Новости
Движение материков отслеживает телескоп


Земные задачи радиотелескопов


Любого человека, независимо от того, объездил он все страны и континенты, или вообще не покидал своего дома, можно назвать бывалым пассажиром. Все мы с огромной скоростью вместе с Землей летим вокруг Солнца, с Солнечной системой –- вокруг центра нашей Галактики, а вместе с нашей Галактикой и вовсе в неизведанные глубины космоса … А вдобавок ко всему очень медленно, всего по несколько сантиметров в год, дрейфуем по земному шару вместе с тектоническими плитами, на поверхности которых живем.

Зачем нужны космические маяки?

Каждая из тектонических плит занимает несколько тысяч квадратных километров земной поверхности с расположенными на ней лесами, реками, озерами, пустынями, степями и во многих местах они уходят далеко в океан. Движутся они за счет взаимодействия различных сил как внутри Земли, так и вне ее.

Проблема состоит в том, что двигаются эти блоки земной коры, составляющие верхнюю оболочку Земли -- литосферу, -- в разные стороны. Какие-то из них уходят от прежних соседей, а какие-то наоборот – сближаются с ними чересчур близко. В результате на границах возникают напряжения, проявляющиеся в один прекрасный момент бурным выходом энергии. В материковой или океанической части коры происходят разнообразные, порой колоссальной силы сдвиги, разломы, сбросы, выбросы, которые оборачиваются землетрясениями, цунами, извержениями вулканов и прочими природными катастрофами.

Люди издавна старались предугадать время наступления таких стихийных бедствий, приводящих порой к человеческим жертвам. Существенных результатов достигнуть пока не удалось и поэтому ученые продолжают работать над новыми методами прогнозов. В последние годы в эту задачу включились и астрономы.

Вспомним: секстант и логарифмическая линейка позволяют штурману корабля достаточно точно определять свои координаты, "привязываясь" при этом к постоянной точке, которая хорошо видна невооруженным глазом, например, к яркой звезде. Почему бы не определять аналогичным образом координаты движущейся материковой плиты? Правда, скорости плит гораздо меньше, чем у корабля, потому точность измерений должна быть несравненно выше.

РТ-22

РТ-22

Что в этом случае может выступить в роли инструмента для измерения перемещения зафиксированной точки на земной поверхности? Радиотелескоп, -- сказали астрономы, -- вернее, сообща работающая сеть радиотелескопов, оснащенных сложнейшей электроникой и специальными компьютерными программами. А что может сыграть роль реперных точек? Квазары и активные ядра радиогалактик. Эти внегалактические радиоисточники могут служить отличными космическими маяками. Относительно этих радиомаяков движение той точки поверхности, на которой стоит радиотелескоп, можно отследить с точностью до миллиметра.

Этим занимается геодинамика -- новый раздел в науке о Земле, который лежит на стыке астрономии, геодезии и геофизики.

Мы едем, едем, едем в далекие края…

Чтобы получить картину движения литосферных плит на всем земном шаре и определить места со слабыми или сильными тектоническими явлениями, десять лет назад ученые разработали международную программу «Геодинамика». Для участия в ней в единую радиоинтерферометрическую сеть объединились радиотелескопы Великобритании, Италии, Швеции, Норвегии, Германии, Финляндии, Китая, Испании, Австралии, Бразилии, США, Японии и Украины.

От Украины в этот элитный клуб под названием «радиастрономическая станция Simeiz» вошел радиотелескоп РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории Министерства образования и науки Украины. Он имеет полноповоротное параболическое зеркало диаметром 22 метра с фокусным расстоянием 9.525 метра. Расположен телескоп на южном побережье Крымского полуострова около поселка Симеиз. Те, кто бывал в Крыму, видели, наверное, в Голубом заливе изящную белую чашу его зеркала.

Карта движения тектонических плит в Европе
Карта движения тектонических плит в Европе.

Благодаря работающим здесь астрономам мы теперь точно знаем, куда движется Крым, расположенный на Евразийской тектонической плите. Он медленно, но верно дрейфует вместе со всей Украиной на северо-восток со скоростью около 32 миллиметров в год. Знать это тем более важно, что всего в 300 километрах южнее Крыма проходит граница Евразийской плиты, которая отмечена Северо-Aнатолийским разломом. Это как раз то место, где происходит подспудная борьба сразу трех тектонических плит: Евразийской, Африканской и Аравийской.

В результате Анатолийский блок движется вдоль разлома на запад, а Аравийския и Африканская плиты толкают его на север. Под этим мощным воздействием южная часть Евразийской плиты претерпевает деформацию. В целом она дрейфует на северо-восток, но в разных ее местах различается и скорость движения, и его направление. Например, относительно центра Евразийской плиты, расположенного возле Бонна, некоторые районы Италии стоят на месте, а некоторые движутся в противоположную от общего движения сторону, на юго-запад.

Литосферные плиты одновременно перемещаются и по вертикали и меняют свой наклон. Так, некоторые участки Евразийской плиты возле Венеции опускаются, причем, с относительно большой скоростью, а некоторые северные области, например, территория Германии и Швеции, поднимаются. Украина, скорей всего, тоже поднимается со скоростью несколько миллиметров в год, во всяком случае, о Крыме ученые говорят это уверенно.

Хотя в общем движение плит по вертикали вызывается целым комплексом различных факторов, в последние годы немалую лепту в этот процесс вносит глобальное потепление. Таяние огромных массивов льда нарушает установившийся баланс между силами давления льда на земную кору и силами выталкивания её из верхней части мантии Земли. В результате ситуация в местах стыков различных плит изменяется, что может привести к изменениям климата и гравитационных характеристик планеты, а также возрастанию тектонической активности.

Телескоп, дальномер, GPS

— Александр Евгеньевич, к роли космических маяков подходят любые квазары и радиогалактики? — спрашиваю руководителя программы лаборатории радиоастрономии КрАО, кандидата физико-математических наук А.Е. Вольвача.



А. Е. Вольвач

— Нет, не все. Для астрометрических задач, связанных с координатными измерениями, используются объекты, большая часть из которых на миллисекундном уровне неподвижны. Это позволяет с точностью до длины волны измерять расстояние между пунктами, разнесенными на тысячи километров друг от друга. Это дает важную информацию для построения небесной и земной систем координат, а также для изучения тектонического движения плит земной коры.

— Как происходят наблюдения за движением плит с помощью сети радиотелескопов?

— Все наблюдательные станции используют программный пакет Field System, с помощью которого интерпретируются управляющие файлы и производится управление движением антенны и работой системы регистрации данных. Система спроектирована для работы в автоматическом режиме практически без вмешательства оператора. Наблюдательные станции выполняют две основные функции: а) наведение радиотелескопа на источник; б) сопровождение источника и регистрацию сигнала в 14 каналах с полосой 2-МГц каждый на частотах 8.2-8.6 ГГц и 2.2-2.3 ГГц. Время записи обычно составляет 60-300 сек. После завершения наблюдения одного источника телескоп сразу же переводится на следующий источник. Обычно в течение одной сессии наблюдаются 30—100 компактных источников с плотностями потоков 0.1-10 Ян, которые более или менее равномерно распределены по небу. Приблизительно половина времени наблюдательной сессии тратится на перевод антенны с источника на источник. Длительность одной сессии составляет 24 часа. Каждая станция за этот период делает 200-500 сканов источников и записывает на магнитные ленты 2-5 Терабит данных. Затем ленты отсылаются в один из центров корреляционной обработки: Институт Макса Планка в Бонне, Хайстекскую обсерваторию или Военно-морскую обсерваторию США.

В центре корреляционной обработки на специальном процессоре, называемом "коррелятор", производится обработка всех лент со станций, участвовавших в сессии. Коррелятор вычисляет функцию взаимной когерентности записанного сигнала. Для каждого скана, каждой базы и каждой полосы частот вычисляются 5 параметров: широкополосная групповая задержка, узкополосная групповая задержка, амплитуда, фаза и частота интерференции. Результаты корреляции и пост-корреляционного анализа передаются в центры анализа через Интернет.

Линейная комбинация групповых задержек на одной базе, полученная в X- и S-полосах, свободная от вклада ионосферы и отнесенная к опорному моменту времени внутри скана, является базовой величиной и будет в дальнейшем называться "наблюдение". Центр анализа выполняет предварительную обработку: разрешение неопределенности групповых задержек, удаление выбросов, определение модели часов, уточнение весов наблюдений, калибровку и архивирование данных. Параметры упрощенной модели: координаты станций, функция часов, атмосферная задержка – определяются с помощью метода наименьших квадратов. Оценивается качество работы станции и сообщаются обнаруженные проблемы. Затем заархивированные данные и результаты анализа передаются в центр данных МРС, где они становятся доступными всем пользователям Интернета без каких-либо ограничений в тот же самый день, когда был выполнен анализ, в пределах 7-90 дней после наблюдений.

— Судя по вашему рассказу, это сложная, трудоемкая и кропотливая работа.

— …для выполнения которой необходим радиотелескоп с высоким качеством зеркала, современное оснащение и высококвалифицированный персонал.

22-м радиотелескоп (РТ-22) Крымской астрофизической обсерватории участвовал в самых первых межконтинентальных радиоинтерферометрических наблюдениях со сверхдлинными базами (РСДБ) в сентябре 1969 года по астрофизическим программам. Ранние узкополосные РСДБ наблюдения обеспечивали декаметровую точность и не представляли интереса для геодинамики. Телескоп был модернизирован в 1994 году: система регистрации Марк-IIIA и совмещенный облучатель на волны 3.6 и 13 см были поставлены НАСА, высокочувствительные охлаждаемые радиометры на эти же волны были поставлены ИПА РАН, и ИКИ РАН установил водородный стандарт частоты Ч1-70. Интерференционный отклик был получен в первом же тестовом эксперименте 20 июня 1994 года. Эта модернизация позволила начать наблюдения по геодинамическим программам и продолжить астрофизические исследования структуры и динамики внегалактических объектов с более высокой чувствительностью.

Регулярные наблюдения внегалактических источников по геодинамическим наблюдательным программам, координируемым международной РСДБ службой для астрометрии и геодинамики, являются частью общих усилий для решения задач построения земной и небесных систем координат, а также определения параметров вращения Земли. Анализ этих наблюдений позволяет оценивать параметры моделей геофизики, астрометрии и теории гравитации.

— В сеть входят 19 радиотелескопов, которые расположены по поверхности земного шара по принципу то густо, то пусто. Например, на территории России нет ни одного. Влияет ли эта ситуация на результаты исследований?

— Конечно, наличие данных о движении плит в той или иной точке земного шара зависит от того, есть там соответствующие антенны или нет. Для России оценки скорости будут получены в ближайшие 3-5 лет: станция «Светлое» в Ленинградской области в 100 км на север от Санкт-Петербурга начала проводить работы по этой программе, станции «Зеленчукская» Ставоропольского края и «Бадары» Бурятской республики также планируется подключить к участию. И если можно сказать, что Крым движется к России, то куда движется сама Россия, пока неизвестно.

— А нельзя ли использовать вместо дорогого и сложного метода радиоинтерферометрии другие способы измерений движения земной коры?

— На данный момент в Украине разработана программа «Региональная система геодинамического и экологического мониторинга Крыма», научным руководителем которой является Академик НАН Украины Яцкив Я.С.

Подготовлена концептуальная часть проекта создания региональной системы геодинамического и экологического мониторинга Крыма с использованием VLBI-,SLR- и GPS-сетевых технологий и средств.

Для мониторинга тектонических разломов и современных движений земной коры на Крымском полуострове разработана региональная система детектирования и отслеживание этих геодинамических явлений. Основу такой системы мониторинга будут составлять сети станций высокоточных геодезических и астрономических наблюдений: сети GPS/IGS-станций с использованием VRS (Virtual Reference Station)-технологий, станции лазерной локации спутников (SLR) и радиоинтерферометр с сверхдлинной базой (VLBI). Ее основным назначением являются:

  • Обеспечение непрерывного круглосуточного контроля изменений координат сети GPS станций, включая референсные станции и роверные GPS сенсоры, на равные точности "первые миллиметр – первые сантиметры" в зоне, ограниченной сетью референсных станций.
  • Обеспечение мониторинга как медленных и масштабных тектонических процессов, так и контроля "быстрых" деформаций в локальных сейсмо- и оползне- опасных зонах Крымского полуострова.
  • Обеспечение фундаментальной координатно-временной основы Крыма с использованием перманентных VLBI-SLR-GPS наблюдений.

Данную систему планируется развернуть на существующем Крымском геодинамическом полигоне размером 16x25 км, расположенном в южной части полуострова, который охватывает территорию с горным рельефом. Планируется также создание новых полигонов, которые будут охватывать весь Горный район полуострова, который является зоной наиболее опасных геодинамических процессов (землетрясений, сдвигов, обвалов, интенсивных карстовых процессов и др.).

Крымский полуостров состоит из Горного Крыма на юге и равнины в северной части полуострова. Горный Крым (150 км от г. Севастополя к г. Феодосия, ширина горной полосы не превышает 50 км) в свою очередь состоит из Главной, Предгорной (Внутренней) и Внешней антиклинальных гряд. Внешняя гряда есть наиболее низкая, в северном направлении она постепенно переходит в равнину. Внутренняя гряда высшая и, в конце концов, Главная гряда высочайшая, ее высоты достигают 1200-1500 г над уровнем моря.

Сейчас в Горном районе Крыма находятся две перманентные GPS станции (Евпатория, Симеиз), одна РСДБ станция, две SLR станции (Кацивели, Симеиз). Эти станции подключены к соответствующим международным сетям IGS, IVS и ILRS и на них проводятся регулярные наблюдения.

Для реализации данного проекта необходимо создать и развернуть сеть GPS станций, которая охватывала бы всю Горную часть полуострова. Основу этой сети будут составлять 4 реперных станции (2-е существующие и 2-е новые) и подсистема геодинамических полигонов с GPS сенсорами. Для привязки этой сети к Международной Земной Системе Координат (International Terestial Reference Frame, ITRF) будет использоваться пункт коллокации разных космических методик наблюдений "Симеиз Кацивели", в состав которого входят одна VLBI и две SLR станции. На сегодняшнее время уже осуществлена привязка маркеров этого пункта к ITRF с точностью 1 мм.

* * *

Сейчас для построения планетарной геодинамической модели движения литосферных плит еще не хватает данных. Однако ученые не сомневаются, что через какое-то время она будет создана. И тогда мы будем знать, как будет меняться во времени облик материков Земли и сумеем более точно прогнозировать проявления тектонической деятельности.

Валентина Гаташ (Харьков)
Александр Вольвач (Симеиз)

По материалам еженедельника "Зеркало Недели" (г. Киев, Украина)
и журнала "Кинематика и Физика небесных тел" (г. Киев, Украина)



См. также:

Эксперименты на международной РСДБ-сети LFVN, «АиТ» 20-08-2004

64-х метровая антенна в Медвежьих Озерах начала работать в новых частотных диапазонах, «АиТ» 15-05-2004


18-10-2004     Источник: «АиТ»   
Обсуждение материала

Материал еще не обсуждался.
Вы можете создать первую тему обсуждения
Создать новую тему
Календарь
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
          1 2
3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23
24 25 26 27 28 29 30
Новости по категориям
Новости сайта
Новости астрономии
Телескопы и обсерватории
Астрономия и Интернет
  Все новости

Астрономия и телескопостроение - Copyright © 1999-2006 Коллектив авторов