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.

---

Если допустить такую возможность, то электроны могли бы успеть оказать значительный эффект меньше чем за секунду, еще до того, как их сметет электрическое поле. Вместо того чтобы пытаться избавляться от ионов, возможно, следует, напротив, добавить еще и посмотреть, увеличится ли тогда число «точек». С этой работой могли справиться гамма-лучи, но те радиоактивные источники, что были в распоряжении группы, не оказывали нужного воздействия, если их размещали за пределами камеры. Однако когда радиоактивные источники стали вводить — через специальную трубку — непосредственно в короб, гамма-лучи начали провоцировать быстрое образование «точек», и это сильно обнадежило экспериментаторов.

Поразительный эффект обнаружился случайно, через несколько дней после начала экспериментов с гамма-лучами. Аспирант Мартин Энгхофф и инженер Йозеф Полни заметили, что вскоре после того, как они помещают радиоактивные источники в камеру, детекторы начинают регистрировать большое количество сверхмалых «точек». Это происходило еще до включения ультрафиолетовых ламп, которые должны были помочь двуокиси серы превратиться в пары серной кислоты. Стало очевидно, что эта химическая история могла спокойно развиваться и без участия ультрафиолета — спасибо ему, конечно, большое.

Хотя первые результаты, говорившие о возросшем количестве ионов в камере, все же развеяли воцарившееся было уныние, тем не менее дело пока еще попахивало импровизацией, и формально эта серия не могла считаться состоявшимся экспериментом. Следующие пять недель группа провела, занимаясь другими испытаниями и поджидая, когда из Бельгии привезут более подходящие радиоактивные источники, которые должны были распределять гамма-лучи равномерно по всей камере. После получения необходимого оборудования ученые приступили к новым исследованиям возросшей ионизации.

Опыты отчетливо показывали: чем больше свободных заряженных частиц в воздухе, тем эффективнее образуются сверхмалые «точки». Удвоение количества «точек» требовало четырехкратного увеличения количества ионов. (Другими словами, производство «точек» растет в обратной квадратичной зависимости от плотности ионов.) Это означает, что при любых вариациях космических лучей наибольший эффект в производстве «точек» достигается в том случае, когда общая интенсивность ионов довольно невысока.

Таким образом, ионное ядрообразование было действительно возможным, и Свенсмарк сделал вывод, что электроны способны в мгновение ока создавать ядра еще до того, как электрическое поле удалит их из камеры. За шесть месяцев ученые провели самые разнообразные испытания — с использованием постоянной либо же периодической светимости ультрафиолетовых ламп — и накопили много согласованных результатов. Когда Свенсмарк убедился, что сможет объяснить полученные результаты теоретически, он вернулся к своей первоначальной идее о том, чтобы подавлять активность заряженных частиц электрическим полем.

По оценке ученого, «скачущему» электрону нужно было около одной пятой секунды, чтобы образовать гроздь капелек серной кислоты. Предположение можно было проверить, если бы с помощью более сильного поля удалось очистить воздух от электронов раньше этого срока. Сначала предел электрического напряжения, подаваемого в камеру, составлял 10 000 вольт. Затем — это было в конце июня 2005 года — ученые попытались дать 20 000 вольт, и, к их удовлетворению, пиковое количество сверхмалых «точек» уменьшилось вдвое.

На следующий день они подсоединили генератор в 50 000 вольт, который Ульрик Уггерхёй раздобыл в Орхусском университете. Когда электрическое напряжение прошло отметку 40 000 вольт, в камере проскочила искра, и раздался удар грома. Электромагнитный импульс вышиб электронику и один из измерителей скорости потока. Команда бросилась приводить систему в порядок, а Свенсмарк даже выразил некоторое удовольствие: «С искрами и взрывами это действительно похоже на настоящую науку»[61].

На третий день они попробовали повторить эксперимент, ограничившись напряжением 40 000 вольт. Повисла пауза — «затянувшееся короткое замыкание», как выразился Свенсмарк, — и вновь грянул гром. К сожалению, в этот раз оборудование пострадало сильнее, и на то, чтобы починить приборы, ушло три месяца. Поскольку продолжать экспериментальную часть не было возможности, Свенсмарк решил, что пришло время сесть за стол и описать полученные результаты для публикации в научном журнале.

Электроны сеют семена

К счастью, данных набралось уже достаточно, чтобы они могли полнозвучно пропеть свою песню. Свенсмарку и его коллегам оставалось лишь услышать мелодию и постараться понять ее. Вопреки их предположениям образование сверхмалых «точек» шло слишком быстро, и даже последняя теория Фанцюнь Юя и Ричарда Турко не объясняла этого явления. Здесь был нужен совершенно новый механизм.

За то время, пока продолжались опыты, Свенсмарк разработал математическое описание всех событий, произошедших после того, как приборы показали появление первых «точек». Будучи заложенной в компьютер, эта математика очень хорошо прогнозировала результаты. С тем же успехом она работала и в обратном направлении, рисуя убедительную картину того, должно было происходить с «точками» размером меньше трех нанометров, до того как приборы могли их уловить.

Последовательность и скорость событий говорили о том, что процесс ядрообразования начинается слишком рано. Впрыскивание двуокиси серы и озона в камеру происходило за час до того, как в дело вступало Солнце в исполнении ультрафиолетовых ламп. В течение этого часа должны были формироваться кластеры молекул. По размеру они даже меньше, чем сверхмалые «точки», и, следовательно, были неуловимы для имевшихся в распоряжении ученых приборов. Как случайно выяснили Мартин Энгхофф и Йозеф Полни, для образования капелек серной кислоты помощь ультрафиолета была не нужна.

Ключевыми игроками оказались электроны. Достаточно всего лишь одного электрона, прилепившегося к молекуле кислорода, чтобы она стала привлекательной для молекул воды. Несколько таких молекул собираются вместе и создают водяной кластер. Будучи активирован озоном и имея в достатке двуокись серы, водяной кластер становится центром, где начинает образовываться — и накапливаться — серная кислота. Таким образом, старое представление о том, что молекулы серной кислоты сначала образуются под действием ультрафиолетового света и лишь затем медленно стекаются в группы, как мысли, с запозданием приходящие в голову, — можно признать недействительным. Здесь мы видим, как они рождаются в виде молекулярных кластеров — во всяком случае, на самой первой стадии образования «точек».

В самом начале электрон выступает в роли клея, крепко скрепляющего всю конструкцию. Но когда кластер, пусть еще очень маленький, накапливает несколько молекул серной кислоты, он становится достаточно устойчивым, чтобы вести самостоятельное существование. Электрон теперь может двигаться дальше, найти другую молекулу кислорода и начать строить новый кластер. Таким образом, он действует как катализатор, который стимулирует химические реакции и при этом не расходует себя.

Быстродействие космических лучей в создании строительного материала для ядер облачной конденсации (тех ядер, на которых формируются водяные капельки) зависит от энергичной деятельности электронов, комплектующих кластеры из молекул.

Процесс шел очень быстро, а так как в коробе эксперимента «SKY» работало много электронов, количество молекулярных кластеров успевало достигнуть миллионов на литр, прежде чем включались ультрафиолетовые лампы. Когда подается ультрафиолет и молекул серной кислоты становится намного больше, уже существующие кластеры готовы захватить их и присоединить к себе. К тому времени как кластер накопит около семидесяти молекул серной кислоты, он увеличится в диаметре от 1 до 3 нанометров, и его уже можно будет распознать как сверхмалую «точку».

Если новая теория правильно объясняет события, произошедшие в реакционной камере, и если «SKY» — это реалистическая модель атмосферы, тогда такой же процесс должен происходить в небе над нашими головами. Сверхмалые «точки» вырастают в полноразмерные ядра облачной конденсации и ежедневно высеивают зерна для образования новых облаков. Можно сказать, мы получили наконец ответ на головоломку и разобрались в том, что сеет зерна, что образовывает ядра ядер и что заставит поросенка перепрыгнуть через ограду, — это электроны, высвобожденные космическими лучами.

Летом 2005 года эксперимент был завершен, и группа подготовила научный труд по его результатам. А затем члены группы столкнулись с долгими проволочками, так как ведущие научные журналы один за другим под разными предлогами отказывались печатать доклад, не ставя, впрочем, под сомнение технические заслуги экспериментаторов. Особенно расстраивало ученых то правило, согласно которому журналы часто запрещают разглашать предварительную информацию, а это означает, что вы не можете ничего рассказать о проведенном эксперименте до момента публикации. Больше года результаты эксперимента нигде открыто не упоминались, и об опыте знал лишь узкий круг коллег.