Помоги проекту - поделись книгой:
От открытия Виктора Гесса до манифеста Кати Ферье прошло девяносто лет — столько времени понадобилось астрономам, чтобы очень не спеша прийти к высокой оценке роли космических лучей и осознать, что они участвуют в формировании галактик. Так что, возможно, надо быть терпеливыми с теми учеными, кто все еще воображает, что третья планета какой-то непримечательной звезды слишком значительна для того, чтобы на нее хоть сколько-нибудь ощутимо могли влиять никчемные маленькие частицы из внеатмосферного пространства.
Рои космических лучей активно вторгаются в окрестности Солнечной системы, их совокупная мощность примерно в два раза превышает силу всего звездного света, который мы видим с Земли. Но, повторим, мы — счастливчики. Цепляясь, как дети, за материнскую юбку Солнца, планеты находят укрытие внутри огромного магнитного поля, которое отбивает около половины космических лучей назад, к звездам.
Открытие и исследование солнечного ветра помогло нам понять, как звезда-родительница защищает нас. Солнечный ветер — это непрерывные потоки заряженных частиц, именно они обеспечивают материальную связь между Солнцем и средой, окружающей Землю в космическом пространстве. Любое представление о том, что Солнце — это всего лишь далекий светящийся шар в небе, окончательно устарело. Мы живем внутри его далеко простирающейся атмосферы, стянутой магнитным полем. В 1958 году молодой физик из Чикагского университета Юджин Паркер впервые предсказал существование солнечного ветра, замечательно угадав многие детали. Ведущие специалисты, как он вспоминает, отнеслись к его идее с насмешкой.
«Они сказали мне: „Паркер, если бы вы хоть сколько-нибудь разбирались в предмете, вы никогда даже не предположили бы такого. Нам давно доподлинно известно, что межпланетное пространство — это глубокий вакуум, лишь иногда пронзаемый лучами высокоэнергетических частиц, испускаемых Солнцем“»[15].
Однако прошло не более четырех лет, как данные, полученные космическим аппаратом, полностью подтвердили еретическую теорию Паркера о солнечном ветре и многие предугаданные им характеристики. С 1960-х годов изучение солнечного ветра прочно вошло в основные задачи космических исследований, кульминацией которых стал запуск в 1990 году космического аппарата «Улисс» совместного производства Европейского космического агентства (ЕКА) и Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). «Улисс» — впервые в истории — дважды обошел Солнце по большой орбите над полюсами нашего светила. Благодаря этому полету ученые смогли скорректировать одни представления о солнечном ветре и обосновать другие.
Так как Солнце состоит в основном из водорода, в составе солнечного ветра преобладают протоны. Там также присутствуют положительно заряженные ионы многих других элементов и отрицательно заряженные электроны в количестве, достаточном для того, чтобы сохранить газ электрически нейтральным. Солнечный ветер тащит с собой магнитное поле Солнца, и таким образом межпланетное пространство наполнено вечно движущимся магнетизмом, готовым сразиться с космическими лучами.
Солнечный ветер «дует» со скоростью приблизительно 350 или 750 км в секунду, это зависит от того, из какой области Солнца он исходит. Даже самый быстрый воздушный поток намного медленнее, чем космические лучи. Частицы солнечного ветра пересекают земную орбиту через несколько дней после того, как покинут солнечную атмосферу. А затем они продолжают свой полет прочь от Солнца, летят и год, и два, раздувая в межзвездном пространстве огромный пузырь, называемый гелиосферой.
Наконец солнечный ветер, распространившись вдаль и вширь, настолько истощается, что межзвездный газ может успешно сопротивляться ему. Тогда солнечный ветер останавливается. Это происходит на расстоянии, приблизительно равном пяти расстояниям до Нептуна, самой далекой из основных планет. Граница Солнечной империи так удалена, что свету или любой свободной заряженной частице нужно около двадцати часов, чтобы добраться до нее, в то время как путь от Солнца до Земли занимает всего восемь минут.
Размер гелиосферы зависит от того, как сильно или, напротив, слабо солнечный ветер дул в течение предыдущих двух лет. Когда на Солнце мало темных пятен, портящих его светлый лик, это говорит о том, что оно находится в относительно спокойном состоянии. В такие времена плотность солнечного ветра падает, но, поскольку его средняя скорость возрастает, ударное давление проталкивает внешнюю границу гелиосферы немного дальше.
На протяжении миллионов лет Солнечная система иногда сталкивается с облаками межзвездного газа, в сто раз более плотного, чем тот, что окружает ее сегодня. Тогда возросшее давление сжимает и сжимает гелиосферу до тех пор, когда она уже не может раздуться даже до внешних планет. С другой стороны, когда Солнце было еще в младенческом возрасте, солнечный ветер был намного сильнее нынешнего, и гелиосфера простиралась много дальше.
Солнце совершает оборот вокруг своей оси за четыре недели, и в результате магнитное поле, влекомое солнечным ветром, наполняет гелиосферу движущимися силовыми линиями спиральной формы. Около Земли они отклоняются от направления на видимое Солнце на 30–45 градусов к востоку. Однако основную работу по отклонению и зачастую отражению космических лучей выполняют не эти регулярные силовые линии. На Солнце иногда возникают интенсивные, но маломасштабные возмущения магнитного поля, которые рассеивают космические лучи и дают возможность солнечному ветру увлечь их с собой — в определенной степени, разумеется.
Одна из причин ударных волн, создающих эти возмущения, — столкновения между быстрыми и медленными потоками солнечного вещества, идущими из различных областей нашего светила. Еще одна причина — магнитные взрывы в солнечной атмосфере, которые выбрасывают гигантские клубы газа — их именуют «выбросы вещества», — проявляющиеся в виде сильных и внезапных «порывов» солнечного ветра. На Солнце бывает штормовая погода, которая порой длится годами, — о ней говорят многочисленные области высокой магнитной активности, иначе говоря, пятна на Солнце; в эти периоды ударных волн бывает много, и они очень сильны.
У Джона Симпсона[16] из Чикагского университета, «серого кардинала» проекта «Улисс» (точнее, той его части, которая отвечает за прохождение аппарата по околосолнечной полярной орбите), была любимая аналогия для описания того, как трудно космическим лучам попасть внутрь Солнечной системы:
«Представьте, что вы скатываете теннисные мячики вниз по эскалатору, движущемуся вверх. Некоторые из них отскочат от ступеней. Теперь разгоните эскалатор побыстрее, чтобы изобразить возрастающую солнечную активность, и вы увидите, что к вам вернется гораздо больше теннисных мячей, — а до нижней ступени эскалатора доберется гораздо меньше»[17].
И только около половины космических лучей проникнет внутрь Солнечной системы, туда, где Земля обращается вокруг Солнца. Большая часть того, что отсеивается, когда Солнце находится в своей наиболее активной фазе, — это частицы относительно низких энергий, так что они в любом случае были бы отброшены геомагнитным полем. Наземная станция, основанная Симпсоном в Клаймаксе (штат Колорадо), регистрировала поток космических лучей на протяжении половины прошедшего столетия, вычисляя среднемесячные значения. И согласно этим данным количество заряженных частиц умеренных энергий сокращается на 25–30 процентов, после того как ученые фиксируют максимумы солнечных пятен. Между максимумом солнечных пятен и минимумом космических лучей обычно проходит год или два, так как необходимо какое-то время, чтобы ударные волны прошли сквозь границу гелиосферы.
Проведя день или два в зигзагообразных движениях, пробравшись через все магнитные заслоны, поставленные на их пути солнечным ветром, некоторые заряженные частицы наконец достигают Земли. Предпоследняя трудность на их пути — это геомагнитное поле, служащее Земле щитом от незваных галактических гостей. Динамо-машина в расплавленном железном ядре нашей планеты отвечает за большую часть магнитного поля Земли, которое можно уподобить большому пузырю, существующему «внутри» солнечного ветра, или магнитосферы. «Порывы» солнечного ветра деформируют магнитосферу и вызывают магнитные бури на Земле, когда стрелки компасов кружатся в неистовом танце, а в небесах полыхают полярные сияния.
С 1868 года ученые наблюдают за изменениями магнетизма на противоположных концах Земли — в Гринвиче и Мельбурне. Регистрация усредненных данных по геомагнитному полю, так называемого аа-индекса, продолжается по сей день, теперь уже с использованием обсерваторий в Хартленде (Англия) и Канберра (Австралия). Попутно первопроходцы измеряли мощь солнечного ветра, и благодаря этим ученым у нас есть замечательные данные о связи между Землей и Солнцем, начиная со времен королевы Виктории. Однако в этих данных довольно много путаницы, в результате чего роль нашего магнитного поля в деле защиты планеты от космических лучей получается сильно преувеличенной.
Когда большой выброс с Солнца проходит мимо Земли, магнитосфера действует как зонтик. Количество заряженных частиц может внезапно снизиться на 20 процентов меньше чем за день и вернуться к норме лишь через несколько недель. Скотт Форбуш из Института Карнеги в Вашингтоне впервые открыл такие спады и считал, что их причина кроется в возмущениях магнитного поля Земли, тогда как на самом деле эти спады — единовременные побочные продукты тех самых выбросов на Солнце. Резкое понижение интенсивности космических лучей во время вспышек на Солнце получило название Форбуш-эффекта. Космические станции, посещающие другие области Солнечной системы, время от времени регистрируют такие явления, подтверждая, что Форбуш-эффекты — результат работы отдельных ударных волн в гелиосфере.
Добравшись до земного магнитного поля, частицы все еще движутся беспорядочно, как если бы они были мячи-нами в автомате для игры в пинбол. Но пройти через магнитный фильтр удается немногим. Высокоэнергетические частицы могут прорвать заслон в любом месте над Землей, но над Юго-Восточной Азией им понадобится больше энергии, чем над Бразилией и Южной Атлантикой, потому что магнитное поле распределено неравномерно. Слабым космическим лучам допуск в экваториальную зону не разрешен, поскольку именно там магнитное поле параллельно поверхности Земли. Частицам с наименьшей энергией либо вовсе отказывают в доступе, либо вынуждают их спускаться ближе к магнитным полюсам, где силовые линии круто искривляются и направляют космические лучи вовнутрь.
Жизнь первичных космических лучей, прибывающих из звездного пространства, обрывается внезапно — в тот момент, когда они вонзаются в земную атмосферу. Для них столкнуться с атмосферой равносильно тому, как если бы они врезались в массивную стену замка. Любому обитателю Земли воздух на высоте 25 километров покажется чрезмерно разреженным, однако он намного плотнее той среды, с которой частицам приходилось иметь дело в ходе длительного путешествия по Галактике, — иначе они не продержались бы так долго.
Марс — яркий пример того, насколько эффективно предохраняет нас атмосфера от космических лучей. Более бедная и разреженная атмосфера Марса защищает свою планету не лучше, чем земная на высоте свыше двадцати километров. Если космонавты выйдут на поверхность Марса, они окажутся беззащитными перед потенциально очень опасной космической радиацией и получат за один день дозу, какую жители нашей планеты получают за год. Космические агентства уже научились защищать электронику космического корабля от вредоносных космических лучей, и в 2005 году группа ученых НАСА, делая доклад о том, какому риску подвергнется здоровье человека на поверхности Марса, высказала свое сожаление следующим образом:
«Наиболее успешные примеры противодействия радиации — это исследовательские вездеходы, проработавшие на поверхности Марса более года… Мы намного лучше понимаем и умеем предотвращать воздействие радиации на электронику, чем на живые организмы»[18].
Земная атмосфера останавливает практически все частицы — и высокоскоростные протоны, и ядра тяжелых атомов — задолго до того, как они приблизятся к земной поверхности. В результате атомных и ядерных взаимодействий, происходящих в воздухе, рождаются тучи вторичных космических лучей. Частицы продолжают сталкиваться между собой, и таким образом высокоэнергетические зачинщики могут производить ливень из миллионов или даже миллиардов заряженных частиц. Физики получают огромное удовольствие, наблюдая за сложным ходом событий, в котором участвуют гамма-лучи и множество субатомных частиц различных видов, но лишь очень немногим из этих частиц удастся попасть в нижние слои атмосферы.
Если судить по их поведению в контрольно-измерительных приборах, после первых ударов интенсивность космических лучей даже возрастает, так как рождается колоссальное количество вторичных частиц. В 15 километрах над землей интенсивность достигает своего пика, и частиц становится приблизительно в два раза больше, чем было первичных космических лучей, перед тем как они врезались в воздух. Воздушная преграда настолько эффективна, что до уровня моря дойдет лишь одна двенадцатая часть. Когда Виктор Гесс проводил свои исследования, поднимаясь на аэростате, он понял, что космические лучи, должно быть, поступают на Землю сверху, так как, чем выше он оказывался, тем больше их становилось.
Женщин, членов летного экипажа, часто освобождают от полетов, если они беременны, — чтобы защитить плод от возможного вредного воздействия межзвездного вещества. Самолеты несут своих пассажиров на высоте 10 километров над уровнем моря, а это в два раза выше, чем поднимался Гесс, проводя свои опыты. Те, кому приходится пролетать над полюсами, особенно беззащитны перед космическими частицами, съезжающими вниз по загнутой вниз горке земного магнитного поля.
Людям, живущим на высокогорьях, приходится мириться с повышенным радиационным фоном. На высоте 3600 метров над уровнем моря находится самая высотная столица в мире — Ла-Пас (Боливия), и там интенсивность космических лучей в двенадцать раз выше, чем в окрестностях Лимы в Перу, расположенной всего лишь в 150 метрах над уровнем моря. Около восьми миллионов людей обитают на высоких плато в Андах; инки и их предшественники безбедно жили там за тысячи лет до того, как туда пришли европейцы. Получается, что высокая радиация не всегда очень опасна.
Если говорить о мире в целом, то среднее значение космической радиации едва ли выше радиоактивности пищи или воды. И ее доля в общем диапазоне атомной радиации естественного происхождения, которой подвергаются люди, составляет лишь 16 процентов. Помимо того, что космические лучи усиливают естественную радиоактивность, нагревают планету и изменяют ее химический состав, они еще могут вызывать генетические мутации, что приводит к врожденным порокам и развитию опухолей, но вместе с тем делает возможной эволюцию видов. В последующих главах вы увидите, что космические лучи, изменяя климат, играют важную роль в эволюции.
В субатомной толчее, царящей в верхних слоях атмосферы, рождается всего лишь один вид заряженных частиц, способных в большом количестве достигать земной поверхности и терять при этом совсем немного энергии. Эти частицы именуются мюонами, и, что удивительно, физики не подозревали об их существовании до 1937 года. После неожиданного обнаружения новой частицы физик Исидор Раби[19] из Колумбийского университета в Нью-Йорке озадаченно воскликнул: «Кто это заказывал?»[20]
До той поры ни один атомный теоретик не догадался, что электрон, легчайшая заряженная частица, должен иметь старшего брата. Но мюон именно таков — он во всем похож на электрон, кроме двух параметров: его масса превышает массу электрона в двести раз, и это нестабильная частица. Мюоны возникают в результате распада пиона — ядерной частицы, образующейся в воздухе при самых первых ударах космических лучей. Мюон живет лишь две микросекунды, пока не сбросит два призрачных нейтрино и не станет обычным электроном.
Если бы вам было нужно изобрести субатомную частицу, чтобы она могла проскользнуть с секретным донесением от звезд через преграду земной атмосферы, вы не нашли бы лучшей кандидатуры, чем мюон. Обычные электроны не справились бы. Хотя электроны представлены и в первичных, и во вторичных космических лучах, они слишком легки, чтобы войти в воздушное пространство и затем склонить молекулы воздуха к обычному химическому взаимодействию. С другой стороны, протоны, намного более тяжелые частицы, и их нейтральные братья нейтроны с излишней готовностью вступают в связи с атомными ядрами в молекулах, быстро теряют энергию и увязают в бесконечных ядерных реакциях. Из полутора тысяч протонов и нейтронов, свободных на высоте 15 километров, только один достигает уровня моря.
Что касается лазутчика, вам нужна частица, не склонная вступать в реакции с чем-либо, довольно легкая в той мере, чтобы энергетика реакций в атмосфере производила такие частицы в массовых количествах, и обладающая достаточным количеством движения, чтобы выполнить миссию до конца и миновать молекулы воздуха, накидывающиеся на нее, словно гарпии. Мюон удовлетворяет всем требованиям. Пробираясь через атмосферу, он отвлекается только на атомы углерода, водородные соединения и молекулу воды, то есть «общается» лишь с избранной группой продуктов вещественной Вселенной, ее шедеврами, играющими ведущую роль в жизни планеты.
Чтобы окончательно вступить в законные права, мюонам потребуется помощь Альберта Эйнштейна. Их жизнь так коротка, что они успели бы пробежать лишь шестьсот метров по атмосфере без какой-либо надежды достичь Земли, если бы не релятивистская уловка, растягивающая время для высокоскоростных путешественников. Мюон двигается с околосветовой скоростью, но его внутренние часы идут так медленно, что позволяют растянуть чисто номинальную жизнь, длящуюся две микросекунды, в сто раз и даже больше. Благодаря этой поблажке мюоны уверенно продвигаются к уровню моря, где они составляют 98 процентов всех вторичных космических лучей. Остальные — это немногие уцелевшие протоны и нейтроны.
Мюоны продолжают свой путь сквозь воду и почву Земли. Когда физики отправляются на поиски наиболее неуловимых субатомных частиц, им необходимо избегать прямого облучения, поэтому ради своих экспериментов они спускаются в глубокие шахты и туннели. И там они находят некоторые устойчивые мюоны, которые дают о себе знать, издавая шум, регистрируемый приборами.
Для Свенсмарка мюоны — это космические частицы, сильнее всего воздействующие на климат. Ведь они достигают самых нижних слоев атмосферы и могут влиять на образование облаков, охлаждающих мир. Так что, когда Свенсмарк решил опровергнуть заявление, что космические лучи не могут быть виновниками изменений климата, он сосредоточил свое внимание на происхождении мюонов.
Предшествующая глава заканчивалась аргументом, который выдвинул Юрг Бер: значительное увеличение потока космических лучей не всегда приводит к изменению климата, доказательством чего служат данные об углероде-14 и бериллии-10. В качестве основного примера Бер привел событие Лашамп, произошедшее 40 тысяч лет назад, когда магнитное поле Земли почти исчезло и количество космических лучей резко возросло.
Этот парадокс воодушевил оппонентов Свенсмарка. И хотя в течение нескольких лет парадокс оставался червоточиной, подтачивающей саму суть гипотезы о космических лучах и климате, сам Свенсмарк догадывался, в чем тут может быть дело.
Он подозревал, что космические лучи, оставляющие позади себя изотопы углерода-14, бериллия-10 и другие «визитки», в каком-то важном аспекте отличаются от лучей, достигающих самых нижних слоев атмосферы. Это могло бы объяснить, почему отмеченные Бером колебания не вызывают увеличения количества низких облаков и, следовательно, перемен климата.
Это была довольно странная идея, больше похожая на молитву о спасении, а Свенсмарк, как мы увидим в следующей главе, был слишком поглощен осуществлением своего лабораторного эксперимента, и у него не было времени, чтобы прерваться и обосновать эту мысль. Только в 2006 году он смог уделить внимание этому вопросу, занимаясь исследованиями урывками, у себя дома. Ему даже пришлось привлечь к этой работе в качестве неоплачиваемого помощника своего сына Якоба, студента-физика.
Их семейному проекту помогло то обстоятельство, что как раз в эту пору начали возрождаться исследования космических лучей, включавшие в себя поиск частиц сверхвысоких энергий, которые прибывают из нашей или даже из других галактик. Космические лучи гигантских энергий щедро льются в атмосферу ливнем вторичных субатомных частиц. В западной Аргентине на огромной площади в 3000 квадратных километров расположилась мощная обсерватория «Пьер Оже», состоящая из многочисленных детекторов, и в 2005 году многонациональный коллектив обсерватории уже праздновал первые полученные результаты.
Другие страны разместили у себя более скромные обсерватории для изучения широких атмосферных ливней частиц. К их числу относится «КАСКАД»[21] в Германии — решетка из 252 станций, оборудованных измерительной аппаратурой. Его название представляет собой аббревиатуру и означает: «Матричный детектор для изучения атмосферных ливней в Карлсруэ». В 1989 году научно-исследовательский центр в Карлсруэ разработал компьютерную программу, позволяющую отслеживать поведение космических лучей в атмосфере, и с тех пор Дитер Хек постоянно ее совершенствует. У этой программы есть собственный акроним — «КОРСИКА»[22]. Предназначение «КОРСИКИ» — рассчитывать сложные изменения на субатомном уровне и реакции, происходящие после того, как первичные космические лучи вонзятся в земную атмосферу. В расчет берется и то, что по мере продвижения частицы к земной поверхности увеличивается плотность воздуха, и то, что на частицу воздействует земное магнитное поле.
Более ста лет физики собирали сведения о десятках различных видов субатомных частиц, и теперь эти данные были заложены в компьютерную программу. В поведении частиц есть большой элемент непредсказуемости — когда, например, они распадаются или когда взаимодействуют с другими частицами. «КОРСИКА» тщательно проверяет большое количество разнообразных возможностей, используя случайные числа, генерируемые компьютером. Неудивительно, что статистики называют этот метод «методом Монте-Карло».
Поскольку задача «КОРСИКИ» заключается в том, чтобы вычислить, какие частицы в конце концов дойдут до наземных детекторов, связь тут с метеорологией совершенно прямая.
Свенсмарк также интересовался теми относительно немногими заряженными частицами, которые способны дожить до нижнего слоя атмосферы. Наиболее важные из них — это мюоны, рождающиеся, как мы помним, в верхних слоях атмосферы и путешествующие достаточно быстро, чтобы благодаря эйнштейновскому растяжению времени успеть добраться до уровня моря.
Для того чтобы дать мюонам необходимую продолжительность жизни, их родителями должны быть высокоэнергетические космические лучи. Таких среди первичных лучей относительно немного, но это с лихвой окупается их большой эффективной массой, когда релятивистский эффект увеличивает ординарную массу высокоэнергетического протона (ядра водорода) в сто раз. При этом выделяется энергия, достаточная для создания широких ливней вторичных частиц, где среди прочих будет и большое количество стремительных мюонов. В какой мере недостаток первичных заряженных частиц компенсируется изобилием рожденных ими атомов — это был вопрос, на который, как считал Свенсмарк, могла ответить именно «КОРСИКА».
«КОРСИКА» оказалась очень большой и тяжеловесной программой, так что Свенсмарку понадобилась помощь, чтобы установить и запустить ее, и тогда к работе подключился его сын, Якоб Свенсмарк. В мае 2006 года отец и сын, исследуя судьбу космических лучей различных энергий, раз за разом запускали «КОРСИКУ». Каждый запуск программы требовал больше часа, и это отнимало у исследователей все их свободное время. Но результаты стоили того.
Расчеты сосредоточились на активности космических лучей в слоях атмосферы, находящихся не выше 2000 метров от уровня земли, то есть там, где образуются низкие облака, главные участники климатических действий. Поразительно, что целые 60 процентов крайне важных мюонов — это «дети» тех космических лучей, чья энергия столь грандиозна, что магнитный щит Солнца не в силах отклонить их. Перемены в солнечном настроении, приводящие к колебаниям климата, не отражаются на них. На протяжении миллионов лет Земля вместе с Солнцем путешествуют по бескрайним галактическим просторам, и вместе с изменением пейзажа меняются и потоки высокоэнергетических лучей. Позже мы увидим, к каким весомым последствиям для климата Земли приводят эти изменения.
Оставшиеся 40 процентов заряженных частиц, вызывающих определенные события в нижних слоях атмосферы, подчиняются приказам солнечного магнитного поля. Этого количества лучей вполне достаточно, чтобы объяснить переключения между уже описанными потеплениями и похолоданиями. Но земное магнитное поле оказывает на них слабое влияние. По результатам подсчетов, из всех мюонов, попадающих в нижние слои атмосферы и создающих там облака, только три процента — «дети» частиц настолько слабых энергий, что геомагнитное поле может воздействовать на них. С другой стороны, большую часть «визиток» — к ним относятся, например, изотопы бериллия (бериллий-10) — оставляют на большой высоте космические лучи средних энергий, подчиняющиеся магнитному полю Солнца. Во многих случаях на них так же сильно влияет и земное поле. Ослабьте резко мощность земного магнитного поля, как случилось во время событий Лашамп, и число изотопов бериллия-10 и хлора-36, как показывают подсчеты Бера и его коллег, возрастет больше чем на 50 процентов. Однако количество мюонов, меняющих климат, увеличится не больше, чем на 3 процента, даже если магнитное поле исчезнет совсем. Таким образом, догадка Свенсмарка о различных видах заряженных частиц из космоса сейчас полностью подтверждена.
Хотя Свенсмарк верит, что результаты программы «КОРСИКА» отмели главное возражение против его «облачной» гипотезы, все же поведение космических лучей во время экскурса Лашамп требует детального изучения. Потепление, о котором сообщал Бер, совпавшее с быстрым образованием его «разговорчивых» атомов, может означать, что солнечная активность усиливалась, приостанавливая деятельность космических лучей в нижнем слое атмосферы и, следовательно, сокращая облачность, в то время как земное поле ослабевало, и образование углерода-14, бериллия-10 и других изотопов ускорялось.
Такое вполне могло быть. В общей картине состояния климата эпизод Лашамп относится к событиям Дансгора-Ошгера, неоднократно случавшимся в течение последнего ледникового периода. Для этих событий характерен существенный рост температур, безусловно, связанный с увеличивавшейся солнечной активностью. Но активное Солнце также отталкивало от Земли космические лучи низких энергий, в противном случае во время экскурса Лашамп, когда земное магнитное поле действовало нерешительно, радиоактивных атомов могло бы образоваться гораздо больше.
Тем археологам, которые пытались установить возраст некоторых находок середины последнего ледникового периода, приходилось нелегко. Тот факт, что геомагнитное поле ослабло, привел к увеличению количества радиоактивного углерода, и ошибки археологов в датировке находок могли доходить до пяти тысяч лет. В 2004 году группа ученых во главе с Конрадом Хугеном из Океанографического института Вудз Хоул (Массачусетс) систематизировала данные об углероде-14, полученном с морского дна у берегов Венесуэлы.
Они увидели, что во время экскурса Лашамп количество углерода-14 росло. Быстрое образование радиоактивного углерода продолжалось до момента, отстоящего от нас во времени на 40,5 тысячи лет, а потом, после небольшой паузы, последовало резкое и почти непрерывное падение уровня радиоактивного углерода, закончившееся 37 тысяч лет назад. Согласно данным Бера, именно тогда совпали максимально высокие температуры и минимум образования бериллия-10 и хлора-36. Возможно, последние несовпадения между космическими лучами и климатом исчезнут, когда мы получим более точные данные.
Но, коснувшись темы Лашампа, наша история забежала вперед. С тех пор как Свенсмарк в 1996 году впервые предположил, что космические лучи напрямую воздействуют на климат, возражение Бера было самым убедительным с научной точки зрения. Нам показалось, что будет предусмотрительным пораньше разобраться с вызовом экскурса Лашамп, чтобы не отпугнуть хорошо информированного читателя от дальнейшего обсуждения теории. А сейчас самое время вернуться к открытиям, касающихся других важных персонажей в нашей космической драме — облаков.
3. Сияющая Земля — это прикольно (но очень уж холодно)
Модная наука о климате сбита с толку обычными облаками.
Спутники показывают, что облачность меняется в зависимости от количества заряженных частиц. Легче всего поддаются воздействию облака нижних слоев атмосферы, охлаждающие мир.
Облака подтверждают свою власть, согревая Антарктику.
Открытия, уменьшающие вероятность неотвратимого глобального потепления.
Во многом облака и есть погода. Это верно и для сторонних наблюдателей, и для метеорологов. В небесах над нашими головами и на горизонте облака разыгрывают непрерывную драму света и мрака, затишья и бури, дождя и снега и почти никогда не повторяются. Самые грозные из них мечут молнии, наскоро взбивают торнадо или выстраивают огромные облачные стены ураганов.
Любой, кто захочет описать, классифицировать, проанализировать и объяснить облака, вскоре будет озадачен их капризностью. Облака намекнули Гамлету, как вернее можно сойти за сумасшедшего, и он сказал, что облако похоже на верблюда, затем на горностая и, наконец, на кита. Прошли века, а облака все еще досаждают синоптикам — и тем, кто предсказывает погоду на завтра, и тем, кто составляет долгосрочные прогнозы изменений климата на суперкомпьютерах.
По всей планете рассеяно множество метеостанций; их данные, а также сведения со спутников обсчитываются на компьютерах, при этом компьютерные модели организованы так, что расстояние между двумя любыми расчетными точками составляет сто километров. Эта гигантская сеть расчетных точек покрывает всю планету, однако отдельные облака проваливаются в ячейки компьютерной сети, словно мелкая рыбешка, ускользающая из рыбацкого невода. Вместо точных данных разработчики компьютерных моделей вынуждены полагаться на теорию о приблизительном поведении облаков. «Погодные модельеры» выдают один за другим противоречивые прогнозы, потому что их программы не могут справиться с непредсказуемостью облаков. В 2004 году Кевин Тренберт, ведущий специалист по моделированию климата из Национального центра атмосферных исследований США, откровенно признался в этом:
«Климатические модели не справляются с облаками. Наверное, облака — это самая большая проблема, возникающая в тех случаях, когда мы используем климатические модели, чтобы делать прогнозы насчет глобального потепления»[23].
В последующие годы стало очевидно, что имеющиеся компьютерные модели абсолютно бестолковы. Несколько институтов во Франции, Германии, Великобритании и США сравнили результаты десяти моделей атмосферы с данными, полученными со спутников, наблюдавших реальные облака с 1983 по 2002 год. Некоторые модели ощутимо недооценили количество облаков на средних и малых высотах.
Доклад Минхуа Чжана из университета Стоуни-Брук и его коллег был унизительным признанием провала:
«Что касается отдельных… типов облаков, разница между результатами моделирования и спутниковыми измерениями достигает нескольких сотен процентов»[24].
Климатологи давно мечтали получить более точные данные об облаках, и ответом на их просьбы стали два исследовательских спутника, которые были выведены на орбиту в апреле 2006 года с планируемым сроком службы в космосе около трех лет. Американо-французский «Калипсо» и американо-канадский «КлаудСат» летят поблизости друг от друга, наблюдая одни и те же облака с интервалом в пятнадцать минут, один с помощью поляризационного лазерного локатора, а другой — посредством чувствительного радара с миллиметровой длиной волны. Они способны разглядеть различные слои внутри густых облаков, измерять размеры капель и выделять из них те, которые выпадают в виде дождя. Все это и многое другое спутники выполняют впервые. Еще до их запуска научный руководитель программы профессор Грэм Стивенс из университета штата Колорадо так высказался о глубине нашего невежества:
«Новая информация с „КлаудСата“ ответит на элементарные вопросы о том, как в облаках образуются дождь и снег, как осадки распределяются в мире и как облака влияют на климат Земли»[25].
Такие признания появились, когда огромные средства направлялись на то, чтобы создать суперкомпьютеры для моделирования климата и научиться предсказывать погоду на сто лет вперед. Несмотря на противоречивые результаты, некоторые ученые продолжали возвещать надвигающуюся катастрофу, которую провоцируют выбросы углекислого газа. Человечество, говорили они, должно остановить промышленное производство, иначе последствия будут ужасны. Несколько академий наук и ведущие научные журналы торжественно заявили, что родилась новая наука об изменениях климата. Мнение тех ученых, кто более четко представлял себе значение облаков и то, как они могут влиять на климат, пренебрежительно отвергалось.
Любой, кто знает, что такое теплые тропические ночи, испытывал на себе парниковое воздействие атмосферных газов. Поверхность Земли излучает тепло в космос в форме невидимых инфракрасных лучей. Поэтому после наступления темноты пустыни становятся весьма холодными. Но во влажных тропиках молекулы воды над нашими головами перехватывают тепло и отражают его обратно к земле, так что вы можете сидеть на террасе в легкой рубашке с короткими рукавами и небрежно потягивать свой вечерний ром.
Это и есть естественный парниковый эффект. Он создается главным образом благодаря водяному пару и совершенно необходим для поддержания на нашей планете условий, пригодных для жизни. Двуокись углерода работает по такому же принципу, поэтому растущее содержание этого газа в воздухе вызывает беспокойство. Но главный вопрос — насколько сильно поднимется температура планеты, если количество углекислого газа продолжит увеличиваться. И если вы примете во внимание реальную роль облаков, то самые зловещие предсказания покажутся вам сомнительными.
Однако не воображайте, что если будут вложены миллиарды долларов, если будут получены детальные данные со спутников, если будет предусмотрено поведение облаков, то в один прекрасный день компьютерные модели выдадут результаты, совпадающие не только между собой, но и довольно близкие к реальности. Причина уязвимости современного компьютерного моделирования кроется гораздо глубже, чем просто в технических несовершенствах. Полагая, что изменения климата в первую очередь зависят от содержания в атмосфере углекислого газа, разработчики программ отводят облакам лишь пассивную роль.
В этой главе мы покажем, что погодой руководят облака. Колебания облачности четко следуют за изменением интенсивности тех космических лучей, которые зависят от магнитного поля Солнца и мало обращают внимания на магнитное поле Земли. Необходимо определить, какие облака наиболее важны с точки зрения климата. И подтверждение тому, что облака играют ведущую роль, мы можем найти возле Южного полюса.
Для нас очевидно, что облака охлаждают землю, когда тучки набегают на солнце в теплый летний денек. Какими бы серыми они ни казались нам снизу, если вы взглянете на облака сверху, например, с горы или из самолета, — они будут сиять белизной. Они отражают обратно в космос около половины поступающего к нам солнечного света, который в противном случае мог бы согреть землю под ними. К тому же они поглощают какую-то часть солнечной радиации.
Житейский опыт подсказывает вам, что облачные ночи обычно менее прохладные, чем ясные, и особенно это заметно зимой, когда яркие звезды — верная примета крепкого мороза. Облака, со своей стороны, тоже создают парниковый эффект, перехватывая жару, сбегающую с поверхности Земли. И хотя они также излучают инфракрасные лучи в космос, вершины облаков холоднее, чем земля, так что потери тепла уменьшаются.
Облака могут оказывать на нашу планету и согревающее, и охлаждающее воздействие и таким образом обеспечивают баланс входящего видимого света и исходящих инфракрасных лучей. Ученые могли лишь предполагать это, до тех пор пока в 1984-м и 1986 годах не были запущены в космос три американских спутника со специальными приборами. Они измерили весь поступающий на планету солнечный свет и исходящее инфракрасное излучение, и в уже начале 1990-х годов стали ясны результаты эксперимента НАСА «Радиационный баланс Земли» (ERBE[26]).
В своей совокупности облака — это мощный «холодильник». Исключение, пожалуй, составляют только тонкие облака, которые в целом обладают согревающим эффектом. Высокие перистые облака настолько холодны — их температура приблизительно минус 40 градусов Цельсия, — что они излучают в космос намного меньше тепла, чем задерживают его в виде инфракрасного излучения, идущего от Земли. С другой стороны, самые эффективные «морозильники» — это густые облака на средних высотах, но в каждый данный момент времени они накрывают не более 7 процентов земной территории.
Зато низкие облака могут покрыть в четыре раза большую площадь. На их долю приходится 60 процентов общего охлаждения. Мало того что они препятствуют солнечному свету, их относительно теплые верхушки эффективно излучают тепло в космос. А лидерство по охлаждению Земли среди низких облаков принадлежит широким и плоским покрывалам слоисто-кучевых облаков, простирающихся над 20 процентами земной поверхности. Чаще всего их можно увидеть над океаном, где они создают для пассажиров межконтинентальных полетов однообразный пейзаж.
Облака уменьшают эффективность солнечного света на 8 процентов. Если ничего больше не менять, а только убрать этот огромный солнечный зонтик, планетарная температура повысится приблизительно на 10 градусов Цельсия. И наоборот, увеличение количества низких облаков лишь на несколько процентов приведет к заметному похолоданию.
Когда облаков в атмосфере Земле становится больше, космонавты на орбите видят, что сияние нашей планеты усиливается. Астрономы на Земле, если вглядятся в зеркало Луны, тоже могут наблюдать этот блеск, поскольку Земля своим призрачным светом освещает те участки, куда не попадает прямой свет Солнца. Чем ярче Земля, тем она холоднее — просто потому, что она больше отбрасывает прочь солнечных, согревающих ее лучей.
Количество облаков меняется год от года. Старательные летописцы записывали местные колебания погоды на протяжении веков, но узнать, как ведут себя облака в целом мире, стало возможным только с появлением первых метеоспутников. Они совершили метеорологическую революцию, показав нам, как разворачиваются основные события погодной драмы внизу, под их камерами. С 1966 года они предоставляют синоптикам постоянные оперативные услуги, все время улучшая качество и увеличивая зону покрытия. Телезрители научились узнавать анимированные спутниковые изображения дождевых облаков или ураганов, властно шествующих своей дорогой.
Поделиться книгой: