Книга: Юг! История последней экспедиции Шеклтона 1914-1917 годов

ФИЗИКА

ФИЗИКА

Д.М. ВОРДЬЕ

В связи с продолжительным дрейфом корабля плановую программу физических наблюдений пришлось значительно поменять. Изначально программа была рассчитана на установку приборов для наблюдений за земным магнетизмом на береговой базе и проведения непрерывного ряда измерений на протяжении всего периода пребывания там, получения абсолютных показаний горизонтальной магнитной силы земли и магнитных склонений за определённые промежутки времени. В связи с непрерывным дрейфом и возможностью льдин треснуть в любое время, оказалось неосуществимым установить необходимые инструменты, и магнитные наблюдения оказались ограничены сериями абсолютных измерений, проведёнными всякий раз, когда для этого предоставлялась возможность. Эти измерения, благодаря дрейфу корабля, распространяются на значительные расстояния, и дали результаты вдоль линии, простирающейся примерно с 77? ЮШ по 69?ЮШ. Это не совсем то место, где бы хотелось получить желаемые результаты, но они вполне приемлемы относительно положения магнитного полюса, полученные результаты соответствуют сравнительно низкой магнитной широте, значение склонения варьируется от 63 до 68 градусов.

Насколько это было возможно, постоянно регистрировалась напряжённость магнитного поля квадрантным электрометром на штативе и чернильным рекордером, изготовленными Кембриджской компанией Научных приборов. Опять же, несколько специфические условия сделали эту работу очень сложной, поскольку этот инструмент был очень чувствителен к малейшим колебаниям, таким, как время от времени, надавливания льда на корабль. В его иониевом коллекторе использовался радиоактивный материал, любезно предоставленный мистером Глью (F.H. Glew). Главная трудность заключалась в постоянном образовании толстой корки инея, который либо нарастал на изоляции и портил её, или же покрывал коллектор так, что прибор не мог больше работать. Тем не менее, значительное число хороших измерений было сделано, хотя они и не были должным образом обработаны. Условия экспедиции были очень благоприятны для наблюдения за образованием морского льда и его физическими свойствами, однако эти выводы обсуждались в другом разделе, и упоминаются здесь, поскольку подпадают под заголовок физики.

В дополнение к этим основным направлениям работы, были проведены многие наблюдения разнообразного характера, в том числе, такие как возникновение и природа паргелия или «ложных солнц», полярных сияний, которых было немного и они были довольно смазаны вследствие сравнительно низкой магнитной широты. Поскольку большинство наблюдений не представляют ценности без знания места, откуда они были проведены, а помимо этого был сделан полноценный промер глубин, ежедневные определения положения судна представляли очень важную задачу. Дрейф судна пролил значительный свет, по крайней мере, на одну географическую проблему, существование земли Моррелла. Оставшаяся часть этого приложения, следовательно, будет посвящена обсуждению методов, используемых для определения положения судна изо дня в день.

Широта и долгота определялись по астрономическим наблюдениям каждый день, когда были видны солнце или звёзды, когда же небо было затянуто тучами, положение определялось путём интерполирования, известного как навигационное счисление («dead reckoning»), то есть, путём оценки скорости и курса судна и, принимая во внимание различные причины, влияющие на него. Небо было часто затянуто тучами по нескольку дней подряд, и было очень ценным подспорье в этом вопросе. Капитан Уорсли построил аппарат, который давал хорошее представление о направлении дрейфа в любое время. Это был железный прут, который проходил сквозь железную трубу, вмороженную вертикально в лёд, опущенный до уровня воды. На нижнем конце прута находилась лопасть. Прут свободно вращался, а лопасть указывала направление течения при помощи указателя, прикреплённого к его верхней части. Указываемые направления зависели, конечно, от дрейфа льда относительно воды, и не принимали во внимание любые фактические течения, которые могли нести лёд, но истинное течение, кажется, никогда не было сильным и направление вертушки, вероятно, довольно точно указывало направление дрейфа льда. С помощью этого прибора нельзя было получить точное представление о скорости дрейфа, хотя было возможно приблизительно его оценить, сместив лопасть и отметив, как быстро она вернётся в прежнее своё положение, чем выше скорость возврата, тем выше скорость дрейфа. Другим средством оценки скорости и направления дрейфа был линь, при помощи которого проводился промер глубин. Скорость и направление дрейфа, казалось, почти полностью зависели от скорости и направления ветра. Если и существовало какое-либо истинное течение, это оно не являлось очевидным из грубого сравнения дрейфа с преобладающими направлениями ветров, хотя тщательные исследования показаний могут дать и некоторый эффект течения.*

* См. «Научные результаты норвежской Северной Полярной Экспедиции, 1893-96,» том iii, стр. 357.

Дрейф всегда относил нас «влево» независимо от фактического направления ветра. Этот эффект, вызванный вращением земли и соответствующей девиацией относительно направления ветра, был отмечен Нансеном ещё во время дрейфа Фрама. Изменению направления ветра часто предшествовали несколько часов изменений показаний указателя направления дрейфа. Вне всякого сомнения, грядущие перемещения льда под ветер приводились в движение в результате волнения, перемещавшегося через лёд быстрее, чем приближающийся ветер.

Для астрономических наблюдений мы использовали как секстант, так и теодолит. Используемым теодолитом был light 3'' Вернье Кэри Портера, предназначенный для санной работы. Этот инструмент был вполне ничего, хотя, возможно, его прочностью пожертвовали в пользу лёгкости в слишком большой степени. Ещё одним моментом, который заслуживает особого упоминания, были регулировочные винты, которые были сделаны из меди, а трегер, которыми он регулировался, был сделан ради облегчения из алюминия. Эти два металла имеют разный коэффициент расширения, и хотя при нормальных температурах проблем не было, то при температурах в районе 20 Fahr. ниже нуля направляющие трегера сильно ослабевали. При изготовлении любого инструмента, предназначенного для использования при низких температурах, следует позаботиться о том, чтобы его части, которые должны соединяться вместе, были сделаны из одинакового материала.

Для определения положения в дрейфующем паковом льду теодолит оказался более полезным инструментом, нежели секстант. В мощном паке льдины достаточно устойчивы, и теодолит мог быть установлен и выровнен так же, как и на суше. Определения широты и долготы заключаются в измерении высоты солнца или звёзд. Главная неопределённость в этих измерениях – это величина преломления света в воздухе. При очень низких температурах, коррекция, применяемая к этим счислениям является величиной непостоянной (неопределённой), и, если возможно, измерения всегда должны быть проведены совместно с измерениями относительно какой-либо северной и южной звезды для широты, и звезды к востоку и западу для долготы. Ошибка преломления будет, таким образом, устранена. Эта ошибка влияет на измерения как теодолитом, так и секстантом, но в случае измерений секстантом есть ещё одна причина ошибки. Используя секстант, угол между небесным телом и видимым горизонтом измеряется непосредственно. Даже в плотном паке, хотя наблюдения осуществляются с палубы корабля, тороса или низкого айсберга, горизонт, как правило, достаточно чёткий для этой цели. В очень холодную погоду, однако, и особенно, если есть открытые каналы и полыньи между наблюдателем и горизонтом, часто возникает эффект миража, и видимый горизонт может быть поднят вверх на несколько минут. Это уменьшит измеряемую широту, а провести коррекцию измерений практически невозможно. Эта ошибка может быть устранена в какой-то степени путём сопряжения наблюдений как описано выше, но это не означает, что эффект миража будет одинаков в двух направлениях. Затем опять же, в течение летних месяцев звёзды не будут видны, и определение широты будет зависеть от одного полуденного солнца. Если же солнце видно в полночь, то его высота над уровнем моря будет слишком мала для точных измерений и, в любом случае, атмосферные условия будут совершенно отличны от полуденных. В Антарктике, таким образом, условия для получения точных результатов измерений особенно трудны и необходимо уменьшать вероятность ошибки как можно больше. Поэтому когда возможно, измерения высоты звезды или солнца должны проводиться с теодолита, так как высота отчитывается от его спиртового уровня и не зависит от видимого горизонта. Во время дрейфа «Эндьюранс» использовались, как правило, оба средства измерений. Сравнение результатов показало, что они схожи у секстанта и теодолита в пределах ошибки прибора если температура выше примерно 20 градусов Fahr. (-5 °C). При более низких температурах были часты расхождения, которые можно отнести к эффекту миража, описанному выше.

Поскольку «Эндьюранс» несло дрейфом на запад моря Уэдделла, в район предполагаемой Земли Моррелла, точное определение долготы сразу стало основной задачей с точки зрения устранения противоречий по поводу существования этой земли. Во время долгого путешествия широта всегда может быть определена более менее точно и зависит просто от точности измерения высоты [солнца]. В случае с долготой вопрос не так однозначен. Обычный метод заключается в определении местного времени по астрономическим наблюдениям и сравнения этого времени с Гринвичским, которое показывает корабельный хронометр, при этом требуется точное знание ошибки хода хронометра. Во время путешествия «Эндьюранс» прошло около пятнадцати месяцев, в течение которых хронометры не проверялись, но которые могли быть проверены путём наблюдения известной земли, другого метода проверки без вероятности больших ошибок в долготе не было. Для цели проверки хронометров зимой 1915 года был проведён ряд наблюдений. По покрытию звёзд Луной. Такие покрытия происходят ежемесячно и описаны в «Морском альманахе». Из данных, приведённых там, можно вычислить время по Гринвичу, в которое то или иное покрытие должно произойти для наблюдателя в любом месте на земле, знающего своё местоположение в пределах нескольких миль. Во время исчезновения звезды отмечаются показания хронометра. Ошибка хронометра, таким образом, определяется. При обычной погрешности хода хронометра ошибка может быть определена до несколько секунд, что вполне достаточно для целей навигации. Основная сложность этого метода заключается в том, что происходит сравнительно немного покрытий, и те, что случаются, происходят со звёздами пятой величины или ниже. В Антарктике условия для наблюдений покрытий довольно благоприятны зимой, поскольку звёзды пятой величины могут быть видны в небольшой телескоп в любое время в течение суток если небо ясное, луна также выше горизонта большую часть времени. Летом, однако, этот метод совершенно невозможно применить, поскольку несколько месяцев звёзды не видны.

До июня 1915 года хронометр не проверялся. 24 июня наблюдалась серия из четырёх покрытий и результаты наблюдений дали ошибку долготы на целый градус. В июле, августе и сентябре покрытия наблюдались ещё, и было вычислено достаточно точное отклонение хода хронометров и часов. После крушения судна 27 октября 1915 года наблюдения покрытий не проводились, но мы делали корректировку хода часов и долгота, определяемая с использованием этих коррекций вплоть до 23 марта 1916 года определялась с точностью до 10 минут, судя по наблюдению Земли Жуанвиля, сделанному в этот день. Таким образом, я практически уверен в том, что больших ошибок в определении местоположения «Эндьюранс» в любое время во время дрейфа сделано не было, и его курс с большой уверенностью можно считать известным, нежели это часто бывает в плаваниях такой продолжительности.