Опускать в воду для измерения ее прозрачности белый металлический круг диаметром 30 см и следить, на какой глубине он исчезнет из виду, предложил директор обсерватории папского Григорианского университета аббат Анджело Секки. Диск его имени используется в океанологии до сих пор, потому что ни один современный метод мониторинга прозрачности поверхностного слоя вод Мирового океана, включая космическое зондирование, пока не может сравниться с ним по простоте, точности и информативности.
Директор обсерватории папского Григорианского университета аббат Анджело Секки
Фото: Getty Images
Директор обсерватории папского Григорианского университета аббат Анджело Секки
Фото: Getty Images
Мерцовский экваториал
В Риме в парке виллы Боргезе стоит бюст Пьетро Анджело Секки — ученого мирового значения, гордости итальянской науки, члену Парижской, Петербургской и прочих академий. В истории науки он в первую очередь ассоциируется с астрофизикой. Наряду с Фраунтгофером, Ангстромом, Хаггинсом, Локьером, Кирхгофом он считается отцом-основателем этой науки и, пожалуй, повлиял на астрофизику того времени в большей степени, чем любой из них. Как показало время, Секки исходно задал самый перспективный из всех возможных вектор развития астрофизики.
Он классифицировал звезды на пять типов по особенностям спектра их излучения (присутствие и количество спектральных линий, характерных для более тяжелых химических элементов, чем водород и гелий). Спектральная классификация звезд Секки в течение полувека по сути была «таблицей Менделеева» для астрофизиков. Только в конце XIX века ее сменила современная Гарвардская классификация (температурная).
Строил Секки свою спектральную классификацию звезд на чердаке римской церкви Святого Игнатия, того самого Игнатия Лойолы, основателя и первого генерала ордена иезуитов. Аббат Секки и сам был иезуитом, куда еще ему было пристроить папскую обсерваторию, когда его назначили ее директором? В специально выстроенной для папских телескопов в XVIII веке башне Каландрелли (первого директора папской обсерватории) перекрытия пришли в ветхость и грозили обвалиться, и Секки переехал под купол барочной церкви Святого Игнатия, благо она была по соседству, в том же квартале.
Аббат Секки разлагал свет звезд на спектры с помощью самого продвинутого по тем временам экваториала (телескопа с часовым механизмом, который удерживал его направление на заданную точку, поворачивая телескоп синхронно с вращением Земли) баварской фирмы «Мерц и сыновья», которая снабжала своими телескопами ведущие мировые обсерватории того времени — от Гринвичской до Пулковской.
Так что стихотворение «Анджело Секки» Арсения Тарковского, который ощущал родство душ с ученым-иезуитом, очень трогательное, но грешит анахронизмами: «Здесь, в Риме, после долгого изгнанья, / Седой, полуслепой, полуживой, / Один среди небесного сиянья, / Стоит он с непокрытой головой…/ От мерцовского экваториала / Он старых рук не в силах оторвать; / Урания не станет, как бывало, / В пустынной этой башне пировать».
Секки действительно уехал на два года в Англию и Америку, но не в ссылку, а по рекомендации руководства ордена. Начиналась «Весна народов» — волна революций, прокатившихся по Европе в 1848–1849 годах, и иезуиты, к которыми и так нехорошо относились, могли попасть под горячую руку как революционерам, так и контрреволюционерам. За границей он учился в Стоунихерстском колледже и Джорджтаунском университете и вернулся в Рим в 1849 году вполне цветущим молодым человеком 31 года. В тот же год его назначили директором папской обсерватории, и первым делом он эвакуировал ее из аварийной «пустынной башни» Каландрелли. Умер Секки, кстати, довольно рано, в возрасте 59 лет, не успев одряхлеть и ослепнуть от старости.
Папская океанография
В середине XIX века ученые уже специализировались каждый в своей области: физики занимались физикой, химики — химией, астрономы — астрономией, океанографы — океанографией, но «порок» энциклопедизма изжили не до конца и частенько залезали на чужие грядки. Секки не был исключением, и можно даже предположить, почему он полез в епархию океанографов со своим диском.
С помощью несовершенного спектрографа того времени, приспособленного им к телескопу, он получал на спектрограммах не очень внятные картинки. Одни и те же наблюдения приходилось повторять по нескольку раз, чтобы удостовериться в реальности той или иной спектральной линии. В числе прочих помех для наблюдателя звезд из центра Рима была и постоянная дымка над большим городом от печей на дровах и угле (газовых и электрических плит на кухне еще не было). А также ночное освещение, тогда население Рима было около 200 тыс. человек, а во время больших католических праздников увеличивалось за счет паломников и туристов до миллиона. В 1930 году именно по этой причине Ватиканская обсерватория была перенесена за городскую черту в Кастель-Гандольфо, а в 1980-х годах — и вовсе в американский штат Аризона.
Не исключено, что ущербная прозрачность атмосферы над мегаполисом натолкнула Секки на мысль, что то же самое можно наблюдать в море по мере приближения к берегу, особенно населенному, и он решил проверить эту гипотезу. Впрочем, как бы там ни было, аббат Секки велел сделать стальной диск с крючками по центру с обеих сторон, покрасить его водостойкой белой краской и отправил его не кому-нибудь, а главнокомандующему папским флотом вместе с инструкцией по применению.
Аппаратного веса в ватиканской иерархии для такого поручения папскому адмиралу у аббата Секки, вероятно, было достаточно. Когда-то папский ВМФ (Marina Pontificia) был мощной силой и топил эскадры арабов и турок в битвах при Остии и Лепанто, но во времена Секки он был скорее декоративным: 18-пушечный паровой корвет, 12-пушечная шхуна и дюжина патрульных лодок. Ватиканский адмирал поручение аббата выполнил с военно-морской точностью, и в1865 году в итальянском научном журнале Il Nuovo Cimento («Экспериментальные новости») Секки опубликовал статью по исследованию прозрачности Лигурийского и Адриатического морей с помощью своего диска.
Тарелка с камбуза
Разумеется, и до Секки такой метод измерения прозрачности моря приходил в голову ученым и не только ученым. Например, во время кругосветного плавания в 1815–1818 годах брига «Рюрик» под командованием лейтенанта российского императорского флота Отто Коцебу в программу океанографических наблюдений вошло измерение прозрачности воды с помощью обычной белой фаянсовой тарелки с камбуза, которую опускали за борт на веревке. Кстати, в этом плавании тарелка была не единственным подручным океанографическим прибором: из бутылок из-под финьшампаня (коньяка), которым офицеры брига запаслись в Плимуте, корабельные умельцы из матросов сделали опрокидывающиеся батометры для отбора проб морской воды с разных глубин. Так, в коньячных бутылках их и привезли по окончании плавания в петербургскую Императорскую академию наук для исследования.
Были до Секки и более авторитетные, нежели лейтенант Коцебу, ученые, которые измеряли прозрачность воды с помощью светлых кругов и пластин другой конфигурации, погружаемых вглубь моря на веревке. Но так уж получилось, что именно его диск стал стандартным в практике океанологии. В конце XIX века появилась его разновидность — диск диаметром 20 см с черно-белыми квадрантами, похожими на клетки шахматной доски, его сейчас используют для измерения прозрачности пресноводных водоемов. Но в океанологии диск Секки сохранился в своем первозданном виде.
Глубина Секки
Процедура измерения с его помощью прозрачности морской воды простая. С одной стороны диска на крючок вешают груз, с другой стороны за крючок привязывают веревку. Опускают диск за борт и следят, как он тонет. Когда диск исчезает из виду, отмечают глубину и вытравливают еще немного веревки. Потом начинают его поднимать. Как только белое пятно снова появится, еще раз отмечают глубину. Потом складывают глубину исчезновения диска и глубину его появления и делят надвое. Это среднее арифметическое и есть показатель прозрачности морской воды — глубина Секки по-научному.
Понятно, что метод весьма субъективный, острота зрения у людей разная. Но это настолько очевидно, что никто со слабым зрением не будет вести такие измерения, а наденет очки или попросит их сделать другого, с нормальным зрением. Кроме того, обычно за погружением диска следят сразу несколько человек, иногда из свободных от вахты наблюдателей у борта экспедиционного судна скапливается целая толпа, так как занятие это завораживающее. Но самое главное — простота метода искупает его погрешность. Да и погрешность, как выяснилось совсем недавно, у диска Секки гораздо меньше, чем у самого продвинутого спутникового дистанционного спектрорадиометра.
Секки vs НАСА
В 2017 году группа британских и французских океанологов опубликовала результаты трехлетнего наблюдения за прозрачностью поверхностных вод Мирового океана с помощью диска Секки и сравнила их данные с данными за тот же период со спутника НАСА. Выяснилось, что расхождение между ними в среднем в 1,6 раза. Например, когда диск Секки теряется из виду на глубине 10 м, спутниковая оценка глубины Секки составляет 14,52 м (13,28–15,77 м, 95% доверительный интервал).
Кто здесь врет, ясно даже неученому. Опуская за борт диск Секки, ошибиться с глубиной его исчезновения из виду на 4 м в интервале 10 м мог бы только «седой, полуслепой, полуживой» аббат Секки из стихотворения Арсения Тарковского, да и то вряд ли.
Главная причина столь скандального научного открытия была сформулирована в том же исследовании 2017 года: «Профессиональных океанологов стало больше, чем когда-либо прежде, но мало кто из них выходит в море и еще меньше уходит далеко в море». Действительно, зачем мучить себя морской болезнью, когда можно сидеть в лаборатории за компьютером и с погрешностью 60% строить теории на основании данных спутниковых наблюдений.
Прозрачность воды — ее интегральный, опосредованный показатель. Со спутников же оценивают не прозрачность, а еще более интегральный показатель — цвет воды. Масса чистой прозрачной морской воды издалека синего цвета, и чем больше в ней взвесей, чем она мутнее, тем дальше в теплую область спектра смещается ее цвет: зеленый — желтый — коричневый.
Разумеется, сегодня есть электронные приборы, в том числе с собственным источником света, измеряющие прозрачность воды с научной точностью. Их океанологи используют для оценки мутности воды на глубинах, куда не проникает солнечный свет. Например, ставят на дно в зонах подводной сейсмической активности для мониторинга извержения подводного вулкана или очередного фонтана из «черного курильщика». Использовать их в верхнем слое воды на глубинах в несколько десятков метров нерентабельно, здесь для исследовательских целей достаточно точности диска Секки.
Зачем знать прозрачность воды
Верхний слой морской воды, куда проникает солнечный свет, или эвфотическая зона, как называют этот слой ученые, в разных местах Мирового океана разный. У берегов он может быть всего несколько метров, а в очень прозрачных водах Саргассова моря толщина эвфотической зоны достигает 150–200 м. В открытом океане усредненная нижняя граница эвфотической зоны лежит на глубине 80 м. Именно здесь, в верхних 80 м Мирового океана, образуется до 90% атмосферного кислорода, которым мы дышим. Иными словами, мы еще дышим, потому что мельчайшие океанические водоросли фитопланктона в процессе фотосинтеза производят для нас кислород. Не станет их, не помогут ни джунгли Амазонки, ни сибирская тайга — задохнемся.
У берегов, особенно в эстуарных зонах, в морской воде много минеральных и органических взвесей, поэтому вода там мутная, малопрозрачная. В открытом океане в верхнем слое воды есть только эоловые взвеси, то есть пыль, которую приносят сюда ветры с материков, поэтому вода там относительно чистая, ее прозрачность зависит главным образом от концентрации в ней водорослей фитопланктона.
Много фитопланктона, диск Секки исчезает из виду на небольшой глубине; мало фитопланктона — белое пятно диска видно на глубине до 50–60 м. Рекорд по прозрачности держит антарктическое море Уэдделла: там диск Секки пропал из виду на глубине 80 м. Вероятно, он был бы виден еще глубже, если бы это не был его теоретический предел: глубже 80 м его не видно по законам оптики.
Выходит, что знать прозрачность морской воды по всей акватории Мирового океана не только нужно, но и жизненно важно. Также выходит, что теоретический предел работы диска Секки совпадает со средней толщиной верхнего фотосинтезирующего слоя Мирового океана. И, наконец, получается, что наибольшую адекватность измерений прозрачности воды в этом слое на сегодня дает старый добрый диск Секки, а отнюдь не самые современные приборы.
Прозрачность до глубины 50–60 м, как в том же Саргассовом море или в Адриатике, означает только то, что здесь аналог наземной пустыни. Если же, наоборот, прозрачность воды в открытом море вдруг оказывается всего 10–20 м, то, не забирая проб планктонной сетью, можно держать пари, что здесь бурно размножается фитопланктон. На нем пасутся рачки зоопланктона, которые время от времени опорожняют свою пищеварительную систему, оформляя экскременты в аккуратные пеллеты, и внизу, в нескольких километрах под этим праздником жизни, как показывает подводная съемка, словно снег идет — это «манна небесная» из эвфотического слоя сыплется на донные бактерии и других обитателей океанского дна.
Народная океанология
В 2013 году команда британских океанологов учредила Фонд Секки (Secchi Disk Foundation), работающий по принципу краудфандинга. Деньги они собирают на поддержку сайта, бесплатного для пользователей приложения Secchi в смартфоне и на обработку данных по глубинам Секки, которые им присылают неученые энтузиасты, меряющие диском Секки прозрачность морей и океанов на всех широтах, где они, энтузиасты, окажутся.
Поводом для привлечения посторонних людей к научным исследованиям стали публикации ученых, в которых на основе, разумеется, чисто научных данных утверждалось, будто продуктивность фитопланктона в Мировом океане с 1950 года снизилась на 40%. Верилось в это с трудом. Ведь если главная кузница кислорода в земной атмосфере и впрямь деградирует с такой скоростью, то всем нам действительно пора, как сейчас говорят, валить отсюда — хоть на Марс, хоть куда еще.
Скорее, предположили ученые, произошло то, что юристы называют эксцессом исполнителя: авторы таких оценок смешали в одну кучу данные, полученные ранее с помощью диска Секки с более поздними спутниковыми данными. В результате получилась оценка несовместимости этих данных (40% для одной и той же воды в одной и той же точке Мирового океана), а вовсе не оценка продуктивности фитопланктона.
Вот это и следовало проверить, а для этого надо было выйти в море и померить все заново с помощью диска Секки при одновременном мониторинге прозрачности океана со спутников. Затем рассчитать понижающие / повышающие коэффициенты для обоих массивов данных и таким образом построить картину реальной динамики фотосинтеза фитопланктона в океане за последние полтора века.
С космическим мониторингом проблем нет, он постоянно идет. Большая проблема была с непосредственным измерением глубин Секки с борта судна. Для такой глобальной съемки ни сил, ни денег у ученых не было. Трудно сказать, что ожидали ученые от добровольных помощников, но явно не ожидали, насколько близко к сердцу неученый народ примет их заботы.
Любой может посмотреть на сайте The Secchi Disk Study карту глубин Секки в Мировом океане, построенную за последние семь лет добровольными помощниками океанологов, продолжающими ее дополнять и уточнять. Там не только прибрежные моря покрыты густой сетью станций, но есть точки наблюдений посреди океанов — пока их немного, но они есть во всех пяти океанах!
За одно это аббат Секки заслуживает не скромного бюста в римском парке, а монумента размером со статую Свободы где-нибудь в проливе Дрейка или на мысе Доброй Надежды. Благодаря его простому до смешного научному прибору в виде железного диска стал возможным редчайший, если не уникальный случай citizen science, то есть гражданской (народной) науки, такого масштаба. Только немного стыдно видеть на ее карте сплошное белое пятно на месте морей нашей необъятной родины.