Почему физики ходят в ЭЭРЛ?

Павел Андреевич ВИКТОР, учитель физики Ришельевского лицея
научный руководитель экологической экспедиции

Экология – наука о живом. Казалось бы, в экологической экспедиции лицеисту-физику или математику просто нечего делать. Но это только на первый взгляд. Ведь и у биолога, и у физика один объект для изучения – Природа в ее бесконечном многообразии. Более того, наблюдая за работой друг друга, биолог и физик значительно расширяют свой научный кругозор. Это чем-то напоминает принцип стереоскопического зрения: чтобы видеть мир не плоским, а объемным, смотреть на него нужно из двух разных точек.

Программа исследований по физической тематике оказалась настолько обширной и разнообразной, что участники экспедиции по желанию были разбиты на 4 группы по 4-5 лицеистов. Позднее, когда популярность экспедиции сильно возросла, число групп увеличилось до 5, а количество детей в них перевалило за десяток. У каждой группы, работающей по определенному направлению, был свой руководитель – выпускник лицея этого или прошлого года. Позднее у него появился помощник-стажер, лицеист 11 класса. Такая организационная структура оказалась очень удачной, поскольку обеспечивала высокую оперативность сбора и систематизации полученных данных. Кроме того, дети с большим удовольствием общались со своими старшими товарищами, прошедшими закалку в предыдущих экспедициях и туристических походах, осознанно и неосознанно многому учились у них. А выпускники, в свою очередь, вдохновенно несли бремя забот «младшего педагогического состава».

По каким же направлениям работали лицеисты-физики и математики?

1. Направление МЕТЕОРОЛОГИЯ

Это направление неслучайно стоит первым в перечне. Дело в том, (может, это субъективное мнение) что именно метеорологи были носителями «духа» экспедиции, задавали определенное настроение. Ведь они вели свою работу круглосуточно. В течение всех десяти дней экспедиции в 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 и 24 часа, при любых обстоятельствах (на стоянке, в движении, на привале) они скрупулезно вели измерение следующих величин:

1. Атмосферное давление.
2. Направление и скорость ветра.
3. Состояние облачности (качественно).
4. При наличии осадков – их количество в мм (за 3 часа).
5. Температура сухого и влажного термометров психрометра.
6. Относительная влажность.
7. Температура воды в реке.
8. Уровень освещенности (в светлое время суток).

Результаты измерений заносились в заранее подготовленные бланки (каждый на одни сутки). Полученные таблицы затем использовались для построения графиков изменения атмосферного давления, температуры, относительной влажности, скорости ветра, суточного изменения уровня освещенности. На собраниях экспедиции метеорологи не только сообщали о полученных результатах, но, как физики, должны были объяснить их. Например, почему после безоблачного утра в небе появляются облака, которые к вечеру вновь исчезают? Почему вчера утром роса была, а сегодня нет? Как это могло случиться, что сегодня вечером влажный термометр психрометра в течение доброго получаса показывал более высокую температуру, чем сухой? И, конечно же, выступление метеорологов завершалось прогнозом погоды.

Нужно сказать, что метеорологи работали в тесном содружестве с другими группами. Например, замеры атмосферного давления на вершинах и у подножий скал и холмов регулярно использовались для определения их высоты. Изучение суточного хода освещенности представляло интерес и для работы группы астрономов. И, конечно же, кого, как не метеоролога, дежурные попросят разбудить их в 6 часов утра для приготовления завтрака?..

2. Направление АСТРОНОМИЯ

В задачи группы астрономов входило:

1. Ежедневное наблюдение и зарисовка солнечных пятен.
2. Изучение рефракции света в атмосфере по наблюдению заката Солнца.
3. Наблюдение созвездий с помощью карты звездного неба.
4. Изучение метеорных потоков.
5. Наблюдение Луны и планет в зрительную трубу.
6. Определение географической широты местности по полуденной высоте Солнца.
7. Определение географической долготы местности по моменту наступления истинного солнечного полдня.
8. На стоянке – определение дневного хода освещенности (замеры каждые 30 мин) с построением графиков.

Работа астрономов всегда вызывала повышенных интерес окружающих. Многим ребятам хотелось узнать очертания созвездий в безоблачном ночном небе, научиться «на глаз» отличать звезды от планет, найти направление на север по Полярной звезде. Кое-кто был немало удивлен, узнав, что «терминатор» – не только название популярного кинофильма, но и граница темной и освещенной части Луны.

Для наблюдения солнечных пятен изображение Солнца с помощью зрительной трубы получалось на экране, куда подкладывался специальный шаблон, позволяющий зарисовывать пятна всегда в одинаковом масштабе и изучать их развитие и движение по солнечному диску изо дня в день. Конечно же, ребята были проинструктированы, что смотреть глазом на Солнце через зрительную трубу ни в коем случае нельзя. А преимущество наблюдения на экране – не только возможность зарисовать пятна, но и сообща обсуждать их характеристики. По числу пятен на Солнце ежедневно вычислялось число Вольфа, характеризующее солнечную активность, а изучение суточного движения пятен по поверхности солнечного диска давало возможность рассчитать скорость вращения ближайшей к нам звезды (которая, кстати, разная на разных расстояниях от солнечного экватора!).

Для определения географических координат местности с помощью секстанта необходимо измерить максимальную высоту Солнца над горизонтом и момент времени, когда наступает это событие (истинный солнечный полдень). Это достаточно просто сделать в открытом море, где видна линия горизонта. Но как быть, если ты находишься на берегу Южного Буга, протекающего в каньонообразной долине? На помощь приходит метод, описанный еще Жюлем Верном в романе «Пятнадцатилетний капитан». С помощью секстанта измеряется угловое расстояние между Солнцем и его отражением на спокойной поверхности воды (мы наливали воду в котелок и скрывались от ветра за палаткой). Поскольку поверхность воды строго горизонтальна, то угловая высота Солнца равна половине упомянутого углового расстояния.

3. Направление ГИДРОЛОГИЯ и ДОЗИМЕТРИЯ

Здесь проводились такие исследования:

1. Определение ширины реки в местах стоянки методом триангуляции.
2. Определение скорости течения в реке.
3. Мониторинг уровня воды в реке.
4. Измерение прозрачности воды в реке с помощью диска Секки.
5. Изучение физических примесей в речной воде методом фильтрации.
6. Забор проб воды из водоемов в окрестностях стоянок.
7. Определение содержания солей в воде путем измерения ее удельной электропроводности.
8. Измерение радиоактивного фона воды, почвы, скальных пород.

Казалось бы, тригонометрия – скучноватая наука для любителей походов и экспедиций. Но когда нужно найти расстояние до недоступного противоположного берега реки, а в твоем распоряжении только веревка (известной длины) и компас (а то и компаса нет), об усвоенном на уроках математики материале вспоминаешь с оправданным удовольствием. Растянул веревку вдоль берега, измерил от каждого из концов веревки углы между веревкой и направлением на какой-нибудь куст на противоположном берегу, вот и получился треугольник, заданный стороной и двумя углами. А дальше остается применить теорему синусов (а для прямоугольного треугольника – и того проще). Причем это не единственный применяемый лицеистами способ.

Как-то раз определение ширины реки проводилось во время большого обеденного привала. Ребятам предложили перед измерением оценить расстояние до того берега «на глаз». Несмотря на усталость после сложного перехода, уже через две минуты список участников импровизированного конкурса насчитывал более десятка фамилий. Победителя, конечно же, ожидал вкусный приз из специальных фондов руководства экспедиции. Любопытно, что по оценкам всех без исключения участников, ширина реки была в 1,4 – 2,5 раз меньше, чем по результатам измерений.

Долина Южного Буга, исследованию которой было посвящено две экспедиции (2004 и 2008 годов), представляет большой интерес и как объект для изучения естественного радиоактивного фона. Ребята воочию убедились, что некоторые сорта гранита, которым так богат изучаемый район, имеют радиоактивность в 2-3 раза выше средней, что в лесу уровень фона, наоборот, заметно ниже. Все отметили также, что близость Южноукраинской АЭС (маршрут проходил всего в 2-3 километрах от нее) на уровне радиоактивного фона никак не отражается.

4. Направление ГЕОЛОГИЯ и ГЕОФИЗИКА

В задачи геологов входило:

1. На каждой стоянке – описание основных характеристик грунта и окружающих пород.
2. Построение геологических разрезов местности.
3. Сбор и описание образцов минералов.
4. Определение плотности минералов и почвы.
5. Гранулометрический анализ почв с построением гистограммы распределения частиц по размерам.
6. Определение характеристик почв (в частности, pH).
7. Сбор и изучение горения болотного газа.
8. Определение индукции магнитного поля Земли и магнитного склонения (совместно с астрономами)

Измерение плотности пород проводилось методом гидростатического взвешивания. Важно, что ребята усвоили, что плотность почвы (как и любого сыпучего тела) и плотность частиц, из которых она состоит, имеет разный смысл.

Для определения щелочной или кислой реакции почв их образцы промывались водой, в которую затем опускалась индикаторная бумага.

Болотный газ собирали в двухлитровую пластиковую бутылку с отрезанным дном, в пробке которой было проделано отверстие диаметром около 3 мм. Отверстие затыкалось пальцем, наполненная водой бутылка опускалась в реку отрезанным дном вниз, и добровольцы бродили с бутылкой по илистому дну реки до тех пор, пока поднимающиеся из-под ног пузырьки болотного газа не заполняли бутылку. Затем, не вынимая бутылку из воды, к отверстию в пробке подносили зажженную спичку и быстро убирали палец… Газ с шумом горел бледно-синим пламенем под аплодисменты многочисленных зрителей.

5. Направление ГЕОДЕЗИЯ

Это самое молодое направление, появилось в экспедиции с 2008 года. Геодезисты проводили такие работы:

1. Нанесение маршрута экспедиции на карту, включая радиальные выходы.
2. Топографическая съемка районов стоянок.
3. Ознакомление всех участников экспедиции с методами ориентирования на местности.
4. Обучение участников ЭЭ системе условных обозначений на топографических картах.

Все описанное далеко не исчерпывает тех многочисленных вопросов, которые задавали сами лицеисты, которые задавали детям их учителя, неважно, физики или биологи. Мы учили наших детей и многому учились у них. Происходило это как-то само собой, без продумывания наперед, по воле вдохновения. Каждое мгновение незабываемых дней, проведенных в экологических экспедициях, будь то живописная долина Южного Буга, прокаленные солнцем пески Кинбурнской косы, зеленые склоны Карпат или лесистые равнины Волыни, – каждое мгновение искреннего общения детей друг с другом и со взрослыми было счастливым мгновением познания.