Многие из нас помнят, как наши родители, бабушки и дедушки бежали к телевизорам, чтобы посмотреть прогноз погоды после выпуска вечерних новостей. Теперь и в наших умных телефонах есть сервисы прогноза погоды. Но важным вопросом является точность такого прогнозирования погодных явлений.
Авторы сообщества Фанерозой: биолог и эколог Евгений Будько, а также руководитель проекта Фанерозой, биолог Ефимов Самир
Не соответствует тематике хабра! Низкий технический материал!
Просим всех людей, кто считает, что Хабр только для программистов, как например человек на скриншоте, ознакомьтесь, пожалуйста, с мнением администрации на этот счёт в комментариях под нашей статьёй о слепнях. Если Вас это не удовлетворит, то, пожалуйста, не тратьте своё время на прочтение данной статьи!
Эта статья абсолютно соответствует тематике всех хабов, в которых она находится (в том числе и коммерческого блога). Не рискуя удивить вечно негодующего и никому не известного ностальгирующего по прошлому критика в комментариях, добавлю, что писать мы можем о чем угодно, если материал качественный и интересен большинству компьютерщиков. И это понятное дело! Поэтому можете сколько угодно называть нас платными авторами, но и обсуждать тогда с платными авторами (только по вашему мнению), а также с коммерческими блогами и с администрацией проблему каких-либо публикаций на хабре, это бороться с ветряными мельницами. Рыцарство это конечно хорошо, но только тогда, когда в этом есть смысл. Но его нет, ибо попытка достучаться до нас в комментариях утонет в этом спойлере и обесценит ваш комментарий.
Помимо того, что данная статья соответствует всем хабам, в которых она находится, отмечу также, что она соответствует и той сложности технического материала, которую требуют от статьи данные хабы. Лучше переходите сразу к прочтению других материалов, которые соответствуют вашим потребительским предпочтениям. Открою вам истину капитана: лента Хабра настраивается так, как захотите вы! Не нравятся наши статьи, читайте те статьи, в которых пишут исключительно по IT! Не портите себе настроения, уважайте мнение других и хорошего Вам дня! Живите дружно!
Повышение точности прогнозирования погодных явлений, землетрясений и извержений вулканов является одной из основных задач в работе учёных и практикующих специалистов. Это связано с тем, что засухи и наводнения, опустошительные бури и морские штормы могут приносить немалые беды человечеству. Наука бионика предлагает взглянуть на живые организмы. Так, с древних времён, за сотни, если не тысячи лет до изобретения барометра, люди отмечали изменения в погоде с помощью определённых эмпирических «предзнаменований». Например, называемая «народная метеорология» была основана на наблюдениях сельских жителей, которые находились среди природы, растений и животных и привыкли распознавать их поведение. Такое прогнозирование основываются на чрезвычайно тонком чутье некоторых животных, которые предчувствуют изменения в атмосфере иногда за 15-20 часов до их начала.
Давайте же окунёмся в мир живых барометров и сейсмографов и узнаем, как живым организмам удаётся с такой точностью предсказывать природные явления.
▍ Немного физиологии
Для успешного выживания живым организмам необходимо постоянно получать информацию о состоянии окружающей их среды и адекватно реагировать на её изменения. Это позволяет организмам поддерживать постоянство внутренней среды, гомеостаз, и тем самым выживать. Получению информации об окружающей среде способствует одно из базовых свойств живых организмов — раздражимость.
Раздражимость — Это свойство организма или отдельной клетки реагировать на изменения в окружающей среде (внешней и внутренней). Это свойство, позволяющее организму оптимально адаптировать свою жизнедеятельность к различным условиям. Клетки способны воспринимать различные физические и химические сигналы и преобразовывать их в электрические импульсы. Сила сигнала, воспринимаемого клеткой, известна как порог.
Взаимодействие организма животных с внешней средой осуществляется органами чувств, или анализаторами. Например, у человека и других позвоночных животных каждый анализатор состоит из трёх частей. Первая — это периферическая часть
, воспринимающая энергию от внешних раздражителей и преобразующая её в нервные импульсы (рецепторные клетки).
Вторая часть – проводящие пути
, по которым нервный импульс следует к нервному центру.
Третья часть – коркового конца анализатора (сенсорный центр)
, который расположен в соответствующих участках коры головного мозга [].
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Сейсмодатчик на Arduino и ADXL335 своими руками
Иногда говорят: «Профилактика лучше лечения». Это утверждение отлично подходит для событий, вероятность которых довольно высока. Землетрясение, особенно в некоторых сейсмоопасных районах земного шара, является одним из таких бедствий, которое приходит как злая судьба и сметает драгоценные человеческие жизни и инфраструктуру, это непредсказуемое разрушительное явление, но по крайней мере мы можем принять меры для сведения к минимуму неблагоприятного воздействия его последствий. При этом новейшие технологии играют жизненно важную роль.
В данном материале представлен проект устройства мониторинга сейсмоактивности, которое может сообщить о землетрясении за некоторое время до его начала. Для достижения наших целей используются плата Arduino и высокочувствительный акселерометр ADXL335.
Акселерометр ADXL335 в данном случае работает как датчик для обнаружения вибраций и позволяет прогнозировать появление землетрясения. Устройство способно регистрировать вибрации по трем осям пространства (X, Y и Z), что делает его более чувствительным. ADXL335 генерирует аналоговое напряжение, эквивалентное ускорению, налагаемому на него вибрацией. Выводы осей X, Y и Z подключены к контактам АЦП платы Arduino Uno.
В Arduino Uno сравниваются уровни напряжения. В случаях землетрясения, когда движение породы является чрезмерным, регистрируются достаточно большие сигналы, и Arduino активирует оповестительные и превентивные действия. Во-первых, начинает светиться светодиод, и звучать пьезозуммер, чтобы предупредить окружающих людей, а также активируется реле. Реле нужно для подключения более мощной нагрузки, например, динамиков или сирен, поскольку светодиод и зуммер подойдут только для домашнего применения. Для информативности также используется LCD-дисплей. Схема подключения для реализации сейсмографа на Arduino показана ниже.
Номиналы элементов схемы следующие: R1, R2 = 10 КОм; R3, R6 = 1 КОм; R4, R5 = 330 Ом; VR1 = 10 КОм. Транзисторы T1 и T2 являются биполярными NPN-транзисторами марки BC548.
Далее приведен код (скетч) Arduino для функционирования устройства мониторинга сейсмоактивности. Следует отметить, что в данном случае микроконтроллер платы Arduino, принимает показания акселерометра с АЦП, а затем сохраняет их в EEPROM. Пороговое значение считывания также сохраняется в том же месте, то есть в EEPROM, что облегчает выборку данных для сравнения. В этом примере пороговое значение по умолчанию установлено равным 25.
Источник
▍ Медуза и её «инфраухо»
Для людей, которые находятся на суше неожиданно разразившаяся буря необязательно может представлять угрозу для жизни. Однако в море дело обстоит иначе. Здесь человек полностью находится во власти стихии. Морские ураганы и циклоны возникают неожиданно в течение 10-15 минут (время, за которое барометр может определить снижение атмосферного давления и тем самым приближение шторма), за это время у лодок и кораблей практически нет возможности укрыться от приближающихся невзгод, но зная приближение опасного события, у экипажа есть возможность хотя бы подготовиться встретить опасность лицом к лицу и попытаться минимизировать ущерб [3]
Барометр — потрясающая вещь, придуманная человеком, однако каково было удивление у биоников и биологов, когда они обнаружили подобное у медузы, которая выглядит, как прозрачный желатинообразный зонтик. Даже при довольно простом строении эти животные могут воспринимать инфразвуковые колебания (8-13 колебаний в минуту), которые возникают при движении волн в контакте с атмосферным воздухом. У медузы имеется пузырь, наполненный жидкостью, в котором плавают камешки, опирающиеся на нервные нити. «Инфраухо» медузы — это её орган равновесия. Такие пузырьки — статоцисты, или как их ещё называют, «слуховые колбочки», обычно висят на стебельке [].
Колеблющиеся волны оказывают давление на камешки, которые передают импульсы нервам. Когда колебания превышают определённый порог, известный как порог шторма, медуза принимает защитные меры: удаляется от берега, где она может быть выброшена и раздавлена волнами, на глубину, где нет такой стимуляции, как в море или на поверхности океана [].
Характеристики
Современные сейсмографы способны определять и измерять амплитуду колебаний в трех плоскостях. Измеряя виброскорость, сейсмографы имеют диапазон частот измерения от 0,3 до 500 Гц, при диапазоне измерения скорости колебания — от 0,0002 до 20 мм/с. Сейсмографы бывают как переносные, так и стационарные. Последние выполняют больших размеров и устанавливают конкретно один раз и на весь срок службы. Переносные возможно переустанавливать в определенное место в зависимости от местности. Все современные модели снабжены программными интерфейсами и передают напрямую все свои измерения в базу данных на компьютер.
▍ Рыбы сейсмографы
В Японии водятся рыбы, «специализирующиеся» на этом поприще. С точки зрения продавцов, такие рыбы проявляют заметную активность не только в естественной среде обитания, но и в аквариумах и банках с водой. Поэтому такая рыба — «сейсмограф» разводится в специальных бассейнах и продается по высокой цене в сейсмических районах Японии. Интересно то, что за поведением таких рыб следят местные жители. Однако, что говорит нам на это наука?
В 1932 году биологи Хатаи Шинкиши и Абе Нобору из Университета Тохоку экспериментировали с сомом, нажимая на стол, на котором находился аквариум. Так вот подобные «издевательства» над усатыми рыбами совершенно не беспокоили их. Однако, что интересно, примерно за шесть часов до землетрясения сомы взволнованно прыгали или стучались в стенки аквариума, пытаясь покинуть стеклянную клетку. Поскольку рыбы проявляли такие реакции только тогда, когда аквариум был электрически заземлён, Хатаи и Абэ предположили, что физической причиной были колебания подземных электрических свойств перед землетрясением. Это явление было замечено также и профессором биологического факультета Токийского университета Ясуо Суэхиро. В 1960-х и 1970-х годах, этот выдающийся ихтиолог и сын не менее выдающегося сейсмолога Суехиро Кёдзи, изучал реакцию рыб на землетрясения. Он пришёл к выводу, что десятки различных видов рыб проявляли «истеричное» поведение от нескольких минут до нескольких дней до землетрясений. Помимо этого, Суэхиро наблюдал за животными и в природе. Он обнаружил, что глубоководные формы живых организмов появлялись на мелководье за день или за два дня до землетрясений. Хотя подобные японские исследования зачастую ограничивались небольшим количеством тематических исследований и лабораторных экспериментов, следует отметить, что некоторые из них были основаны на систематическом, долгосрочном и внимательном наблюдении за определёнными видами животных. Эти исследования до сих пор не являются опровергнутыми []
С начала 2022 года на японских берегах было обнаружено до десятка особей вида, известного как весельная-рыба. Эти рыбы обитают в глубинах Тихого и Индийского океанов. Поскольку весельные рыбы редко (если вообще когда-либо) попадаются людям живыми и здоровыми, то разумеется, что эти наблюдения вызвали переполох в восточноазиатской стране. На протяжении веков считалось, что эти рыбы предсказывают сильные землетрясения. Но, насколько это соответсвует действительности, все ещё остаётся вопросом.
Справедливости ради следует отметить, что перед землетрясениями весельные рыбы бодрствуют и находятся вне своих мест обитания (возле подводных бугров) всю ночь, чего они никогда не делают. Некоторые учёные предполагают, что эти животные возможно улавливают изменения в газовых выбросах или сдвиги в магнитном поле Земли. К сожалению, научный консенсус утверждает, что точное предсказание места, силы и времени землетрясения — будь то с помощью животных или технологий — невозможно.
Древние времена
Создатель первого сейсмографа родился в городе Наньян (провинция Хэнань). Ещё в детстве Хэн проявлял любовь к наукам. С годами он вошел в китайскую историю и сделал много полезного для астрономии и математики. В исторических заметках того времени значится, что этот изобретатель был спокойным и уравновешенным и старался не высовываться. Кроме увлечения наукой Чжан Хэна умел писать стихи.
Изобретатель сейсмографа
Читайте также: Как купать маленьких котят сфинкса
Землетрясение – нарушение баланса между Инь и Ян
В древние времена считалось, что землетрясения – очень недобрый знак и гнев небес. В древней китайской философии даже было придумано специальное ученье, которое разбирало по косточкам баланс между двумя силами Инь и Ян. Естественно, эта наука не могла обойтись без объяснения такого феномена, как землетрясение. По мнению китайцев того времени, земля сотрясается не просто так, а из-за глобального нарушения баланса.
Почему иногда случаются подземные толчки, сила которых может привести к катастрофе? Все списывалось на неправильные решения китайских правителей. Увеличились налоги? Небеса накажут Китай землетрясением! Развязана война? Жди беды! Большой процент землетрясений, которые происходили тогда, были скрупулезно описаны. Историки считали важным писать обо всем, что творилось в такой неблагоприятный день.
Благодаря исследованиям Чжан Хэна было установлено, что землетрясения — естественное явление, узнать о котором можно заранее. Для этой цели он и создал сейсмограф.
▍ Опыт с другими животными сейсмографами
Вдохновившись успешными японскими исследованиями научное сообщество Китая при поддержке правительства организовала полномасштабные исследования животных, причём не только рыб, но и других организмов с целью предупреждения людей о землетрясениях. Так, начиная с 1966 года, в Китае стали действовать тысячи пунктов наблюдения за поведением животных. Конюшни, зоопарки, молочные фермы, а также научные лаборатории добавили к своей обычной работе функцию мониторинга землетрясений. Теперь даже обычные люди, которые соприкасались с животными, были обязаны наблюдать и записывать их поведение в полевой дневник — важная вещь в любом походе биолога. Когда обыватели замечали что-то необычное, им приходилось сообщать об этих вещах учёным. Поскольку в те времена в Китае происходили частые и крупные землетрясения, исследователи жадно пользовались услугами обычных жителей, собирая данные в ходе полевых исследований, в основном с помощью обширных опросов и интервью после землетрясений.
После десяти лет исследований китайские учёные казалось узнали все необходимое о поведении животных и связи их поведения с землетрясениями. Они признали влияние погоды, сезонных изменений, жизненного цикла и некоторых других факторов на поведение определённых животных. Исследователи пришли к выводу, что определённые виды деятельности одних животных, по-видимому, лучше предсказывают землетрясения, чем другие. Казалось, что эти знания приносят успех. Так, 24 июля 1968 года на опытной станции Байчикоу, на которой изучали поведение кошек, учёными были зафиксированы аномальные ритмы дыхания этих животных, которые заметно изменились. Менее чем в 100 милях от них голуби на экспериментальной станции Хуншань выглядели испуганными и отчаянно хлопали крыльями. Основываясь на этих инцидентах, исследователи предсказали, что землетрясение M4 произойдёт в течение 24 часов. Разумеется, на следующее утро произошло землетрясение магнитудой 4.8 балла.
Точно так же 17 сентября 1968 года исследователи предсказали землетрясение M4 в течение 48 часов, основываясь на поведении кошек и голубей на станциях. Природа не разочаровала, и следующей ночью произошло землетрясение M4.2. Почти через год, 18 июля 1969 года смотрители Тяньцзиньского народного зоопарка заметили, что многие животные, находящиеся под их опекой, вели себя необычно:
маньчжурский тигр казался вялым и не ел; гигантская панда дремала, держа передние лапы над головой и издавая угрожающие звуки; олени в испуге прыгали; и лебеди не выходили из воды.
Встревоженные сотрудники зоопарка позвонили в городскую сейсмологическую службу, и через два часа произошло землетрясение.
Пожалуй самым успешным предсказанием землетрясения, считается землетрясение в округе Хайчэн (M7.3, 4 февраля 1975 г.), которое вызвало восторг у китайских сейсмологов. Десять лет самоотверженности и упорного труда наконец окупились. Учёные предсказали землетрясение и благодаря их работе, власти заранее эвакуировали весь город, тем самым умудрившись спасти десятки тысяч жизней. Представьте насколько это событие было великим: своевременное предупреждение; масштабная эвакуация; мощное землетрясение, уничтожившее множество зданий, но население невредимо! Событие воистину мирового значения.
▍ Но… Что-то пошло не так…
Увы, ажиотаж и растущая уверенность среди научного сообщества оказались недолговечными. В следующем году мощное землетрясение (M7.8, 27 июля 1976 г.) уничтожило промышленный город всего в 100 милях от Пекина. Катастрофа унесла жизни четверть миллиона человек и потрясла сознание нации, тем самым нанеся удар по китайской сейсмологии и научным наблюдениям за животными. Данное землетрясение произошло в провинции в Таншане, за которой проводился наибольший мониторинг. Огромное количество научных станций с кошками, голубями, собаками, а также фермы, конюшни и зоопарки постоянно собирали данные о регионе. Таким образом, сейсмологические станции и наблюдательные пункты покрывали всю территорию.
Но почему же китайские сейсмологи не заметили приближающейся беды прямо у себя под носом? Разве не было предупреждающих знаков? А как насчёт ненормального поведения животных?
Через день после землетрясения исследователи из Института биофизики уже прибыли в пострадавший регион и начали полевые работы. Они раздали анкеты всем рабочим подразделениям на уровне уезда, коммуны и производственной бригады. При поддержке властей на местах исследователи провели широкомасштабное комплексное исследование. Оказалось, что учёными действительно было зафиксировано ненормальное поведение у животных, но всего за несколько часов до землетрясения в Таншане. Это были не дни или даже недели, как это было с Хайчэнгом, т.е. это был весьма короткий промежуток времени, за который быстро подготовиться к катастрофе было бы весьма сложно. Конечно можно было бы минимизировать ущерб, если бы об обнаруженной аномалии учёные сообщили сразу. Однако, всему виной был и человеческий фактор.
До землетрясения в Хайчэнге были недели интенсивных проверок и отчётов, были многочисленные и явные сейсмические признаки в поведении животных, а потому люди были более бдительными, более нервными и более сконцентрированными. Поэтому они быстро интерпретировали необычные явления. Однако, в Тайшане всё было наоборот. Не было явных признаков сейсмической активности, не было строгой отчётности и проверок, а нестандартное поведение животных было зафиксировано ночью, когда люди хотели спать. Для таких тонких и неоднозначных явлений, как поведение животных, решающее значение может иметь любая психологическая склонность. В любом случае, сильнейшее землетрясение подкралось к крупному городу в самый уязвимый момент — ночью. По-видимому, многие животные давно почувствовали его тихое и угрожающее приближение, но слишком мало людей, в том числе и сейсмологов, прислушались к их предупреждениям [].
XIX век
В 1862 г. вышла в свет книга ирландского инженера Роберта Малета «Великое неаполитанское землетрясение 1857 г.: основные принципы сейсмологических наблюдений». Малет совершил экспедицию в Италию и составил карту пораженной территории, разделив ее на четыре зоны. Введенные Малетом зоны представляют собою первую, достаточно примитивную, шкалу интенсивности сотрясений. Но сейсмология как наука начала развиваться только с повсеместным появлением и внедрением в практику приборов для регистрации колебаний почвы, т. е. с появлением научной сейсмометрии.
В 1855 г. итальянец Луиджи Пальмиери изобрел сейсмограф, способный регистрировать удаленные землетрясения. Действовал он по такому принципу: при землетрясении ртуть проливалась из шарообразного объема в специальный контейнер в зависимости от направления колебаний. Индикатор контакта с контейнером останавливал часы, указывая точное время, и запускал запись колебаний земли на барабан.
▍ Так существуют ли животные сейсмографы?
Конечно, ни один уважающий себя ученый не станет рассматривать возможность мифической связи между вёсельными рыбами, кошками и голубями и землетрясениями. Собственно, им это и не нужно, ведь существуют вполне рациональное, научное объяснение, без «экстрасенсорных способностей»!
Многие из изучаемых животных могут ощущать вибрации от земли и изменения электромагнитных полей. Например, крысы, собаки и кошки улавливают изменения с помощью вибрисов, а голуби имеют своего рода магнитный «навигатор» в клюве и инфразвуковой «датчик» в мозге, позволяющий улавливать колебания ниже 10 герц. Таким образом, голуби узнают о надвигающихся бурях, землетрясениях, перемене погоды и направлении ветра. Что же касается весельных рыб, то один из японских экологов-сейсмологов рассказал газете Japan Times, что глубоководные рыбы, живущие у морского дна, такие как весельная рыба, более чувствительны к движению активных линий разломов. Другие эксперты связали выброшенных на берег рыб с электромагнитными изменениями, которые происходят при тектонической активности, связанной с теми же самыми разломами, что означает, что между этими двумя явлениями действительно может быть связь [].
Так или иначе, в наше время, после трагического происшествия в Тайшане учёные относятся отчасти скептически к прогнозированию землетрясений с помощью животных [4]. К сожалению, даже китайские учёные всё чаще утверждают, что тоже землетрясение в Хайчэне было предсказано случайно. И как говорилось выше, сейчас научный консенсус всего мира утверждает, что точное предсказание места, силы и времени землетрясения — будь то с помощью животных или технологий — невозможно.
▍ Примула и извержение вулканов
Вулканологи утверждают, что примулы способны предсказать извержение вулканов. Биологи предполагают, что «пророческая» способность цветка вызвана эффектом воздействия ультразвука. Мощным толчкам земной коры всегда предшествуют совсем слабые колебания земной коры различных частот, в том числе и ультразвуковых. Они ускоряют движение питательных веществ по капиллярам растения, интенсифицируют обменные процессы и примула расцветает незадолго до извержения вулканов.
▍ Выводы
- Высокая точность предсказания погодных явлений сегодня также остаётся важной задачей для исследователей и практикующих метеорологов. Наука бионика предлагает взглянуть на живые организмы.
- Животные относительно не защищены от стихии. Поэтому у них в ходе эволюции развились специальные органы чувств, реагирующие на изменения погоды.
- Растения также могут чутко реагировать на изменения окружающей среды.
- Несмотря на то что живые организмы научились с высокой точностью чувствовать наступление неблагоприятных для них погодных условий, люди ещё не научились с такой же точностью считывать эти данные с их поведения.
- Несмотря на неудачный опыт, поставивший в своё время под сомнение использование животных в качестве живых сейсмографов учёные биофизики всё равно строят оптимистичные прогнозы, что на основе изучения живых организмов возможно будет создать более точные приборы для прогнозирования погоды. Это поможет в ранние сроки предсказывать погоду, что может оказаться жизненно важным для многих людей.
Хочется верить, что опыт в Хайчэне был всё-таки не случайностью, но насколько наша вера близка к истине, покажет только научный опыт, знание и время. С Вами были биологи сообщества фанерозой: Евгений Будько и Самир Ефимов. Желаем счастья, успехов и здоровья в Новом Году! Берегите себя и своих близких. До новых встреч!
Источники
1. Зинчук В.В., Балбатун О.А., Емельянчик Ю.М. Нормальная физиология. Краткий курс. Учеб. пособие. — Минск: Выш. шк., 2010. — 431 с.: ил.ISBN 978-985-06-1804-7. 2. Evidence of Cnidarians sensitivity to sound after exposure to low frequency noise underwater sourcesStatocysts of medusae and evolution of stereocilia 3. Оприш Т. Занимательная бионика 4. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0039368118301419?casa_token=P_9piJ-6k7AAAAAA 5. This elusive fish believed to be a predictor of earthquakes keeps washing up on Japanese shores
