется величиной, обратно пропорциональной так называемой добротности среды. Чем выше добротность, тем меньше среда поглощает.
– Как это интересно звучит – добротность среды! И вы нашли нужные методы?
– Целью моих исследований было построить теоретическую модель, на основе которой можно было бы получить оценки добротности. В результате был сделан вывод о распределенном характере расплава в среде глубинного очага, что хорошо согласовывалось и с результатами полученной ранее дифракционной картины.
Переход в Институт физики Земли открыл новые возможности и стимулировал мой интерес к проблемам тепломассопереноса в недрах Земли. Часто повторяемый штамп «Земля – тепловая машина» в принципе недалек от истины. Конвекция как процесс, при котором нагретое вещество, преодолевая за счет сил плавучести силы вязкости, поднимается вверх и после охлаждения теряет запас плавучести, становится тяжелее, погружается вглубь, – это движущий механизм тектоники плит. Этот механизм определяет развитие глобальных тектонических структур – срединно-океанических хребтов и зон субдукции и процессы дрейфа континентов.
Однако явления магматизма и вулканизма не только распространены на границах тектонических плит, но и спорадически возникают внутри самих плит – как континентальных, так и океанических.
– Почему это происходит?
– В континентальных условиях развитие внутриплитового магматизма/вулканизма приводит к формированию внутриплитовых поднятий (примеры – плато Дарфур, Тибести, Ахаггар в Африке, Тянь-Шань в Центральной Азии, вулканическая провинция в северо-восточном Китае и др.) и в определенных условиях – рифтовых зон (Восточно-Африканские рифты, Байкальская рифтовая зона, Рейнский грабен и др.). Образование этих структур связано с подъемом так называемых мантийных плюмов (узких мантийных струй), возникающих в условиях сильно нестационарной конвекции.
Однако их формирование определяется сложными процессами взаимодействия поднимающегося плюма с литосферой – относительно твердым верхним слоем, включающим земную кору и часть верхней мантии. Эти процессы и стали предметом моих исследований.
– Что важного в них удалось понять?
– Удалось построить модели, описывающие быстрый прогрев нижней части литосферы и продвижение плюма вверх в процессе удаления прогретой части литосферы возникающими течениями. Используя петрологические данные по эволюции глубин генерации магмы в пределах рифтовых зон, мы получили оценки величин потоков тепла на подошве литосферы и их зависимости от времени. Общий характер эволюции тепловых потоков имеет характер «теплового удара» – резкий начальный рост и последующее медленное убывание.
– А ведь еще вы занимались изучением высокотемпературных гидротермальных систем на дне океанов...
– Совершенно верно. Эти системы, впервые обнаруженные в начале 1970-х гг. и в дальнейшем открытые в самых разных частях Мирового океана, стали важнейшим предметом исследований морских геологов, в том числе советских и российских. Помимо чисто фундаментального научного интереса к флюидным системам с температурами порядка 350–400 °С, геологи смогли увидеть воочию процессы современного рудогенеза. Водные флюиды, в которых растворено большое количество металлов, целого ряда ценных компонентов, выходят из глубин к поверхности дна, и в результате взаимодействия с морской водой происходит осаждение окислов и сульфидов металлов, образующих в зависимости от температуры черный (черные курильщики) или белый (белые курильщики) шлейф.
Мне удалось построить эволюционные модели теплового режима таких систем, включая взаимодействие системы с порождающей магматической камерой, описать процессы осаждения кремнезема, запечатывания каналов поступления флюида и в конечном итоге оценить время жизни высокотемпературных систем в различных условиях.
А сейчас меня очень интересуют проблемы, связанные с физико-химическими процессами в очаговых зонах и механизмами прерывистого скольжения.
– В Институте физики Земли вы курируете вопросы, связанные с планетарной геофизикой. Это подразумевает геофизические исследования планет?
– В данном контексте слово «планетарный» надо понимать шире, включая и недра Земли. То есть сюда относятся все исследования по физике Земли, включая геолого-геофизические, палеомагнитные, геотермические исследования.
Кроме того, конечно, проводятся исследования и в области сравнительной планетологии. Последнее направление важно не только в плане изучения физических полей и внутреннего строения планет, но и для понимания процессов в недрах Земли – мы ищем сходство или непохожесть свойств Земли и других планет земной группы.
Например, очень важно прояснить природу отсутствия планетарного магнитного поля у Марса и Венеры. Считается, что у Марса в настоящее время отсутствуют жидкое металлическое ядро и, соответственно, условия для механизма геодинамо. Обнаруженные полосы и пятна намагниченных пород на Марсе могут указывать на существовавшее в прошлом планетарное поле и жидкое ядро, затвердевшее в процессе охлаждения планеты. В отношении Венеры тоже есть открытые вопросы: например, возможно, жидкое ядро у этой планеты существует, но низкий градиент температуры в ядре (ниже адиабатического) и медленное вращение препятствуют развитию конвекции и генерации магнитного поля.
Направление планетологии было изначально создано в институте его основателем О. Ю. Шмидтом, стало ведущим в стране, и результаты соответствующей лаборатории пользовались широким международным признанием. Здесь работали такие крупные ученые, как В. С. Сафронов, Е. Л. Рускол, Б. Ю. Левин, А. В. Витязев. 1990-е гг. нанесли сильный удар по фундаментальной науке, причем наиболее сильно пострадали, так сказать, отвлеченные направления. Объективно трудно было привлечь к исследованиям в области планетологии и космогонии молодых людей, которые могли бы заменить старшее поколение. Сейчас это направление поддерживается усилиями таких крупных исследователей, как А. Б. Макалкин (космогония, модели планет-гигантов) и Т. В. Гудкова (модели внутреннего строения и гравитационного поля Марса).
– Происходят ли землетрясения на других планетах?
– Происходят, но они имеют другую природу. На Луне были зарегистрированы «лунотрясения». Записи этих событий, вызванных, скорее всего, приливными деформациями или ударами падающих космических тел, совершенно непохожи на записи землетрясений из-за очень высокой добротности вещества недр Луны. Можно сказать, что лунные недра «звенят». А вот на Марсе сейсмическое событие, зарегистрированное в 2022 году посадочным модулем NASA InSight, как свидетельствует анализ, выполненный американскими учеными, вероятно, связано с высвобождением тектонических напряжений.
– Значит, любые стихийные бедствия – извержения вулканов, землетрясения – свидетельства того, что планета живая?
– Наверное, можно и так сказать. Но тогда нужно добавить и еще более живые симптомы – тайфуны и наводнения, сокрушающие среду обитания и наносящие огромный ущерб.
Мне кажется, в этом отношении мы наблюдаем определенный рост опасных гидрометеорологических явлений. Похоже, что климатическая система в каком-то смысле вышла из равновесия. Я не специалист в этой области, но помню по своему детству: в начале апреля в Москве еще лежал снег, зимы были настоящие и никаких ледяных дождей не было.
А теперь весной в Новосибирске бывает намного теплее, чем в Москве. На одном из последних заседаний президиума РАН был представлен очень интересный доклад академика Г. Г. Матишова о маловодье в районе Азовского моря и бассейне Дона. Много таких наблюдений, климат определенно меняется, но тут интересно мнение специалистов.
– Что же со всем этим делать?
– Специалисты сошлись во мнении о необходимости сокращения выбросов парниковых газов и увеличения доли «зеленой» энергетики. Но, как я понимаю, есть определенные пределы развития ветровой энергетики, связанные с воздействием низких частот на живые организмы. Ресурсы развития гидротермальной энергетики ограничены, переход на водородную энергетику упирается в решение ряда проблем, одна из которых – необходимость создания полного замкнутого цикла использования литиевых аккумуляторов или применения в аккумуляторах менее токсичных элементов. Использование новых типов экологически безопасных ядерных реакторов оказывается опасным по причине возникновения в том или ином регионе политической турбулентности и террористической угрозы.
Академик Ж. И. Алферов утверждал, что через 30–40 лет (а ведь это небольшой интервал времени) вся энергетика будет солнечной. Это легко понять, если иметь в виду солнечный Туркменистан, Сахару или вообще пустыни. Но применительно, скажем, к Арктическому региону это не так очевидно.
Что же касается вопросов «Что делать?» или «Что изменить?», можно сказать лишь одно: нужно перестать вредить природе или хотя бы не увеличивать причиняемый вред в виде вырубки лесов, осушения болот и др.
Должен сказать и еще об одном. На одном из заседаний президиума РАН директор ФНЦ гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова академик В. А. Шевченко предложил в целях решения проблем водохозяйственного комплекса бассейна Дона, ни много ни мало – поручить его институту проработать проект переброски воды сибирских рек.
– Опять?! Это же давно известные «грабли».
– Мне представляется, что, прежде чем предлагать новый проект переброски сибирских рек, следовало бы ознакомиться со старым проектом, обоснованием которого занимался ИВП РАН, и его беспощадной критикой со стороны академика А. Л. Яншина, академика С. П. Залыгина, академика Д.С. Лихачева и всего сообщества сибирских ученых.
– Есть американский фильм о путешествии вглубь Земли на обитаемом аппарате. Это, конечно, парафраз основной идеи романа Жюля Верна «Путешествие к центру Земли». Что вы думаете по поводу возможности таких путешествий?
– Фантастика фантастикой, но я помню, что в свое время вполне серьезно рассматривался проект зондирования глубин Земли с помощью высокорадиоактивной капсулы, погружающейся под действием силы тяжести путем прогрева и расплавления пород. Обсуждались различные типы датчиков, которые могли бы измерять те или иные физические параметры глубинного вещества. Но вот проблему передачи данных на поверхность решить не удалось, что и неудивительно.
Источник: «Научная Россия», беседовала Наталия Лескова.