Хенрик Свенсмарк - Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата

• Название: Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата
• Автор: Хенрик Свенсмарк
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-91678-093-2

Как образуются облака? Оказывается, «виновники» этого процесса — космические лучи. А от облачного покрова зависит температура нашей планеты. Больше космических лучей — на Земле холоднее. Потоки заряженных частиц из космоса уменьшаются — планета теплеет. Так все просто? Нет, конечно же, не просто; картина куда более сложная и… захватывающая!

В своей книге, впервые выходящей на русском языке, датский физик Хенрик Свенсмарк и английский писатель, популяризатор науки Найджел Колдер объясняют, каким образом наше родное Солнце и далекие галактики участвуют в формировании погоды над нашими головами.

---

«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 иных факторов. В реальной же природной обстановке достаточно одного процента перенасыщения, так как в воздухе всегда присутствует много частичек подходящего размера, так называемых облачных ядер конденсации.

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, аэрозоли. Их часто называют частицами, но это может сбить с толку, поскольку в нашей истории то и дело встречаются субатомные частицы космических лучей. Пылинка — вполне понятное читателю слово, но оно предполагает твердый материал, тогда как большая часть ядер облачной конденсации — это мелкие капли жидкости. Так что мы решили предпочесть слово точки.

Завтрак для альбатроса

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.