Фундаментальная наука иногда кажется настолько оторванной от повседневной реальности, что хочется вдохновляться, как минимум, масштабностью ее проблем или зрелищностью экспериментов и установок. Типичным примером такой научной дисциплины, которая ассоциируется с абсолютной фундаментальностью и при этом грандиозностью, является изучение нейтрино.

Немного истории

Нейтрино это совокупное название группы легчайших элементарных частиц, относящихся к фермионам. Существование нейтрино было предсказано Вольфгангом Паули в 1930 году, а экспериментально подтверждено в 1956 году Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом. При этом Паули лишь неформально, в виде чистой гипотезы, предположил, что имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть нейтронами и которые обладают спином . Масса нейтрона по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Таким образом он пытался объяснить наблюдаемую природу бета-распада. Он назвал такую неоткрытую частицу нейтроном. Только через два года, в 1932, Джеймс Чедвик открыл в атоме крупную элементарную частицу, сравнимую по массе с протоном, и назвал ее нейтрон, а неуловимый фермион Паули впоследствии удостоился названия нейтрино (нейтрончик) с легкой руки Энрико Ферми.

С тех самых пор нейтрино окружены ореолом загадочности в силу своих поразительных свойств. Они всерьез и надолго обосновались в научной фантастике так, Кельвин, главный герой Соляриса, предполагает, что именно из нейтрино разумный океан формировал своих фантомов, в том числе, фантом Хари, возлюбленной Кельвина. Вкратце напомню основные уникальные и парадоксальные аспекты нейтрино:

1. Долгое время продолжалась дискуссия о том, обладают ли нейтрино массой. При наличии массы у этих частиц они не вписываются в Стандартную модель физики частиц. Соответственно, это означает, что физика не ограничивается Стандартной Моделью, а за пределами Стандартной Модели существует еще и Новая Физика, изучение которой начнется с нейтрино. Сегодня известно, что нейтрино имеют ненулевую массу, примерно в шесть миллионов раз меньше, чем у электрона.

2. Нейтрино практически не взаимодействуют с веществом именно поэтому Паули и допускал, что они никогда не будут открыты. Поэтому детекторы нейтрино, которые иногда называют нейтринными обсерваториями устанавливаются глубоко в толще воды, льда, горных пород. Такая толща служит уловителем практически для всех прочих элементарных частиц, поэтому высока вероятность зафиксировать в детекторе именно нейтрино, как солнечные, так и астрофизические, возникающие, например, при взрывах сверхновых.

3. Как и у всех частиц, у нейтрино существует своя античастица антинейтрино. Отличия свойств нейтрино и антинейтрино помогают пролить свет на отличия вещества и антивещества в целом и, возможно, позволят выяснить, почему во Вселенной существует колоссальная асимметрия между количеством вещества и антивещества, куда подевалось почти все антивещество ведь, теоретически, после Большого Взрыва они должны были образоваться в равных количествах.

С этими и другими темами мне довелось познакомиться подробно и достаточно давно. В 2014-2015 году я работал переводчиком в издательстве Альпина Нон-Фикшн, и в этот период, в первые несколько месяцев 2015 года, перевел книгу Рэя Джаявардханы Охотники за нейтрино. На тот момент мне казалось, что эта тема слишком академична и сложна для широкой читательской аудитории, но книга оказалась настолько интересной, а я так надолго увлекся этой темой, когда она еще не была мейнстримом, что возвращаюсь к ней до сих пор. Разброс рассматриваемых тем, связанных с нейтрино, впрочем, меняется слабо. Пишут о новых детекторах, все более точных измерениях массы и скорости нейтрино, о космологической ценности этих исследований. Не буду здесь углубляться в эти аспекты, поскольку они хорошо и подробно рассмотрены на русском языке (и при этом богато иллюстрированы). Но позволю себе привести список статей с Хабра, которые вышли уже после книги Джаявардханы и кажутся мне наиболее интересными:

1. BAIKAL-GVD. Охотники за нейтрино (2.02.2020). Пост автора @DNLP о кластере глубоководных детекторов нейтрино, устанавливаемых в озере Байкал. Отличный материал с большим количеством видео и техническими деталями. На самом деле, идея использовать Байкал в качестве естественного водного резервуара гениальна, а географическое расположение детектора позволяет в большом количестве отлавливать нейтрино, прилетающие к нам со стороны Южного полюса. Аналогичный, совсем свежий материал недавно вышел на сайте Медузы.

2. Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино (24.09.2019). Автор @Bars21. Подробный разбор парадокса #3 из вышеприведенного списка.

3. Поймай меня, если сможешь: радиоволны, каскад частиц и лед для поимки нейтрино (11.03.2020) Пост автора @Dmytro_Kikot, дающий представление о подледном лове нейтрино.

4. Как неудавшийся ядерный эксперимент случайно породил нейтринную астрономию (15.07.2018) перевод с английского от редактора Хабра @SLY_G. Действительно, в тематических источниках зачастую умалчивается, что знаменитые нейтринные детекторы в шахтах Камиока в Японии (Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande) были оборудованы на месте совершенно другого физического мега-эксперимента, не увенчавшегося успехом, и переориентация этого комплекса на изучение нейтрино во многом счастливая случайность.

Итак, завершая такое пространное вступление, я перейду к сути этой статьи. При всей важности нейтрино в качестве диагностического инструмента в теоретической физике, ядерной физике, космологии и астрономии, для этих неуловимых частиц уверенно просматриваются возможности практического применения. Именно о них пойдет речь в оставшейся, наиболее интересной части статьи.

Нейтрино и телекоммуникация

Идея об использовании нейтрино в качестве носителя информации привлекательна в силу того, что нейтрино беспрепятственно проникают через любой материал. Таким образом, они могли бы служить надежным носителем информации в таких средах, где распространение электромагнитных волн затруднено или невозможно.

В 2010 году было высказано предположение, что нейтрино могут применяться для однонаправленной связи с субмаринами, постоянно находящимися в подводном положении. Пучок нейтрино можно было бы направить в расположенный в условленной точке океана детектор. При попадании нейтрино в такой детектор рождались бы мюоны, испускающие излучение Черенкова, а подводная лодка могла бы считывать переданную информацию при помощи детекторов, проходя мимо при патрулировании зоны. В источнике такая точка именуется почтовый ящик; указано, что в силу почти полного отсутствия помех на такой глубине, ящиков в заданной зоне могло бы быть несколько, а скорость передачи информации в мюонное хранилище (muon storage) могла бы составлять более 100 бит/с.

Предыдущий пример подсказывает, что наибольшую проблему в данном случае составляет вычленение сигнала из шума, то есть, необходимость создания детектора, который различал бы информативную последовательность нейтрино на фоне нейтрино естественного происхождения. Кроме того, в примере с подводными лодками не удается уйти от пропускания пучков нейтрино через толщу воды, которой в данном случае служит сам океан. Но сохранились сведения о работах, предполагающих нейтринную коммуникацию без использования водного резервуара. В 2016 году исследовательская лаборатория Pirelli в Милане опубликовала материал о том, что с начала 2000-х ведутся работы по синтезу кристаллов кремния или кварца, используемых в качестве детекторов нейтрино. Кристалл охлаждается почти до абсолютного нуля, и при попадании пучка нейтрино температура этого кристалла немного возрастает, что можно зафиксировать при помощи приборов. Такие детекторы были бы не только гораздо компактнее водных резервуаров, но и обеспечивали бы когерентное рассеяние полученных нейтрино, и их осцилляции затем можно было бы считывать и расшифровывать. Правда, пока ни о каких практических результатах этих исследований не сообщается

Широкую известность получил эксперимент, поставленный в 2012 году в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилабе) в Чикаго в ходе упоминаемого эксперимента ученым действительно удалось передать в пучке нейтрино информацию, а именно закодировать слово neutrino. Информация была передана с мощнейшего современного генератора нейтрино NuMI на расстояние более километра и зафиксирована детектором MINERvA. Вот как процесс проиллюстрирован на рис. 1 к упоминаемой научной статье:

Несомненно, перед нами лишь proof-of-concept (доказательство осуществимости), показанное почти 10 лет назад, но развитие нейтринной телекоммуникации ограничено техническими, а не фундаментальными сложностями. Таким образом, подобные технологии вполне могут стать реальностью.

Нейтрино и контроль над использованием ядерных реакторов

Одним из самых распространенных источников нейтрино на Земле являются ядерные реакторы. Предпринимаются попытки устанавливать уловители нейтрино (точнее антинейтрино) вблизи от ядерного реактора, на расстоянии в пределах 10 метров, для изучения свойств этих частиц. О таком эксперименте подробно рассказано в интервью д.ф.-м.н. Дмитрия Наумова, зам. директора по научной работе Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. При этом Наумов отмечает, что по свойствам улавливаемых антинейтрино можно достоверно определить, не используется ли реактор для производства оружейного плутония-239. Любая компания, занимающаяся эксплуатацией ядерного реактора, обязана предоставлять данные о том, сколько плутония получает в ходе работы, и нейтрино позволяют проверить эти данные. Впрочем, существовали гораздо более фантастичные проекты, связанные с нейтринным шпионажем. В 2010 году группа французских физиков во главе с Тьерри Ласьерром опубликовала статью о том, как, регистрируя потоки нейтрино, можно обнаруживать незадекларированные ядерные реакторы. Более того, авторы предлагали устанавливать нейтринные детекторы на кораблях и следить за развитием ядерных программ Ирана и Северной Кореи, заходя в прибрежные воды этих государств.

Нейтрино и геологические изыскания

Эта прикладная возможность отчасти смыкается с предыдущей предполагается, что детекторы нейтрино полезны при поиске месторождений урана и тория. Но гораздо более интересные возможности открываются при измерении свойств солнечных нейтрино, которые, как было указано выше, свободно пронизывают Землю насквозь. Изучая изменение осцилляций нейтрино при их прохождении через толщу пород можно было бы проводить томографию литосферы, находить в ней полости, анализировать плотность веществ, заполняющих эти полости. Такая технология открыла бы путь к обнаружению глубоких месторождений нефти. В частности, подобные идеи исследованы в статье перуанских ученых, опубликованной в 2015 году. Предполагается, что для такой цели могли бы использоваться не только солнечные нейтрино, но и направленные пучки нейтрино, сгенерированные искусственно. В таком случае геологоразведочные работы можно было бы существенно ускорить, затрачивая на поиск месторождений не годы, а месяцы. Впрочем, на момент публикации статьи еще не существовало столь мощных генераторов нейтрино, которые позволили бы воплотить эту технологию.

Впрочем, спектрометрия литосферы с использованием нейтрино вновь возвращает нас от прикладных задач, решаемых при помощи нейтрино, к фундаментальным. При наличии достаточно точных детекторов нейтрино можно было бы подробно изучить не только состав земной коры и распределение химических элементов в ней, но и продвинуться в исследовании свойств и состава земного ядра. Нейтринное зондирование позволило бы проверить (и окончательно опровергнуть?) даже весьма сомнительную теорию о существовании естественных ядерных реакторов в недрах планеты, но в эту тему я точно углубляться не буду.

Заключение

Надеюсь, у меня получился по-настоящему приземленный рассказ об исследовании нейтрино в XXI веке, и читатели убедились, что эти удивительные частицы важны отнюдь не только в космологии и теоретической физике. Если вам известны какие-то иные попытки практического применения нейтрино и технологии на их основе давайте поговорим об этом в комментариях.

Когда планета не планета? Когда идут гелиевые дожди? Как вода одновременно может быть в твердом и жидком состоянии? Чтобы ответить на эти вопросы, ученые берут вещества, из которых обычно состоят планеты, подвергают их экстремальному давлению и смотрят, что получится.

В одной из самых технологически продвинутых лабораторий всех времен включают высокоэнергетический лазер. Он испускает импульс света, который существует доли секунды, и в течение этого времени воздействует на микроскопические количества наиболее распространенных веществ во Вселенной.

Такая ударная волна может создать никогда ранее не виданные состояния вещества, существующие в недрах планет. Либо могут получиться минералы, рассыпанные в кратерах на спутниках, или вещества, которыми нашпигованы астероиды и метеориты, как тщательные хронисты фиксирующие историю нашего хаотического прошлого.

Звучит как цитата из научной фантастики причем, и на большом экране картинка напоминает сцену из фантастического фильма. Но сегодня такие эксперименты это реальная наука, которая делается не в одной, а во многих лабораториях высоких энергий во всем мире. Такая техника один из вариантов динамического сжатия, отличающегося высокой скоростью и интенсивностью. При стремительном сжатии планетарного вещества воспроизводятся процессы, протекающие в недрах планет и при высокоэнергетических событиях, например, при столкновениях и ударах небесных тел.

Мы стали размышлять, как реально можно создать в лаборатории такие условия, которые существуют в недрах планеты, сказалаАрианна Глисон, специалист по экспериментальной физике минералов в Национальной ускорительной лаборатории SLAC и в Стэнфордском университете в Менло-Парк, штат Калифорния. - берем самые бесхитростные минералы кварц, полевой шпат и задаемся вопросом: как они выглядят, каковы их свойства при экстремальных условиях?

Водород, метан, вода, силикаты, железо все эти обычные материалы, входящие в состав планеты, могут менять в ее недрах агрегатное состояние, в зависимости от температуры и давления. От таких изменений на атомном уровне может зависеть, будет ли у планеты ядро и мантия, будет ли магнитное поле, выдержит ли планета катастрофическое столкновение, и сможет ли на ней существовать жизнь.

На протяженииболее чем полувека ученые ставили эксперименты по динамическому сжатию и смогли выяснить, что происходит с обычным планетарным веществом в центре Земли. Возможность изучать в лаборатории внутреннее устройство более крупных планет и экзопланет появилась совсем недавно.

Алмазы, пушки и лазеры

До того, как сложились все мобильные элементы динамических экспериментов с давлением, в ходе статических экспериментов изучалось постоянное давление. При этих динамических экспериментах ученые искусственно создают такие условия с высокой температурой и высоким давлением но далее поддерживают эти условия на протяжении некоторого периода времени: минут, часов и даже лет, - говорит Глисон.

Инструмент, чаще всего используемый в таких целях, называется ячейка с алмазными наковальнями, где образцы буквально стискиваются между камнем и наковальней. После того, как к образцу приложено давление, ученые могут отслеживать любые изменения в его химии, молекулярной или кристаллической структуре, визуальных свойствах и фазе.

Научное сообщество уже почти 50 лет работает с давлениями порядка сотни гигапаскалей, то есть, 1 миллиона атмосфер, говорит Раймонд Джинлоз, ученый-планетолог из Калифорнийского университета в Беркли (давление на поверхности Земли составляет 1 атмосферу). сотня гигапаскалей важная отметка в нашей дисциплине, поскольку примерно соответствует давлению на границе ядра и мантии Земли. Вцентре ядра Землидавление примерно втрое выше, и такое давление вполне достижимо в новой, уменьшенной ячейке с алмазными наковальнями, где та же сила, что и в более ранней модели прикладывается к более мелкому образцу и, следовательно, давление удается увеличить.

Столько энергии выдает молния за долю секунды. Статическое сжатие определенно закладывает основу таких работ и является опорой для опытов, проводимых сегодня в физике минералов, говорит Глисон. Но и прочность алмаза, и миниатюрность образца не безграничны. А динамическое сжатие позволяет достичь таких давлений, которые существуют в ледяном гиганте, суперземле и газовом гиганте, позволяет изучать такие события как ударные контакты, при которых все быстро меняется. Речь о том, чтобы радикально ускорить приложение давления.

Когда вся эта дисциплина еще только зарождалась, говоритДжун Уикс, в подвалах НИИ нашлись большие газовые пушки, применявшиеся для измерений, связанных с уравнениями состояния. Снаряды на очень высокой скорости врезаются в образец-мишень, заключенный в испытательной камере, а затем ученые наблюдают, как волны давления распространяются по мишени. После этого исследуются изменения.

Уикс, занимающаяся планетологией в Университете Джона Хопкинса, Балтимор, штат Мэриленд, ставит эксперименты по сжатию образцов лазером, изучая таким образом, как атомы и молекулы взаимодействуют глубоко внутри планет. В последние 20 лет на переднем крае этой дисциплины развивается сжатие с использованием оптических лазеров высоких энергий, как например в Национальной Ускорительной Лаборатории SLAC.

Фокусируем [лазер] на образце, и он превращает поверхность образца в плазму, а эта плазма расширяется и направляет равновеликую противоположную волну давления на образец, объясняет Уикс. Все это происходит за несколько миллиардных долей секунды.

При помощи лазеров иимпульсных источников энергии удалось изучать, что происходит с веществами при давлениях до миллиарда атмосфер что в тысячу раз превышает величины, достижимые при статическом сжатии, объясняет Джелноз. Чем короче лазерный импульс, тем большего давления можно достичь с его помощью, так как образец одномоментно претерпервает более сильное воздействие.

Гелиевые дожди подсвечивают Сатурн

На Земле дождь состоит из жидкой воды, а на Сатурне из жидкого гелия. Это известно благодаря экспериментам с использованием лазера; такие эксперименты поставлены вНациональном комплексе лазерных термоядерных реакцийв Национальной Ливерморской Лаборатории им. Лоуренса. Они помогли определить, когда водород и гелий смешиваются друг с другом, а когда разделяются; это свойство называется смешиваемостью.

Водород самый распространенный элемент во Вселенной, он так или иначе присутствует в составе любого планетарного тела, как в чистом виде, так и в соединениях, например, в воде или метане, говоритТакуо Окучи, адъюнкт-профессор в Институте Планетарного Вещества при университете Окаямы в Японии. Он поясняет, что химическое состояние водорода может очень, очень отличаться в зависимости от условий окружающей среды, [в сущности] показателей температуры и давления.

Такие изменения на уровне атомов отражаются в планетарном масштабе. По словам Окучи, при давлениях, существующих в недрах Юпитера и Сатурна, водород становится металлическим, то есть, атомы водорода располагаются столь плотно, что их электроны перекрываются друг с другом. Жидкий металлический водород поддерживает магнитное поле внутри этих газовых гигантов (Окучи уточняет, что внутри Урана и Нептуна в металлическое состояние переходит вода.)

При достаточно высоких давлениях и подходящей температуре водород и гелий растворяются друг в друге, образуя однородную жидкость, говоритСара Стюарт, планетолог из Калифорнийского университета в Дэвисе. - При таком высоком давлении они уже не газообразные, но мы называем их жидкостью. Есть такой температурный предел, ниже которого гелий образует капли и в виде таких осадков выпадает в недра планеты.

Джелноз сравнивает такую смесь с маслом и водой.

Сатурн примерно на 50% ярче, чем должен быть в своем возрасте и, как объясняет Стюарт, дело именно в гелиевых дождях: они идут на Сатурне, а на Юпитере их нет. Такаяидеясуществует уже некоторое время, но лишь сравнительно недавно появилась возможность создать такие условияв лаборатории.

На Нептуне небо в алмазах

На ледяных гигантах, Уране и Нептуне, выше доля метана (CH₄), воды (H₂O) и аммиака (NH₃) чем на газовых гигантах, и эксперименты с динамическим сжатием показали, что там дожди еще более странные. Команда во главе сДомиником Краусомисследовала, что бывает с чистыми углеводородами, когда они попадают в условия, которые могут существовать в недрах такой планеты конкретно, Нептуна.

Мы зафиксировали формирование наноалмазов, говорит Краус. Давление, создаваемое при наносекундном лазерном сжатии, разрывает молекулярные связи между углеродом и водородом, в результате чего углерод спекается в нанометровые алмазы. Это открытие подтвердило давние теоретические выкладки.

Подобные эксперименты подчеркивают, насколько лазерное сжатие целесообразнее, чем ячейка с алмазными наковальнями. В экспериментах обоих типов используются источники ярчайших рентгеновских лучей, позволяющих анализировать микроструктуру образцов до, во время и после сжатия. Но, когда рассматриваешь сигнатуру крошечных алмазов, то удобнее, если в качестве инструмента сжатия алмазы не применяются.

Более того, как указывает Окучи, водород реагирует с любым окружающим веществом, в том числе, с той капсулой, в которой содержится капсула с лазером. Так же реагирует и вода, также распространенная на разных планетах. При помощи сильнейшего лазерного пучка мы сжимаем материал за считанные наносекунды, и за это время можно сразу же выполнить несколько измерений. Это наилучший способ проводить измерения в столь экстремальных условиях, без какого-либо загрязнения или химических реакций.

Брать за основу результаты наносекундных экспериментов и экстраполировать их до планетарных масштабов это порой зыбкое дело. Определенно, какие-то вещи, происходящие за наносекунды, будут происходить и на протяжении миллионов лет, говорит Краус. Вопрос в том, что еще такого может произойти за это время, чего мы не замечаем в доступных нам микромасштабах?

Ультра-краткие периоды, в течение которых мы способны доводить образцы планетарного вещества до планетарного давления, по мнению Уикс также являются самым слабым местом этого метода. Мы пытаемся задавать вопросы о том, как развивается ситуация в недрах планеты, причем, в реальности такие процессы занимают целую вечность, а в эксперименте одну наносекунду. Чем более экстремальных состояний мы пытаемся достичь, тем короче будет временное окно, доступное для их изучения.

Твердожидкая вода осложняет изучение газовых гигантов

Если мы сможем лучше понять, что происходит с веществом внутри Урана и Нептуна, это также поможет нам в изучении самого распространенного типаэкзопланет.

Краус отмечает, что среди экзопланет наблюдается изобилие мини-Нептунов, которые, вероятно, весьма похожи на наши Уран и Нептун, но лишены такой толстой водородно-гелиевой атмосферы. На самом деле там такая плотная ледяная каша.

Эксперименты, опубликованные в 2018 году, что льдистость ледяных гигантов на самом деле, более сложное явление, чем считалось ранее. Мы обнаружили, что вода переходит в такое необычное суперионное состояние лишь при высоком давлении и при таких температурах, которые характерны для глубин Урана и Нептуна, говоритМариус Милло, физик из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Ливерморе. Суперионный лед это новое состояние вещества.

Милло руководил исследовательской группой, открывшей это ранее не известное агрегатное состояние вещества. Сначала они попробовали использовать ячейку с алмазными наковальнями, а затем работали в лаборатории Omega Laser FacilityРочестерского университета, где смогли искусственно кристаллизовать воду в таком новом состоянии.

Суперионный лед это такое состояние воды, в котором атомы кислорода, входящие в состав знакомой нам молекулы H₂O, образуют кристаллическую решетку, как и в обычном льду, говорит Милло. - Но, в отличие от того льда, который мы видели в кубиках, в суперионном льду атомы водорода свободно движутся в кристаллической решетке из атомов кислорода. В таком состоянии водород напоминает жидкость внутри твердого кристалла, образованного атомами кислорода. Это очень необычное твердожидкое состояние.

При давлении, устанавливающемся в мантии ледяного гиганта (около 200 миллионов атмосфер), суперионный лед тает при температуре около 4 700 C, гораздо выше, чем температура окружающей среды. В новом исследовании команда подтвердила свойства этого нового состояния льда. Вполне возможно, что суперионный лед не тает даже в самых глубинах Нептуна и Урана, считает Милло, поэтому ледяные гиганты могут оказаться вполне твердыми.

Атомытекучего водородаобладают электрическим зарядом, поэтому воздействуют с магнитным полем планеты, а, возможно, и влияют на него. Более того, структура и перенос энергии внутри такой планеты могут влиять и на другие наблюдаемые там явления, например, на погоду.

Применить эти новые открытия при изучении ледяных гигантов сложно из-за острого дефицита наблюдаемых данных.Уран и Нептунбыли мимолетно исследованы лишь в 1980-е, когда рядом с ними прошел Вояджер-2. Поэтому мы не знаем подробностей о гравитации этих планет, их магнитных полях, погоде и составе, а все эти данные помогли бы лучше соотнести теорию и эксперименты.

В настоящее время уже прорабатываются возможности будущей космической миссии к ледяному гиганту. Компрессионные эксперименты помогают лучше представить, в каких условиях может оказаться зонд, подсказать, какие данные следует собирать во время миссии, а также трактовать эти наблюдения в верном контексте.

Проводить эксперименты с высоким давлением, беря за исходный материал ледяные гиганты из нашей системы уже очень сложная задача, говорит Краус. Чтобы затем применить полученные знания при изучении экзопланет, нужно учитывать те ограничения, что уже выявлены для наших планет и подумать, какие еще ограничения могут возникнуть.

Мы как будто разобрали Землю и собрали ее заново

Динамическое сжатие не только помогает уточнить наши представления о том, что сейчас происходит внутри планет, но и бесценно для понимания внезапных и краткосрочных высокоэнергетических событий, как, например, удары астероидов, способные основательно сбить с курса эволюцию целой планеты.

Рассмотрим систему Земля-Луна. Химические сигнатуры земных и лунных пород позволяют предположить, что давным-давно произошло серьезное импактное событие, из-за которого часть Земли была буквально снесена, и из этого материала образовалась Луна. Но, сочетая минералогию, физику высоких давлений и компьютерные симуляции, удалось выяснить, что через некоторое время после этого столкновения Земля ненадолго утратила статус планеты.

А превратилась в синестию: расплавленный текучий железокаменный сгусток, который мог напоминать по форме бублик или летающую тарелку. Мы привыкли считать, что атмосфера отделена от каменных пород, говорит Стюарт, понимаем под атмосферой ту газовую смесь, которой дышим. Пытаясь понять, что произошло после колоссального столкновения, мы учитываем в наших расчетах смешиваемость внешних областей синестии. Металлы, камень и атмосфера все это было растворено друг в друге и напоминало по свойствам жидкость.

ФормаЗемли в состоянии синестиипостоянно менялась, и различные ее части вращались с разной скоростью, что отличает синестию от обычной планеты. Мы изучали конкретные термодинамические состояния и динамику их изменения, чтобы понять, какие вещества при этом образовывались, говорит Стюарт. - Это просто открыло нам глаза, показав, что планета может превратиться в совершенно особенное тело.

Компьютерные симуляциикрайне важны для понимания импактных феноменов, и мы не можем воссоздать все реальные условия в лаборатории, моделируя столкновения как таковые, поскольку не располагаем гравитационными мощностями, которые позволили бы смоделировать событие планетарного масштаба. Мы собираем базовые материаловедческие данные о породах и минералах, но симуляции и моделирование ab initio незаменимы для понимания роли этих событий в планетарной эволюции.

Многие планеты внутри рыхлые

Земля обзавелась Луной и вновь стала планетой. Но изучение условий, при которых смешиваются железо и силикаты, поднимает новые вопросы о том, а в самом ли деле в недрах планеты они образуют отдельные слои? В стандартной модели планеты, так, как пишут в учебниках, железо, силикаты и атмосфера внутри планеты образуют ярко выраженную слоистую структуру. На этом основаны наши теории о том, как внутри планеты происходит перенос тепла и генерируется магнитное поле. Ноэксперименты с железокремниевыми сплавами подсказывают, что эти границы могут быть гораздо более зыбкими.

Наши представления о слоистых планетах могут быть совершенно неверны. Планеты-суперземлимогут выглядеть подобно Земле железное ядро, дальше скалистые породы и атмосфера, более плотная, чем у нас или весьма отличаться от Земли в том, что камень и железо в их недрах могут смешиваться друг с другом в виде расплава, и четко выраженного металлического ядра у них не будет, говорит Стюарт.

Далее такие же сложности возникают на границе условной суши и атмосферы. В недрах такой планеты могут достигаться настолько высокие показатели температуры и давления, что граница атмосферы и поверхности также становится зыбкой: часть атмосферы растворяется в магме, а магма частично рассеивается в атмосфере.

Наше представление о слоистых планетах может оказаться полностью неверным. Мы пока не можем измерить эти величины экспериментально, но в течение ближайших 10 лет сможем, считает Уикс.

Импакты и хронология Солнечной системы

Примерно 4 миллиарда лет назад во внутренней части Солнечной системы шла настоящая каменная бомбардировка. Радиоизотопная датировка минералов, образовавшихся при таких столкновениях, позволяет оценить, когда это происходило, а следы ударных контактов в зернах минералов помогают понять силу удара. Циркониевый век или бадделеитовый век очень важны для нас при периодизации всей истории этой бомбардировки, - указывает Аи-Чэн Чжан, профессор минералогии в Нанкинском университете в Китае. Но для некоторых циркониевых руд не удается уверенно определить возраст.

Чжан изучает минералы из образцов, взятых с астероидов, Марса и Луны; такие минералы образуются под действием высокого давления при ударных событиях. Мы хотим понять, почему в импактной сигнатуре от образца к образцу прослеживаются некоторые отличия. Связаны ли они со скоростью взаимодействия, либо с удаленностью гелиоцентрической орбиты от Солнца? В настоящее время мы не можем сказать с уверенностью, говорит Чжан. Эта информация критически важна, чтобы выстроить модель для понимания динамики Солнечной системы, в особенности внутренней части Солнечной системы.

Мы в ограниченной степени понимаем эти процессы, в меру того, что знаем о запуске радиоизотопных часов в минералах и о том, какие процессы могут обнулять эти часы. Чжан, стремясь до этого докопаться, анализирует метеориты и образцы, доставленные из космических миссий. Мы по-прежнему пытаемся выяснить, какие импактные события пришлись на циркониевый или бадделеитовый век, опираясь на наши минералогические и геохронологические исследования, сказал он. Это позволит понять, протекала ли импактная эра во внутренней части Солнечной системы в один конкретный период или волнами.

Усилия, связанные с уточнением импактной истории солнечной системы, призваны ответить на вопрос о жизнепригодности молодой Земли и других небесных тел, говорит Стюарт. Можно присмотреться к импактным событиям и сказать, что, возможно, именно из-за них Земля, Марс и Венера такие разные, но мы в самом деле не можем объяснить, как это произошло.

Расширяющаяся дисциплина компрессионной физики

В зависимости от диапазона давлений и интересующего нас вопроса, говорит Уикс, у нас в распоряжении всевозможные техники нагнетания высокого давления и всевозможные техники зондирования получающихся состояний. И наши методы становятся все лучше. Те или иные научные комплексы могут быть ориентированы преимущественно на иные области физики высоких энергий, например, на ядерную физику или физику высоких энергий, но нам никто не мешает пристроить туда же наши камни, а потом попытаться найти ответы на наши вопросы.

Новые приборы помогают не только выйти на новые пределы давления, но и извлекать из каждого эксперимента гораздо больше данных, и извлекать быстрее. Для сравнения: первые установки по лазерному сжатию могли делать всего несколько залпов в день, а на современных установках тестировать образцы можно раз в несколько минут.

Физика минералов вот-вот столкнется с проблемой больших данных, считает Уикс, но это не проблема, а возможность. Некоторые команды уже примериваются, как можно проектировать эксперименты с учетом возможностей машинного обучения, и не только находить наилучшие инструменты для ответа на вопрос, но и расставлять приоритеты, выбирая, какие вопросы задать прежде всего.

Некоторые экспериментаторы считают, что на ближайших этапах нужно протестировать более реалистичные смеси планетарных материалов. В конце концов, ледяные гиганты состоят не только из воды и углеводородов. Другие предлагают обращать внимание на ограниченный набор свойств вещества, в частности, на его электропроводимость, вязкость и скорость охлаждения, и искать, как эти величины связаны с крупномасштабными свойствами планет их яркостью, погодой и магнитными полями. Третьи хотят извлечь новую информацию из сравнительно хорошо изученных веществ, вооружившись уникальными свойствами лазеров, более точно измеряя образцы, подвергнутые сжатию, используя более продвинутые эксперименты для сбора данных.

Но экспериментаторы, работающие со сверхвысокими давлениями, не смогут сами ответить на эти вопросы. Мы определенно не сможем собрать достаточно информации по различным химическим соединениям, чтобы решить наши задачи, опираясь на одни лишь лабораторные данные, говорит Стюарт. Нам абсолютно необходимо моделирование. А затем более точные ограничения, в зависимости от того, что подскажут нам наблюдатели.

Благодарности

Сайт Eos, выпустивший оригинал этой публикации, благодарит Себастьена Меркеля, научного консультанта по физике минералов и горных пород, за разработку серии статей по экспериментам из области высоких температур и высоких давлений и, в частности, за подготовку этой статьи.

Если бы потребовалось выбрать на территории России одну точку с уникальными геохимическими характеристиками, сырьевой рог изобилия то весьма вероятно, что пьедестал возглавил бы сложный стратовулкан Кудрявый, расположенный в северной части острова Итуруп в составе Курильской гряды. Причудливость Кудрявого заключается в том, что это единственный в мире вулкан, чьи фумаролы в промышленных количествах извергают в атмосферу редчайший элемент рений.

Рений (Re) 75-й элемент таблицы Менделеева. Был открыт в 1925 году Вальтером и Идой Ноддак, является хронологически последним открытым элементом, имеющим стабильные изотопы. Рений является чрезвычайно рассеянным редким металлом, содержится в основном в медно-молибденовых рудах. Практическая ценность и даже незаменимость рения заключается в его крайней жаропрочности. Температура плавления рения составляет 3186 градусов Цельсия, поэтому применение рения для легирования стали имеет принципиальное значение при производстве деталей для реактивных двигателей и для аэрокосмической промышленности в целом. Так, рений добавляют в лопатки турбин реактивных двигателей, что позволяет повысить их рабочую температуру на 50-80 градусов. Сплавы рения с вольфрамом находят применение в электронике, а сплавы рения с платиной в нефтехимической промышленности, в качестве катализаторов, участвующих в удалении серы. Феноменальная прочность рения сегодня изучается, в частности, в Национальном исследовательском технологическом университете МИСиС; подробнее об этом можно почитать в блоге института на Хабре в замечательной статье Материал, который выжил. В качестве небольшого спойлера отметим, что речь идет о модификации рения при помощи азота, а именно о пернитриде рения. Показатели статьи:

Основные промышленно разрабатываемые залежи рения находятся в Чили, а также в Казахстане, Узбекистане и Армении. Разведанные запасы металла также имеются в США. Объяснимый интерес США к приобретению рения для развития программы Шаттл привел к тесному сотрудничеству США и Казахстана в этой сфере в 1990-е годы. В тот период Российская Федерация, также крайне нуждающаяся в 75 элементе, была вынуждена извлекать его из промышленных отходов. Но еще в 1992 году начались подвижнические исследования Генриха Семеновича Штейнберга и Феликса Исааковича Шадермана, открывших уникальное месторождение рения на фумарольных полях вулкана Кудрявый.

Подробный и очень увлекательный рассказ об этих исследованиях вы найдете в документальном фильме "Эффект рения" (2014), повествующем об очередной экспедиции на Итуруп. Фильм содержит комментарии Генриха Семеновича, а также других специалистов, завораживающие пейзажи российского Дальнего Востока и сцены героической, по-настоящему адовой работы геологов.

История проблемы

Генрих Семенович Штейнберг еще в начале 90-х был осведомлен о необычайно разнообразном минеральном составе фумарол на Южных Курилах. Вулканы выбрасывают в атмосферу дым, насыщенный индием, золотом, германием и другими редкими элементами. В поисках образцов рения Штейнберг обратил внимание на Кудрявый, так как дым в его фумаролах имеет необычно высокую температуру: на Главном поле она достигает 870 градусов Цельсия, а на куполе вулкана около 750 градусов. Геохимические исследования показали не только высокое содержание рения в фумаролах, но и позволили открыть ранее не известный минерал, сульфид рения ReS₂, встречающийся на склонах вулкана и на его фумарольных полях. Минерал был назван рениитом.

Как отмечает сам Штейнберг, вулкан Кудрявый фактически выполняет работу горно-обогатительного комбината, очищая рений из собственных недр, то есть, закрывает значительную часть тех задач, для решения которых разработана целая технологическая цепочка. В данном контексте также чрезвычайно важно, что вулкан Кудрявый является лишь одним из двух известных в мире вулканов, которые поддерживают высокую фумарольную активность без нарастания магматической активности. Иными словами, Кудрявый активно дымит, что, однако, не подталкивает его к скорому извержению. Второй подобный вулкан, Сатсума Иводзима, расположен в Японии.

Остров Итуруп сравнительно невелик, и возведение горно-обогатительного комбината на территории острова, а также утилизация пустой породы в настоящее время не представляются осуществимыми. Кроме того, вулкан Кудрявый отличается значительной геологической активностью. Последнее серьезное извержение зафиксировано в 1883 году, но в 1946 и 1999 годах наблюдались фреатические взрывы. Более того, в середине 2019 года прогнозировалось близкое полноценное извержение Кудрявого, так как открытые минералы на его склонах раскалились до 1600 градусов по Цельсию.

В вышеупомянутом фильме Эффект рения констатируется, что в настоящее время стоит сосредоточиться на извлечении минерала из корки, то есть, из рениита. Наряду с сульфидом рения в районе Кудрявого также встречается соль перринат аммония, содержание рения в которой составляет порядка 70%.

Как можно добывать фумарольный рений

Пока не существует промышленной технологии изготовления ловушек, которые позволили бы стабильно собирать фумарольный дым и извлекать из него рений. Основные сложности связаны с быстрой изнашиваемостью конструкций во время эксплуатации при таких температурах (возможно, конечно, помогло бы легирование рением). Тем не менее, опытный образец ловушки для рения был сконструирован под руководством Штейнберга еще в 2015 году и запатентован. В ходе испытаний устройство позволило собрать 17 килограммов концентрата рения. Но лишь в апреле 2020 года появилась новость о том, что ВНИИ химической технологии (ВНИИХТ) и Институт вулканологии и геодинамики (ИВиГ) разработали оборудование по улавливанию рения из вулканических газовых испарений. Конструкция представляет собой систему куполов, которые предполагается развернуть прямо в кратере вулкана и при помощи катализаторов извлекать из паров рений.

При этом еще в 1999 году началось развитие технологий, связанных с пропусканием рения через фильтрующий слой. Требуется вещество, которое могло бы впитывать рениевые пары как губка. В таком качестве могут использоваться, в частности, минеральная вата, активированный уголь и, в особенности, алюминиесодержащие минералы из группы цеолитов. Необходимо отметить, что крупное месторождение цеолитов (Лютогорское) имеется на Сахалине. При использовании такой технологии целесообразно охлаждать обрабатываемый газ до температуры около 150 градусов путем разбрызгивания воды в дымососе. В таком случае из газа выделяется элементная сера, которая служит дополнительным уловителем рения.

Наряду с абсорбционными технологиями улавливания рения разрабатываются электрохимические; правда, пока электрохимические технологии далеки от практического применения ввиду дороговизны оборудования. Тем не менее, активное исследование абсорбционных и электрохимических технологий на Кудрявом продолжается и в 2020 году. Специализированная экспедиция была организована силами Томского государственного университета и специалистов РАН.

В любом случае, после 2014 года в описанном проекте достигнуты серьезные успехи, а сам проект промышленной добычи рения, индия и германия на Кудрявом решается на государственном уровне. Согласно государственной программе Социально-экономическое развитие Курильских островов (Сахалинская область) на 2016-2025 годы, строительство инфраструктуры для проекта предполагается провести в 2020-2023 годах. Правда, из-за труднодоступности Кудрявого работа предприятия в настоящее время возможна только в летний период.

Кудрявый продолжает покуривать свою драгоценную магму и никуда не спешит. В том числе, не спешит делиться с нами своими сокровищами. Но перспективы этого уникального российского месторождения кажутся оптимистичными.

Кстати, Генриху Семеновичу Штейнбергу 13 февраля 2021 года исполнится 86. Надеюсь, что он успеет лично оценить самые интересные события на Кудрявом и плоды, которые принесет труд всей его жизни. В этом была бы экзистенциальная и подлинная справедливость.

Золото тамплиеров, пиратское хранилище, природная карстовая воронка или один гигантский обман? Проклятие острова Оук рассказывает нам, что семь человек должны умирать до того, как остров раскроет своё легендарное сокровище. Шесть человек погибли в поисках миллиардов в золоте, но опасность только подогревает исследования и спекуляции.

Разочаровывающий, увлекательный, манящий вы можете поставить любое прилагательное перед словами остров Оук, и будете правы, рассказывает Чарльз Баркхаус, историк шоу канала History Channel The Curse of Oak Island, в котором на протяжении восьми сезонов (с некоторыми результатами) рассказывается о продолжающихся поисках сокровищ.

Если вы не готовы к эмоциональной нагрузке, то можете собирать свои игрушки и уходить.

Охота за сокровищами денежной ямой острова Оук, то есть яма в 100 футов (около 30 с половиной метров) на острове в Новой Шотландии, где якобы хранится что угодно от пиратских сокровищ до Ковчега Завета, началась ещё в 1795 году. Хотя сокровища так и не были найдены, сопутствующие открытия очевидные подсказки, возможные ловушки и геологические диковинки заставляют искателей продолжать поиски, даже когда историки оспаривают более сенсационные заявления, связанные с кладом. Был ли остров Оук сокровищницей рыцарей-тамплиеров, секретным промышленным центром Британии или злополучной природной воронкой? Чтобы ответить на этот вопрос, конечно же, нужно копать.

Поиски начинаются

Остров Оук впервые привлёк к себе внимание вскоре после золотого века пиратства (примерно в 16501730 годах), когда Эдвард Лоу и Бартоло Мью Робертс патрулировали моря к северо-востоку от Америки. В 1795 году подросток из Новой Шотландии со своего дома на материке увидел парящие над островом странные огни.

Он поведал об этом двум друзьям и поплыл за открытиями. В роще деревьев на юго-восточной стороне острова ребята обнаружили углубление шириной 13 футов (около 4 метров), окружённое рыхлой почвой и молодыми деревьями признаки того, что земля была потревожена.

Мальчики начали выкапывать то, что впоследствии стали называть денежной ямой. На глубине двух футов (60 сантиметров) они обнаружили круг из камней, окаймляющих окружность ямы, а на глубине 10 футов (3 метров) платформу из подогнанных в стенки ямы обрезков брёвен. Вторая платформа лежала на 20 футов (около 6 метров) ниже, но на этом рассказ о первом поиске заканчивается.

История возобновляется в начале 1800-х годов, когда компания Онслоу отправилась в первую официальную экспедицию для раскопок. Они продолжили раскопки с того места, где остановились в первый раз, обнаружив новые платформы через каждые 10 футов (около 3 метров) (приблизительно три метра), иногда со слоями замазки, древесного угля или кокосовых волокон. Кокосы не растут в радиусе 900 миль (приблизительно полтора километра) от Новой Шотландии, но в истории утверждается, что экипаж сделал ещё более грандиозное открытие на высоте 90 футов (более 27 метров): прямоугольный камень, исписанный странными знаками.

Исследователи и охотники за сокровищами сочли, что эти отметки были сделаны по ошибке инструментами экскаватора, но другие были уверены, что это секретный код, ведущий к зарытым сокровищам. В 1860-х годах профессор лингвистики из университета Далхаузи в Новой Шотландии изучил камень и определил, что код представляет собой подстановочный шифр: Сорок футов [кооло 12 метров] ниже погребены два миллиона фунтов. Но другая попытка перевода в 1970-х годах интерпретировала код как христианское предупреждение коптов не забывать о своём долге перед Господом.

Компания Онслоу продолжала копать, и на глубине 98 футов (кооло 30 метров) они обнаружили нечто, по звуку удара напоминавшее полый контейнер предположительно, хранилище сокровищ. Бригада прекратила работу на вечер, но когда они вернулись на следующее утро, то обнаружили, что котлован заполнен водой на 60 футов (около 18 метров). Предполагалось, что раскопки привели к срабатыванию мины-ловушки. И похоже, что наводнение, похоже, положило конец усилиям Онслоу; в 1805 году компания была распущена.

Удар проклятия

Ещё одна экспедиция на Оук была запущена из близлежащего города Труро в 1849 году. Команда могла откачать воду из ямы и укрепить стены ямы перед бурением в хранилище. Сверло проникало последовательно расположенные слои древесины и свободного металла и это предполагает сундук с сокровищами, а, согласно опубликованной годы спустя новости в газете, всплыли три небольших звена золотой цепочки. Но до того, как команда смогла получить доступ к хранилищу, нижняя часть денежной ямы рухнула и снова была затоплена, унеся за собой предполагаемое сокровище.

Ничуть не смутившись, люди подумали, что нашли затопленный тоннель, соединявший яму и рукотворную бухту Смита примерно на 500 футов (около 150 метров) к востоку от площадки, где они копали.

По мере распространения новостей об опасной, драматической охоте, на остров Оук прибывало всё больше экскурсий, которые открывали все новые ямы, но это лишь скрывало истину о сокровищах. В 1897 году поисковики обнаружили крошечный кусочек пергамента с буквами vi.

Специалисты из Гарвардского университета подтвердили подлинность пергамента, хотя неясно, означает ли это, что фолиант подлинный полный тайн, или это лишь оставшийся от прежних жителей острова обрывок.

1897 год также примечателен тем, что в нём произошла вторая смерть, связанная с охотой, когда мужчина упал и разбился насмерть. В 1965 году последовало ещё четыре смертельных случая, к ним привели ядовитые подземные испарения.

Не дали прорыва и современные технологии. Съёмочная группа 1971 года привезла камеры и монитор, чтобы исследовать примерно 235-футовую (чуть менее 72 метров) шахту (называемую скважиной 10X и находящуюся примерно в 180 футах (около 55 метров) от денежной ямы), и хотя они утверждали, что во время исследования на дне ямы был обнаружен деревянный сундук и отрубленная человеческая рука, этот инцидент так и не был зарегистрирован.

Среди прочих улик команда сериала обнаружила свинцовый крест, который приписывают рыцарям-тамплиерам, фрагмент кости и погребённую П-образную деревянную конструкцию, найденную под бухтой Смита. Ни одно из этих открытий не раскрыло тайну, но, возможно, это и не нужно братьям Лагина принадлежит большая часть туристической компании, работающей на острове, а также телешоу, рекламирующее этот остров.

Несмотря на это, рассказывает Баркхаус, количество доказательств, которые мы находим [на острове Оук], заставляет вас поверить, что какая-то группа или какой-то человек сделали там нечто особенное.

Дыры в поиске

Остров Оук иногда называют островом мистификации из-за отсутствия свидетельств очевидцев. До начала 1860-х годов нет прямых свидетельств, подтверждающих какие-либо раскопки на острове Оук, когда были зарегистрированы первые две экспедиции мальчиков из Новой Шотландии и компании Онслоу. Большинство других рассказов XIX века об острове Оук это воспоминания людей, утверждавших, что они участвовали в раскопках.

Есть другие пробелы: многие считают, что звенья золотой цепи от группы 1849 года были подброшены самой группой для поощрения будущих экспедиций, а камень с надписью, найденный в начале 1800-х годов, был зарегистрирован как найденный только в 1862 году. Этот камень вообще не упоминался в инвестиционном проспекте компании Oak Island Treasure Company за 1893 год: ни сам камень, ни его маркировка не были зарисованы или сфотографированы, а существующее сегодня изображение камня датируется 1949 годом. Именно с этого времени начинаются современные переводы.

Можно привести аргумент существует общая структура [историй] о зарытых сокровищах, рассказывает Даунс. Сокровища каким-то образом теряются, истории о них рассказываются так, будто они правда, а тот факт, что сокровища так и не найдены подпадает под категорию подтверждающих формул, добавляемых в легенду, чтобы она стала достовернее.

Проклятие необоснованно, но его легенда может рассказываться, чтобы отговорить искателей, а для охотников за сокровищами эта легенда может означать, что яма хранит тайну, которую стоит защитить.

Небылицы о денежной яме

Существует множество спекуляций по поводу того, что именно представляет собой денежная яма острова Оук: общий банк для пиратов, хранилище сокровищ, награбленных британскими военными, или сберегательный счёт для финансирования Американской революции в натуральном виде.

Согласно одной из твёрдых теорий, яма была построена рыцарями ордена тамплиерами, предшественниками масонов. Исследователи интерпретировали некоторые гравюры на острове, а также большой и неясный масонский каменный треугольник как свидетельство того, что остров был местом, где прятались религиозные артефакты, такие как Святой Грааль и Ковчег Завета.

Даунс считает,эти теории движимы теми же механизмами, что и и вера в теории заговора. Людям нравится верить, что в окружающем нас мире существует некий порядок, считает она.

Реальность такова, что они не всегда [достаточно знают об ордене]. Чтобы придать смысл миру, который нам трудно понять, мы часто придумываем повествования.

Касающиеся острова Оук и денежной ямы археологические и геологические свидетельства указывают на то, что всё это не из фильма об Индиане Джонсе. В денежной яме и вокруг неё были найдены рукоятки кирки, монеты и петля, но это неудивительно, учитывая количество экспедиций и жителей, которые, как было доказано, побывали там.

Тем не менее правда об острове Оук сохраняет элементы интриги. Исследование, проведённое историком Джой А. Стил и отставной морской геолог Гордон Фейдер доказывают, что на острове Оук располагался секретный британский промышленный центр.

Изучив деловую документацию и современную переписку, пара пришла к выводу, что в 1720 году корона совместно с британскими военными зафрахтовала частные компании, чтобы вести дела на острове Оук, включая производство сосновой смолы, изготовление латуни и волочение проволоки, чтобы помочь погасить задолженность. В то время это была крупнейшая промышленная разработка в Канаде, рассказывает Фейдер: Был миллион причин отправиться на остров Оук он ближе всего к пресной воде, ближе всего к берегу, безопасен; остров самый большой в заливе это хорошая стоянка.

Стил и Фейдер уверены, что Денежная яма была естественным геологическим объектом, который британцы использовали в качестве печи для обжига сосновой смолы для производства дёгтя, чтобы покрывать ими свои корабли. Раскопанные слои Денежной ямы дерево, уголь и шпаклёвка соответствуют тому, что можно было бы ожидать в старой смоляной печи, также рассказывает Фейдер. Он отмечает, что зарытое в бухте Смита, П-образное строение, скорее всего, было частью сарая для хранения сосновой смолы в бочках и на солнце.

По словам Фейдера, В те времена сосновая смола имела такое же значение, как сегодня нефть: Корабль не выходил в море, если не был пропитан сосновой смолой. Именно этим люди и занимались на острове. Все артефакты, которые мы видим, точно соответствуют этой теории.

Канцлер казначейства Англии (по сути, министр финансов) и другие высокопоставленные банковские чиновники того времени часто ссылались на Секрет в своей переписке, рассказывает Стил, который [несомненно] проект Оук-Айленд.

Я удивлена, что историки никогда не обращали на это внимания и не осмеливались выяснить, в чём заключался секрет, говорит она. [Остров Оук] воплотил то, что могло бы стать очень прибыльной товарной схемой.

Контрсвидетельства природы

Последний аргумент против рукотворной Денежной ямы основан на геологических условиях местности. По словам Фейдера, горные породы острова подвержены растворению под воздействием моря и грунтовых вод. Это создаёт систему подземных трещин и пещер склонных к обрушению и образованию карстовых воронок.

Фейдер составил карту подземных условий вдоль побережья Новой Шотландии, работая морским геологом в канадском правительстве, и он рассказывает, что карстовые воронки в этом районе обычное явление.

Можно наблюдать, как развивается воронка и как сосна в 60 футов (примерно 18 метров) падает [в неё] за две секунды, говорит он, иллюстрируя, как в яме могли разместиться предметы размером с мачты британских кораблей.

На острове Оук обнаружено по меньшей мере две карстовые воронки, а на прилегающем материке их гораздо больше. Стивен Эйткен, доктор наук, геофизик с более чем 25-летним опытом изучения района острова Оук, считает: природные данные указывают на то, что Денежная яма сама по себе является карстовой воронкой. В соответствии с утверждениями Фейдера Эйткен рассказывает, что горная порода под этой стороной острова локально растворилась, образовав карстовую систему, и некоторые пещеры этой системы обрушились и образовали карстовые воронки, включая Денежную яму.

Карстовые ямы это мусорные баки геологического мира, рассказывает Эйткен. Они часто заполнены обрушившейся брекчией [разновидностью осадочной породы], перекрытой смесью органических обломков и отложений.

Эйткен пишет, что отложения над брекчией в Денежной яме утолщены до 37 футов (чуть более 11 метров), а это указывает на позднее заполнение впадины. По словам Эйткена, первоначальная впадина, обнаруженная в 1795 году, также соответствует типичному проявлению карстовой воронки на поверхности.

Затопление Денежной ямы, которая по легенде, является доказательством существования мины-ловушки, в этой части острова Оук происходит естественным образом из-за притока пресной воды из песков недр острова. Если стволы или скважины не засыпаны непроницаемой глиной или не обсажены при бурении песками над коренными породами, пресная вода естественным образом затопит эти выработки, объясняет Эйткен.

Идея о том, что пираты вырыли сокровищницу кирками в скальных породах, просто смешна, также добавляет он.

Я не хочу умалять ничьих мечтаний, но в Денежной яме нет ни хранилища сокровищ, ни ловушки, предназначенной для защиты зарытых сокровищ. Все эти особенности можно объяснить с помощью фундаментальной науки.

Чарльз Баркхаус не считает, что рациональные объяснения и сложные теории должны быть взаимоисключающими. По его словам, геологические условия острова сделали его ещё более таинственным, спрятав добычу под землю, а собранные на месте свидетельства говорят о сокровищах столь внушительных, что ими занимались самые разные группы людей на протяжении веков.

Куда бы вы ни шли по этому острову, вы идёте сквозь историю, утверждает Баркхаус. Нельзя взять и свалить всё найденное на одну теорию; вот что так странно на острове. Я никогда не перестану верить, что на острове Оук зарыт клад, иэтот клад всё ещё там. Я чувствую это.

Притягательность настоящих сокровищ, будь то Святой Грааль, Ковчег Завета или огромный пиратский банк, затмевает собой все остальные находки на острове Оук. Охота может никогда не прекратиться. Навязчивая идея богатства, как указал один из зарегистрированных искателей сокровищ ещё в 1862 году, может стоить борьбы.

Если нам удастся добыть много сокровищ, нас будут считать очень благоразумными людьми, писал он. а если мы не сможем закончить работу, нас выставят на всеобщее посмешище как гоняющихся за призраками дураков, негодных ни на что, кроме как на то, чтобы оказаться всеобщим посмешищем.

Как формируются карстовые воронки?

В зависимости от геологических условий и вышележащих материалов карстовые воронки могут образовываться в течение десятилетий и разрушаться в считаные секунды. Обрушение может быть ускорено внезапным притоком воды в недра или замерзанием и оттаиванием. Фейдер рассказывает, что при благоприятных обстоятельствах карстовая воронка может быть от 130 до 165 футов (чуть более 50 метров) в поперечнике. Он уверен, что именно этот феномен истинная причина происхождения денежной ямы острова Оук.

Если вам интересны не только исследования и поиски сокровищ и вы хотите исследовать данные и извлекать пользу из них, то вы можете присмотреться к нашему курсу Data Science, итог которого эквивалентен двум-трём годам активных самостоятельных поисков в науке о данных.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

• Профессия Data Scientist

• Профессия Data Analyst

• Курс по Data Engineering

1. Введение

При выполнении инженерно-геологических изысканий может возникнуть задача, связанная с сопоставлением данных полевых и лабораторных исследований на одних и тех же грунтах, с целью подтверждения корректной транспортировки проб от объекта изысканий до лаборатории (образцы не были деформированы и/или разрушены в ходе перевозки).

При данной постановке задачи можно применить методику A/B-тестирования со следующими параметрами:

1. Измеряемой метрикой будет среднее значение плотности скелета грунта (p_d, г/см³), характеризующее сложение проб. Данная величина имеет нормальный закон распределения;

2. Критерием проверки гипотезы будет служить t-критерий (критерий Стьюдента):для двух независимых выборок, если сопоставляемые полевые (до транспортировки) и лабораторные (после транспортировки) данные проводились на разных пробах грунта;для двух зависимых выборок, если исследования выполнены на одних и тех же пробах.

В рамках данной темы мы сгенерируем две случайные выборки, которые будем сопоставлять, сформулируем статистические гипотезы, проверим их и сделаем выводы.

2. Генерация выборок

2.1 Оценка объема выборок

В рамках дизайна эксперимента, перед генерацией выборок плотностей, прикинем их необходимый объем при заданномразмере эффекта (ES - effect size),мощности (power)идопустимой ошибке I рода ()(определения данных терминов приведено ниже). Расчет произведем с привлечением пакетаstatsmodels.

Размер эффекта (стандартизированный) величина, характеризующая различие, которое мы хотим выявить, равная отношению разности средних значений по выборкам к взвешенному стандартному отклонению. В нашем случае:

Взвешенное стандартное отклонениеS_pooledдля выборок одинакового размера можно расcчитать по формуле:

Существует условная классификация размера эффекта (Cohen, 1988) ES = 0.2 - маленький; 0.5 - средний; 0.8 - большой.

Мощность вероятность не совершить ошибку II рода (обычно принимается равной 80%).

Пояснения по ошибкам I и II рода приведены в таблице ниже:

Для описанных выше величин примем следующие значения:

• = 0.05 (вероятность выявить различия между средними при их отсутствии)

• ES = 0.5 (размер эффекта составит половину от дисперсии измеряемых величин плотности).

• Power = 0.8 (вероятность выявления установленного различия между средними значениями).

Теперь к коду:

#Импорт библиотекimport numpy as npfrom statsmodels.stats.power import TTestIndPowerfrom matplotlib.pyplot import figureimport matplotlib.pyplot as pltimport scipyfrom statsmodels.stats.weightstats import *

#Задаем параметрыeffect = 0.5alpha = 0.05power = 0.8analysis = TTestIndPower()#Оценка размера выборкиsize = analysis.solve_power(effect, power=power, alpha=alpha)print(f'Размер выборки, шт.: {int(size)}')

Размер выборки, шт.: 63

При заданных значения мощности, размера эффекта и уровня значимости минимальный размер каждой выборки должен составлять63пробы. Для красоты округлим полученное число до65шт.

Давайте построим график зависимости необходимого размера выборок от размера эффекта при заданной мощности и уровне значимости.

plt.figure(figsize=(10, 7), dpi=80)results = dict((i/10, analysis.solve_power(i/10, power=power, alpha=alpha))                for i in range(2, 16, 1))plt.plot(list(results.keys()), list(results.values()), 'bo-')plt.grid()plt.title('График зависимости необходимого объема выборки \n от размера эффекта')plt.ylabel('Размер выборки n, шт.')plt.xlabel('Размер эффекта ES, д.е.')for x,y in zip(list(results.keys()),list(results.values())):    label = "{:.0f}".format(y)    plt.annotate(label,                  (x,y),                  textcoords="offset points",                  xytext=(0,10),                  ha='center')plt.show()

Данный график позволяет увидеть, как быстро изменяется необходимый объем выборок при уменьшении фиксируемого размера эффекта ES. Например: при выявлении различия в плотности проб грунта до и после их транспортировки в 0,03г/см³при стандартном отклонении в 0,1г/cм³(ES = 0,03г/см³/ 0,1г/см³= 0,3 д.е.), необходимый объем проб по каждой выборке должен составить не менее 175 проб для заданной мощности и уровня значимости (power=0.80,=0.05).

2.2 Генерация выборок

Теперь зная необходимый минимальный размер выборок, сгенерируем их с помощью библиотекиnumpy.

Измеряемая физическая характеристика грунта (плотность скелета) имеет нормальный закон распределения. В рамках данного примера зададим генератору следующие значения среднего (X) и стандартного отклонения (S):

• для первой выборки X₁= 1,65г/см³,S₁= 0.15г/см³;

• для второй X₂= 1,60г/см³,S₂= 0.15г/см³.

loc_1 = 1.65sigma_1 = 0.15loc_2 = 1.60sigma_2 = 0.15sample_size = 65#Генерируем выборки с заданными параметрамиsample_1 = np.random.normal(loc=loc_1, scale=sigma_1, size=sample_size)sample_2 = np.random.normal(loc=loc_2, scale=sigma_2, size=sample_size)

Постоим гистограммы и "ящик с усами" по полученным выборкам.

fig, axes = plt.subplots(ncols=2, figsize=(18, 5))max_y = np.max(np.hstack([sample_1,sample_2]))#Гистрограмма по выборке 1count_1, bins_1, ignored_1 = axes[0].hist(sample_1, 10, density=True,                                           label="Выборка 1", edgecolor='black',                                          linewidth=1.2)axes[0].plot(bins_1, 1/(sigma_1 * np.sqrt(2 * np.pi)) *               np.exp( - (bins_1 - loc_1)2 / (2 * sigma_12)),         linewidth=2, color='r', label='плотность вероятности')axes[0].legend()axes[0].set_xlabel(u'Длина сессии, с')axes[0].set_ylabel(u'Количество сессий, шт.')axes[0].set_ylim([0, 5])axes[0].set_xlim([1.1, 2.2])#Гистрограмма по выборке 2count_2, bins_2, ignored_2 = axes[1].hist(sample_2, 10, density=True,                                           label="Выборка 2", edgecolor='black',                                           linewidth=1.2, color="green")axes[1].plot(bins_2, 1/(sigma_2 * np.sqrt(2 * np.pi)) *               np.exp( - (bins_2 - loc_2)2 / (2 * sigma_22)),         linewidth=2, color='r', label='плотность вероятности')axes[1].legend()axes[1].set_xlabel(u'Длина сессии, с')axes[1].set_ylabel(u'Количество сессий, шт.')axes[1].set_ylim([0, 5])axes[1].set_xlim([1.1, 2.2])plt.show()

#Ящик с усамиfig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 8))axis = ax.boxplot([sample_1, sample_2], labels=['Выборка 1', 'Выборка 2'])data = np.array([sample_1, sample_2])means = np.mean(data, axis = 1)stds = np.std(data, axis = 1)for i, line in enumerate(axis['medians']):    x, y = line.get_xydata()[1]    text = ' ={:.2f}\n ={:.2f}'.format(means[i], stds[i])    ax.annotate(text, xy=(x, y))plt.ylabel('Плотность скелета грунта, г/см3')plt.show()

3. Формулировка гипотез

Пришло время для формулировки гипотез. У нас могут быть два случая:

• Случай 1. Сопоставляемые полевые и лабораторные данные по определению плотности скелета грунта относятся к разным пробам, тогда t-критерий будет рассчитываться для двух независимых выборок;

• Случай 2. Исследования в поле и лаборатории выполнены на одних и тех же пробах, тогда t-критерий будет рассчитываться для двух зависимых выборок.

Начнем с первого варианта.

Вариант 1. Для двух независимых выборок

С помощью двухвыборочного критерия Стьюдента проверим гипотезу о равенстве средних выборок.

Нулевая гипотезаH₀:средние значения равны1=2.

Альтернативная гипотезаH₁:средние не равны₁₂.

Статистика:

Нулевое распределение:T(X₁ⁿ¹,X₂ⁿ²)~St(), где степень свободывычисляется по следующей формуле

Для расчета достигаемого уровня значимости воспользуемся методомttest_indмодуляstats.

t_st, p_val = scipy.stats.ttest_ind(sample_1, sample_2, equal_var = False)print(f't-критерий составил {round(t_st, 2)}')print(f'Рассчитанный t-критерий дает достигаемый \уровень значимости (p-value) равный {round(p_val, 3)}')

t-критерий составил 2.92

Рассчитанный t-критерий дает достигаемый уровень значимости (p-value) равный 0.004

Вывод для варианта 1

Нулевая гипотезаH₀о том, что средняя плотность скелета грунта не изменилась после транспортировки,отвергаетсяна уровне значимости 0,05 (достигаемый уровень значимостиp-valueдля сгенерированных выборок составил 0.004) в пользу альтернативной.

Давайте интервально оценим разность средних по данным выборкам.

c_m = CompareMeans(DescrStatsW(sample_1), DescrStatsW(sample_2))print("95%% доверительный интервал: \[%.4f, %.4f]" % c_m.tconfint_diff(usevar='unequal'))

95% доверительный интервал: [0.0235, 0.1228]

Так как ноль не попадает в рассматриваемый 95% доверительный интервал, мы можем сделать вывод, что средние значения рассматриваемых выборок отличаются на уровне значимости в 5%.

Вариант 2. Для двух связанных выборок

Допустим, что оценка плотности скелета грунта в полевых (до транспортировки) и лабораторных (после транспортировки) условиях проводилась для каждого образца. Тем самым выборки будут является зависимыми, а проверка нулевой гипотезы об отсутствии изменений в плотности грунта при транспортировке будет осуществляться с помощью двухвыборочного критерия Стьюдента для связанных выборок.

Нулевая гипотезаH₀:средние значения равны ₁=₂.

Альтернативная гипотезаH₁:средние не равны₁₂.

Статистика:

Нулевое распределение: T(X₁ⁿ, X₂ⁿ)~St(n-1)

Для расчета достигаемого уровня значимости воспользуемся методомttest_relмодуляstats.

t_st, p_val = stats.ttest_rel(sample_1, sample_2)print(f't-критерий составил {round(t_st, 2)}')print(f'Рассчитанный t-критерий дает достигаемый \уровень значимости (p-value) равный {round(p_val, 3)}')

t-критерий составил 2.79

Рассчитанный t-критерий дает достигаемый уровень значимости (p-value) равный 0.007

Вывод для варианта 2

Нулевая гипотезаH₀о том, что средняя плотность скелета грунта не изменилась после транспортировки,отвергаетсяна уровне значимости 0,05 (достигаемый уровень значимостиp-valueдля сгенерированных выборок составил 0.007).

Для наглядности также давайте интервально оценим разность средних по данным выборкам

print("95%% confidence interval: [%.4f, %.4f]"      % DescrStatsW(sample_1 - sample_2).tconfint_mean())

95% confidence interval: [0.0208, 0.1255]

Так как ноль не попадает в рассматриваемый 95% доверительный интервал, мы можем сделать вывод, что средние значения рассматриваемых выборок отличаются.

5. Итог

В данной статье мы рассмотрели возможность применения языка Python при решении практической задачи в инженерной геологии, с попутным исследованием вопроса о необходимом объеме выборки для проверки гипотез.