Предлагается в созданной в 1912 году на территории Сибботсада шахте лаборатории «Центр Евро-Азиатского континента» разместить действующий аналог маятника Цельнера, снабженный лазерным цифровым индикатором отклонения маятника, вывести показания маятника в режиме реального времени на демонстрационнуюпанель в Главном корпусе университета, где разместить также исторические материалы о лаборатории, обеспечить возможность дистанционного осмотра помещения шахты и установленного в ней оборудования. Маятник Цельнеоа позволяет визуализировать влияние Луны и Солнца на сдвиги земной коры. Целесообразно дополнить маятник Цельнера еще одним устройством – вертикальным маятником Ярковского, демонстрирующим влияние Луны и Солнца на изменение земного тяготения, ( фактически – веса каждого из нас). Данные демонстраторы будут понятны и интересны школьникам и взрослым гостям университета и города, будут поддерживать постоянный интерес к этой странице истории университета.
- Обоснование актуальности для развития университета и/или университетской среды.
Наличиев истории университета ярких уникальных событий целесообразно сделать неотъемлемой частью его имиджа. В значительной мере эту задачу решает Музей истории ТГУ и остальные музеи университетского комплекса. Вместе с тем, сегодня молодежь с трудом воспринимает статические экспонаты, превалирующие в наших коллекциях, и обращает особое внимание на движущиеся объекты, действующие, работающие устройства. Особенный интерес, как показывают различные кванториумы и обсерватории, вызывают экспонаты, в которых посетитель сам является исследователем.
Данным проектом предлагается «оживить» одну из интереснейших страниц истории ТГУ, связанной с созданием в 1911 году на территории Ботанического сада геофизической лаборатории для изучения движения земной коры Евро-Азиатского континента под действием Луны и Солнца. В дополнение к установленному в Университетской роще памятному знаку об этом событии (см. ниже, рис.2), предлагается расположить в сохранившейся шахте этой лаборатории действующие аналоги работавших там устройств и вывести их показания в реальном времени на панель в Главном Корпусе университета.
Такой вариант восстановления лаборатории, на наш взгляд, будет и привлекателен в плане популяризации геофизических и лазерных исследований, и будет активно напоминать о том, что в свое время Международной сейсмической ассоциациейименно университету были доверены эти измерения, при этом Центр Евро-Азиатского континента был обозначенв кампусе университета.
2. Краткая характеристика предполагаемых изменений (основная идея).
Поверхностные слои Земли, как и все ее части, претерпевают периодические сжатия и растяжения, а также небольшие смещения. Любой кусок, вырезанный мысленно в теле Земли, испытывает при этом изменения своей формы и объема. Величины таких изменений, наблюдаемых у поверхности, зависят от внутреннего строения Земли — от распределения плотностей и упругих свойств материала Земли во всей ее толще от центра до поверхности. Поэтому измерения различного рода приливных деформаций дают дополнительные сведения о внутреннем строении Земли. Возможность использования наблюдений, связанных с земными приливами, для изучения внутреннего строения Земли была понята еще В. Томсоном (Кельвином) почти сто лет назад и затем развивалась в работах Д. Дарвина (1879), Г. Херглотца (1905), A. Лява (1909-1911 годы), А. Пуанкаре (1910), В. Швейдара (1916), Г. Джеффриса и X. Такеучи (1950), а в нашей стране в работах Л. С. Лейбензона (1910), А. Я. Орлова (1915) и М. С. Молоденского (1953, 1961).
В июне 1911 года на съезде Международной сейсмологической ассоциации /1/, проходившем в Манчестере (Великобритания), было принято решение о создании двух сейсмических станций для наблюдений за деформацией Земли под влиянием лунно-солнечного притяжения. Первую станцию было поручено соорудить немецкому ученому Ю.Ф. Геккеру на юге Африки вблизи Йоханнесбурга, вторую было решено разместить в центре Евро-Азиатского континента. По предложению выдающегося русского астронома А. Я. Орлова (1880–1954) ее решили построить в Томске, где уже был открыт и активно развивался первый за Уралом Томский университет. По возвращении со съезда Орлов сделал доклад на заседании Постоянной центральной сейсмической комиссии на тему «О новой сейсмической станции в г. Томске для наблюдений над деформациями Земли». Он сообщил, что удобнее всего построить для этой цели отдельную специальную штольню (погреб) в Томске.
Строительство длилось с осени 1911 по зиму 1912 года. Для оборудования станции были выделены международные средства в размере 3500 марок. В качестве места расположения выбрали территорию ботанического сада. Активное участие в сооружении станции принял также профессор Томского технологического института Петр Соболевский. Первые наблюдения начались 25 сентября 1912 года, после просушки помещения, и продолжались всего восемь месяцев, но затем еще несколько раз были продолжены.
Согласно рисунку, станция представляла собой специально выкопанную пещеру длиной около 4-5 саженей, расположенную в одном из боков оврага на территории Ботанического сада университета. Внутри были встроены толстые кирпичные стены, окрашенные известью. Над потолком возвышался пласт земли достигающий в необходимой зоне (над рабочим помещением) толщины в 4 сажени. Все это позволяло поддерживать в течение всего года постоянные температуру, равную примерно + 11,5 °С, и влажность (80 %). Станция была разделена на коридор и помещение, где были установлены измерительные приборы. Измерения выполняла Мария Гортт де Гротт, слушательница Сибирских высших женских курсов, а в 1913-1915 годах ей помогал ассистент Томского университета, хранитель физического кабинета Вильгельм Абольд.
Первым достижением можно назвать тот факт, что 18 апреля 1914 года, на заседании Постоянной центральной сейсмической станции Императорской академии наук А. Я. Орлов сделал доклад «О результатах новейших наблюдений в Томске над земными приливами». Уже на следующий год он опубликовал капитальный труд «Результаты юрьевских, томских и потсдамских наблюдений над лунно-солнечными деформациями Земли», а также защитил по этой теме докторскую диссертацию в Санкт-Петербургском университете. Эти наблюдения позволили оценить амплитуды приливов в твердом теле Земли, вызванных лунно-солнечным притяжением, а также твердость Земли, которая оказалась «равной твердости драгоценных камней».
На протяжении всего времени работы – с 1912 по 1922 годы – станция неоднократно подвергалась разграблению. Помимо этого, периодически имела место нехватка средств, и было трудно достать весьма необходимую фотографическую пленку, используемую для регистрации наблюдений. Также такие события мировой истории, как революция 1918 года и Гражданская война воспрепятствовали регулярной работе сейсмической станции. В конечном счете, это привело к тому, что в 1922 года станция окончательно прекратила свою деятельность, а имеющееся там оборудование было демонтировано и под руководством А. Я. Орлова вывезено в Одессу. Тем не менее, даже кратковременное существование станции является одной из ярких страниц истории Томского университета. Впоследствии в Университетской роще по инициативе студентов ТГУ был установлен памятный знак, который символизирует Центр Евро-Азиатского континента (рисунок 2).
Основным прибором лаборатории, позволившим А.Я.Орлову проводить наблюдения за смещениями земной коры, являлся маятник Цельнера /2/, представляющий собой подвешенный на растяжках горизонтальный стержень с грузом и с индикаторной иглой на конце. Игла касалась поверхности фотопленки, установленной на вращаемом электродвигателем барабане с недельным циклом вращения. Электродвигатель работал от аккумуляторной батареи, которая еженедельно перезаряжалась. Таким образом, на фотопленке отражался недельный ход иглы маятника – недельный цикл горизонтальных смещений земной коры на широте г.Томска.
В предлагаемом проекте «фотомеханическую» систему записи показаний маятника предполагается заменить лазерно-электронным датчиком с оцифрованным выходным сигналом, позволяющим осуществить дистанционное наблюдение за показаниями маятника в реальном времени. Фактически в предлагаемом устройстве игла заменяется лучом встроенного в стержень маятника полупроводникового лазера, а вместо фотопленки, фиксирующей отклонения иглы, применяется многопиксельная приемная фотокамера, позволяющая с высокой точностью фиксировать смещения луча. Сигнал фотокамеры обрабатывается программой расшифровки и оцифровки изображений, позволяющей в цифровом виде отражать расположение луча и его перемещения. Действующий макет такого датчика в изготовлен студентами и преподавателями кафедры радиоэлектроники. Испытания действующего макета маятника с лазерным индикатором смещения в настоящее время проводятся в самом нижнем ярусе цокольного помещения 11-го корпуса (здание СФТИ на ул. Федора Лыткина). Полученные результаты хорошо коррелируют с результатами, опубликованными А.Я.Орловым.
Для достижения большего познавательного эффекта предлагается в шахте лаборатории разместить также еще один прибор, иллюстрирующий действие Луны и Солнца на гравитационную ситуацию на поверхности Земли - маятник Ярковского/3/. В отличие от маятника Цельнера, фиксирующего горизонтальные смещения земной коры под действием ближних космических тел, маятник Ярковского фиксирует изменения вертикальной компоненты земной гравитации, фактически – изменения веса каждого тела, возникающие вследствие гравитационного влияния Луны и Солнца. Если удастся показать и вывести эти изменения на ту же демонстрационную панель, можно сопоставлять показания горизонтального и вертикального маятников. Картину можно изобразить трехмерной.
На этой же панели, или рядом с ней, предлагается разместить информационные материалы об истории лаборатории «Центр Евро-Азиатского континента», материалы о прежних и современных маятниках, можно также в режиме удаленного доступа показать всю внутренность помещений шахты и расположенное в ней оборудование.
3. Предполагаемые результаты реализации с показателями их достижения.
Предполагается, что на размещенной в Главном корпусе университета панели в постоянном режиме будут демонстрироваться (по выбору посетителя):
- показатели горизонтального смещения земной коры в координатной точке размещения университета, т.е., в центре нашего континента под гравитационным воздействием Луны и Солнца;
- относительное изменение гравитации (веса каждого из нас) в данный момент времени, вызванное влиянием Луны и Солнца;
- история лаборатории, исторические документы, чертежи, результаты измерений, проведенных А.Я. Орловым.
- дистанционный доступ к видеокамерам, установленным в шахте и демонстрирующим помещение и установленное в нем оборудование.
Предполагается также создание сайта лаборатории с доступом к вышеуказанным материалам.
В перспективе возможна и организация экскурсий малыми группами в шахту (потребуются дополнительные работы по благоустройству подходов и прилегающей территории)
4. Основные задачи проекта
Реализация данного проекта предполагает решение нескольких разноплановых задач:
1. Подготовка помещения Центра
1.1. Восстановление (косметический ремонт, возможно – повторная дезактивация) шахты – помещения лаборатории. В связи с прежним размещением в данном помещении склада радиоактивных материалов, (были вывезены, помещение было дезактивировано) желательно, все же, проведение ремонтно-восстановительных работ осуществить силами специализированной организации.
1.2. Очистка, (возможно, - прокладка) тропы (дороги) к шахте
1.3. Восстановление сети электропитания, прокладка интернета (расстояние от корпуса Сибботсада – порядка 30 м).
1.4. Создание системы охраны и наблюдения за входом в шахту.
2. Создание действующих макетов оборудования Центра
2.1. Создание влаго - и пылезащищенного варианта модернизированного маятника Цельнера, причем в -2-х экземплярах (один устанавливается для наблюдений за смещениями земной коры вдоль параллели (Восток-Запад), второй – для наблюдений за ее смещениями вдоль меридиана (Север-Юг).
2.2. Создание влаго- и пылезащищенного варианта модернизированного вертикального маятника Ярковского.
2.3. Приобретение камер для визуализации помещения лаборатории удаленным доступом.
2.4. Приобретение пыле-влаго защищенного компьютера для управления датчиками маятников и первичной обработки результатов измерений.
3. Создание демонстрационного стенда в Главном корпусе ТГУ
3.1. Приобретение демонстрационной панели, размещение ее в Главном корпусе.
3.2. Разработка дизайна интерфейса (панели) показаний маятников и визуализации помещения лаборатории.
3.3. Подготовка текста, исторических иллюстраций и дизайн демонстрационного стенда «Центр Евро-Азиатского континента», совмещенного с демонстрационной панелью.
3.4. Разработка программ, реализующих различные сценарии наблюдения и работы информационной панели (подключения маятников, камер, 3D-экскурсия по шахте, устройство маятников, история лаборатории с иллюстрациями, результаты А.Я. Орлова и т.д.).
4. Сетевое подключение и запуск маятников и камер, установленных в шахте, соединение их с панелью.
4.1. Обеспечение «безлюдного» режима работы всей системы «лаборатория – панель».
4.2. Создание двуязычного сайта (страницы) лаборатории на сайте ТГУ. Обеспечение доступа к показаниям маятников и интерфейсу лаборатории с сайта ТГУ
5. Предполагаемые временные рамки реализации
С учетом большого числа подготовительных работ (в т.ч., требующих закупочных процедур) предлагается полностью завершить проект к июню 2021 года - 110-летию принятия на съезде Международной сейсмологической ассоциации в Манчестере (Великобритания) решения о создании в г. Томске геофизической лаборатории.
Либо (2-й вариант) попытаться завершить работы до конца 2020 года, дабы привлечь школьников уже в следующий зимне-весенний период, а в июне 2021 г. провести междисциплинарную конференцию, посвященную 110-летнему юбилею лаборатории.
6. Финансовый и организационный план проекта
1. Значительная часть организационной и финансовой части проекта связана с подготовкой и реализацией его 1-го раздела, с восстановлением помещения шахты, ее обустройством, организацией электрической и цифровой сети. Существенно, что все ремонтные работы в шахте желательно поручить специализированной организации, имеющей опыт восстановления помещений, ранее использованных для хранения радиоактивных веществ. Несмотря на то, что в настоящее время помещение полностью дезактивировано, при проведении ремонтных, сетеустроительных работ, очистке и отделке помещения, возможны неконтролируемые проявления скрытых мелких источников радиоактивного либо химического загрязнения.
Стоимость данного этапа, даже ориентировочная, может быть определена после проведения осмотра помещения, доступ к которому будет возможен только в апреле-мае.
2. Стоимость второго раздела работы – создания 2-х действующих образцов маятника Цельнера и одного вертикального маятника Ярковского в пыле-влагозащищенном варианте может быть оценена в 510,56 тыс. рублей (см. ниже финансовый план проекта).
3. Стоимость демонстрационной части комплекса, включающая затраты на приобретение соответствующего сетевого оборудования, демонстрационной панели, разработку дизайна и программных продуктов составляет 326,94 тыс. рублей.
4. Стоимость разработки сайта и запуска соответствующих информационных каналов к нему оценена предварительно в 117,2 тыс. рублей.
5. Стоимость разработки и оформления комплекта документации к оборудованию лаборатории, позволяющего обслуживать ее далее без привлечения разработчиков аппаратуры и программных продуктов, оценивается в 39,06 тыс. рублей.
7. Предполагаемые заинтересованные стороны
Основной заинтересованной стороной проекта предполагается Управление нового набора. Возможна также заинтересованность Музейного комплекса университета.
Партнеры в реализации (подразделения ТГУ, внешние позиционеры и структуры).
Партнерами в исполнении данного проекта предполагаются:
- Радиофизический факультет (создание маятников, датчиков к ним, программных продуктов управления приборами, сетевой связи, демонстрационного стенда)
- Административно-хозяйственное управление (организация и проведение ремонтных работ в шахте лаборатории, организация повторной дезактивации помещения).
8. Наличие ресурсов для реализации, описание требуемых ресурсов
Получение гранта из внешних научных фондов на восстановление лаборатории маловероятно, как и маловероятно наличие внешних коммерческих, или иных стейкхолдеров.
Поскольку на данный момент не все оценки стоимостей работ завершены (в частности, затруднена оценка стоимости ремонтных и дезактивационных работ из-за сложностей доступа в помещение лаборатории в зимний период), возникает неопределенность с требуемым объемом ресурсов. В связи с этим, предлагается рассмотреть возможность запуска данного проекта в остальной его части, с тем, чтобы не потерять еще год, а также обеспечить оценку вышеуказанных ремонтных и дезактивизационных работ.
При этом финансовую поддержку (300 тыс.рублей) направить, например, на приобретение оборудования (компьютеры и панель) – 246 тыс руб и на ФОТ инженера (54 тыс. рублей), а все остальные средства собрать через Ассоциацию выпускников ТГУ.
9. Информация об авторе проекта (место работы или обучения, контакты)
Дунаевский Григорий Ефимович, зав. кафедрой радиоэлектроники РФФ,
Тел +79138278380, Е-мейл: proecs@mail.tsu.ru
10. Список использованных источников
1. Центр Евро-Азиатcкого континента в Университетской роще. URL: http://www.tsu.ru/university/tsutoday/cec.php. (Дата обращения 25.09.2019).
2. Орлов А.Я. Наблюденiя надъ деформацiями земли подъ влiянiемъ луннаго притяженiя, произведенныя въ Юрьевѣ съ горизонтальными маятниками Цельнера /А.Я. Орлов // Известия Императорской академии наук. Серия 6. Санкт-Петербург, 1910. Том 4. Вып. 10. С. 775-784.
3. Эффект инженера Ярковского.
URL:http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/11_04/EFFECT.HTM. (Дата обращения 11.10.2019)
