Помоги проекту - поделись книгой:
Но более любопытна другая головоломка: если человечество продолжает непрерывно загрязнять атмосферу углекислым и другими парниковыми газами, то почему практически во всем мире это не вызывает предсказанного сильного роста температур. Например, в Антарктике воздействие парниковых газов не смогло перевесить охлаждающий эффект облаков, и с 1978 по 2005 год площадь морского льда там увеличилась на 8 процентов. И это в регионе, который уже долгие годы служит страшилкой, доказывающей стремительность и неотвратимость глобального потепления, спровоцированного человеком.
Колебания подповерхностных океанских температур полностью подтверждают наши предположения, сделанные в рамках гипотезы о связи космических лучей и облаков. А тенденция к потеплению, якобы вызванному парниковыми газами, которые попали в атмосферу за последние полвека, на деле оказывается намного слабее, чем можно было бы ожидать, если бы их эффект был правильно рассчитан.
В этой связи ст
«В конечном счете увеличение двуокиси углерода почти обязательно приведет к потеплению, но, возможно, намного меньшему, чем принято думать»[45].
До конца 1980-х годов среди всех кандидатов на роль «предводителя климата» особенным признанием пользовалось Солнце. Если бы в то время уже была известна теория о космических лучах, то это лишь укрепило бы специалистов в их взглядах. Сторонникам парниковой теории пришлось бы трудно, если бы они попытались распространить свое учение, не говоря уже об их пророчествах: мол, грядет нестерпимое глобальное потепление. Теперь, когда вновь показалось Солнце во всем своем величии, вместе с грузом доказательств вернулись и поклонники углекислого газа, дабы оценить, что именно в современном состоянии климата может поработать на их излюбленный климатический механизм.
И словно бы у нас дежа-вю — мы видим, как парниковый углекислый газ вновь встает в очередь с другими претендентами на главную роль в изменениях климата. Здесь и крупные извержения вулканов вкупе с событиями Эль-Ниньо, и содержание пыли и дыма в атмосфере, и концентрация озона, метана и других парниковых газов, и изменившееся землепользование, и, как это ни странно, общее потемнение поверхности Земли из-за растительности, подкармливаемой всем этим излишком углекислого газа.
На основании спутниковых измерений Свенсмарк и Найджел Марш посчитали, что потепление, вызванное сокращением облачности с 1900 по 2000 год, должно было составить 0,6 градуса Цельсия. Спутниковые данные также смогли подтвердить роль облаков в антарктической климатической аномалии. Что касается двуокиси углерода, то, напротив, довольно весомые противоречия мешают признать за ним главную силу, воздействующую на климат.
По разным подсчетам, если содержание углекислого газа увеличится в два раза, то это приведет к подъему температуры как минимум на 0,5 и как максимум на 5 градусов Цельсия. В реальном мире сторонникам парниковой теории остается лишь заявлять, что текущее потепление работает на их гипотезу, и надеяться когда-нибудь доказать, что его вызвал именно углекислый газ, а не что-либо еще. У них нет данных, совпадающих с результатами измерений, проведенных со спутников и на наземных станциях в Антарктике, — словом, со всем, что безоговорочно поддерживает облачную теорию.
Когда Свенсмарка просят прокомментировать вклад углекислого газа в текущее потепление, он сохраняет спокойствие. Было бы разумнее, по его мнению, не вести квазиполитические споры, где каждая сторона старается набрать очки за счет другой, а более точно вычислить, к каким последствиям может привести излишек двуокиси углерода в атмосфере. Тогда можно было бы говорить о том, что углекислый газ отвечает за какую-то часть текущего потепления.
«После того как будет полностью учтен вклад Солнца в потепление и поборники парникового эффекта взглянут на то, что им удалось сохранить, — воздействие двуокиси углерода может оказаться слишком незначительным. А если так, любое глобальное потепление двадцать первого века может оказаться намного скромнее, чем типичные предсказания о 3–4 градусах Цельсия»[46].
Все десять лет, после того как в 1996 году на встрече в Бирмингеме Свенсмарк и Фриис-Кристенсен вновь заговорили о Солнце как о ведущей климатической силе и рассказали о существующей связи между космическими лучами и облаками, их оппоненты относились с насмешкой к самой идее о том, что заряженные частицы из космоса могут каким-либо образом принимать участие в образовании облаков. Они заявляли, что нет никакого физического механизма, который объяснял бы это. Эксперимент, проведенный в одном из подвалов Копенгагена в 2005 году, лишил их этой линии защиты и продемонстрировал, как именно взорвавшиеся звезды вносят свои коррективы в облачный пейзаж Земли.
В исторической перспективе эксперимент помог окончательно разобраться с тем, что нужно водяному пару, чтобы из него сформировались облака. И эта часть истории начинается в девятнадцатом веке.
4. Что заставит поросенка прыгнуть через ограду
Формирование облака происходит, когда водяной пар остывает и конденсируется.
Для этого водяному пару нужны мельчайшие частички, плавающие в воздухе.
Наиболее важные из них — это капельки серной кислоты.
Как эти капельки появляются, не объяснено до сих пор.
Эксперимент демонстрирует, как космические лучи помогают им расти.
В викторианские времена Британия была мировым лидером в промышленном производстве, а заодно в загрязнении воздуха. Именно тогда, в эпоху угля, Лондон стал печально известен своими густыми удушливыми желтыми туманами, особо сгущавшимися в ноябре, — не случайно они получили едкое прозвище «гороховый суп». Солнечные лучи, пробиваясь сквозь туман в Вестминстере, порождали причудливую игру света и тени — мы хорошо видим это на полотнах Клода Моне. А в романе Диккенса «Холодный дом» туман стал метафорой мучительной судебной тяжбы.
«Туман везде. Туман в верховьях Темзы, где он плывет над зелеными островками и лугами, туман в низовьях Темзы, где он, утратив свою чистоту, клубится между лесом мачт и прибрежными отбросами большого (и грязного) города… На мостах какие-то люди, перегнувшись через перила, заглядывают в туманную преисподнюю и, сами окутанные туманом, чувствуют себя как на воздушном шаре, что висит среди туч»[47].
Копоть и едкий сернистый дым, извергавшиеся трубами промышленных и домашних печей, смешивались с осенними природными туманами и мало того что превращали их в грязный и ядовитый смог — они день ото дня усиливали его вредоносное действие, а продолжительность туманов только нарастала.
В 1875 году французский ученый Поль Жан Кулье начал серию экспериментов с воздухом. Независимо от Кулье эти опыты повторил шотландский физик Джон Айткен и пошел намного дальше. Его первые шаги в этом направлении будут впоследствии кратко описаны знаменитым британским эволюционистом и популяризатором науки Альфредом Расселом Уоллесом в книге «Чудесный век»:
«Если пустить струю пара в два больших стеклянных сосуда — один наполненный обычным воздухом, а другой — воздухом, отфильтрованным через хлопковую вату, так чтобы никакие частички твердой материи не проникли в него, — то в первом сосуде всегда будет обычный белый пар, в то время как второй останется прозрачным»[48].
Айткен не был удивлен. Он давно наблюдал за тем, как вещества переходят из одного состояния в другое: из твердого в жидкое и затем в газообразное. Очень чистую воду трудно заморозить, даже если ее температура будет ниже точки замерзания. А если взять раствор, содержащий поваренную соль или другое химическое соединение, и начать выпаривать воду, желая получить кристаллы, то кристаллы будут образовываться крайне неохотно, пока не добавишь маленькое зернышко — только тогда процесс роста пойдет активно. Как понял Айткен, в деле перехода из одного состояния в другое без помощников не обойтись.
Из его опытов по созданию облаков в стеклянных сосудах вытекали весьма полезные следствия. Например, такое: люди научились измерять степень загрязненности городского воздуха, исходя из того, с какой эффективностью в нем формируются капли воды. Это стало оружием для тех, кто вел борьбу за чистоту воздуха, хотя серьезный контроль над дымом и копотью не появится в Лондоне и других городах до середины двадцатого века. Прикладное значение работы Айткена было очень важным, но, помимо этого, шотландский ученый сделал одно из крупнейших открытий в погодной науке.
Желая воспроизвести естественное формирование облака более точно, он наполнил банку холодным воздухом и насытил его водяным паром. Затем с помощью насоса Айткен откачал немного воздуха, так что оставшийся в банке расширился, и охладил его. Это было похоже на то, как влажный воздух поднимается в холодные слои атмосферы, где температура резко падает ниже точки росы, и воздух становится перенасыщенным. Банка с обычным воздухом мгновенно наполнялась рукотворным облаком. Если же Айткен брал очищенный воздух — банка оставалась чистой.
Айткен сделал вывод, что облака не могли бы образовываться и дождя на Земле не было бы, если бы водяной пар не обладал способностью конденсироваться на маленьких частичках, присутствующих в воздухе. Если вы берете в лаборатории отфильтрованный воздух, вам придется вдвойне насытить его водяным паром — иначе говоря, добиться перенасыщения в 100 процентов и даже более, — прежде чем начнут формироваться водяные капельки, и то за счет каких-то
Побочным продуктом этого исследовательского направления стало изобретение вспомогательного прибора для ядерной физики — диффузионной камеры.
Чарлз Вильсон заинтересовался, откуда берутся капельки воды на стенках камеры, если отфильтрованный воздух, содержащийся в ней, подвергнуть резкому расширению. Предположив, что другим источником конденсации могли быть электрические заряды, он подтвердил это с помощью рентгеновских лучей. Эти лучи выбивают электроны из молекул воздуха, порождая тем самым настоящие тучи зарядов. Когда Вильсон обстрелял рентгеновскими лучами свою примитивную облачную камеру — в ней пошел дождь.
Позднее Вильсон обнаружил, что, когда отдельные субатомные частицы проносятся сквозь диффузионную камеру и оставляют позади себя хвост зарядов, они создают следы из капель. Это стало сенсационным открытием. В дальнейшем Вильсон усовершенствовал свою камеру, приспособив ее для улавливания частиц, и многие физики, в том числе Резерфорд, не могли сдержать своего восторга, увидев получившиеся превосходные снимки. Диффузионная камера стала полноправной участницей многих открытий двадцатого века, связанных с изучением космического излучения, — к этим открытиям, безусловно, относится и получение первого образца антивещества.
Длительное увлечение облаками, вдохновившее Вильсона на его опыты, зародилось, когда он, стоя на вершине горы в своей родной Шотландии, наблюдал за тем, как белые флотилии невозмутимо проплывают над его головой и удаляются, сменяясь новыми. Даже когда Вильсон занимался субатомными частицами (эти исследования в итоге принесли ему Нобелевскую премию), метеорология оставалась его первой любовью. И хотя у него никогда не было возможности продемонстрировать это, Вильсон в конце жизни был уверен, что космические лучи каким-то образом должны влиять на погоду. Одним из его предположений было то, что они воздействуют на молнии.
Этот аспект работ Вильсона был забыт на долгие годы, и Свенсмарк не слышал о нем. Но когда он впервые обнаружил, что земная облачность реагирует на космические заряженные частицы, это навеяло ему воспоминания о практических занятиях с диффузионной камерой в старших классах его родной школы в Эльсиноре. Он также вспомнил, что, будучи студентом, видел фотографии, на которых были изображены следы из водяных капель, оставленных заряженными частицами. Он предположил, что в некотором смысле атмосфера Земли подобна гигантской диффузионной камере и отвечает на новые порции космических лучей увеличением конденсации, приводящей к формированию большего количества облаков.
Это было слишком большим упрощением, и Свенсмарк хорошо это понимал. Даже вместе взятые, космические лучи оставляют столь тонкие и фрагментарные следы, что, если бы заряженные частицы из космоса и впрямь нашли для себя в атмосфере сильно перенасыщенный воздух, этого было бы недостаточно, чтобы создать миллиарды тонн водяного пара, которые нужны, чтобы каждую минуту формировать новые облака. Космические лучи должны были каким-то образом усилить это природное действие. Возможно, они влияют на процессы на молекулярном и микроскопическом уровне, когда образуются ядра облачной конденсации, или делают их более дружественными по отношению к каплям. С самого начала Свенсмарк осознавал, что эту взаимосвязь, чем бы она ни оказалась, надо тщательно проследить в лабораторном эксперименте в традициях Айткена и Вильсона.
Но даже сама идея такого эксперимента была встречена враждебно, как и ожидал Свенсмарк. В 1999 году Свенсмарка попросили выступить на встрече в Королевском метеорологическом обществе в Лондоне, и члены общества выстроились в очередь, чтобы раскритиковать своего гостя. В перерыве Свенсмарк столкнулся с одним из высоких гостей — бывшим президентом общества, физиком, специализирующимся на изучении облаков. Съемочная группа записала следующий диалог:
Экс-президент: А какой смысл ставить этот опыт?
Свенсмарк: Просто есть некоторые научные публикации, где обсуждались такие вопросы, как, например: «Откуда на самом деле берутся ядра облачной конденсации? Как они формируются?»
Экс-президент: Да мы и так знаем это!
Свенсмарк: Нет, это пока не известно.
Экс-президент: Вы не должны спорить со мной по вопросам физики облаков![49]
Небольшое замечание об используемых словах. Объекты, достаточно маленькие для того, чтобы плавать в воздухе, — это, строго говоря,
С того времени как Поль Жан Кулье и Джон Айткен продемонстрировали роль аэрозолей в образовании облаков, исследователи без конца подсчитывают содержание различных твердых и жидких веществ в воздухе. Для врачей, а в особенности для их пациентов, страдающих от легочных болезней, токсическое загрязнение воздуха — насущная проблема. Да и у климатологов не меньше причин интересоваться «точками», распыленными в воздухе, поскольку даже если они не участвуют в облакообразовании, эти «точки» тем не менее перехватывают часть солнечного тепла. Лазерные лучи, самолеты и аэростаты, спутники — все они помогают ученым нарисовать более полную картину.
Свой ощутимый вклад в загрязнение воздуха вносит и сама природа. Во-первых, это пыль, поднимаемая ветром с сухой почвы, пустынь и пляжей. Возделывая землю в полупустынных и подверженных частым засухам районах, человек также помогает пополнить запасы пыли в атмосфере. Иногда это приводит к катастрофам, какая, например, случилась в Пыльном котле на Среднем Западе США во время продолжительной засухи тридцатых годов. Подобное часто происходит в Африке и Азии. Когда мир переживал период глобального похолодания в 1960-е, некоторые метеорологи, нашедшие виновника в сельскохозяйственной пыли, назвали этот феномен «человеческим вулканом».
То же касается и сажи, остающейся после лесных и травяных пожаров. Часто причинами возгорания становятся природные явления, например, молнии или вулканы. Но выжигание лесов, травы и сжигание растительного мусора — это обычная практика землеустройства с доисторических времен. И сегодня в сухие сезоны в Южной Азии мы можем видеть, как коричневый дым от сожженных растений и угля тянется от Арабского моря к Бенгальскому заливу.
Метеоритная пыль, занесенная из космоса, также пополняет компанию крошечных частичек, плавающих в воздухе. А еще, оказывается, пыльца, вызывающая аллергию, бактерии и грибные споры в большом количестве забираются на удивление высоко. В нескончаемой череде химических реакций, происходящих в воздухе, участвуют различные элементы и соединения, и эти реакции также порождают бесчисленное множество «точек». Дымка над хвойным лесом, которую вы можете видеть в солнечный день, появляется благодаря тому, что деревья выделяют летучие углеводороды — терпены. Солнечный свет превращает их в некое подобие смога, аналогичного тому, что отравляет большие города, только в городах «работают» уже не хвойные деревья, а автомобили, в выхлопах которых тоже присутствуют углеводороды.
Вулканы извергают клубы пепла, который довольно быстро оседает на землю, сернистый газ, порождающий крохотные капли серной кислоты, а также другие «точки». Большая часть серы, выброшенной вулканами, стремительно уходит в стратосферу и некоторое время остается выше того уровня, где обычно происходит образование облаков, но вскоре движение серосодержащих молекул замедляется, и они начинают опускаться, распространяясь по всему миру. Страшный красный закат на картине «Крик» Эдварда Мунка был откликом художника на извержение вулкана Кракатау. Это извержение произошло в Индонезии в 1883 году и было столь мощным, что вулканические выбросы достигли даже норвежского неба.
Большое вулканическое облако может охладить мир на несколько лет, так как пепел не пропускает солнечные лучи к поверхности и Солнце нагревает стратосферу. В 1991 году взорвался вулкан Пинатубо на Филиппинах. Исследования, проведенные с помощью лазеров, показали, что после извержения обратное рассеяние света от стратосферы увеличилось в сто раз. Уровень обратного рассеяния снижался очень медленно и вернулся к норме лишь в 1996 году. Ученые полагают, что количество серы, выброшенной тогда в стратосферу, составило около десяти миллионов тонн.
Океаны в этом отношении действуют как огромные безостановочные водяные вулканы. Они выделяют в нижние слои атмосферы большое количество серы в виде паров диметилсульфида — простого соединения из двух атомов углерода, шести атомов водорода и одного атома серы. Испускание серы морской водой в открытом океане, вдали от берегов, впервые обнаружил английский химик Джеймс Лавлок в начале 1970-х. На самом деле источник серы — не вода, а планктон, плавающий на поверхности моря, — микроорганизмы с экзотическими названиями вроде динофлагеллят и примнезиофитов. Зоопланктон кормится фитопланктоном, мембраны клеток микроорганизмов — протозоа и водорослей — при этом разрушаются, на клетки набрасываются бактерии, которые разлагают их содержимое, и высвобожденный диметилсульфид попадает в воздух.
Пары диметилсульфида обладают определенным ароматом — наше обоняние воспринимает его как запах морских водорослей, выкинутых волной на берег, или отваренных початков кукурузы. Для многих птиц, живущих далеко от земли, например, для качурок, запах диметилсульфида означает возможность подкрепиться. Стоит им почуять его, и они устремляются по ароматному следу к самым богатым пищей местам. Запах со временем слабеет, так как под воздействием солнечных лучей происходят химические реакции, превращающие диметилсульфид в капельки серной кислоты.
Похожий механизм действует при создании капелек азотной кислоты. В воздухе всегда много окислов азота. Они образуются либо во время грозы, когда молнии раскалывают небо, либо в процессе жизнедеятельности бактерий, обитающих в почве. Еще одно соединение, в которое входит азот, — это аммиак: конечный продукт некоторых обменных процессов в животных организмах. Аммиак с удовольствием объединяется с серной кислотой, чтобы произвести на свет крохотные капельки — говоря по-нашему, «точки» — сульфата аммония.
Если вас смутило разнообразие «точек», кружащих в воздухе, то вы просто спросите, какие из них наиболее эффективны и важны с точки зрения изменений климата. Пыль, поднимаемая ветром, безусловно, влияет на климат, так как не пропускает солнечный свет. Но ее частички слишком большие, чтобы стать ядрами облачной конденсации. Даже цветочная пыльца, включая тончайшую пыльцу красавицы-незабудки, великовата по размеру.
С другой стороны, в воздухе в изобилии присутствуют сверхмалые «точки» паров или газов, размером с наименьшую молекулу белка, то есть в несколько миллионных миллиметра. Они слишком крохотные и не могут участвовать в образовании облаков. Но если этим крохам удается скучковаться в более крупные «точки», размер которых составит около ста миллионных миллиметра (или 100 нанометров), — они станут идеальными ядрами облачной конденсации.
По всей планете капельки серной кислоты (для рождения которых требуется немного воды) — самый важный фактор образования облаков. В наши дни главный источник серы на всех континентах — сернистый ангидрид, образующийся в процессе промышленной деятельности человека — главным образом той деятельности, которая выражается в сжигании ископаемого топлива. Если учесть быстрый рост экономики в развивающихся странах, выбросы серы в атмосферу приближаются к отметке сто миллионов тонн в год. Однако выбросы сконцентрированы над промышленными районами, и, несмотря на то что ветер может разносить их на тысячи километров, этого явно недостаточно, чтобы «человеческий» сернистый ангидрид хоть как-то влиял на всю планету.
Над широкими просторами океанов, покрывающих больше половины планеты, образование облаков зависит в основном от серной кислоты, порождаемой диметилсульфидом. И хотя общее количество высвобождаемой океаном серы может быть вполовину меньше того, что выбрасывает в атмосферу человек, океанская сера участвует в формировании погоды на гораздо большей площади. Если вам нужно подобрать лучший в мире природный источник ядер облачной конденсации, то это, конечно, пахучие пары, выделяемые неприметными микроорганизмами пустынных морей.
Главный соперник серы как поставщика ядер облачной конденсации над океанами — это морская соль. Штормовые волны поднимают фонтаны тончайшей водяной пыли, особенно в зимнее время на «ревущих сороковых» и «неистовых пятидесятых»[50], и таким образом в воздухе оказываются крупинки хлорида натрия подходящего размера. Возможно, их не более десяти процентов от всего необходимого количества «точек», но они тоже могут побороться за доступный над океаном водяной пар во время «сборки» капелек серной кислоты.
Когда восходящие потоки в кучевых облаках несут капли воды вверх, в холодные области атмосферы, те замерзают, превращаясь в снежинки или градинки. С другой стороны, на больших высотах водяной пар может «перепрыгнуть» через жидкое состояние и сформировать ледяные кристаллы непосредственно, как это происходит в высотных многослойных перистых облаках. В каждом случае на сцену выходит свой набор «точек», играющих роль ледяных ядер, на которых кристаллизуется вода.
Льдообразующие ядра должны одурачить блуждающие молекулы воды, представив дело так, будто они уже оформились в полноценные кристаллы льда и подбирают себе новых рекрутов. Перебирая ядра кристаллизации льда, природа, кажется, отдает предпочтение микроскопическим частицам глинистого минерала каолинита. Когда люди вызывают искусственный дождь, они распыляют в воздухе йодистое серебро. Этот реагент побуждает холодные облака создавать ледяные кристаллы, выпадающие затем с большей готовностью, чем водяные капли. Вне зависимости от того, естественного происхождения они или созданы человеком, снежинки и градинки обычно тают по дороге к земле.
Рано или поздно ядра облачной конденсации — как бы они ни рождались — исчезают: либо их вымывают из воздуха дождь, град или снег, либо потоки, восходящие с высоких грозовых туч, выносят их в стратосферу, либо же сила тяготения медленно утаскивает эти ядра вниз, к поверхности земли. Их запас необходимо постоянно пополнять. Появившиеся в девяностые годы более совершенные детекторы, умеющие регистрировать сверхмалые «точки» размером всего лишь в несколько нанометров, позволили увидеть, как рождаются рои новых ядер конденсации — эти явления получили название нуклеационных взрывов.
В лесной лаборатории, расположенной в Хютияля неподалеку от Хельсинки, Маркку Кулмала и его коллеги постоянно следят за такими взрывами. Вот, например, одно наблюдение, сделанное весной. В течение всей ночи количество «точек» в воздухе неуклонно снижалось, но в 10 часов утра их число неожиданно начало расти. К полудню количество «точек» увеличилось почти в десять раз. Затем оно стало постепенно уменьшаться, зато сами «точки» продолжали увеличиваться в размерах. Этот процесс длился несколько часов. К заходу солнца количество «точек» опять начало снижаться.
Такого рода пополнения приводят к тому, что в атмосфере над сушей, в тех слоях, где происходит формирование облаков, постоянно присутствует множество ядер облачной конденсации — несколько миллионов на каждый литр воздуха. Даже над открытыми океанами их обычно сто тысяч на литр. Поэтому метеорологи были готовы вообразить, что таких «точек» всегда много, и, следовательно, нет никакой необходимости полагать, будто космические лучи могут что-то изменить.
В конце 1990-х специалисты службы погоды, занимаясь своим обычным делом, то есть оглашая перед публикой климатические прогнозы, прямо-таки источали самоуверенность, и не важно, что именно они предсказывали — дождь либо солнце на завтра или состояние климата на 2100 год. Никому из посторонних не полагалось знать, насколько, по сути, поверхностны и схематичны были некоторые из наиболее фундаментальных представлений об атмосфере. Даже среди самих метеорологов лишь немногие осознавали, что ключевые моменты образования облаков — то, что можно назвать «двигателем погоды» — ускользали от их разумения.
Сама химия атмосферы представляла собой головоломку. Если ядра облачной конденсации, эти зерна, вокруг которых собираются водяные капли, сами представляют собой капельки другого вещества, например, серной кислоты, то как в таком случае они образуются? Разве, для того чтобы они выросли, им не нужно какое-нибудь свое «зерно»? Вспоминается старушка из английской народной сказки, пытавшаяся привести домой поросенка с рынка: «Огонь, огонь, сожги палку! Не хочет палка побить собаку, не хочет собака укусить поросенка, не хочет поросенок лезть через ограду, не успею я засветло попасть домой»[51].
Согласно традиционным взглядам атмосферных химиков, для того чтобы капельки серной кислоты могли успешно создавать облака, им просто нужно время. Теория исходила из того, что в воздухе всегда содержится огромное количество молекул серной кислоты. Им требовалось совсем немного молекул воды, и тогда они медленно начинали соединяться в капли, молекула за молекулой, без всякой помощи со стороны.
Эту теорию постигла внезапная смерть, так как однажды слишком много частиц появилось там, где их никто не ждал. Это случилось в 1996 году над Тихим океаном, куда любят отправляться ученые, чтобы вдалеке от загрязненных промышленными выбросами районов понаблюдать жизненный цикл облаков. Патрульный противолодочный самолет ВМС США «Орион», приспособленный для исследовательской работы агентством НАСА и оснащенный приборами для обнаружения газов, паров и наших крохотных «точек», к тому времени налетал уже много часов среди облаков над тропической частью Тихого океана.
Однажды ранним утром самолет шел низко над океанскими волнами к югу от Панамы. Подобно морской птице, он вынюхивал диметилсульфид. Группа ученых, возглавляемая Тони Кларком из Гавайского университета, выбрала этот регион по той причине, что фауна и флора океана здесь особенно разнообразны. Ученые хотели проследить, как происходит химическое преобразование диметилсульфида в естественных условиях.
Выбрав определенный район, пилот снизился до 160 метров, и приборы, как и следовало ожидать, показали большое количество диметилсульфида. Дул чистый западный ветер, и корабль кружил на низкой высоте целый час. По небу гуляли облака с просветами, иногда встречались дождевые тучки.
Приборы регистрировали ожидаемое преобразование диметилсульфида. Под воздействием солнечного ультрафиолета он вступал в реакцию с водяным паром и образовывал сначала двуокись серы (сернистый ангидрид), а затем пары серной кислоты. Число молекул серной кислоты колебалось довольно сильно, но все еще оставалось слишком маленьким, для того чтобы они стали собираться вместе, согласно господствовавшей теории.
Сюрприз свалился на ученых в два часа дня, когда приборы исследовательского самолета зафиксировали громадное количество сверхмалых «точек». За две минуты их количество подскочило практически с нуля до более тридцати миллионов на литр воздуха. При этом количество свободных молекул серной кислоты, также измерявшееся в этот момент, оставалось низким.
Такого взрывного образования сверхмалых «точек» просто не должно было быть при имевшейся концентрации серной кислоты. Известно, что капельки серной кислоты — главный источник ядер конденсации в процессе облакообразования над доброй половиной земного шара. Здесь же получалось, что концентрации серной кислоты еще не достаточно, а ядер конденсации — уже пруд пруди. Метеорологи не могли объяснить причину этой преждевременной нуклеации. В каком-то смысле они походили на автомеханика, который не понимает, откуда в свече зажигания берется искра. Сделав хорошую мину при плохой игре, НАСА огласило предварительное заключение, где непредусмотренным событиям было придано положительное освещение:
«Ясно одно — это уникальное наблюдение феномена тропической нуклеации обеспечит нас надежной экспериментальной площадкой, на которой можно будет проверять новые теории»[52].
Когда Кларк и его команда попытались понять причины произошедшего, они гадали, может ли азот, поступающий с океанской поверхности, подхлестнуть формирование сверхмалых «точек». Было еще одно оторванное от жизни предположение: мол, серной кислоте и молекулам воды помогли сблизиться электрические заряды, так как во время полета исследователи видели вспышки молний.
Вообще говоря, то, что присутствующие в воздухе электрически заряженные молекулы, атомы и электроны, объединяемые общим названием «ионы», могли дать начало ядрообразованию, не было такой уж новой идеей. Эта теория появилась в 1960-е годы, и в ее пользу говорили наблюдения за сверхмалыми «точками», предвосхищавшие эксперименты группы Кларка, а также несколько скромных лабораторных экспериментов, подкрепленных кое-какими предварительными гипотезами. В 1980-е горячим защитником идеи был Франк Рас, бельгийский химик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, — по его расчетам выходило, что образование микрокапель серной кислоты за счет ионов вполне реализуемо.
Непредубежденные теоретики хранили идею ионного образования ядер конденсации, так сказать, про запас, не исключая ее полностью. Она не будила их воображение до тех пор, пока теоретики не услышали в 1998 году об открытии, сделанном у берегов Панамы, и не почувствовали его подтекст. Затем и другие химики, изучающие атмосферу, начали понимать, что ионное ядрообразование могло бы действительно подстегнуть «поросенка», чтобы он довольно резво перепрыгнул через ограду. Тогда космические лучи могли бы более убедительно вступить в действие, потому что скорее они, а не удары молний, служат важным источником ионов на всех уровнях — и высоко в атмосфере, где образуются облака, и над поверхностью океана, где летал «Орион».
Фанцюнь Юй и Ричард Турко, также работавшие в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, изучали инверсионные следы, остающиеся позади самолета, когда он проносится по небу. Там, в этом самолетном шраме, ядра облачной конденсации тоже формировались гораздо быстрее, чем ожидала от них традиционная теория, предполагавшая, что они будут группироваться постепенно, молекула к молекуле. Очевидно, в результате сгорания топлива образуются заряженные атомы и молекулы, помогающие «точкам» формироваться и расти.
Отсюда недалеко и до умозаключения, которое Юй и Турко сделали в 2000 году: не что иное как именно космические лучи способствуют ускоренному ядрообразованию и, следовательно, формированию облаков. Присутствие электрических зарядов обеспечивает сближение молекул даже при низкой концентрации паров серной кислоты. А затем ионы стабилизируют образующиеся зародышевые «точки», пока те собираются в более крупные капельки. Так научные расчеты объяснили урожай сверхмалых «точек» над Тихим океаном близ побережья Панамы.
Это своевременное вмешательство атмосферных химиков никого не обрадовало больше, чем физика элементарных частиц Джаспера Киркби, сотрудника ЦЕРНа в Женеве. Когда в декабре 1997 года Колдер читал в ЦЕРНе лекцию об обнаруженной Свенсмарком связи между космическими лучами и облаками, Киркби был среди слушателей. Лекция возбудила его любопытство, и он, отправляясь с семьей на Рождество в Париж, в гости к сводной сестре, взял с собой сборник научных трудов. И пока остальные ходили по магазинам, Киркби изучал публикации. В итоге он убедился, что открытие Свенсмарка действительно было очень интересным.
Поскольку совпадения вариаций космических лучей и колебаний облачного покрова ничего не говорили о существующих здесь причинно-следственных связях, Киркби задумался над тем, как можно было бы установить эти связи и найти механизм, инициирующий образование облаков. И хотя физика высоких энергий не занимается вопросами климата, космические лучи определенно входят в область ее интересов: физики, работающие с элементарными частицами, в изобилии создают искусственные космические лучи с помощью своих ускорителей. Посреди праздников в Париже Киркби нашел время, чтобы набросать план эксперимента. По его замыслу, следовало воссоздать атмосферные условия и, соответственно, условия образования облаков в специально оборудованной камере, воздействовать на нее пучком частиц, разогнанных в церновском ускорителе, и измерить получившийся эффект.
Мало кто знал тогда, но, помимо фундаментальной науки, Джаспер Киркби занимался исследованиями окружающей среды. Если бы он нашел возможную причину изменений климата, для его группы это была бы особая возможность зарекомендовать себя с лучшей стороны и продвинуть исследования на более профессиональный уровень. Подавая в камеру строго отмеренные дозы водяного пара и следовые количества определенных соединений — двуокиси серы, аммиака, азотной кислоты, — ученые намеревались проследить физические и химические эффекты в серии тщательно спланированных опытов и увидеть, сможет ли входящий пучок частиц повлиять на образование ядер облачной конденсации. Из первых букв остроумного названия эксперимента «Cosmics Leaving OUtdoor Droplets» (буквально: «Космические лучи оставляют после себя капельки под открытым небом») Киркби составил акроним — «CLOUD»[53].
Он принялся собирать команду. За два года Джаспер Киркби собрал больше пятидесяти метеорологов, экспертов по солнечно-земной физике и физике элементарных частиц из семнадцати институтов Европы и США. Свенсмарк тоже был среди них. Он отчаялся найти в Дании средства для собственного эксперимента и был рад присоединиться к группе специалистов, набираемой Киркби.
Был здесь и Маркку Кулмала из Хельсинки, бросивший Свенсмарку спасательный круг в море критики в Эльсиноре. Как и многие другие в их команде, он все еще не был убежден результатами Свенсмарка и не считал, что космические лучи прямо участвуют в образовании облаков. В то время Кулмала предпочитал объяснять нуклеационные взрывы тем, что в реакциях участвуют и другие молекулы, помимо серной кислоты и водяного пара. Но, как и остальные, он не смог отказаться от возможности проверить идею ионного ядрообразования в ходе беспрецедентного исследования в области атмосферной химии.
Киркби нашел нишу для своего проекта «CLOUD» в опытном зале церновского протонного синхротрона. Главное место в эксперименте отводилось диффузионной камере полуметрового диаметра, куда синхротрон должен был подавать регулируемые порции частиц высоких энергий. Некоторые члены группы, приехавшие из Хельсинкского университета, Миссури-Ролла[54] и Венского университета, ранее уже имели дело с такими камерами и получали положительные результаты. Используя наработанный ими опыт, инженеры ЦЕРНа смогли построить большую пузырьковую камеру для изучения следов частиц.
Самые современные приборы, располагавшиеся вокруг диффузионной камеры, предназначались для того, чтобы следить за событиями, вызываемыми пучком частиц из ускорителя. Капли влаги, образующиеся в камере, должны были рассеивать свет и тем самым заявили бы о своем присутствии. Фотографии предполагалось делать с помощью высокоскоростной 3D-камеры, используя технологию, которую впервые применили для наблюдения за солнечными затмениями.
Атомы, молекулы и ионы различных видов и масс, присутствующие в воздухе, должны были попадать в поле зрения сразу нескольких приборов. Три разных масс-спектрометра предназначались для того, чтобы идентифицировать их путем точного измерения молекулярных весов. Еще один прибор измерял подвижность ионов и должен был поведать о том, как они взаимодействуют с молекулами воздуха и других веществ, участвующими в эксперименте.
Чего не хватало заявке на проведение эксперимента, так это осмысленной поддержки со стороны специалистов по химии атмосферы, теоретических обоснований той роли, которую космические
«Более ста лет назад Ч. Т. Р. Вильсон изобрел диффузионную камеру, чтобы исследовать феномен погоды. Его изобретение стало необходимейшим инструментом для физики элементарных частиц. Сейчас колесо истории повернулось, и мы возвращаемся назад, к идее Вильсона, дабы исследовать вероятность того, что атмосфера Земли действует подобно большой диффузионной камере, в которой эхом отдаются причуды Солнца»[55].
Когда заявка попала на рассмотрение к двум ведущим метеорологам, ответ оказался неутешительным. Один лауреат Нобелевской премии поднял на смех доказательства Свенсмарка и счел необходимым обратить внимание ЦЕРНа на то, что эти доводы используются лишь как оружие в научно-политических спорах, ведущихся на тему глобального потепления. Группа ученых возмутилась: это не могло быть научным аргументом в пользу или против их проекта. Когда ученые обсуждали рецензию между собой, они отметили, что в высказанных возражениях нет логики:
«Если ситуация настолько неприемлема, насколько это изображается [рецензентом], разве не было бы важно — тем более важно! — показать, что гипотеза Свенсмарка ошибочна?»[56]
Поделиться книгой: