Искусство вулканологии. Памяти Генриха Штейнберга (1935–2020)

28 декабря 2020 года ушел из жизни легендарный вулканолог Генрих Семёнович Штейнберг. Человек, разгадавший природу извержений гейзеров, испытывавший «Луноход» на вулканическом полигоне и открывший уникальное месторождение рения прямо в кратере действующего вулкана. Его образ человека-легенды сложился еще при жизни. Но теперь, когда он стал просто легендой, уместно напомнить о его научных достижениях.

Генрих Штейнберг закончил геофизический факультет Горного института в Петербурге. Выбор, по его словам, определялся тем, что в этот вуз брали с «пятым пунктом», а геология позволяла держаться подальше от власти и скоплений людей. Недоверие к ним созрело в 1953 году, когда жгли в печке книги «ликвидированных» авторов: отец, ветеран войны и архитектор ленинградского аэропорта, готовился к аресту после ругательной газетной статьи. Спасла смерть Сталина.

Обучаясь в «урановой» группе, он, тем не менее, дважды проходил практику на Камчатке и только диплом делал на урановом руднике в Казахстане. Поразившись контрасту между этими местами, он отказался давать подписку о секретности, чтобы уйти из урановой темы, и, распределившись в Хабаровск, вскоре перебрался в Камчатскую геолого-геофизическую обсерваторию.

Вулканы

В начале 1960-х представления о природе вулканизма и об условиях внутри действующего вулкана были довольно смутными. Генрих Штейнберг начинает профессиональную карьеру с того, что в 1961 году, в возрасте 26 лет, совершает первый в СССР спуск в кратер действующего Авачинского вулкана. 170 метров по вертикальной стене в изолирующем дыхательном аппарате с кислородным баллоном. Внизу измерена температура, взяты пробы, прожжен рюкзак. Собранные данные и множество последующих наблюдений вошли в его первые научные публикации и стали базой для кандидатской диссертации по глубинному строению вулканов Авачинской группы. Защита состоялась в 1966 году.

Год спустя — еще более авантюрная попытка подняться на извергающийся вулкан Карымский, где нерегулярно, с интервалом порядка суток происходили взрывы. Измерения с воздуха показывали в кратере радиоактивную аномалию. Но когда пошла лава, радиоактивности в ней не было. Возможно, это газы фонят? Для проверки нужны измерения на кратере. Вышли двое — Генрих Штейнберг и Анатолий Чирков. Но у самой цели их застал взрыв, оба получили травмы: Генрих — множественные переломы, в том числе черепа. Неделю провел без сознания. Восстановился и потом работал на десятках других извержений.

Так сформировался основной научный проект — мониторинг вулканов и прогноз извержений. Например, одним из важнейших признаков оказался сдвиг спектра вулканических дрожаний в сторону высоких частот по мере того, как подвижки в магматических очагах приближаются к поверхности.

Луна

С появлением космических снимков лунной поверхности Штейнберг обращает внимание на ее сходство с вулканическими ландшафтами. Свой интерес к геологии Луны он поначалу считал любительским. Однако знакомство с публикациями показало, что наука ушла не намного дальше.

Соотношения Болдуина. Остро дискутировался вопрос о лунных кратерах — метеоритные они или вулканические? В пользу метеоритной гипотезы приводились так называемые соотношения Болдуина между диаметром, глубиной и другими параметрами взрывных кратеров. Лунные кратеры хорошо им соответствовали, а очевидной причиной взрывов считались метеориты. Штейнберг пишет статью о том, что и вулканические взрывы дают аналогичные параметры кратеров, а значит, соотношения Болдуина не разрешают дилемму.

Представить статью в «Доклады Академии наук» в то время мог только профильный академик. Помог младший брат Александр Штейнберг, физик, работавший в области горения и взрыва. Он подсказал обратиться к малоизвестному академику Сергею Королёву. Его связь с космической программой была засекречена, в прессе он подписывался «проф. К. Сергеев». Статья была отправлена ему почтой в 1965 году и стала единственной, которую Королёв представил в ДАН как академик. А вот личная встреча, назначенная на январь 1966 года, не состоялась из-за смерти главного конструктора.

Эта и другие статьи по геоморфологии Луны были замечены и за рубежом. Генриха Штейнберга включили в состав редколлегии журнала Modern Geology, пригласили в США на конференцию по геологии Луны (выехать не удалось), а также позвали в Институт космических исследований в создаваемый под лунную программу отряд космонавтов Академии наук.

После медицинских обследований и испытаний, включая перегрузки на центрифуге от 4g до 10g, из нескольких сотен претендентов только трое, включая Генриха Штейнберга, получили допуск Главной медицинской комиссии в 1970 году. Правда, пилотируемая лунная программа уже была свернута. Тогда он выиграл закрытый конкурс на организацию ходовых испытаний «Лунохода» на Камчатке, где ландшафты ближе всего к лунным. Из четырех подобранных площадок одна в итоге получила статус полигона, где испытывали «Луноходы», а потом и зарубежные планетоходы.

Испытания прошли на ура. Однако вместо награды из-за интриг начальства Генрих Штейнберг подвергся уголовному преследованию и был уволен из Института вулканологии «по сокращению штатов».

Затем, работая электриком в котельной, он на досуге занимается наукой, публикует десятки статей и исполняет обязанности вице-президента Международного общества по геологии Луны.

Все обвинения были сняты лишь в 1976 году, и лишь еще через два года удалось вернуться к «официальной» научной работе в Институте морской геологии и геофизики на Сахалине и Курилах.

Гейзеры

Однако еще до этого тяжелого периода было выполнено важное исследование, о котором сегодня нечасто вспоминают, хотя оно имеет вполне фундаментальный характер. Совместно с братом Александром и физиком Александром Мержановым (будущим академиком) Генрих Штейнберг создает теорию извержения гейзеров, которая подтверждается и экспериментально в Долине гейзеров на Камчатке, и на лабораторной модели.

Гейзерный процесс. Подземный резервуар гейзера заполняется одновременно холодными грунтовыми водами и горячим глубинным источником. Сначала холодная вода прибывает быстро. Но когда резервуар заполнен и вода поднимается по узкому и высокому изливному каналу, давление резко возрастает, ослабляя приток холодной воды. Резервуар постепенно
нагревается выше 100 °C, поскольку под высоким давлением температура кипения выше. Когда кипение понемногу все же начинается, пар выталкивает воду из узкого канала на поверхность. Избыточное давление с резервуара снимается, перегретая вода вскипает по всему его объему и мощной струей выбрасывается в воздух.

Хотя гейзерный процесс кажется несложным, до 1970 года не было выстроено его теории. Она была сформулирована благодаря ряду экспериментов в Долине гейзеров. Например, при гидрозондировании порция воды заданной температуры заливалась в гейзер после извержения, и по изменению периода определялся его тепловой режим. А при химическом зондировании в гейзеры добавлялась соленая вода, и потом по концентрации соли определялись режимы питания и перемешивания. Построенная математическая модель с четырьмя стадиями гейзерного цикла показала, какие параметры определяют, будет ли источник работать как гейзер, фумарола или горячий ключ.

И вновь вулканы

В 1980-х годах научная группа переключила свое внимание на вулканы и предложила простой и оригинальный механизм повышения давления, приводящий к извержению.

Накачка вулкана. Рассмотрим нестандартную задачку школьного уровня. Закрытая вертикальная трубка заполнена несжимаемой жидкостью. У дна находится пузырек воздуха. Как изменится давление, когда пузырек всплывет? Решение элементарно, но настолько странно, что в Институте химической физики в Черноголовке даже поставили эксперимент для его проверки. Оказывается, давление вверху трубки станет таким, каким было внизу, а внизу вырастет соответственно высоте трубки. И вот в процессе дегазации магмы в глубине вулканического очага возникают пузырьки, которые, всплывая, повышают давление, пока оно не выбьет из кратера лавовую пробку.

Конечно, это лишь отдельные яркие моменты из работ Генриха Штейнберга, которые в контексте всей мировой вулканологии сделали прогноз извержений надежным и заблаговременным.

В 1988 году Генрих Штейнберг защищает докторскую диссертацию по физическим механизмам вулканических и гейзерных взрывов. В 1991 году создает собственный Институт вулканологии и геодинамики. В 1992 году по линии ООН отправляется с группой в Никарагуа, где не могут понять, близок ли конец извержения вулкана Сьерра-Негро и можно ли возвращать эвакуированных жителей. Вулканологам приходится в перерыве между взрывами подняться к вулкану, а Штейнбергу спуститься в кратер и взять пробы. Вывод: извержение заканчивается, чрезвычайное положение можно отменять. В том же году ИВиГ запускает систему мониторинга курильских вулканов, которая в дальнейшем исправно функционирует. В частности, в 1999 году она дает предупреждение губернатору, мэру района и службам МЧС за четыре дня до начала извержения на вулкане Кудрявый.

Рений

Вулкан Кудрявый на острове Итуруп стал для Генриха Штейнберга последней большой любовью. В 1992 году в его кратере, на поле с многочисленными фумаролами, были найдены необычные отложения. Лабораторный анализ показал, что это сульфид рения ReS2. Это первый открытый минерал редкоземельного рения, названный потом рениитом. Открытие оказалось достаточно сенсационным, чтобы журнал Nature в 1994 году вынес его на обложку.

Уникальное месторождение. В кратере Кудрявого сульфат рения осаждается из горячих вулканических газов. Его концентрация в газе достаточная, чтобы считать кратер единственным в мире месторождением рения. Рений — редкоземельный металл, востребованный в аэрокосмической отрасли для жаропрочных сплавов, в нефтепереработке — для катализаторов. Все источники рения в мире дают 40–50 тонн в год, и это попутная добыча в составе медно-молибденовых и других руд. Кудрявый же буквально «выбрасывает на ветер» порядка 20 тонн рения в год.

Генриха Штейнберга захватила идея наладить промышленную добычу рения в кратере ­вулкана. Была получена лицензия, проведена оценка запасов, разработана и протестирована технология осаждения рения из газовой фазы. Но преодолевать бюрократические препятствия оказалось труднее, чем вулканические. Инвесторы пугались, когда рений вдруг объявляли стратегическим сырьем. Правительство не раз давало распоряжения обеспечить разработку месторождения, но нижестоящая бюрократия их саботировала. Зато чиновники не упускали случая выписать штраф за отсутствие отчета по природоохранным мероприятиям на объекте — в кратере вулкана, куда без противогаза не ходят.

И всё же почти каждый полевой сезон на кратере Кудрявого велись работы, в которых Генрих Штейнберг участвовал вплоть до восьмидесятилетнего возраста. В последние годы появился наконец стабильный инвестор. Удалось построить канатную дорогу на кратер, доработать технологию. И, что очень важно, его сын, Михаил Штейнберг, геофизик по образованию, активно включился в процесс и обеспечил преемственность работ.

Даже из схватки с бюрократией Генрих Штейнберг под конец жизни всё же вышел победителем. Пусть и по очкам, а не нокаутом. Он до конца сохранил свой образ, который мастерски подметил Андрей Битов в очерке «Путешествие к другу детства», — образ человека, повседневно ставящего перед собой недостижимые цели и как бы в порядке вещей их достигающего.

Последний год Генрих Штейнберг, человек, всю жизнь преданный Камчатке и Курилам, жил у старшей дочери в Петербурге — на Пушкинской улице, в двух шагах от того дома, где прошла его молодость в кругу Андрея Битова, Евгения Рейна, Александра Городницкого, Глеба Горбовского, Иосифа Бродского.

Однажды Генрих Штейнберг объяснил свою тягу к людям искусства так: «Жизнь научной идеи коротка — уже завтра она будет оспорена или превзойдена. А произведения искусства вечны». Но в итоге саму его жизнь в науке можно назвать произведением искусства.

Александр Сергеев