На краю Земли и льда: как уникальные сейсмометры погрузили в ледяные глубины Южного полюса

Прямо сейчас, более чем на 2,46 километра ниже поверхности Южного полюса, покоятся два сейсмометра — самые глубокие из себе подобных. Они созданы, чтобы выдерживать экстремальное давление, холод и магнитные помехи в одной из самых суровых сред на Земле.

Установка приборов, которые станут частью Глобальной сейсмографической сети Геологической службы США (USGS), была экспедицией «на грани провала» из-за всех трудностей, с которыми пришлось столкнуться, — рассказал Роберт Энтони, геофизик из программы изучения землетрясений USGS, руководивший проектом при финансировании Национального научного фонда (NSF).

Новые сейсмометры помогают «заполнить огромный, континентального масштаба пробел в нашей высококачественной сети наблюдения за Землей». «То, что они работают на глубине полутора миль во льду, просто невероятно», — добавил он.

Теперь, когда приборы успешно установлены, они начнут собирать высокоточную сейсмическую информацию, которую ученые смогут использовать для измерения землетрясений, обнаружения цунами и даже мониторинга ядерных испытаний.

Новые сейсмометры помогают «заполнить огромный пробел континентального масштаба в нашем высококачественном покрытии Земли», — отметил Рик Астер, сейсмолог из Университета штата Колорадо, участвовавший в технической экспертизе приборов. «Хорошее распределение станций по всему миру — это огромное благо для сейсмологии и наук о Земле».

Инженерные решения под давлением

Создание сейсмометров, способных выдержать погружение в ледяной щит, потребовало многих лет планирования, усилий десятков экспертов из разных организаций и холодной, тяжелой работы на краю света.

Каждый сейсмометр находится на дне скважины, пробуренной в рамках партнерства NSF с Сейсмологической лабораторией USGS в Альбукерке, Университетом Висконсин-Мэдисон и Нейтринной обсерваторией IceCube, которая уже устанавливала подповерхностные приборы для регистрации субатомных частиц. Скважины бурили горячей водой, поэтому каждая из них до сих пор заполнена водой, которая медленно расширяется по мере замерзания. Этот «бурный, хаотичный процесс», по словам Энтони, оказывает на сейсмометры экстремальное давление, которое должно достигать почти 600 атмосфер. Чтобы защитить приборы, каждый сейсмометр помещен в прочный корпус, способный выдержать около 700 атмосфер. Сейсмометры также защищены от магнитных бурь, которые особенно интенсивны на полюсах, с помощью металлического кожуха, перенаправляющего магнитное поле вокруг приборов.

Компания Nanometrics, производитель научного оборудования, помогла команде определить способ крепления сейсмометров внутри защитных корпусов, а IceCube адаптировала свои существующие методы, чтобы создать систему, позволяющую приборам принимать сигналы GPS глубоко под поверхностью ледникового щита.

«Вероятность неудачи была так высока, так много всего могло пойти не так, что просто удивительно, что оба прибора были установлены и оба работают».

К июлю 2025 года у команды наконец-то появился полностью рабочий продукт, всего за два месяца до крайнего срока отправки оборудования в Антарктиду. Если бы инженерные решения заняли всего на месяц больше, проект мог бы не состояться, сказал Энтони. За два месяца до отправки приборы прошли обширные испытания в Сейсмологической лаборатории Альбукерке, Университете штата Мичиган и Университете Висконсина.

Энтони ожидает, что сейсмометры, установленные во время антарктического лета 30 декабря и 9 января, полностью вмерзнут в лед в ближайшие несколько месяцев. Их установка — «огромное облегчение», говорит Дэвид Уилсон, директор Глобальной сейсмографической сети USGS и геофизик, участвовавший в проекте. «Вероятность неудачи была так высока, так много всего могло пойти не так, что просто удивительно, что оба прибора были установлены и оба работают».

На страже сейсмологического знания

Два сейсмометра смогут регистрировать движение планеты после сильных землетрясений и улавливать более слабые сигналы с большей точностью, чем любые ранее установленные приборы. Южный полюс — единственное место на Земле, где сейсмометры могут вести такие наблюдения без искажений, вызванных вращением планеты.

Кроме того, глубина и местоположение приборов означают, что они находятся далеко от любых поверхностных шумов, таких как деятельность человека, океанские волны или ветер. Даже изменения атмосферного давления, например, при приближении штормов, могут влиять на сейсмические данные. Чем глубже установлены сейсмометры, тем меньше эти изменения воздействуют на приборы. Фирн — плотный снег, находящийся в процессе превращения в ледник — также гасит поверхностные шумы.

Астер сравнивает установку приборов с попытками астрономов найти самое темное небо для наблюдений. «Это вибрационный датчик, ищущий самую тихую в вибрационном отношении часть мира», — сказал он.

А поскольку оба сейсмометра вмерзнут в ледяной щит, они будут чрезвычайно неподвижны и останутся таковыми на очень долгое время. С такими стабильными сейсмометрами «можно регистрировать мельчайшие движения грунта, порядка почти размера атома — очень, очень крошечные движения», — пояснил Энтони.

Данные с сейсмометров могут дать ответы на давние вопросы о сейсмической активности в Антарктиде, например, о том, как движется ее ледяной щит по коренным породам. В некоторых местах ледяной щит может «застревать и проскальзывать так, что мы сможем наблюдать это с новым уровнем точности», — говорит Астер, используя новые сейсмометры. Приборы также зафиксируют уникальные показатели сейсмической активности айсбергов у побережья Антарктиды и вулканов в Западной Антарктиде, добавил он.

Установка этих приборов демонстрирует ценность присутствия американской науки в Антарктиде, подчеркнул Астер. Станция на Южном полюсе предоставляет «абсолютно уникальные и первоклассные возможности» для американской научной деятельности, заключил он.

Технический триумф установки сейсмометров открывает новую главу в изучении не только недр Земли, но и самого ледяного континента. Ученые рассчитывают, что полученные данные помогут понять механизмы движения ледников и их взаимодействие с геологическими разломами. Например, исследователи давно подозревают, что подледный рельеф Антарктиды скрывает тектонические процессы, которые могут влиять на стабильность ледового щита в условиях глобального потепления. Сейсмометры, расположенные так глубоко, позволят отличить вибрации, вызванные движением льда, от тех, что порождены глубинными геологическими силами. Это критически важно для построения точных моделей будущего уровня моря: если антарктический ледник начнет таять и скользить быстрее, последствия ощутят миллионы людей по всему миру.

Кроме того, чистота сигнала, которую обеспечивают новые приборы, может привести к неожиданным открытиям в фундаментальной науке. Возможно, они смогут зарегистрировать гравитационные волны или другие космические феномены, влияющие на колебания планеты. Как и в случае с обсерваторией IceCube, изначально созданной для поиска нейтрино, а затем ставшей мощным инструментом для множества дисциплин, эти сейсмометры, вмороженные в лед Южного полюса, обещают стать ключом к разгадке тайн, о которых мы пока даже не догадываемся. Поистине, иногда, чтобы услышать планету, нужно погрузиться в самую глубокую тишину.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы следить за развитием этой и других полярных экспедиций.