Олег Фейгин

Планета бурь

© Фейгин О. О., текст, 2016

© ООО «Страта», 2016

* * *

Бог страха Хуракан решил уничтожить все живое на земле водой и огнем. Большая волна поднялась и настигла людей: за то, что они забыли своего творца и не благодарили его, они были умерщвлены и потоплены. Смола и деготь лились с неба. Земля погрузилась во мрак, днем и ночью шли сильные дожди. Люди взбирались на дома, но дома разрушались и погребали их; они влезали на деревья, но деревья сбрасывали их со своих ветвей; они старались укрыться в пещерах, но пещеры закрывались. Все погибли.

Центральноамериканский эпос о «всемирном потопе в конце времен»

введение

Наличие силы тяжести, воздуха, воды и приемлемых погодных условий – четыре обстоятельства, необходимые для нашего существования. Однако жизненно важного значения окружающей среды мы часто не ощущаем, вернее, не осознаем. Психологи говорят, что образ обыденного как бы лежит на поверхности нашего сознания. О странностях погоды и климата, о таком вроде бы самом обычном в окружающей нас реальности, а по сути – настоящем научном чуде, и будет наш рассказ.

Чудо земного климата хотя бы в том, что пока еще лишь он один во Вселенной позволяет существовать жизни, достигшей своей высшей ступени развития – разума.

Что происходит в последнее время с климатом? Почему он так поменялся со времен нашего детства? Откуда при шли к нам страшные в своей недвижимости циклоны и антициклоны, то иссушающие посевы невиданной жарой, а то выплескивающие за сутки полугодовую норму влаги? Были ли уже в истории человечества подобные периоды и чего еще можно ожидать от климатических изменений? Проще говоря, к чему готовиться и какая погода будет завтра, через неделю, месяц, год?

Давайте поищем ответы, заглянув в глубины истории.

Тринадцать тысяч лет назад ледники километровой толщины, покрывавшие Скандинавию, стали таять, и в ее южной части образовалось гигантское озеро талой воды, фактически пресноводное море. От вод Атлантического и Северного Ледовитого океанов это порождение последнего ледникового периода ограждала колоссальная естественная плотина. Подходила к концу эпоха глобального оледенения, скандинавские ледники продолжали интенсивно таять, и в последующие 5 тысяч лет уровень Мирового океана поднялся более чем на 100 метров. Все это время волны Атлантики неуклонно подтачивали перешеек на месте современного пролива Каттегат. И вот, 8 тысяч лет назад, фактически уже после окончания последнего ледникового периода, на севере Европы произошел колоссальный рельефный катаклизм.

Перешеек Каттегат рухнул под напором вод Атлантики, и Балтийское пресноводное озеро-море наконец соединилось с мировым океаном. В озеро-море стремительно ворвалась чудовищная масса соленой воды. Поток смешанных вод помчался на восток, заливая леса, луга и торфяники. Вскоре обширные участки суши оказались затоплены, а на месте смытого перешейка образовалось несколько островов.

По оценке современных ученых этот «ледниковый балтийский потоп» в течение 6 веков повысил уровень новообразованного Балтийского моря на 10,5 метров. Колоссальную стремительность происходившего катаклизма подтверждают обширные могильники прибрежной фауны, включающие тысячи скелетов оленей, туров, выдр, бакланов, которые часто находят подводные археологи. Между тем борьба пресной и соленой воды в Балтике длилась около 5 столетий, долго оставаясь сильно опресненной, о чем свидетельствуют найденные там скелеты окуней, красноперок, щук, судаков, угрей.

Но постепенно все изменилось, и водоем чистейшей ледниковой воды, поддерживающей жизнь в округе, стал ядовито соленым. Как показали исследования, вплоть до 4000 года до н. э. вода из Атлантического океана неизменно перетекала в Балтийское море. С соленой водой изменился и животный мир Балтийского водоема, в нем обильно расселились морские рыбы: камбала, сельдь, корюшка.

Не менее грозная катастрофа произошла около 9 тысячелетий назад в Причерноморье, когда воды Средиземного моря прорвали узкий перешеек, разделявший его с Черным. Мощный вал воды устремился на восток, ведь уровень тогдашнего Черного моря-озера был на 150 метров ниже сегодняшнего. Долгое время по многокилометровой Босфорской котловине, превратившейся в Босфорской пролив, мчался, сметая все на своем пути и взрывая каменистую почву, колоссальный поток соленой средиземноморской воды. По расчетам, его скорость достигала 100 километров в час, так что через новорожденный пролив шириной всего в несколько сотен метров ежедневно проносилось около 50 млрд кубометров воды, при этом он размывал встречные скалы на десятки метров вглубь.

Гюстав Доре. Ноев ковчег

Где-то через год, после прорыва Босфорского перешейка, уровень Черного моря поднялся почти на 60 метров, сровнявшись с уровнем Средиземного. К этому времени соленые воды затопили свыше сотни тысяч квадратных километров Черноморского побережья, и обширные дельты рек на южном побережье превратились в соленые озера. Затопленными оказались также долины Малой Азии, а на востоке Черное море разлилось до подножия Кавказа. На северо-востоке оно размыло еще один барьер и хлынуло через образовавшийся Керченский пролив в Азовскую впадину и Кума-Манычскую низменность. Так образовалось мелководное Азовское море и изменяющаяся система проток к Каспию и даже Аралу.

Разлившееся море, как и на Балтике, поглотило тысячи поселений первобытных племен, породив у уцелевших народов еще один обширный очаг мифотворчества на тему всемирного потопа, истолкованного затем различными религиями в духе своих учений. В христианском вероучении спастись было дано только праведнику Ною с его семейством в гигантском ковчеге, построенном по божьему повелению, в который ему разрешалось взять «от всякой плоти по паре». Далее начался ливень, продолжавшийся сорок дней и ночей. Возникшее наводнение было столь сильным, что «покрылись высокие горы, какие есть под всем небом». Все живое было смыто с земной поверхности и утонуло, а по прошествии ста пятидесяти дней вода стала убывать, и ковчег пристал к склонам гор Араратских…

Историки установили, что в основе библейского мифа о потопе лежат гораздо более древние ассирийские и шумерские первоисточники. В них глиняной клинописью пересказывается эпизод из сказочного шумерского эпоса о герое Гильгамеше: однажды бог пресных вод и мудрости За посетил праведного мудреца Зиусудру и сообщил ему о решении совета богов уничтожить человечество всемирным потопом. За подсказал Зиусудре построить гигантский многоярусный плот-корабль прямоугольной формы, разделенный на семь частей и девять донных трюмов. Зиусудра успел вовремя нагрузить свой ковчег имуществом, домашними животными, а также степным скотом и зверьем, взял на борт всех своих родственников и пустился в плавание. Целую неделю бушевал ураган с проливным дождем, но на седьмой день стихия успокоилась, и Зиусудра увидел, что оказался среди водной равнины. Вскоре на горизонте появилась суша, и ковчег мудреца пристал к склонам Иранского нагорья.

Любопытно, что библейские сказания довольно точно копируют шумерские мифы, возникшие за тысячелетия до того.

С научной точки зрения получается, что отголоски грозных событий, сопровождавших эволюцию водной оболочки Земли – гидросферы, дали основу множеству древних народных легенд. Разумеется, никакие ливневые дожди никогда не смогли бы залить значительную часть земной суши, но формирование новых обширных водных бассейнов и разливы рек вполне могли найти свое отражение в устных и письменных мифах о всемирном потопе. Раскрашенные религиозной фантазией, эти легенды и вошли в священные книги многих народов мира.

Следы черноморского потопа, произошедшего 9 тысяч лет назад

Еще одним источником рассказов о потопе могли послужить свидетельства прибрежных племен о грозном явлении цунами, произошедшем в Месопотамии. Катастрофа могла произойти в нижнем течении Евфрата и совпасть с тропическим циклоном и землетрясением на дне Индийского океана. При таких «моретрясениях» обычно образуются огромные многометровые волны, которые, достигнув полого берега этой части оконечности Аравийского полуострова, вполне могли бы затопить огромную равнинную территорию. Все эти страшные жертвы и разрушения, конечно же, оставили долгую память в истории человечества, породив не только сказания о всемирном потопе, но и вообще о вселенском конце света.

Что ж, может быть, всемирный потоп действительно не сказка? Нет! Предания о катастрофах, когда в воде и огне погибало множество людей, говорят лишь о том, что потопы – но отнюдь не всемирные, а местные – происходили неоднократно, в разное время и в различных местах. И тут несомненно одно: причины у них были не фантастические, а вполне естественные – землетрясения и моретрясения, сильнейшие ураганы и цунами.

Часть 1. Климат планеты

Есть некая случайность, выпавший шанс в игре Вечности. И небесная скала поразила Землю именно в этот момент, вызвав все последствия. Но что, если бы она промахнулась? Если бы Случай решил иначе и космическая бомба миновала бы Землю? Каким был бы сейчас мир?

Гарри Гаррисон. Запад Эдема

Все формы жизни на Земле тесно взаимосвязаны. Мы имеем общую органическую химию, общее эволюционное наследие. И в результате наши биологи крайне ограничены в своих исследованиях. Они изучают только один тип биологии, только одну тему в музыке жизни. Является ли этот слабый и пронзительный мотив единственным голосом на тысячи световых лет? Или существует своего рода космическая фуга с темами и контрапунктом, гармониями и диссонансами, миллиардами разных голосов, исполняющих музыку жизни в Галактике?

Карл Саган. Космос. Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации

Ливни, дожди, засухи… Как много они значат для жизни на Земле, какую огромную роль играли в судьбе человечества в прошлом и продолжают играть еще и сейчас! Нельзя сказать, что зависимость людей, их хозяйственной деятельности от капризов погоды ныне такая же, какой была раньше. Но она есть, и довольно значительная. А ведь люди испокон веков мечтали освободиться от этой неволи. Излишек воды – плохо, недостаток – тоже. Земледелец же, посеяв хлеб, хотел, чтобы он хорошо уродился, не вымок бы, поливаемый бесконечными дождями, или не выгорел под палящими лучами солнца. И молил об этом небо, надеясь на милость Господа. Иногда казалось, что мольба достигла цели: на изнывающее под зноем поле вдруг выпадал благодатный дождь. Если Всевышний оставался глухим и не желал помочь, земледелец покорно винил себя – чем-то, видно, прогневал Бога… Одно же удачное совпадение – то есть когда дождь прошел бы наверняка и без молитвы – подстегивало и мысли, и чувства верующих. Священнослужители ловко пользовались этим.

А где-то в стороне от религиозного мировосприятия и даже нередко вопреки ему, исподволь, из века в век копились наблюдения – основа опытного знания, приобретавшего форму примет. Люди практичные доверяли больше приметам, чем молитвам.

По сути дела, примета – тот же прогноз, только составленный интуитивно, не по науке. Он может осуществиться, а может и нет. И вовсе не только потому, что составлен ненаучно, а потому главным образом, что природа не застрахована от случайностей. Даже сегодня составление прогноза – дело непростое, хотя научная и техническая оснащенность современного специалиста, работающего в этой области, не идет ни в какое сравнение с тем, чем располагали люди прошлого. Надо учесть множество факторов – а многие из них еще не изучены, не выявлены, не все взаимосвязи в природе вскрыты. Нужно переработать гигантский объем научной информации – настолько гигантский, что без помощи мощных компьютеров с ним справиться практически невозможно, – и получить в результате прогноз, надежность которого не всегда, вернее, не стопроцентно гарантирована. Особенно это относится к прогнозам долгосрочным.

Проблема повышения надежности прогноза опасных природных аномалий, подобных всемирному потопу, ураганам и цунами, стоит перед целым комплексом наук, изучающих глобальные геофизические процессы. Наряду с ней метеорологи и геофизики не оставляют свою самую заветную мечту – управлять развитием погодных явлений. Многие ученые все еще считают подобные проекты беспочвенными фантазиями, однако в ограниченных масштабах уже найдены практические решения, такие как распыления особых реагентов над тучами или обстрел их специальными снарядами. Целый ряд подобных успешных экспериментов позволяет надеяться, что здесь можно достичь решающих успехов. Так, рассеивание в атмосфере специальных веществ для прояснения неба над аэропортом или стадионом, заставляющее тучу пролиться дождем или, наоборот, ускорить и усилить конденсацию водяных паров в атмосфере с образованием облачности, является общепризнанной практикой.

Большая часть нашей планеты покрыта водой. Океанами и морями залиты три четверти поверхности Земли, а сушу покрывают бесчисленные реки и озера. Снег и лед на вершинах множества гор является водой в замороженном состоянии. Существенная часть земной воды находится в небе: каждое облако содержит тысячи, иногда миллионы тонн воды в форме пара. Время от времени часть этого пара превращается в капли жидкости и падает на землю – иными словами, идет дождь. Даже воздух, которым мы дышим, содержит определенное количество водяного пара.

Специалисты установили, что сейсмическая активность в восточной части Тихого океана как-то связана с уникальным природным явлением Эль-Ниньо. Эль-Ниньо – это резкое потепление океанских вод и находящихся над ними атмосферных масс, очень необычное течение, сравнимое с Гольфстримом, оно охватывает экваториальные районы океана с интервалами в несколько лет – и так же неожиданно исчезает. По данным геофизиков, несколько последних случаев Эль-Ниньо довольно точно совпадали с возрастанием числа землетрясений в Восточно-Тихоокеанском регионе вблизи острова Пасхи. И хотя полученной статистики еще недостаточно, чтобы полностью исключить случайное совпадение явлений, изучение возможной корреляции между метеоокеанологическими и сейсмологическими процессами в глобальном масштабе вызывает громадный интерес. Между тем последние геологические и палеоклиматологические данные, полученные при анализе колонок льда, поднятых при бурении в Андах, указывают, что явление Эль-Ниньо существует на Земле, по крайней мере, на протяжении последних 100 тысяч лет.

Наблюдения показывают, что при горизонтальном ветре на уровне верхней части облака оно начинает клониться к Земле, и положительный заряд смещается в направлении ветра. Со временем такое смещение приводит к появлению в «передней» части грозы центра с положительным зарядом

Глобальная международная программа изучения непогоды наглядно показала, что во время многих гроз, особенно осенью и зимой, электрическое поле атмосферы приобретает необычное строение. Большинство молний, возникающих на «переднем крае» бури, обладает положительным зарядом, то есть ток течет с облака к поверхности Земли. Однако всего лишь в сотне километров, в «тылу» грозы, большинство молний несет к Земле отрицательный заряд. Такое биполярное строение грозы было обнаружено, когда несколько локальных сетей, измеряющих атмосферное электричество, объединили в единую систему. В качестве предполагаемой причины биполярности гроз называют горизонтальные ветры.

Обычно грозовое облако имеет вертикальное строение: верхняя часть несет положительный заряд, а нижняя – отрицательный.

Экологи уже давно изучают воздействие на состав и свойства атмосферы выбросов судовых двигателей в открытом море. С искусственных спутников Земли легко прослеживаются длинные полосы выбросов, оставляемых проходящими кораблями. Формирующиеся при этом искусственные облака сильно отличаются от природных прототипов и имеют разную отражающую способность. Исследователи установили, что поступающие в воздушное пространство продукты сгорания судовых двигателей заметно меняют характер облачности, которая становится намного мощнее и интенсивнее препятствует уходу тепла с поверхности океана во внешнее пространство, усиливая тем самым парниковый эффект. Это в серьезной мере меняет существующие представления, будто роль отражающей способности облаков, связанных с транспортно-промышленной деятельностью человека, незначительна.

Как все начиналось

Наша Вселенная возникла в чудовищном катаклизме Большого взрыва из загадочного состояния бесконечно малой сингулярности – «запрещенной реальности» – точки со свитым в один сверхмикроскопический клубок пространством – временем. В первые мгновения новорожденная Вселенная представляла собой кипящее варево полей и сил. И лишь позже появились элементарные частицы, из них образовались атомы водорода; облака водорода, сжатые силами гравитации, превратились в звезды первого поколения. Так мрак «темных веков», выражаясь словами астрономов, озарился вспышками первых звезд, в которых зажглись топки реакций ядерного синтеза, превращающего самое распространенное космическое топливо – водород – в гелий.

Прошло еще несколько сотен миллионолетий, и самые крупные звезды после истощения запасов водорода начали взрываться. При этом давление и температура в недрах звезды достигали колоссальных величин. Это создавало необходимые условия для синтеза тяжелых элементов. Все элементы тяжелее гелия, в том числе необходимые для жизни углерод, кислород, азот, фосфор, сера и др., могли образоваться лишь во время таких взрывов. Звезды первого поколения стали фабрикой по производству атомов, необходимых для будущей жизни.

Взрывы первых звезд создали тяжелые элементы и рассеяли их в космосе. Из новых скоплений атомов образовались звезды второго поколения, в том числе и наше Солнце (об этом читатели могут подробно узнать в книге «Взрыв мироздания». СПб., «Страта», 2016). Облака рассеянных частиц, не вошедших в состав центральной звезды, вращались вокруг нее и постепенно разделялись на отдельные сгустки – будущие планеты. Именно на этом этапе мог начаться синтез первых органических молекул, и на далеком горизонте космической эволюции возник призрак живой материи. Таким образом, молодая Земля могла иметь в своем составе большое количество органики уже с самого начала своего существования.

Около 5 млрд лет на месте нашего вселенского дома или, как поэтично сказал выдающийся американский астроном и популяризатор науки Карл Саган, космического зáмка с усадьбой из шлейфа планет, их спутников, астероидов и метеоров вращался колоссальный диск из пыли, газа, собравшегося в гигантские комки на месте будущих небесных тел. Через это газопылевое облако протопланетной туманности тускло светился диск новорожденного Солнца, лучи которого переливались на мириадах кристалликов льда. Именно эти мельчайшие частички застывшей воды и вошли в ядра формирующихся планет, в том числе Земли.

Возможность органического синтеза в протопланетном облаке предполагалась давно, но для этого опять-таки необходимо твердо доказать наличие водных кристалликов льда. При помощи сложных расчетов и компьютерного моделирования ученые показали, что в газово-пылевых протопланетных облаках имеются необходимые условия для синтеза разнообразной органики из водорода, азота, угарного газа, цианистого водорода и других простых молекул, обычных в космосе. Непременным условием при этом является присутствие в жидкой среде мелкодисперсных водных капелек твердых частиц-катализаторов, содержащих железо, никель и кремний.

Протопланетное облако

По мере уплотнения первичного планетарного облака его температура медленно повышалась, и постепенно в формирующемся ядре Земли запускались глубинные физико-химические процессы. На фоне радиоактивного распада и уплотнения исходного вещества там развивались колоссальные давления и температуры, приводящие к сложным превращениям ядерной сердцевины. Все это сопровождалось интенсивной генерацией парогазовых соединений, в своем абсолютном большинстве состоящих из воды или отдельных ее элементов.

В конечном итоге земная кора приняла вид тонкой оболочки, напоминающей некий кислородный каркас из окисленных пород. При этом в ядре планеты стали скапливаться металлогидриды с карбидом железа, из зон высокотемпературного давления начался интенсивный дрейф водорода и углеводородов. Приближаясь к поверхности, эти вещества принялись интенсивно реагировать с приповерхностными окислами, бурно выделяя углекислый газ и водяной пар.

Вместе с Землей возник и круговорот химических веществ в природе. Одни элементы поступали из сдавленных разогревшихся недр Земли, формируя первичную атмосферу и океаны. Другие приходили из космоса в виде звездопада осколков протопланетного облака – астероидов, метеоритов и комет. В атмосфере, на поверхности суши и в водоемах все эти вещества смешивались, вступая друг с другом в химические реакции, и превращались в новые соединения, которые, в свою очередь, тоже вступали в реакции друг с другом.

Гидрогеологи и геофизики утверждают, что подобным образом через жерла вулканов, трещины в разломах коры и гейзеры за всю историю существования твердой оболочки Земли на ее поверхность попало несколько млрд км^3 воды с растворенными в ней минеральными веществами. Причем компьютерные модели показывают, что не менее трети выбросов составил водяной пар, значительная часть которого впоследствии распалась под лучами Солнца на водород и кислород.

Оставшееся количество водных соединений путем постоянного накопления составило водную оболочку Земли – гидросферу. С самого начала вместе с парами воды и оксидом углерода выделялось много соединений азота, фосфора, серы, которые были вовлечены в кругооборот нарождающейся живой материи.

Сегодня гидрогеологи оценивают суммарный объем гидросферы приблизительно в 1,5 млрд км^3 воды, покрывающей три четверти поверхности нашей планеты. Именно поэтому из космоса Земля выглядит как голубая планета, покрытая проседью облаков с небольшими вкраплениями суши. Если распределить всю воду по поверхности, то она покроет ее трехкилометровым слоем! Правда, лишь чуть больше 2 процентов гидросферы составляет живительная пресная вода – все остальное соленая морская. При этом половина всей пресной воды заморожена в ледниках и полярных шапках, а еще почти столько же воды скрыто в земных недрах. И лишь несколько процентов живительной «сладкой» влаги накоплено в пресноводных озерах, реках и болотах, и еще 13 тысяч тонн воды находится в ближайших слоях атмосферы – тропосфере.

Состав гидросферы

Водный покров Земли надежно скрывает то, что творится в океанской пучине. Этот мир еще ждет своих исследователей, которым предстоит изучить тысячи квадратных километров загадочного ледяного царства мрака и колоссального давления. Надо признать, что пока еще путешествия в морские глубины не менее трудны, чем полеты в космос. Действительно: сравните количество сообщений прессы о стартах пассажирских ракет на орбиту Земли и глубоководных многокилометровых погружений батисфер с батискафами! Открытия на морском дне вполне могут сравниться с космическими сенсациями – так, к примеру, придонные микровулканы, или геотермальные гейзеры, «черные курильщики», способны перевернуть наши представления о зарождении жизни на Земле.

Даже полная и точная карта океанического дна всех морей и океанов появилась только в конце прошлого века, основываясь на данных дистанционного зондирования искусственными спутниками Земли. Но и сейчас, в отличие от картографии суши, детали подводного рельефа все равно имеют погрешность в несколько километров! То, что удалось узнать, показывает: на морском дне скрыты далеко не только однообразные песчаные равнины мелководья. Оно изобилует ложбинами, ущельями, горными хребтами и вершинами, вздымающимися ввысь вплоть до поверхности. А сколько еще там таится завораживающих тайн! Даже поверхности Луны и планет земной группы – Меркурия, Венеры и Марса – изучены гораздо лучше, чем дно Мирового океана.

Довольно долго ученые считали, что уже на глубине нескольких сотен метров начинается безжизненная пустыня, однако в 90-х годах прошлого века было надежно установлено, что глубоководные области морей и океанов изобилуют жизнью. Перед завороженными морскими биологами и ихтиологами предстают мириады червей, копошащихся в придонном иле, рядом с ними кособоко взбираются на подводные гряды миллионы слепых рачков и моллюсков. Сообщество ракообразных дополняют глубоководные угри и гигантские медузы, состоящие на 90 % из воды (водный состав этих желеобразных созданий отлично помогает им выдержать гигантское давление, и популяции медуз составляют до половины всей животной биомассы, населяющей глубины океана).

Тайны глубин гидросферы всегда привлекали ученых, но рассказывать о них долгое время приходилось писателям-фантастам, вспомним хотя бы «Двадцать тысяч лье под водой» Жюля Верна, «Марракотову бездну» Конан Дойла и «Тайну двух океанов» Григория Адамова. При крайней бедности морской флоры фауна глубин поражает воображение необычными формами и исполинскими размерами. Надо заметить, что суровые условия существования накладывают свой отпечаток на глубоководное сообщество рыб, морских животных и ракообразных, все они связаны незримыми нитями питательных цепочек и чем-то напоминают части единого универсального обитателя глубин. Можно вообразить, как это неисчислимое количество (среди которых на 80 % незнакомые виды) бактерий, медуз, червей и рачков общими усилиями преобразует мертвенную пустыню придонного ила в некое подобие цветущего сада. Открывающиеся перспективы исследования глубоководной жизни приводят морских биологов в ажиотаж, ведь только количество неизвестных пока видов глубоководных червей может превысить миллионную отметку!

Получается, что вода не только вырастила семена жизни на эволюционном древе, но и скрывает большую часть его плодов в своей океанской пучине, оставляя над поверхностью лишь краешек кроны.

Впрочем, десятки сотен миллионолетий водная среда нашей планеты оставалась единственной биосферой – сферой первичной жизни, и лишь в последние несколько сот миллионов лет живые организмы начали освоение суши. Но многие из них возвратились назад, так что ныне большинство видов животных все же составляют именно морские обитатели.

Первое звено пищевых цепочек в живом сообществе организмов – биоценозе «черных курильщиков» – составляют бактерии, синтезирующие органические молекулы из ядовитой смеси. В следующих звеньях уже и бактерии, и добытая ими органика служат пищей многощетинковым червям, морским звездам, моллюскам и креветкам

Не так давно ученый мир снова всколыхнули бурные споры о происхождении жизни на Земле, и начало им положило открытие уникальных донных геологических образований, «черных курильщиков». Это гидротермальные источники, напоминающие конические трубы, из которых непрерывно вьются густые черные клубы дыма. Перегретая до 300 °C и насыщенная различными минералами вода поднимается по этим трубам из недр земли, вынося на поверхность солевой раствор марганца, меди, серы и цинка. Первые исследователи, рискнувшие приблизиться к выбросам «черных курильщиков», посчитали, что наткнулись на самую неблагоприятную среду для белковой жизни на нашей планете.

Каково же было их удивление, когда выяснилось, что в окрестностях этих миниатюрных водных вулканов, покрывающих все вокруг слоем ядовитых сернистых отложений, бурлит жизнь глубоководных организмов! И уже вскоре на основании полученных данных родилась теоретическая модель возникновения жизни на Земле в островках геотермальных вод, окружающих древнейшие «черные курильщики». Некоторые биологи даже доказывают, что обитатели этих подводных оазисов, как чемпионы среди экстремалов, вполне могли бы прижиться даже где-нибудь далеко за пределами Земли, скажем, на планетах Солнечной системы. Ведь они не только легко переносят холодную тьму колоссального давления, но и активно размножаются в этих жизненно необходимых им условиях.

Надо сказать, что почти все из этих организмов выглядят крайне необычно – так, у глубоководных креветок вместо глаз на спине расположены инфракрасные рецепторы, напоминающие наши приборы ночного видения. У глубоководных червей отсутствует желудочно-кишечный тракт, и они питаются благодаря симбиозу с серобактериями, поселяющимися в их телах и снабжающими их питательными веществами, синтезированными из сероводорода.

Чтобы по-настоящему разобраться в роли воды при зарождении живого на нашей планете, надо еще раз вернуться к вопросам: что же в действительности представляет собой живая материя и как может происходить ее зарождение во Вселенной?

По одной из наиболее распространенных гипотез первые органические соединения «получились» в первичной атмосфере Земли, насыщенной метаном, аммиаком, водородом, водными парами и пронизанной молниевыми разрядами. Предполагается, что именно атмосферное электричество и ультрафиолетовое излучение подтолкнуло первичную природу к образованию «кирпичиков» жизни около миллиарда лет назад. Под действием молний и потоков ионизирующего излучения эти вещества расщеплялись на активные компоненты – свободные радикалы, случайным образом составляющие все более сложные молекулы.

Ученые-биохимики решили проверить эту гипотезу и в середине прошлого века впервые попытались поставить ряд экспериментов по самозарождению жизни. Они построили лабораторную установку из двух сообщающихся сосудов, в одном из которых была вода, а в другом – модель атмосферы первобытной Земли из смеси газов: водорода, метана, аммиака и водяных паров. Когда ученые создали в такой атмосфере миниатюрную грозу, пропустив серию электрических разрядов, вода в сосуде побурела, а ее химический анализ показал, что там образовалось множество «кирпичиков» живой материи – аминокислот и других органических молекул. При продолжительной циркуляции и непрерывном воздействии электрических разрядов смесь порозовела, а еще через некоторое время потемнела и поменяла цвет на грязновато-красный. Детальные анализы показали, что в ней появились аминокислоты, представляющие собой элементы белковых молекул.

Этот знаменитый опыт, вошедший впоследствии во все учебники биологии, наглядно продемонстрировал, что чисто случайные химические реакции в смеси простых молекул «мертвого» неорганического вещества могут приводить к образованию все более и более сложных «полуживых» органических молекул и веществ, на основе которых построено все живое.

Вспомним теперь об уникальном жизненном ареале морских существ, окружающих «черных курильщиков». Современные опыты биохимиков показали, что смеси газов, выделяющихся в местах прорыва горячей лавы на дне Мирового океана, содержат те же циклы взаимосвязанных химических реакций, которые характерны для живых клеток. Этот новый взгляд на возникновение первичных «кирпичиков» жизни – нуклеотидов, из которых построены все генетические молекулы, существенно дополняет классические эксперименты, в которых так и не удалось получить живые клетки.

Здесь нужно заметить, что со времени открытия глубоководных «черных курильщиков» среди ученых не утихает полемика. Так, гидробиологи-глубоководники на основании своих сенсационных результатов утверждают, что жизнь самозародилась на дне первичного океана при высокой температуре, тогда как ихтиологи продолжают традиционно ссылаться на приповерхностные слои мелководных теплых водоемов, хорошо прогреваемых солнечными лучами. Существует и третья группа аргументов, включающих новейшие астрофизические данные, указывающие на то, что наше светило во времена образования Земли было намного более тусклым, чем сейчас, и поток солнечной энергии так мал, что земной океан вполне мог находиться под ледяным панцирем. Эту ледяную кору постоянно пробивали потоки «строительного материала», оставшегося от протопланетного диска. Сюда входили крупные метеоры и астероиды в виде гигантских глыб льда. Подобная бомбардировка выплескивала потоки лавы, которая приносила в первичный океан органические вещества. Космические удары вместе с извержением вулканов интенсивно перемешивали воды океана и атмосферу.

Однако в последние годы появились прямо противоположные геологические данные, свидетельствующие о том, что в первый миллиард лет существования Земли ее океаны не только не замерзали, а, наоборот, находились вблизи точки кипения! В качестве объяснения выдвигается гипотеза, согласно которой высокая температура на планете поддерживалась благодаря тепличному эффекту, создаваемому атмосферой двуокиси углерода, пропускающей солнечное излучение к поверхности Земли, но препятствующей его переизлучению обратно – во внешнее пространство. До сих пор не существовало точных оценок количества углекислого газа в атмосфере Земли на ранних этапах ее развития.

Такую оценку предлагают сегодня геохимики, анализируя образцы базальтовых пород из подводных хребтов в Карибском море, Тихом и Атлантическом океанах. Сопоставляя количество обнаруженного в образцах углерода с содержанием в нем редкого изотопа гелия, ученые сделали вывод о том, что содержание окиси углерода в атмосфере Земли, по крайней мере, в первый миллиард лет ее существования было в тысячу раз больше, чем в настоящее время, и составляло около 40 %. При этом температура в приземном слое достигала почти 100 °C, и вода океанов почти закипала.

В настоящий момент, согласно выводам геофизиков, вулканы и вулканические расселины, находящиеся на дне Мирового океана, ежегодно выделяют не менее 30 млн тонн углерода в форме углекислого газа. К этому количеству еще несколько миллионов тонн добавляют «сухопутные» вулканы.

Миллиарды лет назад, по мере охлаждения внутренних областей Земли, поток углекислого газа, выделяющийся на поверхность, ослаб. Общее количество углерода в коре, океанах и атмосфере также резко сократилось в активизировавшемся процессе погружения тектонических плит, уносивших с собой значительное количество углерода. Эта геохимическая схема позволяет по-новому взглянуть на то, как происходили процессы зарождения и эволюции жизни в Мировом океане, начавшейся по крайней мере 3,5 млрд лет назад.

Надо честно признать, что все без исключения гипотезы возникновения живой материи на нашей планете имеют немало трудностей, а отдельные их положения вызывают и серьезные сомнения. Ведь хотя после классических работ академика Опарина наука казалась близкой к решению проблемы происхождения жизни, никому из биологов так и не удалось получить из «бульона Опарина», насыщенного органическими соединениями, хотя бы некое подобие протоклеточных образований. Сегодня предлагается много новых гипотез, но ни одна из них не представляется экспериментально убедительной.

По мере дальнейшего изучения молекулярной структуры белков биологи поняли, что молекулы, лежащие в основе земной жизни, гораздо сложнее по строению, чем те простейшие аминокислоты и нуклеотиды, которые возникали в лабораторных экспериментах. Разумеется, здесь можно было ввести набор неких новых факторов, под воздействием которых опять-таки неизвестным образом первичные аминокислоты и нуклеотиды самопроизвольно синтезировались в более сложные белковые молекулы. Однако искусственность подобных гипотез самоочевидна, и сколько бы экспериментаторы ни перебирали различные физико-химические меры воздействия, получить белки им так и не удалось.

Александр Опарин, советский биолог и биохимик (1894–1980). В 1924 году Опарин выдвинул теорию о возникновении жизни на Земле через превращение, в ходе постепенной химической эволюции, молекул, содержащих углерод, в «первичный бульон»

Тут надо вспомнить, что все живое на Земле существует благодаря трем органическим соединениям – дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), рибонуклеиновой кислоте (РНК) и белкам. ДНК хранит наследственную информацию. Белки выполняют все энергетические работы. «Разделение труда» здесь достаточно строгое, ведь белки не хранят наследственную информацию, а ДНК не совершает активной работы. Иными словами, белки не могли появиться без наличия ДНК, а ДНК – без участия белков. Но допустить, что они самопроизвольно и случайно образовались одновременно, да еще и в необходимо близком соседстве, было бы необоснованным оптимизмом. И тут биологи обратили внимание на третий жизненный компонент – РНК.

Действительно, по своему химическому строению молекулы РНК очень похожи на ДНК, к тому же микробиологи открыли новый тип ферментов, состоящих не из белков, как обычно, а из РНК. Естественно, что нуклеотиды РНК несколько отличаются от нуклеотидов ДНК по составу и виду, что и навело биологов на мысль о том, что эта более простая молекула может играть роль первичного «кирпичика» жизни, возникшего намного раньше и ДНК, и белков.

Так возникла новая гипотеза возникновения земной жизни, утверждавшая, что появлению мира первых живых клеток с их ДНК, РНК и белками предшествовал намного более примитивный мир, в котором существовали только молекулы первичной РНК. Эти древнейшие семена жизни работали поначалу сразу «в трех лицах», неся первичную биологическую информацию, передавая ее потомкам и катализируя эти первые биохимические реакции их функционирования. В ходе дальнейшего научного поиска было накоплено много любопытных результатов. И тут возникла проблема времени.

Раньше считалось, что первые «живые молекулы» появились примерно через миллиард лет после того, как кончился период интенсивной бомбардировки Земли метеоритами и кометами. Эти небесные осколки образовались из того же первичного газового сгустка, что Земля и другие планеты, в том же месте, в огромном количестве, поэтому первые несколько сотен миллионов лет столкновения с ними были чрезвычайно частыми. Жизнь в таких условиях просто не могла возникнуть: Земля то и дело плавилась и кипела. А ведь для случайной сборки многих атомов в молекулу нужной структуры РНК требуется огромный период неизменных условий.

Миллиарда лет по оценкам специалистов было бы достаточно. Но в последние годы стали множиться данные, говорящие о том, что этого миллиарда у жизни в запасе просто не было. Ведь последние массовые падения метеоритов произошли всего 3,8 млрд лет назад, и для появления жизни путем случайных переборов биохимических вариантов вообще не оставалось времени.

И тут на помощь биологам пришли биофизики с биохимиками. Они смело выдвинули очередную гипотезу о животворном протоокеане, предшествовавшем появлению первых РНК. В данном случае речь идет о своеобразных «квазиживых» молекулах, активность которых основана на специфических свойствах водных растворов, сделавших возможным последующее появление архаичных РНК. При этом некоторые исследователи настойчиво ищут особые молекулы, которые состояли бы только из аминокислот, легко образующихся в водном растворе «первичного бульона».

В современной биохимии можно встретить и еще более дерзкие мысли о том, что жизнь вообще возникла без каких-либо специфических «молекул жизни». В этом случае акцент ставится на особые водные циклы биохимических реакций, которые самопроизвольно возникают вблизи мест выхода магмы океанского ложа или же в окрестностях «черных курильщиков».

Среди биохимиков популярна парадоксальная гипотеза «животворящей глины». В ее основе лежит идея о том, что первые самовоспроизводящиеся системы вообще были неорганическими, и в их эволюционном развитии самым активным образом участвовали системы ионов в слое вод ного раствора глины, направляемые и укладываемые послойно именно благодаря свойствам воды как универсального растворителя. На этом пути уже достигнуты определенные результаты, которые показывают, что добавка глины в воду, содержащую смесь положительных ионов и отрицательных нуклеотидов, приводит к самопроизвольному образованию многозвеньевых цепочек РНК.

В современной науке модель водного РНК-мира уже завоевала определенное признание благодаря солидному экспериментальному багажу. Биохимики научились синтезировать огромное количество разных РНК со случайной последовательностью нуклеотидов, а затем отбирать из них молекулы с нужными свойствами. И сегодня во многих лабораториях, стирая грань между живым и неживым, уже растут в животворящей водной среде удивительные колонии размножающихся молекул РНК, способные синтезировать белки.

Итак, нам пока известен только один вид земной белковой жизни, и мы лишь точно знаем, что для ее зарождения и существования в любом уголке Вселенной абсолютно необходимо простейшее химическое соединение из одного атома кислорода и двух водорода, которое земляне называют водой. Все известные нам свойства живой материи – саморазвитие, рост, размножение, поглощение энергии – так или иначе связаны с жидкой средой и не могут проходить в ее отсутствие. Да и первичная смесь нуклеотидов, жиров и аминокислот в «бульоне Опарина» по своей сути являлась обыкновенным водным раствором, в какой-то определенный момент перешедшим из хаотического состояния в упорядоченное. А сама способность живого к самовоспроизведению немыслима без водной среды, в которой миллиарды лет назад и начали действовать первые «молекулярные заводы и фабрики», воспроизводящие сложные молекулы, собирающие из них фрагменты и соединяющие в себе подобные образования.

Из этого, в частности, следует неожиданный вывод, что искать во Вселенной надо не братьев по разуму, которые неизвестно как проявляют свою разумную деятельность, а планеты с жидкой водой! К сожалению, до сих пор воды не найдено даже в Солнечной системе, что заставляет глубоко задуматься над оптимистичными заявлениями экзобиологов, утверждающих, что даже дальние уголки Метагалактики должны буквально кишеть очагами случайно возникшей жизни, подобно земной. К сожалению, чем дальше мы изучаем ближний космос, тем меньше остается надежд обнаружить вблизи нас планеты с океанами, полными живых существ.

Любопытно, но специалисты, изучающие чудо возникновения живого, так и не выработали его общепринятого определения! И тут все чаще встречается краткое и емкое определение: жизнь – это вода. Одни ученые полагают, что жизнь – это особый химический процесс, связанный с извлечением энергии из окружающей среды. Другие исследователи подчеркивают обязательную индивидуальность живых объектов и считают, что понятие «жизнь» неотделимо от понятия «организм», третьи, как правило энтузиасты-непрофессионалы, наделяют живую материю всяческими мистическими свойствами наподобие биополя. Но главным все же остается именно роль водной субстанции, так или иначе определяющей ход физико-химических процессов в организмах.

Если заглянуть в глубины истории, то окажется, что первым ученым эпохи Возрождения, заявившим о происхождении живого исключительно из живого, был итальянский естествоиспытатель Франческо Реди. Принцип «ovo ex ovo», провозглашенный Франческо Реди, утвердился в начале XVII века. Общая трактовка принципа Реди – «все живое от живого». Появление любой клетки или любого яйца для воспроизводства обязательно связано с живыми родительскими структурами.

Принцип Реди доказал два века спустя великий физиолог Луи Пастер. В серии изящных опытов с хитро изогнутыми колбами он показал, что «зарождение» микроорганизмов в стерильном бульоне происходит только в том случае, если их зародыши могут попасть в бульон из воздуха или иным путем. Если преградить путь «семенам жизни», даже оставив доступ воздуху, никакого самозарождения не произойдет. Так попутно был открыт метод пастеризации жидкостей и продуктов путем их нагрева до определенной температуры, убивающей микробы и бактерии.

Естественная история оказалась в логическом тупике. Доказав невозможность самозарождения, ученые должны были теперь долго и мучительно доказывать его возможность. Поначалу грань между живой и неживой материей казалась непреодолимой. Однако прошли десятилетия, и биохимики научились получать многие органические вещества из неорганических. Следовательно, хотя прямое самозарождение живых существ невозможно, жизнь могла появиться постепенно в результате очень долгой «молекулярной эволюции». С тех пор и до сегодняшних дней усилия ученых направлены на поиски доказательств и развитие этой гипотезы. Что касается идеи Вернадского об изначальности жизни, то она сейчас практически не имеет сторонников, поскольку на первых этапах развития Вселенной синтез даже самых простых органических соединений был невозможен.

Между химическими реакциями возникала своеобразная конкуренция – борьба за одни и те же вещества, «пищу» для дальнейшего развития. В такой борьбе всегда побеждает та реакция, которая идет быстрее. Начинается удивительный «естественный отбор» среди химических процессов. Медленные реакции постепенно затухают и прекращаются, вытесняемые более быстрыми. Важнейшую роль в этом соревновании играли именно водные растворы катализаторов – веществ, ускоряющих те или иные химические превращения. Огромное преимущество получали именно те реакции, которые происходили в теплой водной среде, катализируемые своими собственными продуктами.

Следующий этап на долгой дороге от неживого к живому – формирование самостоятельно обеспечивающихся химических циклов. В их развитии происходит не только синтез катализаторов, но и частичное возобновление расходуемых веществ. Отсюда уже недалеко и до настоящей жизни, ведь жизнь в основе своей – это самоподдерживающийся процесс.

Следует упомянуть и довольно спорную гипотезу панспермии, в основе которой лежат известные факты обмена веществом между небесными телами. Так, при столкновении планеты с крупным астероидом из ее поверхности выбиваются фрагменты породы, которые могут улететь в космос и попасть на другие планеты. К примеру, на поверхность Земли часто прилетают метеоры с Марса. Благодаря такому обмену возникшие в ходе химической эволюции на одной из планет вещества и катализаторы могут попасть на соседние тела и даже в другие звездные системы. Так за несколько сотен миллионов лет распространение «кирпичиков» жизни может охватить всю нашу Галактику. Подобным образом масштаб химической кухни, готовящей молекулярные блюда для будущей жизни, может расшириться от планетарного до галактического.

Обрабатывая спутниковые данные, астрономы высказали предположение, что за время существования Земли она ежегодно подвергалась бомбардировке миллионов небольших кометообразных тел. Вывод основан на необычном распределении в земной атмосфере кислорода, излучающего в ультрафиолетовой части спектра. Спутники зафиксировали своеобразные «дыры» протяженностью в тысячи километров, в пределах которых подобное свечение наиболее интенсивно. Возможно, подобные дыры образуются под воздействием небольших комет, состоящих из рыхлого снега, покрытого непрочной и тонкой коркой пыли.

Дальнейшие исследования показали, что для возникновения наблюдаемого количества дыр с Землей должны были сталкиваться ежегодно десятки миллионов комет диаметром в десятки метров, несущих сотни тонн воды каждая; этого было бы достаточно для образования со временем на Земле всего Мирового океана.

Цианобактерии, или сине-зеленые водоросли, иногда называют самыми первыми живыми существами на древней Земле. Цианобактерии способны к смешанному питанию: они совмещают фотосинтез с поглощением готовых органических веществ, это обеспечивает их существование в темноте и вдвое увеличивает скорость размножения.

Цианобактерии до сих пор отличаются от остального населения планеты своим необычайно упрощенным свойством: они не имеют ядра и пола. Фотосинтез у них, однако, проходит обычным путем: под действием света поглощенный из воздуха углекислый газ расщепляется, углерод усваивается, а кислород выделяется обратно в атмосферу.

Но есть у цианобактерий еще одно важное свойство: они прямо поглощают атмосферный азот. При нормальном освещении цианобактерии выделяют много кислорода, а азота поглощают мало. Однако стоит повысить интенсивность света, как фотосинтез подавляется, кислород перестает выделяться, зато азот начинает поглощаться в повышенных дозах. Как это понимать? Тут, может быть, стоит вспомнить, что в условиях бескислородной атмосферы древней Земли предки сине-зеленых подвергались интенсивному облучению солнечной радиацией. Результатом их деятельности того периода послужили, во-первых, накопление связанного азота – источника питания будущих более высокоорганизованных форм живого и, во-вторых, постепенное выделение кислорода в атмосферу и произошедшее из-за этого ослабление интенсивности солнечного света. А цианобактерии, видимо, в любой момент готовы вернуться к прежней жизни в бескислородной среде, той самой, которая была у них в архее.

Земная преджизнь

Скорее всего, поначалу жизнь существовала именно в виде своеобразных водяных растворов, но, чтобы окончательно не «рассосаться» в водах первичного протоокеана, подобные жидкие сущности должны были забиваться в мельчайшие щели горных пород. Здесь им вполне могли встретиться некоторые минералы-катализаторы биохимических реакций. Так водная среда юной планеты несла дальше волны эволюции.

Пролетели сотни тысячелетий, и первичная жизнь перешла в следующую фазу, отделившись от окружающего мира собственными мембранными оболочками. Можно сказать, что именно тогда вода буквально родила первых по-настоящему живых существ, перешедших от «жидкостного» состояния к организменному. Конечно же, сама вода и помогла создать прообраз тончайшей кожицы для первых обособленных сущностей. Для этого она использовала идеальный «оболочечный материал» – особые молекулы, которые способны образовывать на поверхности жидкости тончайшие пленки.

Раз на Земле существовали океаны, то над ними обязательно простиралась атмосфера, а в ней дули ветры, вместе с частыми тогда землетрясениями взбалтывающие и без того бурные воды первичного океана. Все это вызывало образование множества мельчайших пузырьков – водяных капелек, покрытых оболочкой. Эти капельки проявляют интересные свойства, которые делают их похожими на живые клетки. Например, они способны осуществлять обмен веществ путем избирательной проницаемости: одни молекулы сквозь них проходят, другие нет. Благодаря этому одни вещества втягиваются в каплю, другие выводятся, третьи – накапливаются внутри. Правда, чтобы это происходило постоянно, одних мембран недостаточно. Нужно еще, чтобы внутри капли одни вещества превращались в другие, а для этого там должны находиться катализаторы – белки или РНК.

Первые подобные капельки жизни вполне могли самопроизвольно образоваться из молекул, возникших неорганическим путем, а впоследствии вступить в симбиоз с «живыми растворами» – колониями самовоспроизводящихся молекул РНК. Подобное сообщество уже можно назвать организмом.

Даже сейчас между биологами не утихают дебаты о том, происходит ли все разнообразие жизни на нашей планете от одного-единственного «универсального органического звена» – или же все разнообразие окружающего животного и растительного мира пошло разными путями еще в водах первичного океана. В последнее время чаша весов в этих спорах все больше склоняется к мнению о наличии нескольких общих предков, ведь в противном случае живые существа быстро израсходовали бы все свои жизненные ресурсы, в итоге отравив себя продуктами собственной жизнедеятельности. Замкнутость циклов может быть обеспечена только сообществом из нескольких разных видов микроорганизмов, разделивших между собой биохимические функции. Таким образом, земная преджизнь, плескавшаяся в водах первичного океана, скорее всего была сообществом из множества простейших систем, в которых происходил активный обмен наследственным материалом между организмами.

Разнообразие, симбиоз, разделение функций, информационный обмен – все это изначальные свойства земной жизни.

Земля сформировалась около четырех с половиной миллиардов лет назад, но от первых нескольких сотен миллионов лет ее существования в земной коре не осталось практически ничего. Все первичные породы и минералы полностью перемешали и переплавили последующие глобальные катаклизмы. Не знаем мы и точного времени появления жизни на Земле. Тем не менее современная молекулярная биология уверенно заявляет, что ей при поддержке биохимии и биофизики точно известно, кто был одним из самых первых предков всего живого на планете Земля. Более того, этого загадочного пра-пра-пра-… прародителя можно увидеть! Достаточно заглянуть в чашку с бульоном и внимательно присмотреться к капелькам жира на его поверхности… Это и есть очень близкий к реальному образ нашего предка, жившего более четырех миллиардов лет назад в теплых водах первичного океана.

Конечно, науке скорее всего никогда не будет дано найти реальные следы этих первых частичек преджизни нашего мира, и единственное, что мы можем уверенно утверждать, – это то, что белковую жизнь на нашей планете породила и вскормила именно водная среда!

История эволюции живых существ на Земле полна парадоксов. Так, творческий союз палеонтологов, геофизиков, геохимиков и… астрономов надежно установил, что развитие жизни на нашей планете как минимум пять раз резко меняло свое направление. Астрономическая наука внесла свой важный вклад, определив те воздействия ближнего и дальнего космоса, которые смогли серьезно повлиять на условия существования белковых организмов. Прежде всего это касается чудовищных глобальных катастроф, вызванных падением астероидов. Вот и сегодня профессиональные ученые с трепетом исследуют остатки древнейших циклопических кратеров, возникших от непрошеных космических гостей, кардинально изменивших ход эволюции земной фауны и флоры.

«Улыбающийся» кратер Хокусаи. Один из самых молодых кратеров на поверхности Меркурия

Впрочем, геологи давно утверждают, что по результатам анализа многочисленных данных наша планета около четырех миллиардов лет назад подверглась первой чудовищной бомбардировке огромными астероидами и метеоритами, которые буквально испещрили поверхность гигантскими воронками – кратерами. Геофизиков поддерживают астрономы, изучающие планеты Солнечной системы. Они авторитетно заявляют, что большинство кратеров на поверхности Меркурия, Марса и Луны возникло именно в то далекое время (наверняка метеоритные кратеры есть и у Венеры, но ее поверхность покрыта плотной облачностью).

Количество и сила этих каменных дождей заставляет задуматься о том, как выстояла перед ними поверхность земной коры. Ведь по оценкам ученых на Земле должны были образоваться десятки тысяч кратеров диаметром в десятки километров. По меньшей мере полсотни из них должны были иметь диаметр около тысячи километров, а несколько ударов вызвало появление циклопических воронок диаметром в несколько тысяч километров. В тот же период колоссальные метеоры должны были сыпаться каменным дождем и на поверхность нашего естественного спутника Луны. Там хорошо сохранились эти древние кратеры, а вот на Земле они давно исчезли в результате произошедших с тех пор геологических процессов. То же касается и большинства марсианских кратеров, образовавшихся в ту же эпоху.

Этот страшный ливень обломков продолжался весьма короткий геологический период – всего около двух сотен тысяч лет. Изредка каменный ураган затихал, но все равно раз в столетие нашу планету сотрясали страшные удары, по силе равные тому, что уничтожил через миллиарды лет динозавров. Можно представить, какие катаклизмы то и дело сотрясали нашу планету, как рвалась, кипела, пузырилась и взрывалась тонкая оболочка едва затвердевшей коры, извергая колоссальные потоки лавы и магмы наружу.

Существовала ли в то время первичная водная оболочка Земли? Большинство геофизиков и планетологов склоняются к положительному ответу, и тогда перед нашим воображением предстает феерическая картина бушующей гидросферы, взметающихся ввысь и кипящих у подводных воронок вод молодых океанов.

Астрономы считают, что первую атаку на новорожденную Землю совершили именно астероиды, уничтожив даже все первичные скальные породы, успевшие сформироваться на Земле, чего бы не смогли сделать осколки комет. Это означает, что геологи никогда не смогут найти какие-либо скалы старше 4 млрд лет, и любые сообщения о таких находках требуют самой тщательной перепроверки.

Все это, естественно, напрямую касается и поисков древнейших следов жизни, ведь если она к тому времени уже возникла, то палеонтологи также никогда не смогут преодолеть временную границу этих каменных дождей. Такая мощная и длительная бомбардировка могла в принципе испарить все первичные океаны, так что они должны были образоваться заново. С другой стороны, при ударе метеоритов и астероидов о Землю в них неизбежно возникали трещины, из которых выделялась горячая вода, насыщенная органическими молекулами, и такие трещины могли стать очагами процессов, которые привели к быстрому появлению жизни по окончании бомбардировки.

Большинство биологов сходятся сейчас во мнении, что жизнь зародилась именно в горячей воде гидротермальных источников, причем условия в трещинах космических пришельцев были настолько благоприятными, что первые живые клетки могли появиться уже через несколько сот тысяч лет после окончания «обстрела», то есть примерно 4 млрд лет назад. Эта дата действительно близка к возрасту обнаруженных в последние годы первых признаков жизни на Земле.

Пояс астероидов

Что могло быть причиной такой колоссальной по масштабу и охвату бомбардировки? Не исключено, что она стала результатом распада под воздействием притяжения Юпитера зарождавшейся планеты Солнечной системы. Этой планете писатели-фантасты придумали поэтическое название Фаэтон. Такой планетоид (несостоявшаяся планета) должен был двигаться по орбите между Марсом и Юпитером, там, где сейчас как раз и находится знаменитый пояс астероидов. Особенности наиболее типичных представителей из этого пояса, достигающих земной поверхности, подтверждают гипотезу о том, что метеорами древнейшей космической бомбардировки были такие же осколки астероидов.

Важную роль в гипотезе космических спор играет то, что астероид, входя в земную атмосферу, разогревается от трения. Между органическими молекулами начинаются интенсивные химические реакции, возникают сложные органические молекулы. (Эти молекулы были такими стойкими, что уцелели и заселили наш мир, перенеся и высокую температуру, и катастрофический удар о земную поверхность.)

К счастью, за прошедшие миллиарды лет пояс астероидов пришел в относительно равновесное состояние; астероиды в нем движутся по более или менее стабильным и известным орбитам, и вероятность столкновения Земли с очередным чудовищным обломком является не столь уж большой. Сегодня считается, что около Земли проходят траектории полета не менее полутора тысяч астероидов размерами от нескольких сот метров до нескольких километров в диаметре. При этом астрономы и математики оценивают вероятность столкновения Земли с одним из них, диаметром около километра, как один шанс из пяти тысяч в ближайшее столетие. Много это или мало? К примеру, крупные космические аварии случаются с вероятностью один шанс из трех тысяч… Но это опять-таки вероятность, а вот недавно астрономы зафиксировали пролет вблизи орбиты Луны астероида диаметром в несколько сотен метров. Это уже очень опасные космические «маневры». Ведь при попадании такой осколок оставил бы на Земле кратер величиной в десятки километров, а приводнившись в океан – вызвал бы сильнейшее цунами.

Конечно же, эти столкновения несравнимы с древнейшей космической бомбардировкой, но и они равнялись по мощности одновременному взрыву 10 млн мегатонн тротила. Многие биологи считают, что именно встречи с астероидами были причиной всех больших и малых биологических катастроф, произошедших на Земле в тот период – последствия ударов для живых существ на планете должны были быть, бесспорно, катастрофическими.

Их главная угроза для земной жизни состоит в выбросе огромного количества токсичных газов, которые обязательно должны были образоваться при этом, – вот от них-то многое живое наверняка могло погибнуть. И действительно, в упомянутых крупных биологических катастрофах всякий раз погибало до 90 % всех биологических видов, существовавших в то время на Земле.

Что произошло бы при падении на Землю астероида величиной в десятки километров? Геофизики в самом общем случае выяснили последствия такой глобальной катастрофы. Прежде всего, образовался бы кратер диаметром в сотни и глубиной в десятки километров. Затем в атмосферу были бы выброшены десятки тысяч кубических километров обломков, причем половина из них достигла бы верхних слоев стратосферы со скоростью, опережающей звук. При попадании на водную поверхность астероид образовал бы стометровые волны цунами с разбегом на тысячи километров от места удара. Вследствие удара возникло бы планетарное землетрясение в 13 баллов по шкале Рихтера в эпицентре, что в миллион раз сильнее самого мощного землетрясения, когда-либо зафиксированного в земной истории. Наконец, пыль и пепел, поднявшись в верхние слои атмосферы, вызвали бы наступление искусственной зимы, ведь под их непроницаемым покровом температура даже на экваторе около года держалась бы вблизи нулевой отметки.

Вообще-то токсичные и угарные газы выделяются при всех больших вулканических извержениях. Но скорость их выделения при вулканической деятельности способна вызвать лишь медленное и постепенное вымирание живых существ, даже если предположить, что это мощные и продолжительные извержения, какие имели место в глубоком прошлом Земли, охватывая целые регионы земного шара и продолжаясь тысячелетия.

Дело в том, что при извержениях концентрация токсичных газов нарастает этапами. А между тем по сегодняшним представлениям главная общая особенность всех больших биологических катастроф состоит в их относительной стремительности.

Сегодня предположение, что динозавры погибли именно от удара астероида, а не от вулканических извержений, принято практически повсеместно. Однако в последнее время ситуация стала и здесь меняться в пользу гипотезы космических столкновений.

След космических столкновений должны были сохранить удивительные образования фуллерены с захваченным в них космическим газом. (Фуллерены – полые шарики из десятков атомов углерода, обладающие исключительной способностью улавливать благородные газы гелий, неон и аргон.) Это породило мысль, что фуллерены могут служить еще одним признаком космического столкновения. Если в пластах определенной эпохи будет найдено множество фуллеренов, содержащих благородные газы в том соотношении, какое характерно для метеоритов и космической пыли, а не с земными характеристиками, это станет доказательством, что в ту эпоху Земля претерпела столкновение с метеоритом или астероидом.

Чему же приписать самые известные биологические катастрофы сотни миллионов лет назад – космическим столкновениям или «серийным» извержениям вулканов?

Наибольший интерес ученых вызвало исследование периода самого грандиозного, пермско-триасового катаклизма, иногда именуемого палеонтологами «великим побоищем».

Во время этой вселенской трагедии погибло около 90 % тогдашних биологических видов, а Земля была усыпана сажей, пеплом и мельчайшими остатками метеоритного вещества. Все эти приметы позволяют предположить, что пермско-триасовая катастрофа тоже была следствием столкновения Земли с астероидом. Однако этот вывод нельзя было считать надежно доказанным, поскольку на тот же период приходится и самое огромное и затяжное во всей земной истории извержение сибирских вулканов.

Примерно 450 млн лет назад последствия чудовищного взрыва положили конец господству трилобитов – разнообразнейших членистоногих обитателей Мирового океана. Затем, 80 млн лет спустя, в конце палеозойского периода, следующая глобальная катастрофа, также вызванная падением небесного тела, уничтожила царство кораллов и рыб. Но, пожалуй, самая страшная катастрофа в истории Земли произошла 250 млн лет назад. В результате этой катастрофы небо над планетой на протяжении многих тысячелетий оказалось затянуто непроницаемыми облаками пыли. Когда тучи разошлись, оказалось, что из гигантской армии пресмыкающихся, оккупировавших к моменту катастрофы сушу, выжили лишь считаные виды. Вместо погибших видов на обновленной планете расплодились терапсиды – уже весьма близкие к млекопитающим существа. Но и им удалось взрастить свою эволюционную ветвь лишь на два десятка миллионов лет. Ковчег нашей планеты снова налетел на какой-то небесный риф или айсберг. Терапсиды вымерли, и им на смену пришли динозавры, настал знаменитый юрский период.

Правильнее было бы считать, что падение астероидов, кроме собственных разрушений, запускает чисто земные катаклизмы: землетрясения, цунами и извержения вулканов. Это косвенно подтверждает сенсационная находка на северо-западе Австралии полузасыпанного древнего метеоритного кратера диаметром 200 км. По своим размерам этот двухсоткилометровый кратер превосходит все известные астроблемы (следы столкновения с земной поверхностью космических тел; от др. – греч. αστρον – звезда и греч. βλημα – рана, то есть звездная рана).

Возраст австралийского сверхкратера геологи определяют где-то в 200–250 млн лет, что вполне совпадает с эпохой «великого побоища». Метеорит или астероид, который мог породить такой огромный кратер, наверняка обладал достаточной массой и энергией, чтобы вызвать еще более страшную биологическую катастрофу, чем гибель динозавров

Гигантские каменные глыбы прилетающих из космоса астероидов, оказывается, могут не только менять течение эволюции живой материи, но и гасить хрупкое пламя разу ма… Так, средства массовой информации продолжают эксплуатировать рудиментарные страхи человечества картинами будущих космических катастроф, причем делают это со все большим наукообразием. В повседневных сенсациях после оживших динозавров, летающих тарелок и тонущих лайнеров все чаще встречаются предсказания космических катастроф с гигантскими волнами и падающими кометами.

Две трети земной поверхности занимают моря и океаны, следовательно, наиболее вероятно падение астероида именно в акваторию Мирового океана. Подобный удар породит мощную волну – цунами. Более половины крупных городов мира расположены на побережье. Компьютерные модели показывают, что волны, возникшие при падении в океан астероида, захлестнут берег на расстояние до 2 км. При своевременном оповещении вполне можно эвакуировать людей из зоны бедствия.

Катастрофическое цунами

Тем не менее всегда есть потенциальная метеоритная угроза уничтожения крупных городов или опустошительных цунами, ведь, по существу, Земля окружена густым роем астероидов. Начиная с тридцатых годов прошлого века, когда близ нее пролетел астероид Гермес диаметром в 1,5 км, было замечено более двух десятков крупных объектов, приблизившихся к Земле на крайне опасное расстояние лунной орбиты.

И сегодня встреча Земли с космической километровой скалой была бы смертельно опасной для флоры и фауны нашей планеты, не говоря уже о человечестве. Огненный шар, ворвавшийся в атмосферу на скорости в несколько сотен тысяч километров в час, на тысячелетия нанес бы огромный урон животным и растениям. Гигантские участки суши могли бы уйти под воду, небо покрыли бы непроницаемые пылевые облака, и на планете началась бы глобальная зима. По расчетам экспертов, при современной плотности населения в случае падения астероида диаметром около километра погибнет каждый четвертый житель планеты. Причинами гибели будут землетрясения, пожары, ураганы, цунами (при падении в океан), а также голод, вызванный климатическими изменениями, такими же, как при «ядерной зиме».

Ну а если земную орбиту пересечет космический айсберг, состоящий из замерзшей воды с примесью камней, песка и пыли?

Подобные небесные тела хорошо известны, это космические скитальцы – кометы. Ядро комет состоит из водного льда и различных замерзших газов, которые, приближаясь к Солнцу, начинают бурно испаряться и образуют роскошный хвост.

Уже первые приблизительные оценки показывают, что последствия от падения ледяной горы будут несколько иными, чем от обломка каменной скалы. Компьютерные модели демонстрируют: в зависимости от скорости и угла вхождения в атмосферу на некоторой высоте ледяное тело обязательно должно взорваться, так и не достигнув поверхности Земли. При тех же километровых размерах это будет чудовищный взрыв, эквивалентный тысячам атомных бомб, сброшенных в свое время на Хиросиму и Нагасаки. Однако происходить он будет принципиально иным образом.

Прежде всего, уже в верхних слоях атмосферы на траектории полета ледяного болида начнет выделяться колоссальное количество водяного пара. При этом от основного тела будут откалываться крупные фрагменты, тут же испаряющиеся в огненных вихрях, ну а особо крупные обломки должны через некоторое время взрываться, порождая гигантские облака перегретого водяного пара. В конце своего пути на высоте в несколько километров взорвется и ядро летающего айсберга. Причина взрыва может быть только одна: сжатый воздушной оболочкой перегретый пар вырывается наружу. Это очень напоминает взрыв парового котла исполинских размеров. Последствия подобного катаклизма будут принципиально различными для суши и моря. Причем можно сказать, что в данном случае результат не только теоретически предсказуем, но и исследован в реальных условиях. Это некогда секретные отчеты по воздушным ядерным взрывам и… разгадка тайны тунгусского дива.

Взрыв атомной бомбы на атолле Моруа показал, что ударная волна, сметая все с водной поверхности, тем не менее не образует какого-либо подобия цунами. А в нижние слои стратосферы выбрасывается парогазовое облако с относительно небольшим содержанием радиоактивной пыли. Любопытно, что и подводными ядерными взрывами не удалось вызвать что-либо напоминающее цунами, скорее всего для возникновения этого устрашающего явления требуются именно подводные колебания океанского дна в ходе «моретрясений».

Еще более удивительны результаты многих экспедиций на место падения Тунгусского метеорита. Среди десятков основных версий этого феномена ученые в конце концов остановились именно на гипотезе взрыва ледяного кометного ядра. Сценарий именно такого развития событий, произошедших более столетия назад в небе Восточной Сибири над рекой Подкаменная Тунгуска, подтверждает очень своеобразный вывал леса в эпицентре взрыва, отсутствие ярко выраженного кометного кратера и каких-либо остатков самого метеорита.

Внимание, которое привлек к себе тот небесный гость, породило много гипотез об обстреле Земли именно глыбами смерзшегося льда. Появились даже версии, объясняющие само происхождение земной гидросферы падением сверхгигантского космического айсберга. Правда, большинство ученых относятся к подобным моделям весьма скептически, справедливо полагая, что взрыв, испарение и последующее таяние такого колоссального количества льда, да еще и загрязненного самыми различными газовыми, жидкими и твердыми примесями, оставило бы специфические следы на поверхности планеты. Впрочем, эта гипотеза кажется вполне правдоподобной, если уменьшить размер ледяных «снежков», забрасываемых на земную поверхность. Ведь данные, поступающие с метеорологических и геофизических спутников, показывают, что за время существования Земля ежегодно подвергалась бомбардировке миллионов кометообразных небольших тел. Это заключение основывается на необычном распределении в земной атмосфере кислорода, излучающего в ультрафиолетовой части спектра.

Спутники зафиксировали своеобразные «дыры» протяженностью в несколько тысяч километров, в пределах которых подобное свечение намного ниже средней величины по планете. Возможно, подобные «дыры» образуются под воздействием небольших комет, состоящих из рыхлого снега, покрытого непрочной и тонкой коркой пыли. Дальнейшие расчеты показали, что для возникновения наблюдаемого количества «дыр» с Землей должно было сталкиваться ежегодно 18 млн комет диаметром около 12 м, несущих не менее 100 тонн воды каждая, а этого было бы вполне достаточно для образования со временем на Земле всего Мирового океана.

Другое дело – знаменитый астероид, который якобы уничтожил динозавров около 65 млн лет назад. С ним обычно сопоставляют циклопический кратер на мексиканском полуострове Юкатан, соответствующий астероиду диаметром в десяток километров. Тем не менее в последнее время все чаще можно услышать и альтернативные суждения на доисторическую гибель целого царства пресмыкающихся. В частности, высказываются мнения, что причиной этой судьбоносной для человечества катастрофы послужило именно ядро кометы средних размеров. Взорвавшись где-то над акваторией древнего океана, ледяной болид распылил над просторами планеты массу ядовитых соединений. Можно встретить и совсем смелые идеи о том, что ледяной «снежок», попавший в Землю, нес внутри себя вирусы или бактерии смертельно опасных организмов, в конечном итоге и погубивших рептилий-великанов. Слабым утешением может служить лишь, что такие события, по статистике, случаются приблизительно раз в 100 млн лет.

А сравнительно недавно интернациональная команда геологов, геофизиков и палеонтологов обнаружила следы гигантской волны, прокатившейся по океану около 200 млн лет назад. Следы этой древнейшей катастрофы обнаружились в слое пород и имеют достаточно необычный вид, позволяющий допустить, что в данном случае колоссальная масса льда распалась в верхних слоях атмосферы на несколько километровых фрагментов, которые почему-то не взорвались, приводнившись в воды протоокеана. При этом последовательная серия гидроударов от череды падений исполинских фрагментов вызвала резонансные волны, возможно, достигавшие километровой высоты. Судя по формациям донных отложений главная резонансная волна, вызванная последовательным наложением волн от остатков кометного ядра, несколько раз обежала большую часть Северного полушария, уничтожив три четверти всех видов животных, населявших нашу планету.

Во всей «астероидной проблеме» основным вопросом остается: смогут ли астрономы на основе современных наблюдений достаточно точно и своевременно предсказывать появление космической метеоритной угрозы? Между тем электронное моделирование движения кометных ядер, периодически появляющихся из далеких окрестностей Солнечной системы, показывает, что их траектории достаточно хаотичны. Чаще всего блуждания комет между газовыми гигантами заканчиваются распадом под действием сильнейших сил тяготения и выпадением на Юпитер.

Часть 2. Кухня погоды

Поверхность Земли – это берег космического океана. Почти все наши знания мы получили, не покидая его. Совсем недавно мы вступили в море, зашли по щиколотку, самое большее – по колено. Вода манит. Океан зовет нас. Какая-то часть нашего существа знает, что мы пришли оттуда. Нас тянет вернуться. Эта тяга, я думаю, не таит в себе ничего кощунственного, хотя и способна потревожить всех богов, какие только могут существовать.

Карл Саган. Космос. Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации

Некоторые свойства воды делают ее уникальным инструментом регулирования климата на нашей планете. Например, высокая удельная теплоемкость – энергия, которую необходимо сообщить телу для повышения его температуры на данную величину, поддерживает температуру Земли стабильной. Ведь энергия, требующаяся для нагрева воды, почти в десять раз больше, чем для такой же массы железа, и вся она впоследствии выделяется при остывании. Таким образом, большое количество воды на нашей планете компенсирует резкие скачки температуры в прибрежных районах. С другой стороны, континенты нагреваются и остывают довольно быстро, что и хорошо в комбинации с относительно стабильной температурой водных масс. В результате разные части атмосферы нагреваются по-разному, порождая движение воздушных масс, а это очень важно в глобальной климатической картине перераспределения тепла и атмосферной влаги.

Климатологи уже давно предполагают, что у нашей планеты есть своя собственная «кухня» климата. Но вот где она? Мнения разделились, но последнее время метеорологи все чаще указывают на южный ледовый континент. Антарктиду по праву называют континентом холода, ведь даже летом средняя температура здесь колеблется вблизи 30о мороза, а зимой мороз достигает 90о. Огромный материк покрыт многокилометровым вековым ледяным щитом, под которым обнаружены следы… тропических растений и организмов – остатки древней Гондваны. Этот гигантский материк многие миллионы лет занимал значительную часть Южного полушария, пока тектонические процессы не раскололи его. Сначала от него отделилась Южная Америка, а затем Африка. Оставшаяся часть Гондваны 50 млн лет назад поплыла к югу и раскололась на Австралию и Антарктиду.

В те времена к побережью нынешнего ледового континента океанские течения несли теплые воды из тропиков, и на скалах росли даже буковые леса. Но со временем рельеф океанского дна изменился, и вокруг Антарктиды закружило мощное кольцевое течение, преградив путь теплу.

С этого момента Антарктида стала «работать» как гигантская холодильная машина, и к ней, в область пониженного давления, стали стекаться воздушные течения. По пути они впитывали испаряющуюся с поверхности океана влагу и сбрасывали ее в виде снега, который копился и прессовался в мощнейший ледовый щит. Если бы он весь оставался на континенте, то последний представлял бы собой гору выше Эвереста – она росла бы до тех пор, пока вершина не поднялась бы над облаками, несущими влагу. Но Антарктида слишком мала, чтобы удержать на себе весь тот лед, который сама же производит. И его глыбы изо дня в день, из года в год, из века в век сползают с берегов в океан, превращаясь в айсберги.

Антарктический пейзаж, вид из космоса

Самые крупные из этих плавающих ледовых полей имеют размеры в тысячи километров. Течения выносят их далеко за пределы Южной полярной области, где начинается их таяние, отбирающее тепло у океана. В свою очередь ледяная талая вода опускается на дно, заполняя глубинные океанские впадины, – так океан, остывая, отбирает тепло у воздушных масс и понижает среднюю температуру атмосферы.

Итак, Антарктида работает как мощная морозильная камера. Казалось бы, за миллион лет она должна была уже заморозить всю Землю. Почему же этого не случилось? Ответ на вопрос может дать обыкновенная географическая карта. Видно, что на поверхности планеты шестой континент занимает весьма скромную площадь. Во всяком случае, намного меньше территории тропиков, куда Солнце непрерывно выбрасывает огромное количество тепла. Это тепло и согревает Мировой океан. И хотя его теплые течения не могут пробиться к Антарктиде, за пределами кольца он парирует ее холодное дыхание. Словом, по логике вещей между океаном и Антарктидой должно существовать равновесие. Что же тогда служит причиной изменения климата?

Может быть, это подземные озера, ослабляющие сцепление ледяного панциря с его ложем. В ходе их роста и происходит периодический сброс айсбергов в океан. В результате образуются обширные пространства, отражающие солнечные лучи, температура понижается, и в Южном полушарии возникают центры охлаждения атмосферы…

Последние исследования шестого континента предлагают парадоксальный сценарий глобального потепления, плавно переходящего в глобальное похолодание, ведь увеличение ледосброса вызовет резкое похолодание. Но в одном гипотезы потепления и похолодания совпадают: в любом случае быстрое таяние льдов приведет к значительному повышению уровня Мирового океана…

Великий русский ученый Ломоносов писал: «Человеку ничего не осталось бы требовать от Бога, если бы он научился правильно предсказывать погоду». К сожалению, проблема долговременных метеопрогнозов до сих пор не решена. Причем если для суточного метеопрогноза достаточно региональных метеоданных, то для недельной картины климатических изменений уже требуются сведения о глобальном состоянии всей атмосферы планеты. Если учесть, что большая часть поверхности Земли занята океанами, то наиболее эффективным средством сбора оперативной информации, конечно же, становятся метеоспутники. Именно поэтому так важен международный орбитальный патруль погоды, оснащенный телевизионной аппаратурой, передающей изображения поверхности и атмосферы во всех диапазонах. Анализ глобального распределения облачности позволяет видеть струйные течения, атмосферные фронты, скопления кучевых облаков и, самое главное, вовремя определять центры зарождения ураганов и тайфунов.

Анализ телевизионных инфракрасных изображений облачного покрова позволяет оценивать погодные условия скорости восходящих и нисходящих потоков воздуха и направление ветров. Климатологам также важно знать температуру земной поверхности, морей и океанов, а также тропосферы (нижних слоев атмосферы) над ними.

Карта распределения облачного покрова по данным наблюдений спутника Aqua с 2002-го по 2015 год. В среднем по данным наблюдений 67 % поверхности Земли постоянно закрыто облаками. Облачность над океаном намного мощнее, чем над сушей: в среднем 72 % водной поверхности закрыто облаками

Оборудование метеоспутников включает и приборы для измерения отраженной земной поверхностью энергии, ведь главный источник тепла на нашей планете – солнечная радиация. Составляя тепловой баланс Земли, ученые не только определяют закономерности крупномасштабных атмосферных процессов, но и открывают новые факты об активности нашего светила, изменения солнечной постоянной. Оказалось, что климатологи до сих пор недооценивали величину поглощаемой солнечной радиации, избыток которой «усваивается» Мировым океаном.

Термическое зондирование атмосферы со спутников, однако, отнюдь не просто, даже математически. Здесь мы сталкиваемся с классом некорректных задач, не имеющих однозначного решения, трудности можно преодолеть только с помощью мощнейших вычислительных комплексов.

Важная составная часть программы исследований атмосферы из космоса – определение вертикального профиля концентрации аэрозоля (пылевых частиц) в атмосфере. Известно, например, что загрязнение атмосферы после вулканических извержений всегда приводило к значительному уменьшению эффективности солнечной радиации на земной поверхности и заметному изменению теплового режима атмосферы.

Не менее важную роль играют и спутниковые «медицинские» карты климатических изменений, ведь еще в глубокой древности было замечено влияние климата и погоды на течение многих, особенно сердечно-сосудистых, заболеваний. Впрочем, каждый из нас может привести множество примеров в подтверждение того, как меняется самочувствие при резком похолодании или, скажем, перед грозой.

Живая и мертвая, тяжелая и легкая

Вода – самое распространенное и в то же время самое ценное «ископаемое минеральное вещество» на нашей планете со столь на первый взгляд простым химическим строением и столь непростыми свойствами. В отличие от других аналогичных соединений вода имеет много аномалий. К ним относятся необычно высокая температура кипения и теплота парообразования. Вода характеризуется высокой теплоемкостью, которая позволяет использовать ее в качестве теплоносителя в теплоэнергетических установках. В природе это свойство проявляется в смягчении климата вблизи больших водоемов. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, т. е. способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению.

Вспомним, какую большую роль играет гидросфера в формировании поверхности нашей планеты. Но кроме всесокрушающих водных потоков здесь действует еще и «физика фазовых превращений», ведь именно свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании ведет к разрушению горных пород. Попадая в мельчайшие трещины скал и там замерзая, вода действует подобно взрывчатому веществу: образующемуся льду тесно в небольших трещинах и он разрушает камень.

Почему вода жидкая? Почему она может течь, литься, капать? Все дело в ее структуре. Жидкость – промежуточное состояние, в котором вещество уже лишено строгой упорядоченности твердого кристалла, но полного хаоса, присущего газообразному состоянию, в его структуре еще нет. В жидкостях соблюдается лишь ближний порядок: на небольших расстояниях частицы расположены более или менее «стройно», но по мере их удаления друг от друга этот порядок исчезает. Средние расстояния между частицами этого ближнего порядка задаются силами межатомного или межмолекулярного взаимодействия. В воде, например, атомы водорода одной молекулы притягиваются к атомам кислорода другой и т. д. Именно эта чрезвычайно развитая сеть водородных связей и придает воде многие поистине уникальные свойства, позволяя, в частности, говорить, что структура этой жидкости в чем-то сродни структуре кристалла.

Ученые выяснили, что если в свободном объеме вода как бы сама себе задает структуру, то при соприкосновении с твердой поверхностью структура последней начинает «навязываться» граничащему с ней слою жидкости толщиной от 10 до 100 ангстрем (ангстрем равен одной десятимиллионной доле сантиметра). Коль скоро структура этого граничного слоя воды оказывается измененной, иными становятся и его физико-химические свойства, в частности вязкость и способность растворять вещества.

Граничный слой воды с измененными свойствами существует, естественно, лишь в зоне, близкой к твердой поверхности. Однако представим, что вода находится в очень тонком капилляре – тоньше самого граничного слоя. И тогда окажется, что вся жидкость в капилляре уже не та, какой она была в свободном объеме. То же самое произойдет, если жидкостью пропитать какое-либо пористое вещество. Но ведь пористые вещества, пропитанные жидкостями, встречаются буквально на каждом шагу. Это и почва, и различные строительные материалы. И во всех этих пористых материалах вода, как выяснилось, имеет вовсе не те свойства, каких от нее следовало бы ожидать.

Газовая камера для опреснения морской воды

Одна из серьезнейших проблем, стоящих перед человечеством, – дефицит пресной воды. В разработке экономических методов опреснения морской воды российские специалисты достигли значительных успехов. В частности, среди этих методов весьма перспективным оказалось использование так называемых мембранных фильтров. Суть проста: морская вода продавливается сквозь мембрану, не пропускающую растворенные соли. И в этом «сите», способном отделять ионы от молекул воды, главную роль играют как раз особые свойства граничного слоя.

Французские гидрофизики предложили оригинальный способ за несколько минут перевести воду в твердое состояние, не меняя ее химического состава. С помощью открытого ими полимера можно получить воду, напоминающую по структуре затвердевшее желе.

Такое желе, названное акваблок, не испаряется даже при сравнительно высокой температуре воздуха. Его можно использовать для водоснабжения в засушливых и пустынных районах Африки. Срок хранения акваблока не ограничен. Достаточно добавить немного воды – и желе сразу перейдет в жидкое состояние. Перевозить же акваблоки можно даже самосвалами.

Для получения желе не требуется специального оборудования, нужно только достаточно дешевое пылеобразное вещество, представляющее собой пока еще ноу-хау изобретателей. Одного килограмма подобного акваконсерванта хватает для превращения в желе около 500 лит ров воды.

Сейчас гидрофизики работают над сгущением жидкого топлива, например нефти, бензина и керосина. Очень интересно и предложение «сгущать» загрязненную промышленную воду с высоким содержанием токсичных веществ.

Тяжелая вода имеет ту же химическую формулу, что и обычная, но вместо атомов обычного легкого изотопа водорода протия она содержит два атома тяжелого изотопа водорода – дейтерия

Следующей по распространению и популярности в природе следует тяжелая вода, также имеющая несколько названий: дейтериевая или тяжеловодородная вода, а также оксид дейтерия. Внешне тяжелая вода выглядит совершенно так же, как и обычная, представляя собой бесцветную жидкость без вкуса и запаха.

Еще выделяют полутяжелую воду, известную также под названиями монодейтериевая вода, гидроксид дейтерия, у которой только один атом водорода замещен дейтерием.

Существует еще и сверхтяжелая вода, в молекулах которой атомы водорода замещены атомами трития. Тритий является радиоактивным изотопом водорода, возникающим в ядерных реакциях, иногда его называют сверхтяжелым водородом. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. В природе этот элемент образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами воздушной среды. В чистой форме тритиевая вода называется окисью трития или супертяжелой водой. Тритиевая вода содержится в обычной воде, однако распределяется неравномерно. Например, в водоемах материков ее больше, чем в океанах, а в океанских водах возле полюсов больше, чем возле экватора.

Тритиевую воду часто используют как меченое соединение для исследования водного обмена.

Различается вода и по изотопному составу кислорода. Всего же насчитывается не менее 18 ее изотопных разновидностей. Тяжелая вода – обязательный спутник воды обыкновенной, но содержание ее в природных водах определяется таким соотношением: 1 часть тяжелой воды на 6800 частей нормальной. Это очень и очень немного, так что нам нечего опасаться. Впрочем, некоторые опытные данные, требующие, правда, дальнейшей проверки, говорят, что было бы еще лучше для нас и для всего живого, если бы тяжелой воды в обыкновенной содержалось еще меньше. Сейчас уже надежно установлено, что тяжелая вода в больших дозах вызывает гибель организмов, в меньших – действует угнетающе. Тут уж перед нами действительно мертвая вода – без всяких кавычек.

Если мы откроем водопроводный кран и наполним чайник, то там будет не однородная вода, а ее смесь. При этом дейтериевых вкраплений окажется очень немного – примерно 150 граммов на тонну. Получается, что тяжелая вода есть повсюду – в каждой капле! Проблема в том, как ее добыть. Во всем мире ее добыча связана с огромными затратами энергии и очень сложным оборудованием.

Однако некоторые гидрологи уже давно высказывают предположение о том, что на нашей планете возможны природные условия, в которых протиевая и дейтериевая воды расслаиваются друг от друга, так что образуются области с высокой концентрацией оксида и гидроксида дейтерия. Где же следует искать «залежи» тяжелой воды? Предложений много, но реальных среди них единицы: в полярных водах, при речном ледоставе и ледоходе, а также в подземных водах глубочайших пещер.

Между прочим, тяжелая вода пока еще не обнаружена вне Земли, и вполне возможно, что, как и жизнь, она представляет собой сугубо земное явление. Собственно говоря, ничего необычного в этом нет, ведь дейтерий образуется из протия вследствие захвата им нейтрона космического излучения. Так что Мировой океан, ледники и атмосферная влага являются естественными источниками этой странной фракции водной среды.

Общий план поисков гидрологами тяжелой воды включает в основном измерения плотности жидкости, ведь ее разница с обыкновенной водой довольно существенна. Вторым критерием поиска является анализ агрегатного состояния, т. е. процессов застывания и таяния. Существует даже гипотеза «вымораживания» небольших ледников из тяжелой воды в высоких широтах нашей планеты. Но существует и противоположное мнение о том, что воды высоких широт, наоборот, бедны дейтерием. Поводом к этому стали широкомасштабные исследования системы Великих озер на границе Канады и США. Обнаружились пониженное содержание оксида и гидроксида дейтерия, а также сезонные колебания их концентрации, – так, в зимний период парциальное содержание тяжелой воды резко падало. Эти отклонения от нормы связывались с особенностями распределения атмосферных осадков, которые, как принято предполагать, разносят дейтерий по планете.

Сторонники поиска высокоширотных месторождений тяжелой воды аргументированно возражают на доводы американских ученых: если учесть, что через центры кристаллизации в северных реках за короткое время проходят сотни и тысячи кубометров воды, из которых намораживается в лед тысячная доля процента, то и этого будет достаточно, чтобы строить схемы образования «дейтериевых ледников». Более того, энтузиасты приполярной тяжелой воды указывают, что именно присутствием таких концентраций можно объяснить тот доказанный факт, что зимой в северных водоемах процентное содержание дейтерия заметно уменьшается. Да и полярные воды, как показывают пробы, тоже бедны дейтерием, и в Арктике, вполне вероятно, есть районы, где плавают в основном только льдины, обогащенные дейтерием, – ведь рыхлый донный лед появляется первым и тает последним.

Больше того, показали исследования, ледники и льды высоких широт в целом богаче тяжелыми изотопами, чем воды, омывающие льды. Значит, могут встретиться и льдины, обогащенные дейтерием. Дело, как говорится, за малым: нужно найти эти пока еще гипотетические месторождения тяжелой воды.

Между тем биологи и гидрологи уже длительное время проводят эксперименты по влиянию очищенной талой воды на жизнедеятельность животных и растений. Дело в том, что в снеговой влаге содержится меньше тяжелой воды, чем в обычной, взятой из водопровода, реки или колодца. Обнаружилось, что снеговая вода – в полном смысле слова вода «живая».

Развивая тему «живой» талой воды ее исследователи отмечают, что в полярной зоне микроорганизмы особенно бурно развиваются у кромки тающих льдов, то же можно сказать и о горных ледниках в области вечных снегов.

В опытах с различными видами воды было открыто много интересного. Так, в ходе исследования скорости поглощения влаги тканями растений свежесрезанные листья точно взвешивали и на определенное время помещали в сосуды с водопроводной водой, талой и кипяченой, причем последнюю ввели в эксперимент как «антипод» талой. Каково было удивление ботаников: первые же эксперименты показали, что кипяченая вода поглощается растениями лучше всех!

Чем же так отличается кипяченая вода от других ее разновидностей?

Во время опытов выяснилось, что свежекипяченую жидкость растения впитывали гораздо лучше, чем заранее приготовленную кипячением воду. Получалось, что с течением времени кипяченая вода быстро теряет свою биологическую активность. Следующие серии опытов показали, что виной всему здесь окружающая воздушная среда, насыщающая с течением времени газами обедненную ими при кипячении воду. Чтобы окончательно проверить это, воду «дегазировали» с помощью вакуума – и эту воду ткани растений стали поглощать так же, как свежекипяченую. Наконец, попробовали подвергнуть вакуумной дегазации воду с разным химическим составом, включая водопроводную, дистиллированную и минеральную. И снова убедились: любая вода, лишившись части газов, в 3–4 раза активнее поглощается тканями растений. Дегазированная вода доказала свою биологическую активность и в других экспериментах: когда ею поливали посевы, опрыскивали кустарники и деревья, поили птиц, диких и домашних животных.

Оказывается, ничтожные количества воды иногда могут сильно влиять и на химические свойства многих веществ. В 1913 году английским химиком Бейкером было установлено, что жидкости, осушенные в течение девяти лет в запаянных ампулах, кипят при гораздо более высоких температурах, чем указано в справочниках. Например, бензол закипает при температуре на 26° выше обычной, а этиловый спирт – на 60, бром – на 59, а ртуть – без малого на 100°. Температура замерзания этих жидкостей повысилась. Влияние следов воды на эти физические характеристики до сих пор не нашло удовлетворительного объяснения.

В хорошо высушенном кислороде уголь, сера, фосфор горят при температуре, намного превышающей температуру их горения в неосушенном воздухе. Считают, что влага играет каталитическую роль в этих химических реакциях.

Сегодня мы, в отличие от древних метафизиков, знаем, что вода – структурное образование, на молекулярном уровне представляющее собой химическое соединение двух элементов, а не вездесущее первородное начало эллинских мудрецов. Но, уточняя, развивая или опровергая воззрения античных мыслителей, мы в полной мере соглашаемся с ними в оценке роли воды в нашем мире. Вещество это действительно вездесуще и бесценно. Такое привычное и, кажется, до мелочей известное в быту, науке оно представляется объектом, требующим к себе еще большего внимания.

В жизни нашей планеты вода играет важную роль транспортного средства в геологических превращениях.

Подземные воды постоянно ведут разрушительную и созидательную работу, формируя месторождения полезных ископаемых. Однако период наблюдения человечества за геологическими процессами столь короток, что изменения практически незаметны.

Вероятно, многие не в полной мере осознают истинное значение воды для человека. Это особенно справедливо для жителей северных районов России, где пресная вода имеется в относительном достатке. Однако то же самое нельзя сказать о жителях засушливых районов Средней Азии. Там с детства человек умеет ценить и беречь воду, поскольку знает, что без воды нет жизни.

Катастрофическая засуха как последствие феномена тяжелого Эль-Ниньо 2016 года

Несмотря на то что вода – самое распространенное на Земле вещество, запасы пресной воды довольно ограничены. Они составляют около 20 тысяч кубических километров на год. При норме водоснабжения 1000 тонн воды в год (с учетом промышленности и сельского хозяйства) на человека этого количества может хватить на 20 миллиардов.

В настоящее время население нашей планеты составляет около 7 миллиардов. Демографы считают, что 20 миллиардов оно достигнет в 2100 году. Таким образом, природной пресной воды станет явно недостаточно. С учетом того, что источники пресной воды распределены на Земле неравномерно, в некоторых странах уже сегодня ощущается острая нехватка пресной воды. Так, на африканском континенте и в Азии имеются огромные пространства, лишенные воды, – пустыни, а целая североафриканская страна – Алжир – живет на привозной воде. Воду доставляют на судах в некоторые прибрежные районы и на острова Греции, иногда вода там стоит дороже вина.

По данным ООН, при относительном достатке пресной воды миллиарды жителей нашей планеты испытывают недостаток в чистой питьевой, поскольку водоемы загрязнены промышленными отходами и бытовыми стоками. До поры до времени природа сама справлялась с задачей очистки загрязненных вод. Однако с ростом промышленного производства и с концентрацией населения в городах природе стало все труднее справляться с этой задачей. В связи с этим возникла необходимость в строительстве более совершенных и более производительных, но и более дорогих очистных сооружений.

Комплекс водоочистки. Основными стадиями очистки являются фильтрование через слой песка и обработка окислителями (хлором или озоном)

Для приготовления пищи и в качестве питьевой может быть использована природная вода, если она не содержит вредных микроорганизмов, а также вредных минеральных и органических примесей; если она прозрачна, бесцветна и не имеет привкуса и запаха. Этим требованиям наиболее часто удовлетворяет колодезная и родниковая вода. Однако в больших количествах найти воду, отвечающую пищевым стандартам, очень трудно. Поэтому ее приходится очищать на специальных станциях.

Питьевая вода должна содержать небольшие количества растворенных солей и газов. В зависимости от них в различных местах вода отличается по вкусу. Границей между пресной и минеральной водой считается содержание минеральных химических соединений в количестве 1 г/л.

Природные воды, содержащие соли, растворенные газы, органические вещества в более высоких концентрациях, чем питьевая, называют минеральными. Некоторые из минеральных вод содержат биологически активные компоненты, некоторые соли – сульфаты натрия и магния и даже соединения мышьяка, радиоактивные элементы (например, радон) и др. Поэтому минеральные воды с давних пор использовали в качестве лечебного средства.

Дистиллированная вода, полученная конденсацией пара, практически не содержит солей и растворенных газов и потому неприятна на вкус. Кроме того, при продолжительном употреблении она даже вредна для организма. Это связано с вымыванием из клеток тканей желудка и кишечника содержащихся в них солей и микроэлементов, которые необходимы для нормального функционирования организма.

Поскольку вода является очень хорошим растворителем, в природе она всегда содержит растворенные вещества, так как не существует абсолютно нерастворимых. Их количество и характер зависят от состава пород, с которыми вода находилась в контакте.

Наименьшее количество примесей и растворенных веществ содержится в дождевой воде. Однако даже она содержит растворенные газы, соли и твердые частицы. Соли, содержащиеся в дождевой воде, имеют свое происхождение из океанов и морей.

Лопающиеся пузырьки на поверхности океанов выбрасывают в атмосферу довольно большое количество солей. Они захватываются потоками воздуха (особенно в штормовую погоду) и распределяются в атмосфере. Твердый остаток, который образуется при испарении дождевой воды, – это частички пыли, захваченные капельками дождя. Из 30 л дождевой воды при испарении остается примерно 1 г сухого остатка. Растворенными газами являются как основные компоненты воздуха, так и загрязнения, встречающиеся в данном районе. Состав дождевых осадков над морем согласуется с правилом, согласно которому он идентичен тому, что получается при добавлении к 1 л дистиллированной воды 1,5 мл морской воды.

Получение высокочистой воды – весьма сложная задача. Поскольку она хранится в сосуде, в ней должны быть примеси материала этого сосуда (будь то стекло или металл). Для прецизионных научных исследований наиболее чистую воду получают методом ректификации (перегонкой) дистиллированной воды во фторопластовых колоннах.

Как уже было отмечено, основные запасы пресной воды на Земле сосредоточены в ледниках. Поскольку опреснение морской воды требует больших энергетических затрат и стоит очень дорого, разработаны проекты транспортировки айсбергов из районов Северного и Южного полюсов к месту потребления и превращения льда в пресную воду. Однако пока эти проекты не были осуществлены.

Крупными резервуарами пресной воды являются болота. По некоторым оценкам в болотах содержится воды столько же, сколько и в озерах. Существует широко распространенное мнение, что болотная вода непригодна для питья, ее часто называют «гнилой». По-видимому, отпугивающим аргументом выступает цвет болотной воды. Однако исторические записи свидетельствуют о том, что в далеком прошлом болотной водой заправляли корабли, уходящие в далекие плавания. Такая вода долго сохраняла свои питьевые качества. Считают, что причиной этого служили содержащиеся в ней фенолы, которые играли стерилизующую роль. Заметим, что сам фенол (карболовая кислота) широко используют в медицине как антисептическое средство.

Дыхание Мирового океана

Итак, погода и климат определяются дыханием Мирового океана. Чтобы окончательно найти все глобальные атмосферные механизмы, лежащие в основе этого, метеорологи, гидрофизики и гидрологи проводят многолетние исследовательские программы. При этом они успешно используют весь арсенал современной науки и техники – от флотилий разнообразных научно-исследовательских судов до орбитальных гидрометеорологических обсерваторий. Собранные данные должны позволить когда-нибудь составлять прогнозы погоды на несколько лет вперед.

Обратим внимание на роль, которую играет в схемах моделирования климата поведение океанов и атмосферы. На этом пути был достигнут большой успех, когда удалось предсказать приближение Эль-Ниньо. Эль-Ниньо (исп. El Nino – малыш) – комплекс взаимообусловленных изменений термических и химических параметров Тихого океана и атмосферы, принимающих характер стихийных бедствий. Его появление, как правило, возвещает резкие климатические изменения, и Северную Австралию с Юго-Восточной Азией охватывает засуха, а на Южную Америку обрушиваются мощные ливневые дожди. Невероятно звучит, но в данном случае ученые четко спрогнозировали данный природный катаклизм более чем за год до его начала.

Этот пример убедил многих скептиков в том, что климатические исследования планетарной акватории вполне могут привести к достоверным долгосрочным прогнозам. Так родилась интернациональная программа гидрометеорологических исследований под претенциозным названием «Эксперимент по циркуляции Мирового океана». В ходе реализации этого проекта ученые из тридцати стран мира уже полтора десятилетия всячески изучают морскую и океаническую часть гидросферы. Надо признать, что еще никогда прежде наука не уделяла столько внимания водной оболочке нашей планеты, что уже привело к многократному увеличению информации.

Еще не так давно в научной среде бытовало мнение, что Мировой океан, несмотря на отдельные штормы, в целом являет собой нечто неизменное, неторопливое и спокойное. Его приливы и отливы медленно и равномерно накатывают прибрежные волны, повторяя одну и ту же картину изо дня в день, из года в год, из столетия в столетие. Однако против этой модели, описывающей поведение двух третей земной поверхности, в конце концов решительно возразили гидрологи и гидрофизики.

В новой исторической концепции эволюции Мирового океана нет места никакому однообразию и постоянству, ведь, согласно современным воззрениям, моря и океаны интенсивно меняются у нас на глазах, но мы этого просто не замечаем. Именно так представляют себе ученые глобальную модель гидросферы, неожиданно включающей высокую изменчивость океанических процессов. Таким образом получается, что морская стихия наделена непостоянным и буйным норовом, а медлительная торжественность, с которой она катит свои волны, глубоко обманчива.

Все дело в масштабах океанических явлений, ведь происходящие в этой части гидросферы процессы столь грандиозны, что зачастую интуиция нас просто обманывает. Вот простой пример: если мы всплеснем воду в тарелке или чашке, то во все стороны побежит рябь. А вот в океане любое волнение еще и повинуется действию инерционной силы, вызванной суточным вращением Земли, так что волны и любые течения отклоняются от прямой линии. В Северном полушарии они поворачивают вправо, в Южном полушарии – влево.

Приглядимся к волнам в нашей посудине – когда они достигнут стенки, то тут же вернутся назад, встретятся со своими отставшими собратьями и в конечном итоге создадут достаточно сложную волновую картину. Это свойство волновых процессов физики называют интерференцией. Совсем иначе ведет себя необозримый волновой фронт в океане: достигнув берега, там он обычно огибает сушу, а вблизи экватора совершенно неожиданно поворачивает в открытое море.

Еще сложнее взаимодействуют океан и атмосфера. Представим себе вполне идиллическую картину неохватной водной глади вдали от берегов, когда лишь легкий бриз струится вдаль монотонно за счет поверхностного трения, подгоняя перед собой мелкие волны. Но вот вдалеке замаячит берег – и тихие волны сразу же превращаются в шумный прибой, набегая друг на дружку и сбиваясь в пенные гребни. Океан как бы становится на дыбы вблизи препятствия, и его уровень неожиданно поднимается – в среднем более чем на метровую высоту. У берега скапливаются огромные массы воды. Даже у самого дна чувствуется, как возросло давление водяной толщи, и под ее напором вода в глубине моря начинает течь назад.

Ни моряки, ни рыбаки, ни исследователи до сих пор не имеют детальных карт рельефа морского дна. Поэтому есть доля правды в том, что дно океана нам известно хуже, чем поверхность обратной стороны Луны или лик Марса и даже Меркурия. Нужды науки, мореплавания, промысла требуют карт, составленных не по точкам и линиям, а по площадям.

Первые промышленные образцы сканирующих и многолучевых эхолотов, с помощью которых можно получить рельеф дна в полосе шириной до 40 миль, уже созданы. Еще более обнадеживающим представляется метод акустической голографии, который позволяет получить детальные карты важнейших районов дна Мирового океана.

В последние годы ученые значительно продвинулись в изучении гидрофизики океана, открыв удивительные синоптические вихри в океане, подобные тем, что мы наблюдаем в атмосфере. Оказывается, прежние представления о течениях в океане как о широких и глубоких «реках» оказались упрощенными, и в действительности основная энергия океанских течений сосредоточена именно в подобных вихрях. А если рассматривать усредненные за несколько месяцев показатели их движения, то мы придем к тем течениям, которые известны нам со школьной скамьи, что позволяет предложить целый ряд физико-математических моделей, открывающих возможность прогнозировать вихревую изменчивость океана. Помимо синоптических, открыты и описаны так называемые фронтальные вихри – их можно назвать закрутившимися в спираль. Это отколовшиеся ветви таких струйных течений, как Куросио, Оясио, Северо-Тихоокеанское, Гольфстрим. Моделирование вихревых возмущений важно и для морского транспорта, и при освоении биологических и энергетических ресурсов океана.

Наконец, океанологи открыли глубинные противотечения турбулентного движения воды в приповерхностных слоях океана, а также микротечения в толще вод, вызванных изменчивостью температуры и солености тонкослойных придонных течений. Много нового также дало изучение так называемых внутренних волн в океане, возникающих вследствие вертикальной неустойчивости слоев из-за перепада плотности океанских вод.

Таким образом, гидрофизические исследования существенно изменили наши представления о вертикальной и горизонтальной циркуляции вод в океане. Сейчас перед исследователями стоит задача дать единое объяснение процессов, протекающих в океане, включая и поверхностное волнение. Ученые надеются, что в ближайшие годы будет создана единая модель поведения поверхности Мирового океана, включающая и штормы, и полный штиль, и мертвую зыбь. Для этого задействованы океанологические спутники, гидрологические судна и международная глобальная сеть плавучих автоматических станций, с помощью которых океанографы получают регулярную информацию о состоянии морей и океанов. Все это вместе со схемой сбора данных, которой располагают метеорологи благодаря глобальной сети метеостанций, наконец-то позволит выяснить, какие блюда готовит Мировой океан в своей кухне погоды.

Современное гидрологическое оборудование включает многочисленные автоматические приборные станции, закрепленные на якоре посреди океана, – это стационарный метод наблюдения за ним. Если же ученые намерены исследовать морские течения, они используют мобильную технику – плавучие буи. Новейшие модели буев позволяют наблюдать даже за подводными течениями! Они погружаются на определенную глубину и дрейфуют, изо дня в день отмечая температуру моря и его соленость. Через каждые десять дней они всплывают и передают по спутниковой связи свои координаты и собранные данные. Сразу после этого сеанса они снова погружаются на заданную глубину и продолжают вести наблюдения. Сейчас в разных частях Мирового океана используются несколько тысяч подобных буев для воссоздания детальной схемы поверхностных и глубинных течений.

Еще обширнее информация, собранная метеоспутниками. За 3–4 месяца они успевают обследовать весь земной шар, наблюдая за движением волн и температурой воды. Многие из них определяют и средний уровень моря, фиксируя самые крохотные перепады высот, равные всего нескольким сантиметрам! Казалось бы, эта неровность очень мала, но она порождает морские течения.

Но вот все данные собраны. По ним составляется подробная карта Мирового океана. Только теперь ученые-океанографы узнали, почему их предшественникам было так трудно выяснить местонахождение Гольфстрима. Эта громадная океаническая «река» начинается в Мексиканском заливе, но, приближаясь к Европе, разветвляется на множество мелких потоков, образуя обширную дельту, напоминающую дельту таких крупных континентальных рек, как Волга, Амазонка или Нил.

В Северной Атлантике и Северном Ледовитом океане воды Гольфстрима остывают и погружаются вглубь. Там, на средних глубинах, эта безбрежная «река» поворачивает на юг. Ее поток достигает окрестности Южного полюса, где образуется самое мощное из всех известных нам морских течений. Оно огибает полюс. Затем часть водяных масс поворачивает на север и, миновав побережье Австралии, достигает южной оконечности Африканского континента. Далее этот поток пересекает Атлантику и впадает в Мексиканский океан, где его воды, совершив кругосветное путешествие, длившееся почти сто лет, вновь питают Гольфстрим.

Чтобы зафиксировать состояние Мирового океана в какой-то конкретный момент времени, необходимы титанические исследования. Но, как известно, в любом процессе важны не сиюминутные показатели, а общая тенденция. Итак, надо привести в движение тщательно выстроенную систему, иначе нельзя исследовать океанические течения, эту тайную жизнь океана. Нам известно несколько параметров, характеризующих состояние той или иной точки Мирового океана, – и известно столько же уравнений (математики называют их дифференциальными), которые описывают, как и в какие моменты времени одни точки нашей пространственной сетки влияют на состояние соседних с ними точек. Однако эту систему уравнений надо еще постараться решить!

Здесь-то и начинаются настоящие трудности, ведь очень часто подобные математические системы не имеют общего знаменателя, и мы можем получить лишь набор приближенных ответов, которые еще нужно обработать в мощном электронно-вычислительном центре, чтобы выбрать наиболее близкие к действительности. Только тогда можно получить то, что программисты называют оптимальным машинным алгоритмом, позволяющим в определенный момент времени вычислить, что произойдет через несколько часов в любом участке Мирового океана.

Сейчас самый большой модельный расчет, в котором имитируется целых 100 лет из жизни океана, длится от 6 до 8 месяцев. Ученые внимательно следят за тем, как протекает расчет, чтобы прервать его, если модель далеко отклонится от реальности. Как показывает опыт, даже самые удачные модели нужно «обкатывать» по части корректировки в течение двух лет, пока наконец они не станут давать стабильные прогнозы.

Исследователи провели интересный эксперимент с одной из таких моделей. На своих компьютерах они увеличили приток пресной воды в море Лабрадор, лежащее у берегов Канады, – самую уязвимую зону мировой системы течений. Подобное событие вполне возможно, если в результате глобального потепления начнут таять льды Гренландии, окаймляющей море Лабрадор с другой стороны.

Итак, что произойдет в ближайшие два с половиной столетия, если пресная вода будет все прибывать?

Нарушится глобальная циркуляция воды. Гольфстрим уже не сможет беспрепятственно втекать в море Лабрадор. Мотор мировых океанических течений начнет работать с перебоями. Гольфстрим замедлит, а затем прекратит свой бег. Последствия этой перемены будут чувствительны: средняя температура в Европе понизится до 10о. Еще недавно в Гренландии текли талые воды, а теперь арктические льды начнут стремительно разрастаться, продвигаясь на юг…

Как только ученые остановили компьютерное таяние ледников в Гренландии, все вернулось на круги своя. В последующие два с половиной столетия климат постепенно нормализовался. Возобновил свое течение Гольфстрим – бойлерная Европы. Быстро потеплело. Люди стали заново обживать часть света, еще недавно изнывавшую под сугробами и льдами.

Впрочем, Мировой океан так велик, что наблюдениями охвачена лишь малая его часть. Обширные просторы океана остались бы белым пятном на карте, если бы не компьютерная интерполяция. Только так удалось устранить лакуны, заполняя их усредненными показателями. Результатом работы, по отзывам ученых, стала уникальная сеть данных, которая впервые позволит понять, что происходит в океане.

Океаны и моря являются регуляторами климата в отдельных частях земного шара. Суть этого заключается не только в океанических течениях, которые переносят теплую воду из экваториальных районов в более холодные (течение Гольфстрим, а также Японское, Бразильское, Восточно-Австралийское), но и противоположные им холодные течения: Канарское, Калифорнийское, Перуанское, Лабрадорское, Бенгальское. Вода обладает очень высокой теплоемкостью. Естественно, что при охлаждении водоемов эта теплота передается в окружающее пространство. Поэтому в районах, прилегающих к морским бассейнам, редко бывают большие перепады температур воздуха в летнее и зимнее время. Водные массы сглаживают эти перепады – осенью и зимой вода подогревает воздух, а весной и летом охлаждает.

Другой важной функцией океанов и морей является регулирование содержания в атмосфере углекислого газа – диоксида углерода. Его относительное содержание в атмосфере невелико, всего лишь сотые доли процента, однако это составляет общую массу в тысячи миллиардов тонн. Причем экологи настойчиво предупреждают, что парциальное и абсолютное количество диоксида углерода неуклонно растет. Это связано с развитием энергетики, промышленности и транспорта, потребляющих огромное количество углеводородов, ведь основным продуктом их окисления и является именно диоксид углерода. Учеными установлено, что атмосферный углекислый газ обладает способностью задерживать, не пропуская в космическое пространство, тепловое излучение Земли. Вследствие этого в принципе может развиться парниковый эффект, о котором так много говорят в последнее время. Получается, что чем больше диоксида углерода в атмосфере, тем теплее климат на Земле.

Одному зеленому покрову Земли невозможно было бы справиться с задачей удержания примерно на одном и том же уровне содержания углекислого газа в атмосфере. Подсчитано, что наземные растения в результате реакции фотосинтеза ежегодно потребляют из атмосферы около 20 млрд тонн углекислого газа, а обитатели океанов и морей извлекают из воды уже 150 млрд тонн.

Общее потепление климата может привести к катастрофическим последствиям. В его результате усилится таяние льдов на полюсах планеты и в горных районах, что приведет к повышению уровня Мирового океана и к затоплению огромных площадей суши.

Подсчитано, что, если расплавить все ледники Гренландии и Антарктиды, уровень океана поднимется на несколько десятков метров и многие приморские города окажутся под водой

Около половины поступающего в океан углекислого газа концентрируется в виде карбоната кальция в коралловых рифах. Кораллы также являются скелетами особых полипов – придонных морских беспозвоночных организмов. Цвет коралла зависит от состава и количества включенного в него органического вещества. Меньшую роль в окраске коралла играют ионы металлов. Обычно соли железа окрашивают кораллы в красный, оранжевый и коричневый цвета, а соли марганца – в серый цвет. Трудно представить, какой была бы наша планета, если бы океаны не связывали атмосферный углекислый газ.

И все-таки, хоть ученые лучше стали понимать, как живет и чем дышит водная оболочка нашей планеты, они лишь в отдельных чертах представляют себе, как устроена сложная система климатического механизма Мирового океана. Прежде всего, мы не знаем точно, как повышение температуры, вызванное парниковым эффектом, влияет на процессы, протекающие в океане, и как те влияют на климат.

Впрочем, одно мы знаем наверняка: если в силу каких-то причин схема течений изменится и, скажем, тот же Гольфстрим повернет в сторону, то в Северной и Центральной Европе начнется самый настоящий новый ледниковый период.

Известно, что малейшие сбои в течении Гольфстрима тут же отражаются на других великих океанских течениях и в конечном итоге разительно меняют климат на нашей планете. В прошлом такое случалось не раз, этим можно объяснить, почему в последнем ледниковом периоде наблюдались резкие перемены климата: всего за каких-то три года среднегодовая температура менялась почти на десяток градусов. Об этом свидетельствуют пробы льда, взятые в Гренландии.

Схема парникового эффекта в атмосфере

За последние десятилетия количество айсбергов у берегов Гренландии выросло в несколько раз. Они дрейфуют и постепенно тают, разбавляя морскую воду пресной. Навигация титанических гор льда и особенно их непрерывное таяние оказывают очень сильное влияние на атлантические течения. Однако приведенные факты вовсе не заставляют ученых безоговорочно верить в ближайшее пришествие нового ледникового периода и даже просто существенного похолодания европейского климата. Причин для такого неуверенного ответа несколько, но главный, конечно же, связан с пресловутым парниковым эффектом. Ведь чем сильнее испаряются воды Мирового океана, тем плотнее становится облачный покров на нашей планете и, соответственно, на земную поверхность попадает меньше солнечных лучей. Так, вслед за повышением температуры наступает ее понижение, и климат в среднем остается прежним.

С повышением средней температуры на Земле воды Атлантики становятся теплее. Их плотность снижается. Напор Гольфстрима слабеет, и «маховое колесо климата» вращается все ленивее. Повышенное испарение воды лишь усиливает эффект. По этой причине выпадает больше осадков. Сток речных вод растет; все больше пресной воды попадает в Атлантику. Плотность морских вод снижается, напор падает и движение подводной реки медленно, но неуклонно затормаживается…

Между прочим, не менее важным фактором парникового эффекта является и атмосферная влага, эффективно поглощающая тепловое излучение Земли, ведь в атмосфере ее гораздо больше, чем углекислого газа. Водяные пары, составляющие основу облачного покрова, метеорологи сравнивают с «климатическим одеялом» планеты, ведь при ясном безоблачном небе ночи намного холоднее, чем в облачную погоду. Таким образом, влажность воздуха или, что то же самое, степень насыщения воздуха водяными парами является важной характеристикой состояния атмосферы. Она выражается отношением содержания водяных паров в воздухе к их содержанию при насыщении воздуха при данной температуре. Поэтому правильнее говорить не просто о влажности, а об относительной влажности.

Для человека наиболее благоприятная влажность воздуха составляет около 50 %. На влажность, как и на многое другое, распространяется правило: слишком много и слишком мало – одинаково нехорошо. Действительно, при повышенной влажности человек острее ощущает низкие температуры. Многие могли убедиться, что сильные морозы при низкой влажности воздуха переносятся легче, чем не столь сильные, но при влажности высокой. Дело в том, что пары воды, так же как и жидкая вода, обладают гораздо большей теплоемкостью, чем воздух. Поэтому во влажном воздухе тело отдает в окружающее пространство больше теплоты, чем в сухом. В жаркую погоду высокая влажность опять же вызывает дискомфорт. В этих условиях уменьшается испарение влаги с поверхности тела (человек потеет), а значит, тело хуже охлаждается и, следовательно, перегревается. В очень сухом воздухе тело теряет слишком много влаги, и, если не удается ее восполнить, это сказывается на самочувствии.

Влажность воздуха влияет на сохранность вещей и изделий из различных материалов. Для музеев, картинных галерей и книгохранилищ абсолютно сухая атмосфера столь же опасна, как и переувлажненная. Поддержание необходимой концентрации водяных паров (определенной влажности) обеспечивается с помощью кондиционеров воздуха или помещением экспонатов в витрины, поддерживающими нужную влажность.

Великий смог в Лондоне, 1952. Причиной великого смога стало в каком-то смысле несчастливое стечение погодных обстоятельств и антропогенных факторов. Отсутствие ветра, необычное поведение антициклона, из-за которого холодные массы воздуха были «заперты» крышкой теплого воздуха. В таком котле началось молниеносное накапливание вредных веществ в атмосфере города – в первую очередь продуктов горения угля, которого из-за холодной погоды горожане стали использовать в большем, чем обычно, количестве. Замена городского электротранспорта на автобусы с дизельным двигателем добавила в воздушный коктейль выхлопные газы

Из пересыщенного водяными парами воздуха образуется туман. Он состоит из мельчайших капелек воды, легко конденсирующихся на твердых частичках практически всегда находящейся в воздухе пыли. Особенно хорошими центрами конденсации являются частицы углерода, содержащиеся в дыме. Знаменитые лондонские туманы обязаны своим появлением влажному воздуху и многочисленным фабрикам и заводам, выделяющим в атмосферу много дыма.

Различные компьютерные модели показывают, что похолодание и потепление лежат сейчас на двух чашах весов, пребывающих в равновесии, но каждый новый факт или прогноз нарушает стабильность. Нет сомнения, что климат сейчас как-то меняется под воздействием человека, ведь на гидросферу нашей планеты действует множество трудно учитываемых факторов искусственного происхождения. Например, разработка шельфа Мирового океана приводит к массовым выбросам нефти и газа, меняются местные течения. Между тем до сих пор достоверно неизвестно, как нефтяная пленка меняет поглощение углекислого газа водной поверхностью и как десятки, если не сотни малых океанических течений влияют на возникновение такого грандиозного природного явления, как Эль-Ниньо…

Грядущее изменение климата на нашей планете описывают десятки гипотез, изложенных в сотнях обширных научных работ, где климатологи, геофизики, гидрологи и метеорологи рисуют нам погодные картины ближайшего и далекого будущего. Среди них можно встретить самые разные сценарии климатических изменений, но во всех случаях учет определяющего влияния Мирового океана бесспорен. Пока еще не ясно, что нас ждет впереди: влажная духота теплой Гондваны или пронзительные снежные вихри нового ледникового периода. Ясно одно: некие глубинные процессы в земной гидросфере уже определили глобальные изменения атмосферы и климат на нашей планете начал меняться. Понятно и то, что как-то воздействовать на процессы перераспределения тепла в планетарном масштабе человечество сможет далеко не скоро, поэтому главная задача сегодняшнего дня – всестороннее изучение важнейшей составляющей земной гидросферы – Мирового океана. На это направлены многие международные программы, и сейчас уже широким фронтом ведутся наблюдения за природными процессами. Прежде чем действовать, надо накопить знания, потому что из предмета узкого интереса метеорологов климатическая проблема переросла в общенаучную и общечеловеческую.

Мы пока далеки от того уровня знаний, который позволяет проследить все взаимосвязи сложных процессов, начинающихся на Солнце и кончающихся в глубинах Мирового океана. И прежде чем запустить самый скромный «инструмент» воздействия на природу, мы должны исключить даже тень сомнения в благоприятном исходе. Ради этого самые разные специалисты несут вахту среди бушующей стихии, на высокогорных ледниках и дрейфующих льдах, в Арктике, Антарктике и на космических орбитах.

Гидрологический цикл

Вода находится в постоянном и активном кругообороте. Его движущей силой является Солнце, а основным источником воды – Мировой океан. Почти четверть всей падающей на Землю солнечной энергии расходуется на испарение воды с поверхностей водоемов.

Ежегодно таким образом в атмосферу поднимаются сотни тысяч кубокилометров воды, почти вся – с поверхности океана. Примерно ⅔ атмосферной воды возвращается в виде осадков обратно в океан, а ⅓ выпадает на сушу. Годовое количество осадков в 40 раз превышает содержание водяного пара в атмосфере. Выпав сразу, они могли бы образовать на Земле слой толщиной 1 м. Эта вода пополняет ледники, реки и озера. В свою очередь, материковые поверхностные воды снова стекают в моря и океаны, растворяя встречающиеся им на пути породы. Увлажняющая почву вода всасывается корнями растений. Вместе с водой растения получают растворенные питательные вещества. В растениях она поднимается по стеблям и возвращается в виде пара в атмосферу через листья.

Важным регулятором воды на суше являются горные ледники. Они отдают воду в основном летом, когда происходит особенно интенсивное таяние горного льда и снега. Ледники – главное хранилище пресной воды на нашей планете. Подсчитано, что они содержат около 30 млн кубокилометров пресной воды, в то время как все реки – не более 1,2 тысячи кубокилометров.

Таким образом, вода находится на Земле в постоянном движении. Среднее время ее пребывания в атмосфере оценивается 10 сутками, хотя и меняется с широтой местности. Для полярных широт оно может достигать 15, а в средних – 7 суток. Смена воды в реках происходит в среднем 30 раз в год, т. е. каждые 12 дней. Влага, содержащаяся в почве, обновляется за год. Воды проточных озер обмениваются за десятки лет, а непроточных – за 200–300, воды Мирового океана обновляются в среднем за 3 тысячи лет. Из этих цифр можно получить представление о том, сколько времени необходимо для самоочистки водоемов.

Гидрологический цикл

Круговорот воды – исключительно важный процесс. Он обеспечивает сушу пресной водой, которая постоянно возобновляется. В процессе этого круговорота вода разрушает и растворяет твердые породы на суше и переносит их в другие места с образованием наносов. Конечно, в процессы разрушения и видоизменения поверхности Земли внесли свою лепту также ветер и вулканические извержения, солнечное воздействие и землетрясения, а позднее и живые организмы.

Проследить путь воды в этом бесконечном круговороте со всеми подробностями нелегко. Но в общих чертах можно.

Солнечные лучи нагревают поверхность планеты и испаряют при этом огромное количество влаги. Водяные пары поднимаются в воздух с поверхности морей, рек, озер, из почвы. Воду испаряют все растения. Ее пары выдыхают животные.

Вода превращается в газ в любое время года, даже зимой, в большой мороз. Но чем выше температура, тем больше в атмосфере ее паров. Летом, при 20° тепла, в каждом кубическом метре воздуха может содержаться до 17 граммов влаги. Если в такой насыщенный воздух поступят новые пары воды, они будут уже конденсироваться – снова превращаться в воду.

Иными словами, в воздухе возникают мельчайшие капельки. Они-то, а также кристаллики льда, если в воздухе холодно, и образуют облака. Для конденсации водяного пара необходимо, однако, чтобы в воздухе находились твердые частички атмосферной пыли, которые играют роль ядер, осаждающих молекулы водяного пара. Обычно в атмосфере таких частичек очень много.

Воздушные течения разносят пары воды и облака по Земле. Особенно много влаги несут с собой ветры, дующие с теплых морей. Насыщенные водой воздушные массы, перемещаясь над материками, постепенно теряют ее в виде дождей или снега.

Судьба выпавших с неба капель воды различна. Одни из них попадают в ручьи или реки, в озера или сразу в море – и оттуда снова со временем испаряются в воздух. Часть дождевой воды задерживается в лужах, в растениях, но скоро, нагретая солнцем, опять пускается в путешествие по воздушному океану. Много уходит в землю.

Почему идет дождь? Казалось бы, простейший вопрос! Но вот ответ совсем не прост. А познакомиться с природой этого столь обычного для всех нас атмосферного явления, знать о его особенностях и возможностях очень важно. Ведь чем лучше мы будем знать механизм образования дождя, тем скорее и надежнее сможем взять в свои руки управление одним из самых великих процессов природы – круговоротом воды.

Часть 3. Фабрика льда

Когда приходят длительные антициклоны с незначительной облачностью или, что еще хуже, при полном ее отсутствии, в зимние полярные ночи в Арктике и Антарктике создаются наиболее благоприятные условия для выхолаживания почвы и приземного воздуха.

Самая низкая температура воздуха у земной поверхности (–88,3 °C) наблюдалась в августе 1960 года на советской научно-исследовательской станции «Восток», которая находится в Антарктиде. Географические координаты этой станции таковы: 78°28′ южной широты, 106°48′ восточной долготы, высота 3488 м.

Сейчас принято считать, что в этой точке земного шара находится полюс холода Южного полушария.

Всеволод Арабаджи. Загадки простой воды. Полюса холода

В апреле 1912 года из английского порта Саутгемптон отправился в первый трансатлантический рейс только что построенный пассажирский лайнер «Титаник». Это было крупнейшее по тем временам судно в мире. На его борту находилось две тысячи двести семь человек. По единодушному отзыву специалистов, «Титаник» был самым надежным кораблем. Он имел двойное дно и шестнадцать водонепроницаемых отсеков.

Утро 14 апреля началось с тревожного радиосигнала:

Корабли, следующие на запад, сообщают об айсбергах и плавающих льдинах в районе 42 градуса норд, от 49 градуса до 51 градуса вест.

Но капитан «Титаника», проявив вопиющую беспечность, не обратил внимания на это важное предупреждение, и плавающий «город», «остров», «дворец», как, соревнуясь в оригинальности, называли его газеты, продолжал полным ходом нестись вперед, надеясь получить приз за рекордное время пересечения Атлантики.

Поздним вечером последовал еще один тревожный сигнал от идущего западнее парохода:

…мы окружены здесь льдами, почти застряли…

Тут уже в эстафету беспечности включился радист, который как раз в это время передавал бесконечный поток телеграмм от богатых бездельников и не захотел отвлечься от столь важного дела…

А уже через несколько минут плавучий дворец налетел на гигантский айсберг, распоров почти на стометровом расстоянии свой «сверхпрочный» корпус. Так начался отсчет мгновений одного из самых трагических кораблекрушений в истории Атлантики, да и всего мореплавания. Столкновение с плавающей ледяной горой тут же привело к затоплению нескольких «водонепроницаемых отсеков», возник опасный крен, и в незадраенные иллюминаторы тут же хлынула вода. Реклама полной, даже абсолютной безопасности плавания на «Титанике» была столь сильна, что ни команда, ни, тем более, пассажиры не верили в опасность происходящего. И лишь когда прошел почти час беспорядочных попыток остановить течь, капитан отдал приказ спустить шлюпки. Но многие все еще не торопились покинуть корабль, пока его крен не стал совсем уж угрожающим.

Радист беспрерывно передавал в эфир сигнал SOS, но никто не спешил прийти на помощь гибнущему лайнеру. Тем временем пассажиры наконец-то поняли, что произошла ужасная катастрофа и пароход обречен. Началась паника, обезумевшие от страха джентльмены дрались за места в шлюпках и спасательные жилеты, которых оказалось недостаточно. Многие прыгали за борт и тут же тонули в ледяных водах северной Атлантики.

Мореходные качества «Титаника» проверяли в течение восьми часов: лайнер совершал повороты на разных скоростях, описывал круги, фиксировал аварийную остановку, причем тормозной путь составил 777 м за 3 минуты 15 секунд. В ходе испытаний никаких нарушений выявлено не было. Посекундное исследование восстанавливает события перед столкновением и показывает, что айсберг был обнаружен за минуту до катастрофы

Через два с половиной часа «самый непотопляемый лайнер в мире» ушел на дно, а еще через два часа к месту разыгравшейся трагедии подошел пароход «Карпатия» и взял на борт спасшихся в шлюпках пассажиров и моряков. В спасательных поясах не выжил никто (в ледяной воде можно продержаться не более получаса), и рядом с безжизненными телами на поверхности океана грозно покачивался гигантский айсберг… Огромные языки ледников спускаются с высочайших вершин Гиндукуша, Гималаев, Тибета… Многие сибирские реки берут свое начало в ледниках Алтая и Саян. Ледяные ожерелья надеты на южноамериканские Анды. Есть горные ледники и у самого экватора: в Мексике – на вулканах Орисаба и Попокатепетль, в Африке – на Килиманджаро, в горной цепи Рувензори…

Все это проявление твердого состояния воды, которая в замерзшем виде оказывает не меньшее влияние на нашу жизнь, чем Мировой океан. Ведь лед на нашей планете содержит колоссальное количество воды, и достаточно только растаять всем ледникам и айсбергам, как всю земную поверхность покроет многометровый слой влаги. Трудно даже представить себе последствия такой катастрофы, ведь многие центры нашей цивилизации традиционно возникали на берегах морей и океанов…

Итак, наш следующий рассказ – об одном из самых удивительных веществ во Вселенной: воде в форме твердого вещества льда и снега.

В конце последней ледниковой эпохи, то есть десяток тысячелетий назад, в Арктике не было никакого Ледовитого океана. Кругом простирались только бескрайние мамонтовые степи, причем расположены они были на мощнейшем монолите ледяного купола. Эта «климатическая суша», по словам гляциологов, возникла при резком понижении температуры в ледниковые эпохи, когда плавучие льды спаивались в единый мощный панцирь. Получалось, что в ледниковое время Северную Америку и Евразию соединял «климатический материк» – Арктида. Климат в Арктиде был резко континентальный, формируемый постоянным мощным антициклоном, обеспечивающим безоблачное небо и сильнейшие зимние морозы. Источником «климатической» почвы стала обыкновенная пыль из сухих мерзлотными степями Европы, Сибири и Северной Африки, которая доносилась через верхние слои атмосферы в Арктиду и выпадала там на морские льды.

Летом в Арктиде резко теплело, ведь с безоблачного неба круглосуточно светило незаходящее арктическое солнце. Это создавало идеальные условия для бурного роста трав, ибо неглубоко под землей залегал лед, который слегка подтаивал и увлажнял почву. Сам ледяной массив возник при вымораживании водяного пара, ведь и сегодня за Полярным кругом льда больше, чем самой минеральной земли.

Гипотеза Арктиды объясняет гибель мамонтового мира в ходе всеобщего потепления в самом конце ледникового периода. Тогда на месте ледяной «климатической суши» вскрылся огромный арктический океан. В зоне его воздействия климат стал влажным, морским. Сплошные низкие тучи заволокли богатейшие северные земли. И там, где расстилались мамонтовые степи, развивались болотные тундры, бескрайние лесотундры, а еще южнее – непролазная тайга. Эта ландшафтная катастрофа погубила множество доисторических животных. А человек, лишившись богатейших охотничьих угодий, вынужден был, дабы не разделить ту же печальную участь, создавать новую культуру так называемого неолита, переходить к одомашниванию ставших редкими животных и растений. Так исчезновение мамонтового мира, гибель Арктиды дали в конечном счете могучий толчок и к созданию нашей цивилизации.

Обледенение – страшный бич судов и особенно ледоколов во время арктической навигации. Тонны льда, нарастающие на корпусе судна, грозят его устойчивости, снижают ход и даже способны перевернуть. Для борьбы с этим грозным явлением было предложено использовать специальные турбовентиляторные агрегаты. Их принцип действия напоминает выдувание пузырей через соломинку в стакане с коктейлем. Именно таким образом турбонадувной насос защищает корпус судна от обледенения. Воздух, сжатый в компрессоре, через систему трубопроводов подается за борт, и поднятая его пузырьками волна относит в сторону куски льда, не дает им примерзнуть к корпусу, снижает его трение об лед. Скорость ледокола увеличивается, уменьшается вибрация и потребление топлива. И если даже такое судно заклинит между льдами, его будет значительно легче освободить.

Опасные метаморфозы

Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот переход связан с увеличением объема, а следовательно, с уменьшением плотности.

Ученые доказали, что вода в твердом состоянии имеет ажурное строение с полостями и пустотами. При плавлении они заполняются молекулами воды, поэтому плотность жидкой воды оказывается выше плотности твердой. Поскольку лед легче воды, он плавает на ней, а не опускается на дно. Это играет в природе очень важную роль. Если бы плотность льда была выше, чем у воды, то, появившись на поверхности вследствие охлаждения воды холодным воздухом, он погружался бы на дно, в результате весь водоем должен был бы промерзнуть. Это катастрофически сказалось бы на жизни многих организмов в водоемах.

Способность воды расширяться при замерзании приносит много хлопот в быту и технике. Практически каждый наблюдал, как замерзшая вода разрывает стеклянную емкость, будь то бутылка или графин. Гораздо большую неприятность доставляет промерзание водопровода, так как при этом почти неизбежным результатом являются лопнувшие трубы. По этой же причине в предстоящую морозную ночь воду сливают из радиаторов охлаждения автомобильных двигателей.

Поскольку вода при замерзании увеличивается в объеме, то в соответствии с законами физики при увеличении давления должно начаться плавление льда. Действительно, это хорошо видно при скольжении коньков на льду. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое, и лед под коньком подплавляется, трение резко падает и ледяная поверхность становится скользкой.

Второй и более важной причиной скольжения коньков по льду и лыж по снегу является трение движущегося тела о поверхность: выделяется значительное количество тепла, которое идет на расплавление льда и образование смазки. Натирание лыж специальными мазями улучшает скольжение, поскольку мази отталкивают воду и тем самым уменьшают сцепление воды и лыж.

При сильном понижении температуры воздуха тепла, которое выделяется вследствие трения, будет недостаточно для хорошего скольжения коньков и лыж, хотя давление на них при этом остается неизменным

Любопытно, что морской лед менее скользкий, чем пресноводный, поскольку в процессе его таяния сначала плавится соляная прослойка и лишь затем сам лед.

Одно из важнейших свойств воды, вызывающее далеко идущие последствия, связано с неравномерным изменением ее температурной плотности. Уже давно установлено, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре около 4о. Это создает совершенно особые условия существования незамерзающих слоев воды в зимнее время.

Когда на севере наступает осень, в реках начинается быстрое остывание водной массы, которое убыстряется под воздействием вечной мерзлоты, одновременно идет ассоциация молекул H_2O. Наконец наступает критический момент максимальной плотности: температура воды всюду чуть ниже 4 °C. И тогда в придонной зоне на некоторых участках интенсивно намораживается рыхлый подводный лед.

В отличие от обычного льда он не имеет правильной кристаллической решетки, у него иная структура. Центры его кристаллизации различны: камни, коряги и разные неровности, причем не обязательно лежащие на дне и связанные с мерзлым грунтом. Появляется рыхлый лед на реках глубоких, со спокойным – ламинарным – течением.

Подводное ледообразование обычно заканчивается всплытием льдин на поверхность, хотя в это время никакого другого льда нет. Подводный лед иногда появляется и летом. Возникает вопрос: что это за «вода в воде», которая меняет свое агрегатное состояние, когда установившаяся температура в реке слишком высока для того, чтобы в лед превращалась обычная вода, чтобы, как говорят физики, произошел фазовый переход?

Можно допустить, что рыхлый лед представляет собой обогащенные концентрации тяжелой воды. Кстати, если это так, нужно помнить, что тяжелая вода неотличима от обычной, однако употребление ее внутрь может вызвать тяжелые отравления. К слову сказать, местные жители высоких широт не употребляют речной лед для приготовления пищи – только озерный лед или снег.

Кроме дождя и града атмосферные осадки также выпадают в виде снега. Снег образует и гигантские горные ледники. Эти колоссальные потоки льда преимущественно атмосферного происхождения, очень медленно текущие с гор под действием силы тяжести. Обычно они имеют вид купола, щита или плиты.

Ледники образуются в результате накопления и последующего уплотнения льда и снега при их положительном многолетнем балансе. Общим условием возникновения ледников является сочетание низких температур воздуха с большим количеством атмосферных осадков, что имеет место в полярных областях и высоко в горах. Больше всего высокоширотных ледников в Антарктике, Арктике и Гренландии, а высокогорных – в Средней Азии, на Тибете, Кавказе, в Скандинавии и Патагонии.

Здесь, вероятно, у многих возникает вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому что тот слой воды, который непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет нулевую температуру. При этой температуре одновременно существуют и лед, и вода. Но представьте теперь себе, что вода ведет себя так, как большинство других жидкостей. Достаточно было бы незначительного мороза, как все реки, озера, а может быть и северные моря, в течение зимы промерзли бы до дна. Многие из живых существ подводного царства были бы обречены на гибель.

Вот и получается, что, если бы не такие чудесные свойства воды, процесс замерзания содержимого Мирового океана начинался бы с придонных слоев, продолжаясь до самой поверхности; естественно, что при этом большинство земных озер, морей и океанов стали бы твердым льдом с поверхностным слоем воды глубиной несколько метров. Даже если бы температура воздуха увеличилась, лед на дне не растаял бы полностью. Иными словами, если бы вода вела себя как большинство жидкостей, то наша планета скорее всего была бы мертвым миром.

Между тем жизнь сегодня наполняет и приполярные районы, где есть даже местные жители, история которых насчитывает тысячелетия борьбы со льдом и снегом. Предки современных эскимосов, населявшие арктическое побережье Северной Америки, еще во второй половине первого тысячелетия нашей эры научились строить хижины из льда. В большинстве это были небольшие хижины (иглу) на семью из четырех человек, хотя встречаются и общественные постройки для игр и праздников, вмещающие до сотни человек. Эти хижины имели куполообразную форму с внутренним диаметром до 3 и высотой до 2 метров. Куполообразная форма придает иглу большую прочность, позволяющую выдерживать порывы полярного ветра и вес снежных заносов, она также сводит до минимума тепловые потери через внешнюю поверхность, сложенную из плотных снежно-ледяных блоков разной формы. При глубоком снеге вход обычно устраивается в полу, ко входу прорывается коридор. При этом вход в иглу должен быть ниже уровня пола для вентиляции свежего воздуха и сохранения тепла.

Свет в иглу проникает прямо через снежные стены, хотя иногда устраиваются окна из рыбьих пузырей или льда. Внутреннее помещение обычно застилают шкурами, иногда шкурами покрывают и стены. Для обогрева жилища и дополнительного его освещения используются плошки-жирники. В результате нагревания внутренние поверхности стен оплавляются, но стены не тают, так как снег легко выводит избыточное тепло наружу хижины. Поэтому в хижине может поддерживаться комфортная для жизни температура. Кроме того, снежная хижина впитывает изнутри излишнюю влагу, в результате чего в помещении достаточно сухо.

Эскимосы могут строить целые поселения из хижин иглу, соединенных переходами.

Строительство хижины иглу

В Якутии иногда также создают ледяные хижины. Для этого деревянные жилые строения щедро обливают на морозе водой. Образующаяся после замерзания воды довольно толстая корка льда способствует лучшему сохранению тепла в помещениях.

Известны и целые дворцы, выполненные изо льда. Один из таких примеров ледяного зодчества был создан в 1740 году по приказу русской императрицы Анна Иоанновны для «потешной» свадьбы своего любимого скомороха и одной из придворных приживалок. Для этого в Петербурге на Неве выстроили ледяной дворец. Его стены и пол были выложены ледяными плитами, скрепленными застывшей водой. Современники отмечали красоту и прочность этого ледяного дома, который растаял только поздней весной.

Конструкции изо льда могут возникать и без участия человека. Крупные обломки скал в виде каменных плит, падающих иногда с горных склонов на поверхность ледников, предохраняют находящийся под ними лед от таяния. Поскольку не защищенный от прямого воздействия солнечных лучей лед тает, каменная плита через некоторое время оказывается стоящей на ледяной колонне на поверхности ледника. Небольшие камни на поверхности ледника, наоборот, довольно сильно нагреваются солнцем, расплавляют под собой лед и опускаются в него на некоторую глубину. В результате в леднике образуются «ледяные стаканы» с камнями на дне. Подобные явления наблюдаются и в Арктике. Так, через несколько лет после консервации одной из северных станций ее палатки были обнаружены как бы стоящими на высоких постаментах. Причиной этому послужило таяние льда вокруг палаток, в то время как их тенты заслоняли лед от солнечных лучей.

Большую роль до сих пор играет лед и в зимних переправах через необъятные сибирские реки. Еще сравнительно недавно на него даже укладывали железнодорожное полотно. Например, одна из таких переправ длиной почти в 50 километров долго существовала через озеро Байкал. А во время Великой Отечественной войны по льду Ладожского озера к осажденному Ленинграду проходила автомобильная дорога протяженностью без малого в 30 километров и известная в истории как Дорога жизни.

После создания в Арктике и Антарктике первых исследовательских станций посадка самолетов на лед толщиной в 1,5–2 метра стала обычным явлением. Наибольшая нагрузка на лед в этом случае имеет место не при начальном соприкосновении самолета со льдом, а при полной его остановке. При низких температурах посадка на лед более надежна, так как при этом больше и толщина льда, и прочность ледяного покрова. Морской лед менее прочен, чем пресноводный, зато более гибок и хорошо выдерживает посадку самолетов.

А знаем ли мы, что собой представляет обычный лед?

Самое любопытное, что до сих пор неизвестны все виды этого удивительного состояния воды. Ученые, занимающиеся исследованием льда, кристаллофизики и гляциологи, насчитывают 12 его основных разновидностей, в том числе загадочный «аморфный лед», встречающийся в открытом космосе. Одной из самых экзотических форм является, наверное, лед–9, образующийся при сверхвысоких давлениях. Он не тает при комнатной температуре и для перехода в жидкость его нужно нагреть почти до точки кипения воды в обычных условиях. Некоторые формы, лед–7 и лед–10, обладают феноменальной прочностью и твердостью, настолько высокой, что могут даже служить конструкционными материалами.

Давление обычно помогает жидкостям затвердевать: под давлением жидкости замерзают при более высокой температуре, и удивляться тут нечему, если вспомнить, что большинство веществ при застывании уменьшается в объеме. Давление вызывает уменьшение объема и этим облегчает переход жидкости в твердое состояние. Вода же при застывании, как мы уже знаем, не уменьшается в объеме, а наоборот, расширяется. Поэтому-то давление, препятствуя расширению воды, понижает температуру ее замерзания.

Само название единственного ледового континента, расположенного на самом крайнем юге нашей планеты, по-гречески означает «противоположность Арктике». Центр Антарктиды примерно совпадает с южным географическим полюсом, а самый южный континент омывают воды Южного океана. Антарктический ледниковый покров является крупнейшим на нашей планете и в десять раз превосходит льды Гренландии. В нем сосредоточено около 90 % всех земных льдов. Антарктический ледяной купол имеет многокилометровую толщину (до 5 километров) и увеличивает крутизну своих склонов с выходом к побережью, где он окружен шельфовыми ледниками. Гигантские массы льда на антарктическом куполе медленно текут на побережье континента, где откалываются в виде ледовых полей и отдельных айсбергов. Особенностью Антарктиды является большая площадь шельфовых ледников западной области континента, эти ледники являются источниками айсбергов рекордных размеров, значительно превосходящих северные «ледяные горы» ледников Гренландии. Так, самый большой известный айсберг представлял собой ледяное поле площадью свыше 10 тысяч квадратных километров.

Ледниковый покров Антарктиды сформировался около 14 млн лет назад, чему способствовал, по-видимому, разрыв перемычки, соединяющей Южную Америку и Антарктический полуостров. Это, в свою очередь, привело к возникновению антарктического течения западных ветров и своеобразной изоляции антарктических вод в акватории Южного океана.

Колоссальная масса льда сосредоточена и в Гренландии. Этот самый большой в мире остров омывается Атлантическим и Северным Ледовитым океаном. Большая часть Гренландии покрыта ледниковым щитом, занимающим всю внутреннюю часть и некоторые береговые районы. Поверхность ледникового щита постепенно повышается от берегов внутрь острова и имеет форму пологого свода, вытянутого с севера на юг. Ложе ледника имеет вогнутую форму со средней толщиной льда свыше 2 километров, а его поверхность покрыта слоем снега, пересеваемого ветром и образующим слабые всхолмления – заструги. На нижнем уровне ложе щита расчленено водными потоками, возникающими летом при таянии снега и льда, а у краев разбито глубокими трещинами. Верхние слои льда перемещаются от центра к западным и восточным краям ледника со средней скоростью около полутора сотен метров в год. У краев скорость возрастает, на отдельных участках в движение приходит вся толща льда, и образуются выводные ледники. Это узкие продолговатые отростки щита, которые по долинам достигают океана и дают начало айсбергам, выносимым в северную часть Атлантики. На северном склоне щита лед малоподвижен.

В Восточной Арктике ежегодно рождается около 7,5 тысяч айсбергов. Очень много их появляется и в антарктических водах. В Восточной Антарктике, например, на площади, обследованной кораблями и самолетами, насчитали 31 тысячу ледяных гор.

Антарктида и Гренландия порождают непрерывный поток айсбергов, некоторые из них быстрые течения доносят даже до тропиков. Эти ледяные горы, в точном переводе с немецкого, представляют собой свободно плавающую в приполярных водах массу льда. Чаще всего айсберги откалываются от шельфовых ледников – плавучих или частично опирающихся на дно и текущих от берега в море, в виде утончающейся к краю плиты, заканчивающейся обрывом. Они представляют собой продолжение наземных ледниковых покровов, реже образуются путем накопления снега на морском льду и цементирования снегом и льдом скоплений тех же айсбергов. Природа айсбергов была впервые объяснена еще Ломоносовым. Поскольку плотность льда составляет 920 кг/м³, а плотность морской воды – около 1025 кг/м³, то около 90 % объема айсберга находится под водой.

Большой айсберг часто выглядит как остров, особенно если посмотреть на него сверху. Тогда на нем можно увидеть очертания гор, русла рек. Лед нередко усеян валунами, обломками скал, в некоторых местах даже есть остатки почвы.

Многие месяцы и годы странствуют в морях и океанах опасные ледяные горы. Предполагают, что возраст их может достигать десятка лет, если, конечно, течения не вынесут айсберг в теплые воды. Постепенно ветер и туман, волны и теплый воздух разрушают айсберг – он тает, уменьшается, раскалывается на части. Но отдельные осколки ледяных гор, вернее, уже не осколки, а сглаженные волнами округлые льдины весом в несколько тонн – моряки называют их «орехами» – становятся еще опаснее, чем большие горы льда: айсберг хорошо виден на экране радиолокатора, а такой «орех» остается незамеченным и поэтому может стать причиной катастрофы.

В океанах встречаются ледяные стокилометровые исполины с рекордной площадью в десятки тысяч квадратных километров. Айсберги очень опасны, ведь даже современный океанский лайнер по сравнению с такой огромной плавающей глыбой льда – игрушка. Правда, сейчас у мореплавателей уже появилась возможность избежать столкновения: современные навигационные приборы, в частности радиолокаторы, позволяют видеть в любых метеорологических условиях. Тем не менее история мореплавания знает множество кораблекрушений, связанных с подобными столкновениями.

Родина столообразных айсбергов – шельфовые покровные ледники. Они, как мы уже говорили, покрывают поверхность арктических островов и Антарктического материка и постепенно сползают к океану. Иногда такой ледниковый покров растекается и по поверхности моря, образуя шельфовые прибрежные ледники. От них-то и отрываются временами большие столообразные ледяные поля, странствующие под действием ветров и течений. Пирамидальные айсберги рождаются в ледниках, спускающихся к океану с гор, и с оглушительным грохотом откалываются от «материнского» ледника, нависшего над морем.

«Ледяные бродяги» раньше интересовали только штурманов, прокладывающих курс, но в наши дни на них все чаще высаживаются экспедиции гидрологов, ищущих запасы воды, годной для питья. Айсберги – это естественные кладовые драгоценной влаги, ведь каждый из них несет огромное количество чистейшей пресной воды! Отсюда возникла заманчивая идея буксировать ледяные горы туда, где больше всего ощущается потребность в воде.

С транспортировкой айсберга средних размеров (а в нем около 10 млрд тонн) могли бы справиться несколько крупных буксирных судов. При благоприятных метеорологических условиях такое путешествие займет месяцы. Но зато целый год большой край может быть обеспечен чистейшей водой.

Еще более перспективны проекты использования гигантских дирижаблей, которые могли бы загружаться льдом из гренландского щита и транспортировать его в течение нескольких дней в Северную Америку, Европу и даже Северную Африку.

Снежные фракталы

По виду снежинок метеорологи судят о погоде в верхних слоях атмосферы в дни, когда снегопад не позволяет вести наблюдения. Оказывается, их размер и характер зависят от вида и высоты облаков, в которых они образовались, от температуры тех слоев атмосферы, которые снежинкам пришлось пересечь при падении на землю.

Присмотритесь к ледяным узорам на окнах, подсвеченных солнечными лучами, – редкое по красоте зрелище. Среди многих видов морозных разводов ученые-кристаллофизики выделяют два больших класса ледяных кристаллов: древовидные дендриты и волокнистые, нитевидные трихиты.

От чего же зависит образование удивительных оконных узоров? Физики давно выяснили, что характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. Так, при нескольких градусах мороза на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного рыхлого льда. А вот если мороз приходит на смену влажной оттепели, то на стекле, да и на другой ровной поверхности, сначала отлагается пленка воды, которая и превращается в дендритные картины.

Веточки трихиты образуются у острых краев царапин, при этом вначале возникают узкие параллельные полоски инея, превращающиеся при дальнейшем охлаждении в пучки изогнутых ледяных волокон, исходящие от основного стебля

Чаще всего дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где натекает больше воды, поэтому там размеры плоских кристаллов и их рисунок несколько иные. Чем выше вы будете переводить взгляд, тем разительнее будет меняться вид и размеры дендритов, истончаясь и закругляясь. Если же мороз продолжает увеличиваться, то между дендритами, красиво их декорируя, появляются тонкие прослойки пушистого льда. Иногда антициклон стремительно сменяет влажный циклон, так что похолодание происходит резко и на значительную величину, – в этом случая окна покрываются сеткой мелких кристалликов дендритов. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации и дендриты растут островками, а сами кристаллики малы и расплывчаты.

Как же именно распределяются узоры на стекле, складываясь во фрактальные картины? Надо вспомнить, что любой процесс кристаллизации и расплавленного металла в форме, и солевого раствора – рапы на берегу лимана, начинается там, где расположены какие-либо посторонние включения – затравки кристаллизации. Вот и при начальном образовании тонкого слоя льда в качестве затравок кристаллизации выступают самые разные неоднородности оконной поверхности – прилипшие частички, царапины, сколы. Именно от их взаимного расположения и зависит вид морозной картины оконных узоров.

Иногда при недостатке влаги на окнах отлагается редкий иней, состоящий из прекрасных снежинок, напоминающих те, что падают на ладони в снегопад. Форма и вид отдельных снежинок интересовала многих естествоиспытателей еще в незапамятные времена. Так, выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер выяснил, что почти все снежинки представляют собой шестиконечные кристаллики, а его французский коллега великий мыслитель Рене Декарт опубликовал первые реалистичные зарисовки снежинок. На его эскизах можно увидеть даже двенадцати– и восемнадцатиконечные кристаллики, которые в природе встречаются довольно редко.

Процесс рождения снежинок в облаках весьма любопытен. Они происходят из мельчайшей взвеси водяного пара. Сначала крохотные капельки остывают до температуры ниже нуля, но при этом еще не замерзают. Лишь витающие в воздухе пылинки способствуют их превращению в снег. Как только капельки сталкиваются с затравочными центрами кристаллизации, они тут же превращаются в шестиконечные кристаллики.

Снежинка – ледяной кристалл, который может иметь удивительную совершенную форму. Трудами многих поколений исследователей создана гигантская многотысячная коллекция зарисовок и фотографий снежных кристаллов. Причем ответить на вопрос, сколько же форм может иметь снежинка, пока еще никто не берется. Твердо установлено лишь одно: капелька воды может превращаться в две основные формы – шестиугольные пластинку и звезду. А вот в пределах этих форм природа способна на практически бесконечные вариации своей фантазии.

Кристаллофизики давно установили, что на вид снежинок большое влияние оказывает влажность морозного воздуха. Так, в сухую морозную погоду снежные кристаллики, долетев до земли, как бы усыхают, съеживаются, а во влажном воздухе, при нескольких градусах ниже нуля, они растут в падении и становятся похожими на крупные мохнатые хлопья. Не существует и двух совершенно одинаковых снежинок, что вызывает вопрос: почему так многообразны по форме эти кристаллики льда и в силу каких причин одна и та же капелька воды, замерзая, принимает то одну, то другую форму?

Может быть, все дело в том, что по пути к земле снежинки притягивают к себе все новые капли воды, постепенно увеличиваясь в размерах. Встречая поток очень холодного воздуха, кристаллик начинает расти в высоту, вытягивается в небольшой столбик, а в более теплых слоях воздуха формируются сложные пластинчатые формы. Если же температура воздуха оказывается выше точки замерзания, снежинка тает, вновь превращаясь в дождевую каплю.

В действительности судьба снежинок, конечно же, сложнее, ведь их обдувают потоки воздуха и они минуют множество температурных слоев. Именно постоянное изменение температурных условий и влажности превращает кристаллики снега в уникальное творение. Кристаллофизики, обследовав под микроскопом десятки тысяч снежных кристалликов, выявили у них самые разнообразные индивидуальные черты, нарушавшие симметрию. Тут и там виднелись точечные и нитевидные наросты, придававшие каждой снежинке уникальность!

Да и сам снег отличается по месту своего выпадения: особенной твердостью обладает снег в Антарктиде. За 3–4 дня он становится таким монолитным, что его с трудом берет нож бульдозера. Здесь наблюдается интересное явление, названное «голосом снега». Звуки, чем-то напоминающие приглушенные вскрики, возникают при ходьбе по снегу и представляют собой обыкновенный снежный скрип, приобретающий в разряженном вымороженном воздухе антарктического щита совершенно необычную тональность.

Ледовые миражи

Ученые, изучающие оптические явления в атмосфере, давно обратили внимание: когда солнце бывает затянуто дымчатой пеленой высотных перисто-слоистых облаков, вокруг него появляются концентрические круги – гало. В переводе с греческого этот оптический феномен означает «круг», «диск», «аура», «нимб» или «ореол», он представляет собой светящееся кольцо вокруг источника света. Гало обычно появляется вокруг Солнца или Луны, иногда вокруг достаточно сильных уличных огней.

Специальные опыты, которые неоднократно ставили ученые-оптики, показали, что солнечные круги представляют собой результат отражения солнечных лучей от боковых граней шестигранных кристалликов льда, плавающих в воздухе в вертикальном положении. Лучи солнца падают на такие кристаллики, отражаются от них, как от зеркала, и попадают нам в глаза. А поскольку это зеркало особенное, оно составлено из бесчисленной массы ледяных частиц и к тому же оказывается на какое-то время как бы лежащим в плоскости горизонта, то и отражение солнечного диска мы видим в той же плоскости. Получается два солнца: одно настоящее, а рядом с ним, но в другой плоскости – его двойник в виде большого светлого круга.

Существует множество типов гало, но вызываются все они преимущественно ледяными кристаллами в перистых облаках на многокилометровой высоте в верхних слоях тропосферы. Такие облака плавают в атмосфере на высоте 6–8 километров над землей и состоят из мельчайших кристалликов льда, которые чаще всего имеют форму шестигранных столбиков или пластинок.

Земная атмосфера не знает покоя. Ледяные кристаллики, опускаясь и поднимаясь в потоках воздуха, то подобно зеркалу отражают, то подобно стеклянной призме преломляют падающие на них солнечные лучи. В результате этой сложной оптической игры и появляются на небе ложные солнца и другие обманчивые картины, в которых при желании можно увидеть что угодно…

Наиболее часто среди этих явлений наблюдается гало в 22° – так называется описанный около светила светящийся круг радиусом в угловой мере в 22°, окрашенный в красный цвет, резко очерченный с внутренней стороны и имеющий фиолетовую окраску, постепенно сливающуюся с синевой неба со стороны внешней. Красная окраска изнутри и фиолетовая снаружи объясняется различным преломлением световых лучей в кристаллах. При слабом лунном свете цвета гало не воспринимаются глазом, и тогда оно имеет вид белого круга.

Гало – оптические явления, которые наблюдаются благодаря преломлению и отражению света ледяными кристаллами перистых облаков. Как правило, гало наблюдаются перед приходом на данную территорию циклона или при прохождении циклона в некотором отдалении от места наблюдения. Перистые облака, на которых возникают гало, имеют вертикальную протяженность около 1,6 км

Гало в 46° – описанный вокруг Солнца или Луны светящийся круг радиусом в 46°. Распределение в нем цветов такое же, как в предыдущем гало, но наблюдается оно реже и не всегда имеет полное развитие. Горизонтальный круг, который проходит через светило параллельно горизонту, представляет собой белый светящийся круг, иногда часть круга. Касательные дуги, обращенные выпуклостью к светилу дуги у гало в 22° и 46°, окрашены в красный цвет со стороны светила и в фиолетовый – с противоположной стороны. В точках пересечения гало и горизонтального круга возникают яркие цветные или белые пятна. Это ложные солнца или луны. Они имеют красную окраску со стороны, обращенной к светилу. Иногда ложные солнца или луны наблюдаются самостоятельно, без гало, нередко за ними в сторону от светила тянутся световые хвосты.

Кристаллы перистых облаков могут быть ориентированы в атмосфере беспорядочно, горизонтально и вертикально; гало в 22° образуется за счет преломления света в ледяных призмах с преломляющим углом в 60° при их беспорядочной ориентации, а ложные солнца и луны – на таких же призмах, но с вертикальной ориентацией. Касательные дуги возникают на кристаллах с преломляющим углом также в 60°, но преломляющие ребра этих кристаллов располагаются в атмосфере горизонтально. Все явления, связанные с гало в 46°, образуются как и в случае гало в 22°, но преломляющий угол кристаллов при этом составляет 90°.

Развитие горизонтального круга происходит за счет отражения света от кристаллов, ориентированных вертикально. Именно поэтому горизонтальный круг имеет белую окраску. Первая теория гало была дана французским физиком Эдмом Мариоттом.

Вид наблюдаемого гало зависит от формы и расположения водяных кристалликов. Отраженный и преломленный ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу, однако гало в условиях низкой освещенности имеет малую цветность, что связано с особенностями сумеречного зрения. Среди форм гало есть и весьма редкие. Например, метеорологи наблюдали, описали и зарисовали, как вокруг Солнца светились два радужных круга – один больше, другой меньше; сверху и снизу к ним примыкали яркие полудуги, похожие на широкие рога. Солнце и радужные круги пересекала белая полоса, параллельно горизонту опоясывающая небо. В местах пересечения этой полосы с малым радужным кругом сияли два ложных солнца; их стороны, обращенные к солнцу, были красны, а от противоположных сторон тянулись длинные светящиеся хвосты. Три таких же пятна были видны и против Солнца – на белой полосе. Шестое, очень яркое, пятно блестело на малом радужном круге выше Солнца. Все это держалось на небе около пяти часов.

Как уже говорилось, чаще других можно наблюдать два ложных солнца – по ту и по другую сторону от настоящего светила. Иной раз появляется один светлый, слегка окрашенный в радужные тона круг, опоясывающий Солнце. А то после солнечного заката на потемневшем небе вдруг возникает огромный светящийся столб.

Бывает, что отражение солнечного света от маленьких кристалликов льда, плавающих в морозном воздухе, порождает светящийся столб. Получается это потому, что тут в игре света участвуют кристаллики в виде пластинок. Нижние грани пластинок отражают свет скрывшегося уже за горизонтом солнца, и мы вместо самого Солнца видим некоторое время уходящую в небо от горизонта светящуюся дорожку – искаженное до неузнаваемости изображение солнечного диска. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами. Подвешенные в воздухе плоские кристаллы вызывают солнечные столбы, если Солнце находится на высоте нескольких градусов над горизонтом либо позади него, столбовидные – если Солнце на высоте уже в десятки градусов. Кристаллы стремятся занять горизонтальную позицию при падении в воздухе, и вид светового столба зависит от их взаимного расположения. Нечто подобное можно видеть в лунную ночь на берегу моря или озер – это лунная дорожка, игра света на воде – зеркальное отражение Луны, сильно растянутое из-за того, что поверхность воды подернута рябью. Слегка волнующаяся вода отражает падающий на нее лунный свет так, что мы воспринимаем как бы многие десятки отдельных отражений Луны, из них и складывается воспетая поэтами лунная дорожка.

Не всякие перистые облака дают яркое, хорошо заметное гало. Для этого нужно, чтобы они были не слишком плотными, Солнце легко просвечивалось сквозь них, и в то же время в воздухе должно находиться достаточное количество ледяных кристалликов. Впрочем, гало может появиться и в совсем чистом, безоблачном небе. Это значит, что высоко в атмосфере плавает много отдельных ледяных кристалликов, но без облачного образования. Так бывает в зимние дни, когда стоит ясная морозная погода.

КЛИМАТ ПЛАНЕТЫ. Как все начиналось

Рельеф дна Мирового океана

Океанское ложе устроено очень сложно. Предполагается, что океанические хребты образовались там, где глубинные породы мантии поднимаются под влиянием радиоактивного разогрева. Они выжимаются сквозь трещины земной коры, раздвигая ее, отсюда возможно смещение окружающих материков. Толчки океанского дна вызывают гигантские цунами, обрушивающиеся на берега и уничтожающие города

Сибирские траппы – следы пермско-триасового катаклизма, когда произошло крупнейшее вымирание видов истории Земли. Катастрофа началась четверть миллиарда лет назад и длилась около сотни тысяч лет. За это время на поверхность вылилось порядка 2 млрд кубометров расплавленной породы. Она покрыла почти всю Западную Сибирь и сформировала необычный рельеф

КЛИМАТ ПЛАНЕТЫ. Земная преджизнь

Озеро Чеко

Группа итальянских геологов из Болонского университета выдвинула гипотезу о том, что кратером Тунгусского метеорита может быть это озеро, расположенное в 8 км на северо-запад от эпицентра взрыва

Кратер Маникуаган

Кратер, в котором теперь озеро, образовался в результате столкновения с небесным телом диаметром 5 км около 215 млн лет назад. Даже с учетом эрозийных процессов он считается одним из крупнейших и лучше всего сохранившихся кратеров на Земле. Кольцеобразное озеро вместе с островом хорошо видны из космоса, из-за чего их также называют «глаз Квебека»

Кратер Акраман

Кратер в Южной Австралии, сформировавшийся в результате падения метеорита около 590 млн лет назад. Удар создал кратер около 90 км в диаметре. Взрыв привел к распространению обломков на расстояние до 450 км. Последующие геологические процессы деформировали кратер, и в нем образовалось озеро Акраман

Кратер Чиксулуб

Кратер, возраст которого исчисляется примерно в 65 млн лет, находится в Мексике, на полуострове Юкатан. Многие ученые считают, что метеорит, который оставил этот кратер, был причиной или способствовал вымиранию динозавров. Его диаметр оценивают в диапазоне от 170 до 300 километров

Кратер Садбери

Кратер сформировался в результате падения кометы, произошедшего 1,85 млрд лет назад. От удара образовался кратер диаметром 248 км. Это второй по величине метеоритный кратер на Земле, он находится в канадском Онтарио. По периметру кратера найдены крупные залежи никелевой и медной руды

КУХНЯ ПОГОДЫ. Дыхание Мирового океана

Айсберги образуются в результате откола большой глыбы льда от шельфовых ледников в Арктике и Антарктиде. Поскольку плотность льда составляет 920 кг/м³, а плотность морской воды – около 1025 кг/м³, примерно 90 % объема айсберга находится под водой

Отель в ледяной хижине иглу

Ледяной каньон в Гренландии — самый длинный каньон на Земле, он мог значительно повлиять на формирование ледникового щита

Авария на буровой платформе в Мексиканском заливе, 2010

В воды залива просочилось около 5 млн баррелей сырой нефти. 1100 миль побережья были загрязнены. Некоторые исследователи высказывали опасения относительно влияния нефтяной аварии на климатообразующее течение Гольфстрим

КУХНЯ ПОГОДЫ. Гидрологический цикл

Гидросфера – водная оболочка Земли. Ее принято делить на Мировой океан, континентальные поверхностные и подземные воды. Самая большая часть гидросферы приходится на океаны. Так, Мировой океан составляет 96,5 % гидросферы

Дельта Волги — самая большая речная дельта Европы, насчитывающая до 500 рукавов, протоков и мелких речек. Из-за понижения уровня Каспийского моря площадь дельты – увеличилась за последние 130 лет в 9 раз

Хуанхэ 2 тыс. лет назад текла вровень с берегами, приходилось строить дамбы, однако отложение наносов приводило к повышению уровня дна. Поэтому поднимался и уровень реки – и дамбы приходилось наращивать в высоту. В итоге образовался замкнутый круг: чем прочнее и выше становились дамбы, тем выше поднималась вода, отчего росла угроза катастрофических наводнений

ПРИРОДА ПОГОДНЫХ АНОМАЛИЙ

Вымяобразные облака – мамматусы

Для грозовых штормов, порождающих мамматусы, характерна высокая вероятность появления шаровых молний

Смерч

Атмосферный вихрь, возникающий в грозовом облаке и распространяющийся вниз в виде облачного вращающегося хобота. Если смерч касается поверхности воды, его диаметр обычно составляет 20–30 м, а при прохождении воронки над сушей может достигать 1,5–3 км

Рождение тропического циклона

Тропические циклоны дают быстрый и эффективный отвод солнечной энергии из экваториальной зоны. Самые мощные и разрушительные из них – тропические штормы и ураганы. Однако они – весьма полезные проявления земной погоды, осуществляющие быстрый перенос тепла. Без них Земле грозил бы тепловой удар

Часть 4. Природа погодных аномалий

Темная середина облака провисала все ниже. Серебристые края его зловеще дымились. Наползали тени, ветер укрылся в деревьях, по-кошачьи перебирая мягкие листья.

Потемнело. Вместе с душной темнотой опускалась тишина, ясно слышная сквозь шум города. Несколько тяжелых капель звучно ударили о землю. Первая пристрелка, сигнал тревоги. Лебеди на пруду быстро плыли к дощатой будке… и тотчас, включая грозу, вспыхнула молния. Еще. Еще, и крупный, сильный дождь наполнил парк плещущим шумом…

С карниза полилась, набухая, толстая, чуть поблескивающая струя. Ветвистый лиловый зигзаг молнии прорезал небо наискосок, упал где-то рядом, и холодный металлический свет проблеснул на тысячах мокрых листьев…

Гром взорвался над головами, сотрясая воздух.

Даниил Гранин. Иду на грозу

Разнообразны формы облаков, образующихся в небесной сини: то они походят на огромные куски ваты, то напоминают птичьи перья, а порой небо закрывается сплошной, однообразной серой пеленой, в которой надолго гаснут лучи солнца.

Облака, как мы уже говорили, – это скопление капелек воды и кристалликов льда. Но на землю они начинают выпадать только тогда, когда становятся достаточно крупными. Пока облако состоит из очень мелких капелек, их поддерживают восходящие потоки воздуха.

Редкое природное явление – лентикулярное облако. Такие облака образуются между двумя слоями воздуха и неподвижно зависают с подветренной стороны горных хребтов. Их появление обычно связано с приближением мощного атмосферного фронта

Что ведет к увеличению капелек воды в облаке? Первая причина: на мельчайшие капли еще и еще осаждаются частички водяного пара из воздуха – другими словами, в облаке продолжается процесс конденсации водяного пара. И вторая: отдельные капельки, двигаясь в облаке во всех направлениях, часто сталкиваются друг с другом и при этом иногда сливаются. Однако оба эти пути не всегда приводят к дождю.

Если облако состоит из одних капелек воды, то укрупнение капель в нем идет очень медленно. Чтобы образовалась всего одна дождевая капля, должны соединиться вместе не менее миллиона мелких облачных капель!

Совсем другие условия создаются в мощных смешанных облаках, которые в своей верхней части состоят из ледяных кристаллов, а в нижней – из водяных капель. Здесь формирование дождевого облака идет значительно быстрее. Из таких смешанных облаков в наших широтах может выпадать сильный дождь, порой ливень.

Мощные дождевые облака образуются обычно в дни, когда стоит жара и в воздухе много влаги. Возникнув в потоке влажного воздуха, поднимающегося от нагретой земли, такое облако быстро растет. Увеличиваясь в размерах, оно поднимается все выше и выше. Если условия для роста благоприятны, то скоро облако достигает высоких слоев, где царит холод. На уровне 8 км температура воздуха нередко опускается до 30о мороза. При столь сильном холоде капельки воды в верхней части облака начинают превращаться в кристаллики. Постепенно толщина облачного образования может достичь нескольких километров. Вершина его, освещенная солнцем, становится похожей на огромную снежную гору, темной громадой нависающую над землей.

Когда начинается дождь, поднимающиеся потоки воздуха пополняют это грозовое облако все новыми запасами влаги. Так продолжается, пока поток влажного воздуха не ослабнет. В летнее время в кучевых облаках скапливается порой прямо-таки гигантское количество воды – в каждом кубическом километре такого облака может содержаться ее до тысячи тонн.

Конечно, нарисованная картина образования облаков и превращения их в дождевые или снеговые тучи заведомо упрощена, в действительности весь этот процесс (и в целом, и в деталях) гораздо сложнее; нельзя сказать, что он изучен во всех подробностях. Но если смотреть на эту картину как на примерную схему, она верна.

Кстати, о слове «туча». Обычно в словарях, да и в разговорной речи, мы под этим словом понимаем облако вообще, из которого уже выпадают осадки – или скоро выпадут. Но у специалистов-метеорологов своя терминология. К дождевым облакам они относят самые различные их формы – как по происхождению, так и по физическим свойствам: кучево-дождевые и слоисто-дождевые, а также слоисто-кучевые, высокослоистые и слоистые.

Мы часто ошибаемся, когда думаем: чем темнее надвигающаяся туча, тем более сильным дождем она прольется. Однако от угрожающего вида дождевого облака никак не зависит характер дождя.

Оценку общей энергии грозы можно произвести на основе общего количества воды, выпавшей из облака. Типична энергия порядка 100 млн кВт/ч, что эквивалентно ядерному заряду в 20 килотонн

Понаблюдайте, и вы убедитесь: мрачного вида тучи часто проходят, не пролив ни капли. Дело в том, что они обычно состоят из очень мелких капелек, и запас влаги в них не столь уж велик. А вот когда над нами нависает темное дождевое облако со свинцовым оттенком, тут уж жди дождя, и неслабого.

Ну, а где можно встретить ливни, о которых говорят: «поток воды, низвергающийся с неба»?

Наводнения

Совершим путешествие на полуостров Индостан, там тропические циклоны Аравийского моря и Бенгальского залива, а также летние муссоны приносят на территорию Индии огромные массы теплого воздуха. При подъеме по горным склонам за счет трения о земную поверхность и развития конвекции движение воздушных потоков замедляется. Это приводит к увеличению количества выпадающих осадков. Наиболее интенсивные осадки в Индии отмечаются в наветренной части предгорий, особенно при продвижении на север теплых воздушных масс Бенгальского залива.

Наводнения, вызванные ливневыми дождями, – извечное бедствие, преследующее людей. Связанные с ним легенды вроде библейского мифа о всемирном потопе встречаются в фольклоре многих народов. Подчас следы упоминаемых в легендах потопов обнаруживаются и при археологических раскопках.

Сведения о буйных паводках и половодьях встречаются в русских летописях, церковных и городских памятных записях, но все эти сведения разрозненные, случайные. Только с 1876 года в России стали вести регулярные наблюдения на реках, в первую очередь, конечно, тех, что отличались своенравием и не раз давали волю своей стихии. А где стихия, там, как правило, бедствие.

В высоких горах, среди вечных льдов, рождаются бурные горные реки. Они стремительно скатываются вниз, прорезая даже самые крепкие породы. Обычно русла горных рек – глубокие скалистые ущелья. Дно их заполнено большими и мелкими камнями – обломками горных пород. Массы песка, глины, валунов выносит вода со склонов.

Реки являются значительной частью ресурсов пресной воды. Вследствие непрерывной возобновляемости и легкодоступности именно речные воды наиболее пригодны для использования человеком. В развитии общества их роль чрезвычайно велика, ведь хозяйственная деятельность без них практически невозможна. Реки служат путями сообщения, их используют для создания оросительных систем, они являются источниками механической энергии, водоснабжения и, особенно в последнее время, незаменимыми поставщиками пресной воды для промышленности.

Одна из величайших рек Азии Инд стекает с Тибетского нагорья. Здесь есть ущелья, глубина которых измеряется несколькими километрами. Через каждые 3–4 года уровень воды в реке, по выходе из гор, вдруг катастрофически повышается на 12–15 м выше среднего. Начинается наводнение… Причина этого явления кроется в периодических движениях ледника. Несколько лет накапливается за огромной ледниковой плотиной вода, уровень ее все поднимается. Наконец она переливается через край ледяного барьера, размывает его и грозным селевым потоком катится вниз…

Так обычно «поступают» все большие горные реки, спустившись с гор. Количество наносов, которые такие реки откладывают в своих нижних течениях, огромны. Многие реки почти все свои взвеси оставляют в виде наносов в среднем и нижнем течении. А у моря они образуют заливы (губы) либо лиманы. Но есть и такие, которые несут свой груз до конца к морю и только там расстаются с ним. Из столетия в столетие продолжалась такая работа, и вот результат: устье в виде дельты – разветвленной сети проток, рукавов, отмелей, островов и островков. Характерный пример – дельта великой русской реки Волги, уникальный сюрприз природы с богатейшим растительным и животным миром.

Дельта Дуная – вторая по величине после дельты Волги. Из-за заиления одних русел и образования других линия фарватера рукавов реки изменчива, почему является причиной территориальных споров между несколькими государствами. Дельта Дуная признана ЮНЕСКО объектом Всемирного природного наследия

В низких заболоченных участках можно встретить особый вид реки – болотный. Такие реки обычно невелики, очень извилисты, с едва заметным течением. Берега их, как правило, травянистые, густо поросшие камышом, а русло – водорослями.

Для одних рек озеро – это конечный пункт, для других, наоборот, начало.

Вдоль побережья Красного моря тянется полоса земли, пересеченная многочисленными долинами с крутыми склонами. По этим долинам проходят караванные пути, связывающие Египет с приморьем. Есть у долин и другая «обязанность» – они служат естественным укрытием для людей от песчаных и пыльных бурь. Положение резко меняется, когда в этих зонах разражается ливень. Случается здесь это очень редко, но все же бывает. И тогда долины превращаются в бурные реки – вади, живущие всего несколько часов.

Уже говорилось, что земная поверхность не всегда была такой, какая она сейчас. Где нынче суша, там когда-то плескались морские волны. И наоборот: где была земля, теперь раскинулось море. А если так, то почему не предположить, что на дне морском можно найти русла затонувших рек?

Возможно, именно такая затонувшая река лежит на дне Атлантического океана – там на тысячи километров тянется большой каньон. Некоторые исследователи склоняются к мысли, что этот каньон в прошлом был речной системой, в которую несли свои воды реки Северной Америки, Гренландии и Исландии.

Если признать, что это предположение отвечает истине, то снимается пелена тайны с одного очень интересного факта. В некоторых впадающих в Атлантику реках Северной Америки и Западной Европы обитают одни и те же виды рыб. Причем такие, каких нет в других местах. Перебраться через океан они не могли – морская вода далеко не их стихия. Они могли перебраться только собственным путем – из реки в реку.

Когда река резко меняет русло, не просто ответить на вопрос, а та ли это река теперь или, может быть, совсем другая? Представьте: тихо журчит в ущелье маленькая речка, даже ручей. Можно без устали любоваться его струями, то обтекающими разбросанные там и сям валуны, то устраивающими возле них пенные водовороты, и не подозревать, что этому мирному ручью ничего не стоит в одну минуту превратиться в беспощадного зверя. Резкий подъем воды, паводок, вызванный ливневыми дождями или бурным таянием снегов где-то в верховьях, – и вот ручей уже не ручей, а ревущий, сметающий на своем пути мутный от ила, песка и почвы поток.

Это – сель, что по-арабски и означает «бурный поток». Его знают во многих странах Азии и Европы, особенно часто это страшное явление можно наблюдать в ряде областей Индии, Китая, Турции и Ирана, а также в горных районах Анд и Кордильер – горных цепей, расположенных вблизи западных побережий Северной и Южной Америки. От селевых потоков периодически страдают и жители Кавказа, не говоря уже о Средней Азии, где этот природный феномен хорошо известен.

В ряде случаев причиной селя становятся не сами дожди или бурно тающие снега и ледники в горах, а горные озера различной природы. Переполнившие их массы воды размывают естественные берега, и сквозь рухнувшую перемычку вырывается страшный, высотой до десяти метров селевой поток. Ревущая лавина воды тащит с собой огромные каменные валуны, вырванные с корнем деревья, сметая все на своем пути. В большинстве случаев селевые потоки возникают вечером или ночью. Это имеет свое объяснение, ведь летом в жарких горных районах с утра обычно бывает безветренно и ясно, и если осадки выпадают, то большей частью во второй половине дня. А сели возникают в первую очередь после выпадения обильных осадков.

Колоссальные по своим масштабам «доисторические» сели во многом сформировали рельеф во время последнего ледникового периода на нашей планете. Вспомним, что около 100 тысяч лет назад на Земле началось великое оледенение. Климат в северных областях становился все суровее и суровее. В горах Северной Европы появились ледники. Постепенно увеличиваясь, они сползали вниз, покрывали леса и степи. Над современной Скандинавией образовалась километровая ледяная шапка, растущая с каждым годом и продвигающаяся в южном направлении. На огромных пространствах Европы и Азии образовалась безжизненная ледяная пустыня. Только около 15 тысяч лет назад снова пришло тепло, и колоссальный ледяной панцирь, покрывший Северную Европу, начал постепенно таять, порождая сели, неузнаваемо менявшие древний рельеф.

Вот пример исторической реконструкции одной из подобных катастроф. Двенадцать тысяч лет назад север Америки и Евразии был еще покрыт ледниками. Они медленно таяли, и талые воды заполняли естественные впадины, затопляли низменности и вызывали обширные разливы рек. На обширной части Канады образовалось гигантское пресноводное озеро, отделенное от Атлантического океана лишь стеной льда. Постепенно волны теплого воздуха истончили и этот последний барьер на пути озера в океан. Стремительный поток воды наконец прорвал ледяную перемычку и, быстро превратившись в чудовищный по своим масштабам сель, понесся, круша все на своем пути, к побережью Атлантики. Там, низвергнувшись с берега, доисторический сель рассеял морские течения, спутал и остановил их. Всего за несколько десятков лет средняя температура в Северной Европе упала на 10о, грянули сорокаградусные морозы. Этот неожиданный малый ледниковый период длился примерно тысячелетие.

Прошло еще 2–3 тысячи лет, и весь ледяной покров Северо-Западной Европы растаял. Но отступавший ледник и порожденные им сели оставили свои следы – многочисленные озера, болота и россыпи гигантских обломков скал. Разумеется, не все озера породил последний ледник, так, часть из них представляет собой остатки вод древнего Мирового океана. К ним относится, например, Каспий. Когда-то, в далеком прошлом, это было настоящее море, соединявшееся с Черным и имевшее выход в океан.

Такого же происхождения и Аральское море – фактически пересыхающее озеро, которое только по традиции называют морем. У Байкала даже больше оснований называться морем, если исходить из его основных параметров. Длина Байкала равна расстоянию между Москвой и Санкт-Петербургом, а глубина его не идет ни в какое сравнение с глубиной Арала, к тому же мелеющего. Байкал во многих отношениях просто уникален – это самое глубокое в мире озеро, его дно опускается более чем на полтора километра, поэтому и воды в нем больше, чем в мелководном Балтийском море.

Озера не только по-разному рождаются, но и по-разному живут. Многие из них, особенно крупные, получают воду от рек, другие питают подземные источники, а небольшие существуют в основном за счет сезонных осадков – дождя и снега. Весной и осенью такие озера широко разливаются, а летом и зимой пересыхают и вымерзают, сокращаясь до размеров малого пруда или большой, по сути, лужи.

Спутниковые снимки пересыхающего Аральского моря

Малые и даже средние по размерам озера имеют высокую вероятность превратиться через десятилетия в топкие болота или торфяники. Конечно, здесь главную роль играет озерная растительность, плавно переходящая в болотную. Так берега небольшого ставка могут зарасти камышом и осокой, а среди них тут же появятся островки моха-торфяника. Потоки дождевой и талой воды, речки и ручьи, впадая в водоем, сносят туда песок, глинозем, перегной и почву. Кроме того, происходит ежегодный круговорот озерной флоры – летняя растительность осенью засыхает и погружается на дно. Слой ила в придонных слоях непрерывно увеличивается, водоем катастрофически мелеет и зарастает, медленно превращаясь в болотистую трясину. Но и на этом превращения бывшего озера не прекращаются: под грузом гниющих, покрытых мхом растений, оно со временем превращается в торфяник. Как известно, гниение органических веществ может происходить только при доступе к ним кислорода воздуха. А во влажную глубину болота он не проникает, поэтому попавшие туда растения чернеют, обугливаются. Проходят сотни лет, и на месте болота образуется толстый слежавшийся слой таких обуглившихся растений – торф.

Грозы

Что же происходит в небесах во время гроз и почему они вдруг начинают так нещадно изливать на землю потоки воды?

Одна из причин ливневых дождей – особо сильный прогрев влажной почвы в жаркую летнюю пору. Масса испаряющейся с поверхности земли влаги образует (нередко это происходит у нас прямо на глазах) огромные тяжелые тучи. «Толщина» облачного слоя достигает 6–8, а то и 10 километров. Из них, из перенасыщенных, перегруженных водой туч, и низвергаются ливни.

Ливни такого происхождения особенно характерны для тропических широт. В наших широтах ливневые облака образуются, как правило, иначе: при фронтальной встрече различно нагретых воздушных масс, когда холодный воздух вклинивается в более теплый, и развивается сложный, бурный процесс по всей линии атмосферного фронта. Специалисты называют этот процесс конвекцией. Физический смысл его в том, что происходит перемещение больших воздушных масс с переносом теплоты и других физических факторов. С ним и связано образование кучево-дождевых облаков, несущих ливни и грозу.

Маленькую, далеко не точную, но зато наглядную модель этого процесса каждый из нас не один раз видел в своей жизни, открывая зимой, при сильном морозе, форточку. На дворе никакого тумана нет – чистый морозный воздух, но, врываясь в форточку, он почему-то начинает клубиться. А происходит это потому, что в нашем жилье воздух теплый, насыщен парами, они и конденсируются в морозном воздушном потоке. Чем больше влаги в комнатном воздухе, тем гуще, заметнее клубы морозного.

Представим себе, что в теплую весеннюю пору года на европейскую часть нашей страны с севера с большой скоростью вторглась холодная воздушная масса. Прежде всего на 10, а то и 15о понизится среднесуточная температура. Затем в тех местах, где, двигаясь к юго-востоку, холодные массы все глубже и глубже будут вклиниваться в нагретый, насыщенный испарениями воздух восточноевропейских равнин, начнется процесс интенсивного грозообразования. В результате на гигантской территории, от Среднерусской возвышенности до Причерноморской низменности, на тысячи километров протянется полоса гроз с ураганными порывами ветра и ливнями.

Хорошо еще, что такие региональные изменения погоды случаются довольно редко – раз в несколько лет, а то и десятилетие, позволяя европейцем понять, что такое ежегодные тропические ливни. В тропиках такая непогода, особенно в сезон дождей, очень опасна, ведь там ливни бывают насколько многоводны, что за сутки уровень осадков соответствует многолетним нормам для умеренных широт. Например, в северо-восточной части Индии, в гималайских предгорьях, находится самое дождливое место на Земле. Там в течение года выпадает в среднем 12,5 метра осадков. Это означает, что если бы пролившаяся дождевая вода не поглощалась почвой и различными стоками, она покрыла бы поверхность суши слоем такой толщины.

Подобные сюрпризы природа преподносит даже Австралии, где почти две трети территории обладают пустынным либо полупустынным климатом и где большинство рек (а их там не так уж много) – это русла без воды. Их называют «крики». Зато после ливней от них можно ждать всякого, даже наводнений. Одно из таких наводнений уничтожило город Виндзор.

Одним из самых грандиозных наводнений в истории человечества считается разгул стихии в декабре 1887 года. Тогда в дельте китайской реки Хуанхэ разразилась настоящая природная катастрофа, виновником которой стал многодневный тропический ливень. Вышедшая из берегов водная масса прорвала огромную плотину и безжалостно смыла многочисленные поселения. Затем на гигантской территории в тысячи квадратных километров возникло озеро-море. Китайцы называют Хуанхэ желтым зверем, рекой бедствий. И действительно, она нередко совершает опустошительные набеги на землю. Там, где бесновались ее грязно-желтые воды, остаются лишь руины.

Плотина ежегодно очищает реку Хуанхэ от 30 млн тонн ила, которые застоялись в реке. Ширина плотины 154 м, но она пропускает до 260 000 000 000 литров в секунду

Вообще, катастрофические наводнения в Китае происходят довольно регулярно, и в юго-западных провинциях летом выпадает более 200, а в некоторых районах почти 500 миллиметров осадков. После таких катастрофических ливней потоки воды устремляются с гор в реку Янцзы и ее притоки, переполняя эту важнейшую южно-китайскую водную артерию. И тогда реки выходят из берегов, покрывая десятки уездов многометровым слоем желтых вод. Масштаб подобных наводнений, как правило сопровождаемых многочисленными жертвами и разрушениями, бывает так велик, что от него не спасают никакие ирригационные сооружения.

Еще древнегреческие ученые Анаксимен и Анаксагор рассматривали явление грозы как результат сгущения воздуха в облаках. Сократ видел основную причину возникновения гроз в столкновении облаков, Демокрит – в их соединении. Эти представления были обобщены и развиты Аристотелем, считавшим, что молния и гром образуются благодаря воспламенению в облаках разнообразных горючих испарений и завихрению их между облаками. В эпоху Средневековья представления о природе грозовых процессов не получили существенного развития.

Первые попытки ученых объяснить грозу как процесс электрического разряда относятся к началу XVIII века. Одну из научных теорий грозы, в основных чертах соответствующую природе явления, дал на основании ряда экспериментальных исследований великий русский ученый М. В. Ломоносов. Молния – это природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы, именно Ломоносов установил это одним из первых. Согласно его представлениям, электризация облаков происходит за счет «трения мерзлых паров о воздух», при этом под «мерзлыми парами» Ломоносов имел в виду лед, а «воздух» понимался им как смесь воздуха, водяного пара и мельчайших водяных капелек. Ломоносов особо подчеркивал, что разделение электрических зарядов и образование сильного электрического поля происходит только при интенсивных вертикальных восходящих и нисходящих течениях.

Грозовой процесс невозможен без разделения зарядов в облаке путем конвекции (переноса зарядов воздушными потоками). Поле конвекции в облаках распадается на несколько своеобразных ячеек. Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. Зрелая конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью, выраженной разрядами молний и выпадением осадков. Такая ячейка имеет горизонтальный диаметр в несколько километров и простирается в высоту на десятки километров. В стадии затухания во всей конвективной ячейке преобладают слабые нисходящие течения с уменьшением электрической активности и количества выпадающих в единицу времени осадков. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа, длительность стадии зрелости составляет от четверти до получаса, приблизительно столько же длится ее затухание. Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.

Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад и т. д. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать гигантские кратковременные токи. Для объяснения электризации грозовых облаков был разработан ряд теорий, например модель дробления дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно.

Уникальное природное явление над южноамериканской рекой Кататумбо: почти 10 часов в сутки 160 дней в году в небе сверкают молнии, вспыхивая по 280 раз в час. При этом электрические разряды не сопровождаются громом. Молнии Кататумбо – крупнейший на Земле генератор тропосферного озона. Формирующиеся в Андах ветры приносят с собой грозы, образующие большое количество ионизированного газа, в частности метана. Поскольку метан легче воздуха, он поднимается наверх, питая электрические разряды молний. Так происходит непрерывная регенерация озонового слоя Земли

Существует также конкурирующая индукционная теория. Она строится на предположении о том, что электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющим отрицательный знак. В основе этого механизма лежит явление электростатической индукции, заключающееся в появлении противоположного заряда вблизи заряженной поверхности. Воздушные массы, насыщенные атмосферным электричеством, в целом электронейтральны, но нижняя кромка тучи получает положительный заряд, а верхняя – отрицательный. Горизонтальные молнии происходят между противоположными зарядами самого облака, а вертикальные – между его нижней частью и земной поверхностью.

В теории свободной ионизации предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, что электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

Площадь земной поверхности, на которой проявляются связанные с отдельной грозой электрические явления, простирается на десятки квадратных километров. Благодаря проводимости воздуха к земной поверхности на этой площади от облака поступает ток около ампера.

Чаще всего молния представляет собой многократный разряд. Многократные молнии – обычное явление, они могут насчитывать до нескольких десятков. Паузы между отдельными разрядами составляют несколько секунд. Средняя длительность полного разряда молнии измеряется десятыми долями секунды, отклонения от среднего значения в обе стороны возможны на порядок величины. Обычно разряд развивается лавинообразно, сначала в виде ионизованного канала, получившего название «лидер молнии», который ступенчато продвигается от облака к земле. Затем по этому ионизованному каналу от земли к облаку движется основной разряд, он обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов. Свечение этого яркого разряда, обусловленное рекомбинацией ионизованных атомов, может продолжаться более секунды.

При разряде молнии на всем протяжении ее извилистого пути происходит очень быстрое нагревание столба воздуха до нескольких десятков тысяч градусов. И основной канал молнии, и все его многочисленные разветвления становятся источниками ударных волн. Резкий фронт ударной волны по мере удаления от места разряда все более сглаживается, и на некотором расстоянии от источника ударная волна превращается в акустическую (звуковую) волну небольшой амплитуды. В ходе этого превращения происходит постепенное уменьшение скорости распространения ударной волны вплоть до скорости звука в конечном итоге.

Средняя длина молнии обычно составляет несколько километров, но изредка между облаками могут проскакивать молнии длиной в десятки километров. При этом разность потенциалов между грозовым облаком и Землей в верхнем пределе иногда достигает миллиарда вольт.

Звуки, следующие после главного удара грома, создают впечатление удаляющегося от места наблюдения и постепенно затухающего рокочущего шума. Это – раскаты грома. Они наблюдаются в местности с любым рельефом и образуются ветвящимся и удаляющимся от места наблюдения разрядом молнии. Длительность раскатов грома определяется особенностями развития молнии. В среднем раскаты длятся половину минуты, крайние отклонения от среднего значения составляют около 50 %.

Характер звучания грома является существенной особенностью уже начавшейся грозы. Народные приметы утверждают, что длительные раскаты грома являются признаком приближения протяженного массива грозовых облаков. Глухой, продолжительный и умножающийся со временем гром с медленными раскатами характерен для длительной грозы, в то время как короткие и резкие удары с возрастающими по времени промежутками между ними характеризуют грозу кратковременную.

Средняя дальность слышимости грома для летних гроз на континенте составляет полтора десятка километров. Разница во времени между вспышками молнии и восприятием грома может достигать полутора минут. Гром от близкого разряда молнии производит такое же действие на слух, как выстрел зенитного орудия в нескольких метрах от наблюдателя.

С давних времен в процессе познания грозы человек стремился подчинить ее своей власти. Об этом говорит, например, легенда о Прометее. Овладение грозами было предметом мечтаний ученых и философов Средневековья. В последние годы были сделаны попытки «засева» грозовых облаков кристаллами таких веществ, как йодистое серебро, йодистый свинец и твердая углекислота. Предполагается, что каждое из этих веществ может способствовать затуханию и даже полному прекращению грозового процесса за счет резкого усиления конденсации водяного пара. Опыты в этом направлении уже позволили накопить обширный экспериментальный материал, позволяющий сделать ряд практических выводов. На их основе были разработаны методики, позволяющие эффективно бороться с локальными очагами непогоды при важных спортивных и государственных мероприятиях на открытом пространстве.

Ураганы

Есть замечательное художественное произведение Даниила Гранина «Иду на грозу». В нем рассказывается о самоотверженных исследованиях молодых ученых, проводящих опасную авиаразведку с борта плохо приспособленного транспортного самолета бушующих гроз с целью найти критические параметры для управления погодой. В романе подобные попытки заканчиваются трагически, но сама идея воздействия на грозовые процессы непосредственно с борта летательного аппарата, находящегося в центре (в глазе урагана) была очень популярна во второй половине прошлого века.

Ураганы возникают из грозовых скоплений над океанами в экваториальной зоне. Тропические моря поставляют в атмосферу тепло и водяной пар. Теплый влажный воздух поднимается вверх, где пары воды конденсируются и превращаются в облака и осадки. При этом тепло, запасенное водяным паром во время испарения с поверхности океана, освобождается, воздух продолжает нагреваться и поднимается все выше. В результате в тропиках формируется зона пониженного давления, образующая так называемый глаз бури – зону затишья, вокруг которой закручивается вихрь. Оказавшись над сушей, ураган утрачивает поддерживающий его источник теплой воды и быстро ослабевает.

В структуре ураганного смерча различают центральную часть – ядро и периферию – мантию. Вращательное движение воздуха в ядре смерча происходит с одинаковой угловой скоростью, как в твердом теле. За пределами ядра, в мантии, скорость с удалением от оси вращения постепенно уменьшается, но горизонтальная скорость воздуха в ядре вихря может достигать сотен километров в час. В подавляющем большинстве смерчей Северного полушария вращение воздуха происходит против часовой стрелки – это связано с вращением Земли вокруг своей оси. Значительное понижение давления в ядре смерча ведет к усилению конденсации водяного пара, что способствует дальнейшему развитию вихря. Высота смерча составляет от одного до нескольких километров.

Скорость ветра в смерче может превышать 100 м/c, а теоретически – доходить до скорости звука

Хорошо известно свойство крупных смерчей затягивать различные предметы – благодаря высокой скорости восходящих потоков воздуха в ядре вихря. Втянутые предметы ураганный вихрь может выбросить на расстоянии в десятки километров, что образует обширную зону разрушений.

Наиболее тяжелые предметы поднимаются вихрем на небольшую высоту и затем отбрасываются в сторону, мелкие же втягиваются в облако.

Мощный смерч разрушает на пути своего движения дома, вырывает с корнем деревья. Известно много случаев, когда смерч поднимал на несколько секунд в воздух людей и домашних животных. Однажды на одном из переездов подмосковной железной дороги смерч перенес на новое место железнодорожную будку вместе с путевым обходчиком.

Истощив свою энергию, смерч выбрасывает из облаков втянутые туда предметы. Именно этим и объясняются неоднократно наблюдавшиеся дожди из сельдей, медуз, лягушек, черепах. Если смерч втягивает в облако из прудов и болот красного цвета растения или микроорганизмы, наблюдаются «кровавые» дожди.

Наиболее часто смерчи наблюдаются в странах с тропическим климатом (особенно в районе Мексиканского залива) в жаркую весеннюю и летнюю погоду. В нашей стране смерчи нередко появляются во время весенне-летних гроз на Черноморском побережье Кавказа.

Смерчи возникают при встрече воздушных потоков с достаточно различными скоростями движения, особенно в тех частях этих потоков, где сильнее проявляется необходимое для вихреобразования трение между слоями воздуха. В своем подавляющем большинстве смерчи имеют небольшую энергию, быстро исчезая после возникновения, не успев причинить существенный вред.

Каждый год атмосферные вихри, скорость ветра в которых достигает порой 100 и более километров в час, проносятся над тропическими морями, опустошая побережье. В Атлантике и восточной части Тихого океана их называют ураганами, на западном побережье Тихого океана – тайфунами, в Индийском океане – циклонами. Когда они врываются в густонаселенные районы, гибнут тысячи людей, а материальный ущерб достигает миллиардов. Сможем ли мы когда-нибудь обуздать беспощадную стихию? Что нужно предпринять, чтобы ураган изменил свою траекторию или потерял разрушительную силу?

Считается, что русское слово «смерч» происходит от «сумрак», поскольку смерчи связаны с черными грозовыми тучами. А вот американское наименование вихря – торнадо – возникло от испанского «торнадос», что означает «вращающийся».

Прежде чем приступить к управлению ураганами, необходимо научиться точно прогнозировать их маршрут, а для этого понадобится умение максимально точно вычислять все их возможные характеристики, влияющие на поведение атмосферных вихрей. И здесь в первую очередь опять придется обратиться к главной героине нашего рассказа – воде, содержащейся в грозовых облаках. Именно знание плотности, температуры и общего объема водяного пара определяет успехи компьютерного моделирования ураганов, позволяя надеяться, что когда-нибудь мы обязательно можем справиться со стихией. Тут главное – не пропустить момент зарождения первых водяных вихрей, когда все еще неустойчиво и неопределенно, так что сравнительно небольшие воздействия способны укротить развитие природного катаклизма и направить его по мирному пути.

Поскольку ураганы получают большую часть энергии из тепла, освобождающегося при конденсации водяных паров над океаном и образовании дождевых облаков, первые попытки укрощения непокорных гигантов сводились к искусственному созданию облаков. Ученые пробовали замедлить развитие ураганов, увеличивая количество осадков в первой полосе дождей, которая начинается сразу за стеной глаза бури – скоплением облаков и сильных ветров, окружающих центр урагана. Для создания искусственных облаков с самолета сбрасывали йодистое серебро. Метеорологи надеялись, что распыляемые частицы станут центрами кристаллизации переохлажденного водяного пара, поднявшегося в холодные слои атмосферы. Предполагалось, что облака будут формироваться быстрее, поглощая при этом тепло и влагу с поверхности океана и замещая стену глаза бури. Это привело бы к расширению центральной спокойной зоны и ослаблению урагана.

Современные исследования ураганов, как и многих других атмосферных аномалий, основываются на отдельных положениях теории хаоса. На первый взгляд хаотические системы ведут себя достаточно произвольно, но на деле их поведение подчиняется определенным правилам и сильно зависит от первоначальных условий.

Поэтому с виду незначительные, случайные возмущения могут привести к серьезным непредсказуемым последствиям. Например, небольшие колебания температуры воды в океане, смещение крупных воздушных потоков и даже изменение формы дождевых облаков, кружащихся близко к центру урагана, могут повлиять на его силу и направление движения.

Высокая восприимчивость атмосферы к незначительным воздействиям и ошибки, накапливающиеся при моделировании погоды, затрудняют долгосрочное прогнозирование. Возникает вопрос: если атмосфера столь чувствительна, то нельзя ли как-то повлиять на циклон, чтобы он не достиг населенных районов или хотя бы ослаб?

При построении моделей состояние атмосферы определяют по полному перечню переменных, характеризующих давление, температуру, относительную влажность, скорость и направление ветра. Конкретный набор значений всех параметров во всех точках сетки называется состоянием модели, которое вычисляется для последовательных моментов времени, разделенных небольшими промежутками – от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от разрешающей способности модели. Учитывается движение ветра, процессы испарения, выпадения осадков, влияние поверхностного трения, инфракрасного охлаждения и нагревания солнечными лучами.

К сожалению, всем хорошо известно, насколько неточными бывают метеорологические прогнозы. Наверное, основная причина в том, что начальное состояние модели атмосферы всегда неполно. Даже в ясный день направление ветра на открытом месте может неоднократно менять направление, а определить ту же «розу ветров» для нарождающегося урагана вообще крайне сложно, поскольку проведение непосредственных наблюдений в этом случае всегда вызывает большие затруднения. Тут даже космические снимки, хорошо отображающие сложную структуру урагана, являются недостаточно информативными. Дело в том, что атмосфера моделируется только по узлам координатной сетки, а располагающиеся между ними мелкие детали не включаются в рассмотрение. Без высокой разрешающей способности смоделированная структура самой важной части урагана – стены глаза бури и прилегающих к ней областей – получается неоправданно сглаженной. Кроме того, в математических моделях таких хаотических явлений, как атмосфера, быстро накапливаются вычислительные ошибки.

Над сушей смерчи имеют диаметр от 100 метров до километра, а над морем – в несколько раз меньше. Как правило, смерч проходит путь до 100 километров со скоростью около сотни километров в час. Иногда можно наблюдать группу смерчей, которые при сближении разрушают друг друга.

Даже самые точные современные компьютерные модели для предсказания погоды несовершенны, однако они могут оказаться весьма полезными при изучении циклонов. Для составления прогнозов применяются числовые методы моделирования развития циклона. Компьютер последовательно рассчитывает показатели атмосферных условий, соответствующих дискретным моментам времени. Предполагается, что общее количество энергии, импульса и влаги в рассматриваемом атмосферном образовании остается неизменным. Правда, на границе системы ситуация несколько сложнее, т. к. приходится учитывать влияние внешней среды.

Построив модель уже прошедшего урагана, мы можем изменять его характеристики в любой момент времени и наблюдать за последствиями внесенных возмущений. Оказалось, что на формирование бури влияют только самоусиливающиеся внешние воздействия.

Представьте пару камертонов, один из которых вибрирует, а второй находится в спокойном состоянии. Если они настроены на разные частоты, то второй камертон не шелохнется, несмотря на воздействие звуковых волн, испускаемых первым. Но если оба камертона настроены в унисон, второй войдет в резонанс и начнет колебаться с большой амплитудой. Таким образом метеорологи и строят модельные схемы непогоды, вводя в них параметры «настройки» на ураган. Главным здесь является подходящее стимулирующее воздействие, которое привело бы к желаемому результату.

Если результаты подобных исследований состоятельны и небольшие изменения температуры воздуха в ураганном вихре действительно могут повлиять на его курс или ослабить силу ветра, встает вопрос: как этого достичь?

Невозможно сразу нагреть или остудить такое обширное атмосферное образование, как ураган. Однако можно подогревать воздух вокруг него и таким образом регулировать температурный режим.

И здесь необходимо провести вычисление точной структуры и силы подогрева атмосферы, необходимого для снижения интенсивности урагана и изменения его курса. Несомненно, практическая реализация такого проекта потребует огромного количества энергии, но ее можно получить с помощью орбитальных солнечных электростанций. Вырабатывающие энергию спутники следует оснастить гигантскими зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на элементах солнечной батареи. Собранную энергию затем можно будет переправить на микроволновые приемники на Земле.

Современные конструкции космических солнечных станций способны распространять микроволны, не нагревающие атмосферу и поэтому не теряющие энергию. Для управления погодой важно направить из космоса микроволны тех частот, при которых они лучше поглощаются водяным паром. Различные слои атмосферы можно будет нагреть согласно заранее продуманному плану, а области внутри урагана и ниже дождевых облаков будут защищены от нагрева, так как дождевые капли хорошо поглощают СВЧ-излучение.

Другой способ подавления сильных тропических циклонов – непосредственное ограничение поступающей в них энергии. Например, поверхность океана можно было бы покрыть тонкой, биологически разлагающейся масляной пленкой, которая способна приостанавливать испарение. Кроме того, можно оказывать влияние на циклоны за несколько дней до их подхода к берегу.

Крупномасштабную перестройку структуры ветров следует предпринимать на высоте полета реактивных самолетов, где изменение атмосферного давления сильно влияет на мощность и траекторию ураганов. Например, образование инверсионных следов самолетов наверняка может вызвать требуемые возмущения начального состояния циклонов.

Впрочем, методы управления погодой еще предстоит опробовать на безобидных по сравнению с ураганами атмосферных явлениях. Прежде всего следует опробовать экспериментальные возмущения для усиления осадков на сравнительно небольшой территории, контролируемой измерительными приборами. Если понимание физики облаков, их цифровое моделирование, методика сравнительного анализа и компьютерные технологии будут развиваться нынешними темпами, то наш скромный опыт может быть претворен в жизнь. Кто знает, быть может, уже через пару десятков лет многие страны займутся крупномасштабным управлением погодой с использованием подогрева атмосферы из космоса?

Вот, к примеру, взвесь мельчайших капелек воды, известная нам как густой туман, иногда оказывает важную услугу сельскохозяйственным культурам, уберегая их от заморозков. Для защиты садов во время цветения от заморозков иногда создают искусственные туманы (хлорид кальция обладает большой способностью притягивать влагу – его распылением в воздухе и создают искусственные туманы).

На данном принципе основаны процессы образования искусственного дождя. Для этого в тучи вводят затравки, на которых происходит конденсация воды или кристаллизация льда. Крупные градины получаются в том случае, если кристаллизация происходит на малом количестве центров. Если в тучу будет введено много затравок, то получатся мелкие кристаллы льда (они не могут вырасти, так как вся вода закристаллизована), которые при падении на землю часто успевают расплавиться и превратиться в дождь. В качестве широко распространенных затравок служат иодид серебра, иодид свинца и другие вещества. Для широкого применения эти соли довольно дороги, однако иногда град может привести к гораздо большим экономическим потерям.

Если в будущем метеорологи и научатся управлять ураганами, то скорее всего тут же возникнут серьезные политические проблемы. Несмотря на то что с семидесятых годов прошлого века принято несколько международных конвенций, запрещающих использовать погоду в качестве оружия, некоторые страны вряд ли смогут устоять перед искушением так, практически безнаказанно, «насолить» своим соседям.

Снежные лавины

В жизни нашей планеты снег играет роль своеобразного зеркала. Он отражает до 95 % солнечной радиации. Если допустить на минуту, что вся наша Земля покроется льдами и снегом, то среднегодовая температура воздуха на планете понизится с 15° тепла до 85° мороза.

Седые вершины гор покрыты ледниками, по существу, это необычные ледяные реки. Спускаясь по склонам гор, они следуют тем же законам, что и реки обычные: встречая широкое и ровное пространство, разливаются по нему, в узких ущельях движутся как горный поток. Только движение это совершается очень медленно. Впрочем, иногда часть ледника обрывается и превращается в стремительную снежную лавину. Белой смертью называют их горцы, и в этом нет преувеличения, ведь история знает много злодеяний, совершенных этим мягким и пушистым снежком, залегшим на горных склонах.

Снежные лавины, попадая в глубокие расщелины и спрессовываясь в ледники, превращаются в умелых «хранителей древностей». Уже давно ученые находят в глубинах заледеневшего снега прекрасно сохранившиеся остатки доисторических животных и даже наших далеких предков. Судя по этим находкам, человек еще 20 тысяч лет назад приспособился к существованию во время последнего ледникового периода. В те далекие времена Центральная Европа представляла собой снежную пустыню, и ледники, двигавшиеся со Скандинавии, достигли предгорий Альп, везде царил жуткий холод. Однако многочисленные находки археологов доказывают, что и в этот период первобытные люди продолжали обживать территорию: современный центр и восток Европы. Получается, что наши пращуры были уже тогда умелыми полярниками и успешно могли бороться с холодом даже в самые суровые периоды оледенения.

Сегодняшнее таяние горных ледников, оставшихся на месте циклопического щита последнего ледникового периода, вызывает очень сильное беспокойство среди гляциологов и гидрологов. Исчезновение колоссальных масс тысячелетнего льда может чрезвычайно отрицательно отразиться на речных системах, резко ухудшив снабжение Европы питьевой водой. Одновременно начнется стремительная эрозия горных склонов, и по ним понесутся необычные здесь своеобразные сели – лавины из грязи, льда и талой воды.

Горные ледники опасны своими трещинами, которые нередко прорезают всю толщу векового льда. Снег засыпает их, а чаще образует только как бы помосты, перекинутые с одного берега на другой. Эти непрочные крыши над трещинами – большая опасность для альпинистов: они обрушиваются от малейшего сотрясения. Достаточно ступить на такой помост, чтобы провалиться в пропасть.

Ясно, что огромные массы застывшей воды не могут не отражаться на климате Земли. Какое колоссальное количество солнечного тепла расходуется только на то, чтобы расплавить весной один снежный покров! Ведь в среднем он достигает около 60 сантиметров толщины, а на каждый грамм надо затратить 80 калорий. Но Солнце – такой мощный источник энергии, что в наших широтах оно справляется с этой работой иногда в несколько дней. И трудно представить, какое половодье ждало бы нас, если бы лед имел, например, такую теплоту плавления, как свинец. Весь снег мог бы растаять за один день или даже за несколько часов, и тогда разлившиеся до необычайных размеров реки смыли бы с поверхности Земли и самый плодородный слой почвы, и растения, принося всему живому неисчислимые бедствия.

Лед, плавясь, поглощает огромное количество тепла. Такое же количество тепла отдает вода при замерзании. Если бы вода имела небольшую теплоту плавления, то наши реки, озера и моря, вероятно, застывали бы после первых же заморозков.

Еще один интересный вопрос: что происходит сейчас с ледниками на Земле – растут ли они, остаются такими же или, может быть, постепенно уменьшаются?

Каждый год ледники получают подкрепление в виде падающего снега, и каждый год они отдают воду. Одни ледники растут, вбирая в себя все больше снега и льда, другие постепенно уменьшаются. Современную геологическую эпоху считают периодом отступления ледников. Однако более конкретные обширные исследования последних лет свидетельствуют об иных фактах. Горные ледники уже не отступают, более того, многие из них даже наступают. Растут, например, ледники на Аляске и юго-западе Канады. Увеличиваются некоторые среднеазиатские ледники. Появились наступающие горные льды и в Альпах. Не дает ли нам природа первые сигналы о новом ледниковом периоде? Ответить определенно сейчас трудно.

Секрет разрушительной мощи лавин кроется еще и в том, что снежный вал гонит перед собой воздушную волну, а воздушный таран более опасен, чем удар снежной массы, – он опрокидывает дома, ломает деревья, убивает людей. По существу, такая волна воздуха напоминает ударный фронт, возникающий при взрыве гигантского боезапаса

Величественные явления природы, связанные с циклопическими массами замерзшей воды, можно найти не только на морских просторах, но и среди высокогорных плато и расщелин. Там расположились ледники и срывающиеся с них снежные лавины.

Вот как это происходит.

Каждая снежинка в первые секунды приземления сохраняет свою совершенную, кружевную фрактальную форму. Но снег продолжает идти, и, придавленные мириадами других, снежинки теряют свою красоту, смерзаются с другими. А затем со снежинками начинаются новые превращения. Укрытая толстым слоем снега, земля попадает как бы в теплицу; если она до этого мерзла, то теперь под снеговой шубой начинает согреваться. И снежинки, которые легли на голую землю, тают.

Пары воды поднимаются в верхние, более холодные этажи снежного покрова и вызывают изменение снежных кристаллов. Происходит, как говорят, перекристаллизация снега – он становится рыхлым и зернистым снизу и более плотным сверху. Если при этом дует ветер, процесс ускоряется. Когда воздух быстро движется над поверхностью снега, давление падает и водяные пары, словно насосом, вытягиваются из снежного пласта.

Постепенно покрывающий крутой склон горы и весящий сотни и тысячи тонн пласт снега теряет прочную связь со своим основанием и может в любое мгновение сорваться вниз. Чаще всего это случается при резком потеплении. Тогда с гор по тающему насту, как на санках, скатывается масса увлажненного и потому отяжелевшего снега. Свежие слои сухого снега, не успевшие слипнуться с покрываемым ими старым снегом, готовы сползти от малейшего толчка или даже звука. Достаточно иногда падения ветки или эха, чтобы нарушить их равновесие. А раз это равновесие нарушено, то снег начинает ползти по скату сначала медленно, потом все скорее и скорее, причем масса его постоянно увеличивается, захватывает с собой камни, кусты, ломает деревья, сметает хижины горцев и со страшным шумом обрушивается в долину. А вокруг снегового обвала крутятся снежные вихри, тоже способные вырывать деревья с корнем. Такие лавины прокладывают себе иногда широкие дороги в вековых лесах и ломают деревья в окружности одним только вихрем, их сопровождающим.

Еще более подвижны наносы снега на гладкой, уже схваченной после оттепели морозом поверхности старого снега… Не только громкий звук, но даже тень может иной раз дать первый толчок грозному призраку гор.

Представьте себе склон горы, занесенный снегом. Он выпал недавно и лежит на твердом насте. Яркое солнце сначала освещает ее склон, а затем уходит за гору. По расчетам профессора Аккуратова, такой снежный покров на поле длиною в 1 километр при понижении температуры на 1° сокращается примерно на 17 сантиметров. И это может оказаться достаточным для того, чтобы дать первый роковой толчок: массив трогается с места, его движение все ускоряется. Так и рождаются всесокрушающие лавины.

Разнообразные меры борьбы с горными лавинами уже разработаны: лавинорезы и лавиноспуски, металлические и нейлоновые сети, гасящие энергию несущейся массы, террасы и щиты, задерживающие снег там, где он выпал.

Для радикальной борьбы с лавинами применяются артиллерийские системы, с помощью которых ведут обстрел снежных масс. Причем задача в этом случае перед артиллеристами или минометчиками может стоять разная: либо спровоцировать сход лавины, чтобы она не сорвалась сама в другое время и при других обстоятельствах, либо подавить ее в самом зародыше, разметав взрывами начавшийся скапливаться снег.

Часть 5. Теория заговора

…заметную роль в мировом энергетическом балансе термоядерный синтез начнет играть, как мне думается, лишь лет через 30–40. Причем первые промышленные термоядерные электростанции, видимо, будут применять в качестве топлива смесь дейтерия с тритием. Что же касается использования только дейтерия, запасы которого в Мировом океане практически безграничны, то ученым еще предстоит решить проблему практической реализации этой идеи, поэтому срок появления таких электростанций пока назвать затруднительно. Но я верю, что наступит день, когда еще одна сложнейшая задача будет решена, и человечество получит поистине неисчерпаемый источник энергии.

Академик Б. Б. Кадомцев, директор Института ядерного синтеза Российского научного центра «Курчатовский институт». Водородная энергетика

Экологические катастрофы с танкерами и нефтяными платформами, смог от угольных теплогенераторов, неполадки с ядерными реакторами на атомных электростанциях – да и вообще катастрофическое истощение углеводородных ресурсов заставляет лихорадочно искать новые источники энергии для мировой экономики. К сожалению, ни солнечная, ни ветряная, ни тем более геотермальная и приливная энергетика не может удовлетворить спрос в энергоресурсах. Именно поэтому уже долгие годы самым перспективным направлением остается ядерный синтез. Но здесь пока непреодолимым камнем преткновения служит невозможность нагреть до нужной температуры и удержать в рабочей зоне реактора высокотемпературную плазму.

Энергия будущего

«Водородная термоядерная энергетика» – ну кто не слышал эти слова, так заманчиво рисующие перед нами безоблачное будущее нашей цивилизации…

Несколько лет назад наш выдающийся современник академик Велихов сделал замечательный доклад о том, сможет ли человечество поставить себе на службу тот безбрежный океан энергии, который скрыт в глубинах земной гидросферы. Выдающийся ученый рассказал, что по современным физическим представлениям существует всего несколько фундаментальных источников энергии, которые в принципе могут быть освоены и использованы человечеством. Ядерные реакции синтеза – один из таких источников.

В реакциях синтеза энергия производится за счет работы ядерных сил, совершаемых при слиянии ядер легких элементов и образовании более тяжелых ядер. Эти реакции широко распространены в природе – считается, что энергия звезд, и Солнца в том числе, производится в результате цепочки ядерных реакций синтеза, превращающих 4 ядра атома водорода в ядро гелия. Можно сказать, что Солнце – это большой естественный термоядерный реактор, снабжающий энергией экологическую систему Земли.

Академик Велихов, характеризуя современное положение дел в тепловой энергетике, подчеркивает, что в настоящее время более 85 % энергии, производимой человеком, получается при сжигании органического топлива: угля, нефти и природного газа. Этот дешевый источник энергии, освоенный человеком около 200–300 лет назад, привел к быстрому развитию человеческого общества, его благосостоянию и, как результат, к росту народонаселения Земли.

Очевидно, что будущая энергетика начнет более широко, чем нынешняя энергетическая система, использовать разнообразные и в том числе возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ядерная, гидроэлектроэнергия, энергия ветра, выращивание и сжигание биомассы. Доля каждого источника энергии в общем производстве будет определяться структурой потребления и экономической эффективностью каждого из этих источников

Предполагается, что из-за роста народонаселения и более равномерного потребления энергии по регионам производство энергии возрастет к 2050 г примерно в 3 раза по сравнению с нынешним уровнем и достигнет 1021 Дж в год. Не вызывает сомнения, что в обозримом будущем прежний источник энергии – органическое топливо – придется заменить на другие виды производства энергии. Это произойдет как из-за истощения природных ресурсов, так и по причине загрязнения окружающей среды, которое по оценкам специалистов должно наступить гораздо раньше, чем будут выработаны дешевые природные ресурсы (нынешний способ производства энергии использует атмосферу в качестве помойки, выбрасывая ежедневно 17 миллионов тонн углекислого и других газов, сопутствующих сжиганию топлив). Переход от органического топлива к широкомасштабной альтернативной энергетике ожидается в середине XXI века.

Именно поэтому уже первые сообщения более чем десятилетней давности о том, что открыт низкотемпературный аналог ядерного водородного синтеза, вызвали очень большой интерес даже у ученых, весьма далеких от ядерной физики. Увы, открытие уже вскоре получило самый страшный диагноз в науке, поскольку было признано «неповторяемым».

Однако, в отличие от многих других сенсаций-пустышек, «холодный термояд» до сих пор продолжает будоражить околонаучные круги журналистов, которые время от времени выискивают энтузиастов-разработчиков очередного типа «холодного» ядерного реактора. Эти непризнанные гении яростно убеждают репортеров, что в определенных условиях реакция термоядерного синтеза может протекать при комнатной температуре, а устройства, в которых это будет происходить, разместятся на обычном письменном столе! И абсолютно никакой радиации! Естественно, в подобную маниловщину настоящие ученые не верят, однако несколько лет назад некоторым вполне серьезным физикам-ядерщикам казалось, что в направлении поиска «холодного термояда» сделаны первые решительные шаги. Об этой сенсации ежедневно писали газеты, взахлеб рассказывали радио– и телекомментаторы. Куда же исчез этот баснословный источник неограниченной и практически бесплатной энергии и почему мы продолжаем бездумно сжигать ограниченные запасы углеводородов, вместо того чтобы топить дешевой (сравнительно) тяжелой, или даже полутяжелой, водой «холодные» термоядерные печи?

Не обошел стороной академик Велихов и вопрос о том, что в современном индустриальном обществе более половины энергии используется в режиме постоянного потребления, не зависящего от времени суток и сезона. На эту базовую мощность накладываются суточные и сезонные колебания. Таким образом, энергетическая система должна состоять из базовой энергетики, которая снабжает общество энергией на постоянном или квазипостоянном уровне, и энергетических ресурсов, которые используются по мере надобности. Ожидается, что возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, сжигание биомассы и др., будут использоваться в основном в переменной составляющей потребления энергии. Основной и единственный кандидат для базовой энергетики – ядерная энергия. В настоящее время для получения энергии освоены лишь ядерные реакции деления, которые используются на современных атомных электростанциях. Управляемый термоядерный синтез – это пока лишь потенциальный кандидат для базовой энергетики.

Какие же преимущества имеет термоядерный синтез по сравнению с ядерными реакциями деления, которые позволяют надеяться на широкомасштабное развитие термоядерной энергетики? Основное и принципиальное отличие заключается в отсутствии долгоживущих радиоактивных отходов, которые характерны для ядерных реакторов деления. И хотя в процессе работы термоядерного реактора первая стенка активируется нейтронами, выбор подходящих низкоактивируемых конструкционных материалов открывает принципиальную возможность создания термоядерного реактора, в котором наведенная активность первой стенки будет снижаться до полностью безопасного уровня за 30 лет после остановки реактора. Это означает, что выработавший ресурс реактор нужно будет законсервировать всего на тридцатилетие, после чего материалы могут быть переработаны и использованы в новом реакторе синтеза. Эта ситуация принципиально отличается от реакторов деления, которые производят радиоактивные расходы, требующие переработки и хранения в течение десятков тысяч лет. Кроме низкой радиоактивности, термоядерная энергетика имеет огромные, практически неисчерпаемые запасы топлива и других необходимых материалов, достаточных для производства энергии сотни, если не тысячелетия.

Нужно заметить, что любой более или менее грамотный физик сразу бы заметил, в обычных (по-научному «нормальных») условиях соединить атомные ядра просто невозможно, ведь они имеют одноименный положительный электрический заряд и по школьному закону Кулона отталкиваются друг от друга с чудовищной силой. Сблизиться они могут, лишь если их разогнать мощным электромагнитным полем ускорителя элементарных частиц – циклотрона. Еще один вариант – взорвать термоядерную бомбу или создать облако высокотемпературной плазмы внутри реактора!

По словам академика Велихова, именно эти преимущества побудили основные ядерные страны начать в середине 50-х годов широкомасштабные исследования по управляемому термоядерному синтезу. В Советском Союзе и США к этому времени уже были проведены первые успешные испытания водородных бомб, которые подтвердили принципиальную возможность использования энергии ядерного синтеза в земных условиях. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 году исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества.

Водородная бомба была создана всего за несколько лет, и в то время казалось, что цель близка и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50-х, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси.

В 1997 году самая крупная термоядерная установка – Европейский токамак (JET) – получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

Существует ложная точка зрения о том, что термоядерные исследования – чрезвычайно дорогая программа. Можно убедиться в обратном, пронормировав полную сумму на душу налогоплательщика стран, активно участвующих в термоядерных исследованиях: США, Японии, Европы и России. Окажется, что средний налогоплательщик этих стран платит 2–3 доллара в год на развитие термоядерной энергетики, а это составляет всего 0,1 % его расходов на энергию и другие энергоносители. И хотя предварительные оценки показывают, что цена электроэнергии, производимой термоядерным реактором, будет в 1,5–2 раза выше, чем нынешняя цена электроэнергии от современных электростанций, сжигающих органическое топливо, такое сравнение неправомерно для систем, которые будут конкурировать лишь через несколько десятков лет. Непрерывный прогресс в области термоядерного синтеза, который происходил в течение последних 30 лет, приводил к постепенному, но уверенному продвижению параметров плазмы в термоядерных устройствах. В то же время можно ожидать, что в долговременной перспективе традиционные методы производства энергии будут испытывать все более ужесточающиеся экономические последствия загрязнения окружающей среды.

Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не догадывались в начале пути. В течение этих 40 лет была создана физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить не менее сложные проблемы, в том числе научиться создавать глубокий вакуум в больших объемах, подобрать и испытать подходящие конструкционные материалы, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать импульсные системы питания, способные создавать мощные пучки частиц, методы высокочастотного нагрева смеси и еще многое другое.

Однако многие сторонники холодного термояда считают, что природа хитра на выдумки, и электрические поля внутри сложных кристаллических структур скрывают еще немало сюрпризов. Например, в силу какой-то не понятной нам пока игры межатомных сил в жидкостях или в твердых кристаллах, где присутствует большое количество отрицательно заряженных электронов, могут сложиться условия, при которых происходит частичная компенсация сил электрического отталкивания, и реакция слияния ядер может происходить при меньших энергиях, чем в газообразной плазме токамака. Конечно, ни один из законов физики при этом не нарушается. Просто находятся обходные пути, на которых эти законы частично компенсируют друг друга. Так может быть, перспективы развития «холодного термояда» как раз и связаны с такой необычной ситуацией?

Химики из университета Юта Стэнли Понс и Мартин Флейшман пытались использовать процесс электролиза. Чуть-чуть подкисленную воду, куда опускаются подключенные к электрической цепи электроды, они заменили тяжелой, в которой атомы водорода замещены атомами его тяжелого собрата дейтерия. При прохождении электрического тока положительно заряженные ионы дейтерия – дейтроны – устремляются к отрицательному электроду, бомбардируя его поверхность и проникая «с разбега» в его внутренние слои.

Казалось бы, незатейливый, почти школьный эксперимент. Вот только в качестве электрода использовалась пластина благородного, похожего на золото и платину металла палладия, и не простая, а тоже пропитанная дейтерием. Палладий обладает замечательной способностью растворять в себе водород и дейтерий – впитывать их, как губка воду. Своего рода корзина для атомов дейтерия! При этом их число может стать сравнимым с числом атомов самого палладия и даже большим. Расталкивание кулоновских сил усмиряется экранирующим действием отрицательно заряженных облаков электронного газа, заполняющего пластину палладия, как и любое твердое тело. Атомы дейтерия располагаются там столь тесно, что если сравнить с плазмой, то, чтобы их так сжать, потребовалось бы фантастически огромное давление.

Бомбардирующие дейтроны сближаются с плотно заполняющими палладиевую пластинку атомами дейтерия и, можно надеяться, подходят к ним на значительно меньшие расстояния, чем в газообразной плазме. А это означает, что некоторые пары будут вступать в ядерные реакции и сливаться в тяжелый изотоп водорода тритий (он состоит из протона и двух нейтронов) или в ядро гелия. При этом, как нетрудно подсчитать, выделится значительная энергия. В первом случае ее унесет оставшийся лишним нейтрон, а в случае гелия – родившийся гамма-квант. Эта энергия пойдет на разогрев окружающего вещества.

Кроме того, был еще один поразительный результат. Как уже говорилось, в термоядерной реакции должны рождаться нейтроны и гамма-кванты. При том количестве тепла, которое выделялось в приборе Понса и Флейшмана, их число измерялось бы триллионами. Прибор должен был бы стать мощным источником радиоактивных излучений, а их наблюдалось очень мало… Реакция получилась экологически чистой, безопасной в использовании – не нужно никакой защиты: термоядерную плиту можно безбоязненно установить в любой кухне! Понятно, что все зависит от того, насколько сильно электронная экранировка уменьшит кулоновское расталкивание. Теоретически понять, какой именно физический фактор уменьшает кулоновское отталкивание одноименных ядер, невозможно. Не подтвердились и заверения конструкторов реактора Понса – Флейшмана о гигантском положительном энергетическом балансе, от которого электролит у них будто бы буквально вскипал.

Вообще говоря, идея создания «холодного» термоядерного реактора носится в воздухе еще с середины прошлого столетия. Многие пытались изобретать «холодные» термоядерные котлы, но только Понс и Флейшман набрались смелости заявить об успешных испытаниях. Прошла четверть века – в современном мире это гигантский срок для проверки и воплощения любой экспериментальной схемы. Однако никому так и не удалось повторить успех «холодного термояда» американских физиков…

Сообщение Понса и Флейшмана было подобно взрыву бомбы. Большинство физиков узнали о нем из газет и с экранов телевизоров, сенсационно, в рекламном стиле подающих новость. Но поражал сам факт – термоядерная реакция в стакане кипящей воды! Новость обсуждалась на семинарах и в институтских коридорах. На второй план отошли даже споры о горбачевской перестройке.

Многое вызывало сомнения – уж очень противоречивой была информация. Конечно, опыт – высший судья науки, однако нужно иметь уверенность в том, что он правильно поставлен и грамотно интерпретирован – в науке бывают пузыри-сенсации.

Тем не менее вскоре пришли известия о выступлениях Понса и Флейшмана в американских и европейских институтах. В самом университете Юта на продолжение их исследований было срочно выделено 5 млн долларов. И хотя число вопросов не уменьшилось, а скорее даже возросло, пришлось признать: это не первоапрельская шутка (пресс-конференция Понса и Флейшмана состоялась в самом конце марта) и не плод журналистского воображения. Даже самые ярые скептики призадумались после того, как стало известно о распоряжении, которое адмирал Уэткинс, руководитель департамента энергетики, разослал государственным лабораториям США. В этом распоряжении он обязал их незамедлительно проверить выводы, сделанные в университете Юта.

Результаты проверки оказались противоречивы, подавляющее большинство экспериментов не воспроизводили того, что наблюдали Понс и Флейшман. Судя по всему, их данные были явно ошибочными, причем иногда просматривался и пристрастный отбор авторами «изобретения» своих результатов. Появилось несколько серьезных критических статей, написанных признанными профессионалами, в которых показывалось, что беспристрастный анализ не оставляет камня на камне от помпезного «открытия» американских исследователей. Даже оптимистично настроенные ученые признавали, что если экспериментаторы и регистрируют избыток тепла, то он крайне неустойчив и меняется от эксперимента к эксперименту. Создавалось впечатление, что результаты зависят от каких-то невыясненных факторов.

Может быть, для «холодного термояда» тоже нужна какая-то особая, весьма редкая комбинация факторов, лишь случайно реализующаяся в удачных опытах? Эти соображения стимулировали продолжение исследований, тем более что для них не требовалось дорогостоящего многотонного оборудования. Изобретателей и многочисленных любителей физики охватила самая настоящая «холоднотермоядерная лихорадка». Желтая пресса была переполнена сенсационными сообщениями о том, что наконец-то найдены условия стабильной реакции ядерного синтеза. Тут же сообщалось и о наблюдении нейтронного и гамма-квантового излучения, отсутствие которых весьма смущало физиков. В журналах печатались графики скоростей наработки различных изотопов в реакциях холодного синтеза… Настоящая эпидемия открытий и… ни одного реального!

Все эти сенсационные результаты не выдерживали научной критики и были полностью опровергнуты контрольными экспериментами.

Сегодня очень модно говорить о явлениях, протекающих как бы «за гранью реальности». Существуют даже специальные телепрограммы, демонстрирующие зрителям необъяснимые на первый взгляд, противоречащие науке явления. Как правило, большинство из них – следствие методических погрешностей, случайных или умышленных, как это бывает в фокусах. Вот и получается, что все опыты Понса – Флейшмана вместе с многочисленными последующими экспериментами безрезультатны, и «холодный термояд» – мираж! Ведь ни в одном опыте при строгом его анализе не нашлось нарушения теплового баланса и избыточного выхода энергии.

Внутренний вид стелларатора в японском национальном институте ядерного синтеза

Итог подвели две международные конференции – одна в Монте-Карло, недалеко от новой лаборатории французских исследователей «холодного термояда», другая в окрестностях японского города Саппоро, где построена хорошо оснащенная лаборатория – специально для изучения холодного термоядерного синтеза. За последние годы на эти цели были истрачены десятки миллионов долларов. Не удивительно, что наиболее обстоятельные и надежные данные получены именно японскими учеными. В трех тщательно проведенных экспериментах ими было доказано, что выводы Понса и Флейшмана о положительном балансе энергии глубоко ошибочны. В их опытах слишком грубо учитывались процессы теплообмена с внешним окружением прибора, и при более точных измерениях отношение прироста энергии к ее затратам оказалось в пределах точности экспериментов – никакого избытка энергии не замечено.

Не замечено и следов гамма-излучения, которое непременно должно быть, если нейтроны объединяются с протонами в ядра дейтерия, несмотря на противоположные утверждения энтузиастов «холодного термояда». Действительно, ни один независимый профессиональный эксперт гамма-квантов не наблюдал, хотя была использована наисовременная сверхвысокоточная аппаратура, способная зафиксировать всего лишь десятки этих сверхкоротких электромагнитных волн. Получается, что и эта часть опытов оказалась совершенно неверной.

Сегодня известны три точки зрения на «холодный термояд». Прежде всего, значительная часть ученых убеждена в том, что такого процесса в природе просто нет – мы, мол, неверно интерпретируем наблюдения, только и всего. Однако голословное отрицание – не лучший способ ведения научных дискуссий. Когда речь идет о новом явлении, нужно быть весьма осмотрительными и всецело полагаться на мнение настоящих ученых – специалистов в области атомной и ядерной физики.

Еще с тридцатых годов прошлого века физикам было известно, что некоторые вещества начинают светиться, когда сквозь них пропускается слабый ультразвук. Хотя его энергия слишком мала, чтобы заставить атомы испускать световые кванты, под его влиянием в веществе образуются неоднородности – микрокаверны, трещинки, перепады плотности, на краях которых собираются электрические заряды. Каждая из таких неоднородностей похожа на конденсатор, в котором разгоняется попавший туда ион. Своего рода микроускорители частиц!

В плотно набитой дейтронами пластинке палладия это дополнительно подталкивает ионы к сближению и повышает вероятность их слияния. Во всяком случае, так говорит одна из гипотез, точной-то теории этого явления до сих пор нет. Несколько лет назад, незадолго до своей смерти, ее пытался создать знаменитый американский физик, нобелевский лауреат Ю. Швингер. Он считал, что на этом пути, создавая различными способами электрические неоднородности в веществе, можно продвинуться к «холодному термояду». Однако его взгляды были встречены «в штыки» ортодоксальными физиками. Журналы отказывались печатать его статьи. Дело дошло до того, что в знак протеста он вышел из Американского физического общества.

Тут недопустимы всяческие фантазии, которыми сегодня грешат и маститые научно-популярные журналы. Так, на страницах одного из них вполне серьезно обсуждалось наличие в природе неких быстротекущих каталитических процессов, порождаемых некими гипотетическими отрицательно заряженными частицами, которые фантастическим образом «прилипают» к дейтрону, нейтрализуют его положительный заряд и резко уменьшают силы кулоновского расталкивания. Далее продолжалась научная фантастика о том, что после слияния ядер мистическая частица «отцепляется», прилипает к следующему дейтрону и так далее. Не ясно, правда, почему такая частица-катализатор не проявляется в других опытах. Остается загадкой, почему реализуется только часть возможных каналов реакции, а те, что с нейтронами и гамма-квантами, оказываются заблокированными. Не исключено также, что избыток энергии в некоторых опытах является всего лишь разовым выделением ранее накопленной энергии. Подтверждение этому можно видеть в том, что энерговыделение часто действительно имеет характер неожиданной вспышки…

По мнению некоторых физиков-теоретиков, феномен «холодного термояда» – это первые сигналы с какого-то очень глубокого, заквантового уровня, когда энергия для преодоления кулоновского расталкивания ионов возникает из каких-то еще не изученных нами процессов перестройки вакуума и других гипотетических явлений, требующих принципиально новой физической теории. Сегодня такой теории нет, имеются лишь отдельные, иногда весьма остроумные, но плохо стыкующиеся фрагменты, с которыми согласны далеко не все физики. Однако смущает не это.

Когда создавалась квантовая теория, ее фрагменты тоже выглядели противоречивыми – «сумасшедшими», как сказал однажды о них Нильс Бор. Однако они не только объясняли уже известные факты, но и предсказывали новые, которые находили подтверждение в экспериментах, и это убеждало в их справедливости. Предлагаемые сегодня теории таких подтверждений не имеют…

Разумеется, было бы опрометчивым думать, что вопрос «холодного термояда» теперь окончательно закрыт, ведь непонятные явления существуют, и споры о них продолжаются. Технология «холодного термояда» обсуждается на международных конференциях, ей посвящены сотни статей в научных журналах. И похоже, что вопрос не будет закрыт до тех пор, пока не очень-то грамотные изобретатели будут пытаться не исследовать, а переделывать окружающую природу…

И тут, конечно, возникает неизбежный вопрос: почему же до сих пор не создан «горячий термояд»?

Надо заметить, что основным недостатком термоядерных реакторов является технологическая сложность осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции. Системы с магнитным удержанием требуют огромных сверхпроводящих магнитных катушек, глубокого вакуума и чистоты стенок реактора, умения утилизировать высокие тепловые и нейтронные потоки, дистанционного обслуживания реактора. Импульсные системы требуют развития эффективных драйверов, способных сконцентрировать мощности свыше 1014 Вт/см^2 и равномерно облучать миллиметровые мишени, изготовленные с большой точностью.

Вы, конечно, знаете, что Солнце – это термоядерный реактор, в котором плазма (электроны и ионы) удерживается от разлета силами тяготения. Так вот. На Земле силы тяготения для удержания высокотемпературной плазмы использовать нельзя: они слишком слабы. В 1951 году лауреат Нобелевской премии Игорь Тамм и его ученик, будущий академик и один из создателей водородной бомбы Андрей Сахаров, создали теорию магнитного термоядерного реактора. Причем Сахаров предложил даже конкретную схему тороидального термоядерного реактора, которая после некоторых усовершенствований превратилась в знаменитый токамак, получивший безоговорочное признание во всем мире в 1968 году.

С этого момента большинство лабораторий мира переключилось на токамаки. Почему же до сих пор термоядерный реактор не построен? Вы наверняка знаете, что на Солнце время от времени возникают протуберанцы – гигантские образования, выбрасывающие в космическое пространство огромное количество быстрых заряженных частиц. С точки зрения физики это не что иное, как проявление неустойчивости плазмы. Так вот, за прошедшие годы физиками обнаружены и исследованы сотни неустойчивостей, многие из которых приводят к выбросу высокотемпературной плазмы, удерживаемой магнитным полем, на стенки.

Когда-то академик Арцимович заметил, что за всю свою историю наука никогда не сталкивалась с проблемой, сопоставимой по сложности с проблемой управляемого термоядерного синтеза. И тем не менее большинство проблем, стоявших перед учеными, удалось преодолеть. С 60-х годов минувшего столетия температуру плазмы удалось поднять со 100 тысяч до 400 миллионов градусов, поток нейтронов из рукотворной термоядерной плазмы вырос в 100 миллиардов раз! Значительно подросли и другие параметры плазмы, необходимые для решения проблемы. На крупнейшем токамаке европейского сообщества JET величина Q (отношение энергии, выделенной в термоядерных реакциях, к энергии, вложенной в нагрев плазмы) достигла уровня единицы. По инициативе СССР в 90-х годах возник международный проект экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (ITER).

Буквально сегодня начинается строительство ИТЭРа в Кадараше (Франция). Запуск намечен на 2018 год. Это будет практически стационарный реактор (длительность отдельного цикла около тысячи секунд, коэффициент усиления мощности в разных режимах, которые надлежит исследовать, – от 5 до 10, а уровень вырабатываемой мощности – 1 тысяча мегаватт). После этого этапа потребуется построить опытную термоядерную электростанцию, ну а далее начнется промышленное освоение термоядерной энергетики. Вот откуда набегают десятилетия. Увы, быстрее не получится.

Глобальное потепление

Едва спала атомная фобия 50–60-х годов прошлого века, как мир узнал о надвигающейся «озоновой» катастрофе, под дамокловым мечом которой прошел почти весь конец XX века. Но еще не просохли чернила под Монреальским протоколом о запрете производства хлорфторуглеродов, как Киотский протокол 1997 года возвестил миру о еще более страшной угрозе глобального потепления.

Межправительственная группа экспертов ООН по изменению климата (МГЭИК) до недавнего времени была организацией, известной лишь в кругу ведомственных специалистов. И вот разразилась экологическая сенсация на основе очередного доклада МГЭИК. Главный вывод этого послания ООН к человечеству очень прост: начав борьбу с негативными изменениями климата, мы, возможно, боремся с самой природой, которая не может быть «плохой» или «хорошей».

Документ МГЭИК приводит к странному выводу: сам по себе человек не смог бы привести к изменению климата. Однако, как гребни двух волн, деятельность человека накладывается на естественные изменения природных условий. Все это напоминает выстрел в горах, порождающий сход лавины. В то же время природа климатических циклов, где глобальное потепление сменяют ледниковые периоды, продолжает оставаться неизвестной, порождая массу противоречивых гипотез.

Главное, чем привлек внимание мировой общественности очередной доклад МГЭИК, – это то, что будущее не предвещает человечеству ничего хорошего, но сам по себе человек не изменил, а лишь приблизил очередную климатическую катастрофу. Тем не менее мы, живущие в относительно нормальных климатических условиях, скорее всего, застанем лишь начало катастрофических изменений. Ну а следующему поколению уже придется приспосабливаться к жизни в иных климатических реалиях.

Один из самых спорных выводов МГЭИК основан на расчетах, показывающих, что и мгновенное прекращение выбросов человечеством парниковых газов не изменит экологическую ситуацию. Средняя глобальная температура будет неуклонно повышаться еще как минимум три десятилетия. Чтобы понять, к чему это может привести, достаточно вспомнить аномально жаркое лето 2003 года, когда только в Европе от жары погибли не менее 70 тысяч человек. Это соизмеримо с жертвами в крупных локальных военных конфликтах, например, с потерями США во Вьетнаме.

Таким образом, к середине текущего столетия погодные аномалии лета 2003 года станут почти нормой и будут повторяться все чаще и чаще. Затем климатические перепады станут непредсказуемыми и наступит новый… ледниковый период!

Еще одним результатом исследований МГЭИК стали ныне знаменитые «критические два градуса». Именно за этой температурной границей, по мнению экспертов, может начаться первый этап климатической катастрофы. Поразительно, но, несмотря на замедление роста выбросов в последние годы, скорость климатических изменений только нарастает.

Удерживать двухградусную «температурную планку» можно будет до тех пор, пока концентрация угарного газа (двуокиси углерода CO_2) в воздухе будет ниже 450 частей на миллион. Сейчас этот показатель колеблется вблизи 400 частей, так что до климатической катастрофы осталось всего несколько шагов…

В ходе составления рапорта МГЭИК было исследовано более тысячи сценариев развития энергетики и составлены соответствующие прогнозы климатического будущего. Выводы неутешительны: для сохранения «двухградусного барьера» необходимо по крайней мере утроить долю низкоуглеродистых источников. Сегодня это в основном ГЭС и АЭС, вырабатывающие около трети мировой электроэнергии. К 2050 году их доля должна возрасти до 80 %, что вызывает бурные протесты экологов. Защитники природы считают, что после Чернобыля и Фукусимы количество АЭС должно только уменьшаться, не говоря уже о полном запрете на строительство новых реакторов. Составители доклада МГЭИК также предубежденно анализируют перспективы ядерной энергии из-за проблем с радиоактивными отходами и опасности аварийного радиоактивного заражения.

Очень настороженно к проектам ГЭС относятся и «зеленые», считая, что подобное строительство с созданием искусственных «морей-водохранилищ» крайне негативно влияет на окружающую природу. Положение могли бы спасти солнечные и ветряные энергоустановки, но в силу экономических и технических причин их общая доля вряд ли превысит десятую часть используемых энергоресурсов. Существенно не улучшат положение и такие экзотические источники энергии, как геотермальные, приливные и «волновые» (использующие энергию морских волн).

В ближайшей перспективе авторы доклада предлагают разумную альтернативу использования природного газа в качестве «технологического моста» промышленного развития. Подобная замена твердых видов топлива поможет впоследствии перейти к возобновляемым источникам энергии.

Кроме того, сокращению выбросов парниковых газов могут способствовать режим экономии в промышленности и быту, широкое распространение индивидуального электротранспорта, создание «умных домов» с компьютерным управлением отопления и охлаждения от солнечных панелей, распространением электромагистралей и сокращение воздушного сообщения.

По мнению экологов, доклад МГЭИК должен был дать сильный импульс разработке нового международного климатического договора, однако похоже, что выводы экспертов ООН лишь всколыхнули новую дискуссию вокруг самого феномена глобального потепления.

Прежде всего, неожиданно всплыл вопрос – с какого времени человечество стало оказывать влияние на климат? Долгое время считалось, что человеческая деятельность стала сказываться на природе со второй половины XIX века. Именно тогда началась промышленная революция, появились паровые машины, улицы стали освещаться газовыми фонарями, а в атмосферу хлынули потоки углекислого газа от сгорания топлива. Но отдельные климатологи утверждают, что «рукотворное» воздействие на природу началось еще несколько тысячелетий назад. Более того, именно благодаря древнему человечеству и первым антропогенным выбросам парниковых газов, углекислого газа и метана климат нашей планеты остался теплым, а наступление нового ледникового периода задержалось на неопределенное время.

Межледниковые эпохи длятся около десяти тысячелетий, современное межледниковье – голоцен – продолжается уже 12 тысячелетий, а признаков наступления глобального оледенения пока не наблюдается. Более того, если проанализировать климат прошлых эпох, то к началу индустриализации середины позапрошлого века средняя температура должна была быть на 3о ниже. И тогда могло начаться формирование ледников.

Что конкретно сдержало оледенение? Пузырьки древнего воздуха из ледовых кернов Антарктиды свидетельствуют, что сначала содержание углекислого газа постепенно снижалось, но на границе 8 тысячелетия до н. э. процесс неожиданно повернул вспять, и содержание углекислого газа стабилизировалось, а затем начало увеличиваться. Прошло еще несколько тысячелетий, и стала увеличиваться концентрация метана, самого эффективного реагента парникового эффекта.

Климатологи считают, что это увеличение было связано с началом интенсивной сельскохозяйственной деятельности. Именно 8000 тысяч лет назад люди начали выращивать ячмень, пшеницу и другие виды злаков. Земледельцы начали выводить леса, образуя слои древесного угля, что и спровоцировало увеличение концентрации угарного газа.

А с началом бронзового века, 5 тысячелетий назад, началось повсеместное выращивание риса – а его культивация требует своеобразного заболачивания земель, откуда появился источник метана.

Так сельскохозяйственная деятельность наших предков могла подарить те самые 2–3 градуса тепла, которые предотвратили начало ледникового периода и в конечном итоге позволили человечеству достичь нынешнего научно-технического прогресса.

У этой гипотезы много противников, доказывающих, что древняя сельскохозяйственная деятельность никак не могла бы оказать заметного влияния на климат. Однако результаты компьютерного моделирования в чем-то подтверждают теорию древнейшего рукотворного парникового эффекта.

Почему же экспертные оценки даже такой авторитетной организации, как ООН, не могут внести ясности в прогнозы климатических изменений? Может быть, в этом виновата конспирологическая версия событий, вылившаяся в очередной «экологический скандал», получивший хлесткое название «Климатгейт».

Все началось с того, что неизвестный хакер получил доступ к тысячам электронных писем и документов Группы климатических исследований британского университета.

Переписка оказалась настолько интересной, что часть писем аноним переслал журналистам-экологам. Вот тут-то и выявилось, что известные исследователи климата пользуются недобросовестными приемами, подгоняя имеющиеся данные под нужную им теорию «катастрофического глобального потепления». Некоторые комментаторы восприняли это как доказательство своеобразной научной аферы, затеянной сторонниками глобального потепления, другие стали делать более общие выводы о заговоре между правительствами западных стран и транснациональными монополиями. Во всяком случае, обоснованность теории глобального потепления понесла существенный урон, и теперь любые данные о новом проявлении парникового эффекта могут рассматриваться как конспирологическая версия.

Взрыв медиабомбы «Климатгейта» значительно повлиял на позицию ряда стран, колеблющихся в вопросах принятия конкретных мер по уменьшению выбросов «оранжерейных газов». Тем не менее еще задолго до «Климатгейта» звучали авторитетные мнения о том, что угроза глобального потепления не только сильно преувеличена, но и обосновывается некорректными методами.

Сегодня скептически настроенные климатологи продолжают досконально изучать данные «Климатгейта» в поисках еще более дискредитирующих улик, а защитники теории потепления стараются как можно более правдоподобно объяснить разные подозрительные моменты в переписке ученых. Но и те и другие единодушно признают, что проблема глобального потепления является вопросом не только науки, но и большой политики.

Главная особенность современной климатологии в том, что она в своих прогнозах полностью полагается на компьютерные модели. Между тем современные вычислительные комплексы еще слишком слабы и несовершенны для действительно сложных моделей, особенно включающих элементы теорий хаоса и катастроф. Именно поэтому, как и продемонстрировал «Климатгейт», существует большой произвол в выборе параметров для электронного моделирования. Это особенно четко видно в условиях постоянного дефицита исходных данных, для сбора которых требуются очень дорогие глобальные системы климатического мониторинга.

Ярким примером разных модельных подходов к долговременным погодным прогнозам является проблема Гольфстрима. Долгое время считалось, что это гигантское течение, напоминающее «подводную Амазонку», возникает в глубинах Мексиканского залива и движется мимо Скандинавского полуострова, обогревая Северную Европу. Сегодня эту упрощенную схему сменила сложная многопараметрическая модель, в которой задействованы и южноамериканское природное явление Эль-Ниньо, и таяние гренландского ледяного щита, и впечатляющая подводная «дельта» течения вблизи Британских островов.

«Климатгейт» наглядно продемонстрировал далеко идущие политические последствия климатических исследований. Ведь цепочка научных исследований, приводящая к выводу, что глобальное потепление вызвано человеческой деятельностью, неминуемо попадает в руки политиков и финансистов, которые и принимают дальнейшие судьбоносные решения. Именно так формируется общественное мнение, что во избежание катастрофических последствий человечество должно тратить триллионы долларов по всему миру для снижения парниковых выбросов. Такие политические решения всегда затрагивают множество торгово-промышленных групп, от газо-нефтяных корпораций до производителей холодильного оборудования, и было бы наивно полагать, что каждая из них не станет лоббировать свои экономические интересы.

Неудивительно, что обычному человеку очень трудно разобраться в хитросплетениях климатологии, экологии и политики в спорах по изменению климата. Одно из самых неприятных последствий «Климатгейта» состоит в том, что в обществе начинает формироваться негативный образ профессионального ученого-климатолога. Это приводит к тому, что научные аргументы перестают играть свою роль, и как сторонники, так и противники глобального потепления начинают напоминать религиозных сектантов, верящих лишь в набор собственных далеко небезупречных доводов.

Таким образом, теория глобального потепления приобретает все более яркий конспирологический оттенок. Наряду с гипотетическими угрозами от падения астероида, колоссальных солнечных вспышек и пробуждения супервулканов она обрастает различными «городскими легендами», теряя свою объективность и научность.

Схема парникового эффекта в атмосфере

Вместе с тем нельзя не согласиться с тем, что сенсационность «Климатгейта» в СМИ привлекла еще больший общественный интерес к проблеме. Удивительно, но поток грантов от неправительственных организаций для изучения последствий планетарного парникового эффекта только возрос. Настораживает лишь то, что заказчики подобных исследований обычно настаивают на собственности полученных результатов и полном праве использовать выводы из научных работ любым, иногда самым необычным образом. Например, в рекламе пилюль, создающих иллюзию прохлады.

Между тем и отдельные климатологи, будучи людьми умными и энергичными, прекрасно осознают уроки «Климатгейта» и при всяком случае пытаются рекламировать свою роль и «раскручивать» тему.

Так что же происходит в природе? Глобальное потепление, похолодание нового ледникового периода или незначительные изменения погодных условий?

Несомненно, что скандал «Климатгейта» сильно пошатнул позиции «климатических экстремистов», считающих, что уже через несколько лет на умеренные широты обрушатся ураганы, несущие раскаленный воздух тропических пустынь и нагорий. Сегодня приобретает доминанту взвешенная точка зрения о том, что человечество, похоже, сильно преувеличивает как возможности влияния на климат, так и собственные методы управления погодой. Все это и содержит последняя часть доклада МГЭИК.

Чувствуется, что эксперты ООН очень осторожны в своих выводах и всячески учитывают последствия «Климатгейта», старательно избегая возможных упреков в политической зависимости от той или иной экологической партии. Учитывая большой ущерб, нанесенный репутации климатических экстремистов, содокладчики МГЭИК всячески обходят подводные камни принципиальных вопросов.

В борьбе за общественное мнение репутация любого ученого играет ключевую роль, поскольку лишь специалист, как правило, может понять содержание исходных научных работ. Этим пользуются недобросовестные научные комментаторы, рассчитывая, что, если маятник качнется в ту или иную сторону, они получат свою долю в каком-нибудь научном лагере климатологов.

Сюжетная линия с таинственным хакером, который явил миру секретную клику зловещих ученых и коррумпированных политиков, давно стала лейтмотивом бестселлеров и блокбастеров. Однако в конечном итоге все свелось к докладу МГЭИК с альтернативными объяснениями реально наблюдаемого повышения среднегодовых температур.

Надо сказать, что в настоящий момент все профильные международные организации, и особенно МГЭИК, испытывают сильное давление общественного мнения, требующего дать определенные и деполитизированные ответы на такие вопросы, как: – Является ли нынешняя тенденция к повышению температуры естественной или искусственной? – Что может служить причиной аномальных климатических изменений? – Как можно было бы повлиять на скорость развития парникового эффекта? – Как скажется изменение климата на человеческом сообществе и станет ли жизнь лучше, если на Земле потеплеет?

Озоновая катастрофа

В конце прошлого века СМИ облетела сенсационная новость: ужасы растущих озоновых дыр в небе нашей планеты «не совсем» соответствуют действительности. Все это время всяческие общественные и «правительственные» комиссии на международных форумах под их же патронатом не уставали пугать население нашей планеты очередным «озоновым апокалипсисом». Появились и трезвые голоса, среди которых выделяются американский академик Ф. Зейтц и российский А. П. Капица. Они аргументированно утверждают, что данные проблемы во многом надуманы. Что же изменилось за прошедшие годы и удалось ли независимым экспертам подвести окончательную черту и расставить все точки в явлении «озоновой катастрофы»?

Можно вполне определенно сказать, что «озоновая паника», как и предполагали многие метеорологи и геофизики, все время подогревалась транснациональными корпорациями, производящими холодильное оборудование и всяческие спреи для воздушных эмульгаторов.

Вот уже 4,5 миллиардолетия наша планета несется голубой искрой вокруг звездного желтого карлика – Солнца. Все это время Землю омывали ливни космических частиц, и, хотя она обращается в «зоне жизни», потребовалось около миллиарда лет на появление первых микроорганизмов. Но этого было недостаточно, и жизнь смогла выбраться из океанов только после того, как в стратосферных высотах возник «озоновый слой», который вместе с магнитным полем Земли ослабляет убийственную солнечную радиацию.

Во второй половине прошлого века метеорологи заметили, что озоновый щит Земли далеко не однороден и в нем на высотах более 10 километров могут возникать озоновые дыры. С середины семидесятых годов мировое научное сообщество признало резкое уменьшение озонового слоя одной из самых актуальных экологических проблем. В 80-х годах прошлого века были обнаружены тысячекилометровые полярные озоновые дыры, «пульсирующие» в течение года.

Все это и породило один из самых известных экологических мифов, усиленно эксплуатируемых в коммерческих целях. Дело в том, что химики быстро выяснили: на озон сильно влияют газы, используемые в холодильном оборудовании. Началась беспрецедентная кампания в СМИ, закончившаяся подписанием Монреальского протокола, по сути запрещающего использование традиционных хладагентов в холодильном оборудовании. Многие экономические эксперты считают, что именно подобные меры привели к фактическому уничтожению холодильной промышленности многих развивающихся стран.

Весной 1985 года в Австрии состоялась конференция, где ученые-климатологи, представители практически всех стран, приняли решение о совместной охране озонового слоя. Венская конвенция утвердила перечень опасных для озона газов. В основном это были всяческие хлорсодержащие фреоны для бытовых дезодорантов и холодильников. А в 1987 году Монреальский протокол свел негативное влияние фреонов на озоновый слой к потенциалу озоновой опасности и нанес сокрушительный удар по производителям дешевых промышленных холодильников. Тем самым сотни миллионов людей, страдающих от нехватки продовольствия, были поставлены на грань голодной смерти.

Результаты бездумной экологической политики не заставили себя ждать. Прошло всего лишь несколько лет, и слаборазвитые страны стали испытывать резкий недостаток рефрижераторов. Единственным выходом стали кабальные кредиты на покупку дорогостоящего импортного оборудования. Любопытно, что и кредиты, и рефрижераторы поступали из одних и тех же стран (в основном США), развернувших «борьбу с озоновыми дырами». По данным независимых общественных организаций, занимающихся проблемами голода в «странах третьего мира», прекращение производства и продажи дешевых холодильников способствовало резкому повышению смертности населения беднейших стран. Более того: все гипотетические летальные риски от максимального повышения ультрафиолета (на уровне обычного солярия) намного менее опасны, чем голод.

В начале нашего века появились исследования, доказывающие, что главным фактором, влияющим на озоновые дыры, являются вовсе не техногенные газы, а температура. Чем выше температура стратосферы, тем стабильнее и обильнее состояние озонового слоя. Иначе говоря, потепление климата из-за парникового эффекта или по иным неведомым причинам приводит к насыщению и сохранению озонового слоя. С другой стороны, именно заменители азоторазрушающих газов и способствуют глобальному потеплению…

Ситуация полностью запуталась! К тому же появились хорошо обоснованные гипотезы о том, что разрушение стратосферного озона напрямую связано с погодными аномалиями, колебаниями солнечной активности и земного магнитного поля, вулканизмом и масштабными лесными пожарами.

С другой стороны, ветры и воздушные течения интенсивно перемешивают все атмосферные газы. При этом «озонным разрушителям» не так-то и легко покинуть нижние слои атмосферы и добраться до верхней границы стратосферы. Дело в том, что на десятикилометровой высоте обнаруживается так называемая «тропопауза» – своеобразная температурная граница, отделяющая нижнюю атмосферу (тропосферу) от верхней (стратосферы). Вот и преодолеть эту температурную преграду могут далеко не все восходящие воздушные потоки. Другое дело, когда происходит извержение вулканов. Тогда выбрасываются громадные массы озоноразрушающих газов, которые выносятся наверх раскаленным воздухом.

Справедливости ради необходимо отметить, что в тропосфере «искусственного» озона значительно меньше, чем в стратосфере. К тому же «срок жизни» этих соединений гораздо короче естественных аналогов. Поэтому далеко не все молекулы хладагентов, вырвавшиеся из наших холодильников, могут достичь стратосферы и «ударить» по озонному щиту атмосферы.

Таким образом, даже приблизительные оценки показывают, что участие антропогенных источников в разрушении озонового слоя далеко не столь значительно, как природные факторы, такие как извержения вулканов.

В последнее время ведущие российские метеорологи и геохимики получили ценные данные, доказывающие, что образование и исчезновение озоновых дыр больше всего зависит от погодных условий. Между тем климатические изменения напрямую связаны с циклами солнечной активности. Выходит, что именно солнечно-земные связи определяют изменения содержания озона в атмосфере Земли. Об этом еще столетие назад писал основатель новой науки гелиобиологии Александр Чижевский (1897–1964). Вместе с гениальным Николой Теслой (1856–1943) он предложил комнатные и производственные ионизаторы, названные лампами Чижевского. С помощью подобного оборудования, установленного на горных вершинах и стратостатах, академик Чижевский предлагал насыщать озоном верхнюю атмосферу Земли, укрепляя защиту от ультрафиолетовых лучей.

Любопытно, но уже сегодня в ходе обсуждения этих полуфантастических планов неожиданно всплыл на поверхность очевидный факт. Все основные источники озоноразрушающих соединений не расположены в полярных широтах, над которыми простираются озоновые дыры. Подавляющее большинство источников фреонов, запрещенных Монреальской конвенцией, сконцентрированы ближе к экватору и практически целиком находятся в Северном полушарии.

Следующий факт, который может снизить роль антропогенного фактора в разрушении озонового слоя Земли, это появление озоновых дыр по большей части в весеннее или зимнее время. Но это, во-первых, противоречит допущению о возможности быстрого перемешивания озоноразрушающих соединений в атмосфере Земли и их проникновению в стратосферный слой высокой концентрации озона. Во-вторых, антропогенный источник озоноразрушающих соединений является постоянно действующим. Следовательно, причину появления озоновых дыр именно весной и зимой, да еще в полярных широтах, антропогенной причиной объяснить сложно. Зато наличие полярных зим и естественное уменьшение солнечной радиации в зимнее время удовлетворительно объясняет естественную причину возникновения озоновых дыр именно над Антарктидой и Арктикой.

В монреальских документах появились условия и сроки запрета применения фреонов, но было сказано, какие альтернативные вещества разрешаются к применению. На это обратила внимание советская делегация, высказав свою точку зрения, но при принятии решения она не рассматривалась и не была учтена. Перечня альтернатив запрещенным веществам нет до сих пор. Эта тема оказалась закрытой для средств массовой информации.

Позже альтернативой фреонам стали «по случайному совпадению обстоятельств» именно те газовые смеси, которые давно разрабатывали транснациональные корпорации хладопромышленников… Однако большинство смесей было запущено в производство без необходимого в таких случаях всестороннего изучения их качеств и возможной опасности. Не была разработана система утилизации новых летучих хладагентов, легко самопроизвольно выбрасывающихся в атмосферу.

Проблема, переросшая в околонаучный миф, быстро превратилась в глобальную проблему. В 1994 году Генеральная ассамблея ООН провозгласила ежегодный Международный день охраны озонового слоя – 16 сентября. Это сделано в память о дне подписания Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой (правда, через несколько лет озоновая дыра над Антарктидой стала стремительно уменьшаться).

Авторы «озонового апокалипсиса» попали в сложное положение. Тем не менее еще недавно руководитель мониторинга Национальной океанографической и атмосферной администрации США Дэвид Хофманн самоуверенно продолжал утверждать, что над Южным полюсом «практически не осталось ни одной молекулы озона».

В то же время огромные усилия мировой экономики были брошены на то, чтобы доказать именно техногенный сценарий образования озоновых дыр. Несмотря на затраченные миллионы долларов «на защиту озонового слоя», убедительных результатов получено не было.

В основе всей истории активизации мирового сообщества на борьбу с озоновыми дырами лежало стремление некоторых компаний получить инвестиции под разработку новых видов фреона и монополизировать рынок его производства. То и другое позволил реализовать Монреальский протокол. Появился даже новый вид мирового бизнеса – бизнес на озоновой дыре. Считается, что отказ от производства старых хладагентов уже нанес многомиллиардный ущерб мировой экономике, однако при этом пострадали далеко не все участники рынка…

Россия и страны СНГ одними из первых приступили к тщательному выполнению требований Монреальского протокола, исключив из списка производства множество «озоноопасных» веществ. Между тем многие из них были не только экономичны, но и более безопасны в использовании. К счастью, подавляющее большинство отечественных промышленных холодильных установок работает на аммиаке, который не попал в перечень «врагов озонового слоя».

К тому же выяснилось, что еще в начале 90-х годов российские химики разработали несколько «озонобезопасных» хладонов, полностью отвечающих требованиям Монреальского протокола. В результате широкомасштабного промышленного шпионажа представителям международной корпорации «Дюпен» удалось достоверно узнать о наличии возможности производства в СНГ озонобезопасного фреона –218. Таким образом транснациональным монополиям удалось через своих «агентов влияния» внести данное вещество в список… парниковых протекторов, т. е. газов, ответственных за развитие парникового эффекта и, соответственно, глобальное потепление.

В этой полукриминальной истории с похищением промышленных секретов и странных маневрах составителей Киотского протокола, создавших не только новый миф о глобальном потеплении из-за парникового эффекта, еще много неясного. Поражает лишь особый цинизм, с которым политизированные «зеленые» охотно становятся на сторону промышленных олигархов, меньше всего задумывающихся о дальнейшей судьбе человечества. Не секрет, что все это происходит благодаря обширной грантовой поддержке авторитетных «зеленых» движений. При этом мало кто из «независимых исследователей» рискует рассуждать о странных обстоятельствах, связывающих один экологический миф с другим. Генномодифицированные продукты, антиоксиданты, новые хладагенты и парниковые газы – все сплетается в один узел, за которым мелькают тени транснациональных корпораций…

Между тем Природа в очередной раз напоминает нам о том, что в ней все взаимосвязано, и поспешные необдуманные решения по управлению ею могут очень дорого обойтись прогрессу человечества.

Заключение

Поместить процесс возникновения жизни в ряд природных явлений – это значит допустить, что на всех этих планетах существует жизнь, напоминающая нашу. Я убежден, что способ возникновения живых существ в основных чертах повсюду одинаков. Там, где возможна жизнь, при наличии достаточного количества времени она должна возникнуть. Она будет иметь самые различные формы, отличающиеся в деталях от тех, которые нам известны (как отличались от современных форм первые обитатели Земли), и все же эти формы во многих отношениях должны быть похожи на наши, включая, может быть, и человека.

Дж. Уолд. Происхождение жизни

Космонавт, наблюдающий Землю с Луны, даже на фотографиях не обнаружит следов деятельности человека. Только с орбит околоземных стационарных лабораторий и искусственных спутников с помощью специальной чувствительной аппаратуры и увеличенных фотографий обращают на себя внимание массивы полей, некоторые каналы и искусственные водоемы, крупные города и промышленные центры. Так что в целом, как это подтверждают и космонавты, летавшие вблизи Земли, наша планета имеет пока естественный облик. Но это взгляд из космоса. С нашей же, наземной точки зрения, уже сегодня техническая деятельность приобрела планетарные масштабы.

По приближенным оценкам за последние пять столетий человечество извлекло из недр Земли не менее 50 млрд тонн углерода, 2 млрд тонн железа, 20 млн тонн меди, 20 тыс. тонн золота. Тем самым благодаря технике началась искусственная миграция химических элементов – «вихрь», создаваемый жизнью и становящийся все сильнее. Лишь за последнее столетие промышленные предприятия выбросили в атмосферу около 360 млрд тонн углекислого газа. Ныне ежегодно сжигается 2,5 млрд тонн каменного угля, 1,5 млрд тонн нефти (наряду с другими горючими материалами). Это означает, что каждый год в земную атмосферу добавляется 8 –10 млрд тонн углекислоты. Такие количества ничтожны для земного шара или даже для литосферы и атмосферы в целом, зато весьма ощутимы для непосредственно окружающей человека среды.

Загрязняет воздух не только углекислый газ, но и производственная пыль, хорошо знакомая каждому жителю крупного города. Так, на территории Великобритании ежегодно осаждается 4,5 млрд тонн этой пыли, а в Нью-Йорке на каждую квадратную милю ежемесячно выпадает 112 тонн сажи. На Земле создано более 10 тыс. искусственных водоемов общей площадью около 500 тыс. км^2, что составляет уже 1/5 общей площади всех естественных озер. Тем не менее проблема получения пресной воды для питья и промышленных целей становится достаточно острой. Например, уже к 1980 году в США используемые ныне ресурсы пресной воды могли быть исчерпаны. Надо, однако, заметить, что на всем земном шаре содержится 30,5 млн км^3 пресной воды, но из них 97 % сосредоточены в горных ледниках, полярных шапках и пока человеком не используются. В резерве – и неопресненные, соленые воды морей, океанов, и солоноватые воды подземных источников. Так что человечество использует пока лишь сотые доли процентов запасов воды на земном шаре, равных примерно 1,5 млрд км^3. Однако это не умаляет угрозы водного кризиса.

Человек создал новый тип осадконакопления, например промышленные отходы разного вида. Искусственная порода – цемент – ежегодно вырабатывается в количестве около ¼ млрд тонн. Появилось, как плод человеческой техники, и огромное множество других новых пород (силикатных, керамических). Человек создает искусственные алмазы, кварц, слюду. Синтетические материалы заполняют не только рынок. Они стали постоянным, растущим в процентном отношении элементом «второй природы».

Развитие промышленности неизбежно связано с нагревом окружающей среды. Сегодня это энерговыделение в ходе промышленных процессов составляет около одной сотой доли процента той энергии, которую получает Земля от Солнца. Но, как считают некоторые ученые, через 50–60 лет оно может возрасти (при существующих темпах развития промышленности) до 1 %, тогда средняя температура тропосферы возрастет на 1–2 °C, что вызовет таяние больших масс льда и нежелательные изменения климата всей планеты.

Сегодня человечество освоило всю без исключения земную поверхность. Даже в Антарктиде работают постоянные научные станции – первый признак начавшегося на наших глазах заселения суровейшего из материков. Морские и океанские просторы пересекает множество кораблей, в атмосфере летают самолеты, вертолеты, а за ее пределами – космические ракеты. Человек стал на Земле почти вездесущим. А там, где есть человек, присутствует и техника.

Человек заметно изменил облик своей планеты. Он покрыл ее поверхность городами и сельскими поселения ми, густой сетью железных и шоссейных дорог, прорыл каналы, создал искусственные водохранилища и зеленые насаждения, засеял поля. Так возникли небывалые прежде искусственные ландшафты. С помощью техники человек создал «вторую природу», т. е. мир искусственных насаждений, водотоков, бассейнов, сооружений – всего того, чем техника видоизменила окружающую среду. Эта новая среда жизни человека по-новому определяет и его взаимоотношения с естественной природой. Все говорит о том, что человек способен в дальнейшем коренным образом преобразовать природу планеты.

Глоссарий

Атмосфера Земли (от греч. atmos – пар и sphaira – шар) – газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.

Атмосферное давление – гидростатическое давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы. Атмосферное давление – важнейшая характеристика состояния атмосферы; в каждой точке атмосферы оно определяется весом вышележащего воздуха.

Атмосферное электричество – совокупность электрических явлений и процессов в атмосфере. Раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и ее электрические свойства. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, ее ионизацию и проводимость, электрические токи, объемные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многое другое. Все проявления атмосферного электричества тесно связаны между собой, и на их развитие сильно влияют метеорологические факторы – облака, осадки, метели и т. п. К области атмосферного электричества обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере.

Атмосферные осадки – вода в жидком или твердом состоянии, выпадающая из облаков или осаждающаяся из воздуха на земную поверхность в виде дождя, росы, инея, града, снега и снежной крупы. Различают обложные осадки, связанные преимущественно с теплыми атмосферными фронтами, и ливневые осадки, связанные с холодными массами. Осадки измеряются толщиной слоя выпавшей воды в миллиметрах. В среднем на земном шаре выпадает около 1000 мм осадков в год, а в пустынях и в высоких широтах – менее 250 мм в год. Осадки – одно из звеньев влагооборота на Земле. Многолетнее, среднемесячное, сезонное, годовое количество осадков, их распределение по земной поверхности, годовой и суточный ход, повторяемость, интенсивность являются определяющими характеристиками климата, имеющими существенное значение для сельского хозяйства и многих других отраслей народного хозяйства.

Влагооборот – круговорот воды в природе (гидрологический цикл) – процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью состоит из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично просачиваются в землю и образуют подземные воды. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом ее общее количество остается неизменным, так как моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, а на суше баланс обратный. Три четверти поверхности земного шара покрыты водой. Водную оболочку Земли называют гидросферой. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую – пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар. На Земле вода существует в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов.

Вода – химическое соединение оксида водорода с формулой Н_2O. При комнатной температуре – прозрачная жидкость без цвета, запаха и вкуса. В твердое состояние льда и снега переходит при температуре ниже нуля Цельсия, кипит при нормальном атмосферном давлении в точке ста градусов Цельсия, при этом интенсивно переходит в газообразную форму водяного пара. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой в виде океанов, морей, озер, рек, грунтовых вод и полярных ледников. Как оксид водорода, вода является хорошим сильнополярным растворителем и в природных условиях всегда содержит в себе различные соли и газы. Вода – одно из главных условий для рождения и поддержания жизни на Земле, она служит важнейшей химической основой строения живых существ, из нее состоит около двух третей организма человека. Водная среда – гидросфера – определяет глобальные климатические зоны и формирует планетарную погоду.

Воздушные массы – части нижнего слоя атмосферы – тропосферы, горизонтальные размеры которых соизмеримы с большими частями материков и океанов. Каждая воздушная масса обладает определенной однородностью свойств и перемещается как целое в одном из течений общей циркуляции атмосферы. При этом они разделены пограничными зонами – атмосферными фронтами. Расчленение тропосферы на воздушные массы непрерывно меняется: в сложной системе воздушных течений они перемещаются из одних областей Земли в другие, меняя при этом свои свойства, исчезая и формируясь заново.

Гидросфера (от греч. Yδωρ – вода и сфера) – совокупность всех водных запасов Земли, включая ее водную оболочку. Около 97 % массы гидросферы составляют соленые океанические воды, причем средняя глубина океана составляет 3,8 км, а максимальная в тихоокеанской Марианской впадине – 11,034 км. Ледники составляют 2,2 % гидросферы, остальная часть приходится на подземные, озерные и речные пресные воды. Область биосферы в гидросфере представлена во всей ее толще, однако наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые лучами солнца слои, а также прибрежные зоны. В общем виде гидросфера делится на Мировой океан, континентальные и подземные воды. Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше – в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере в виде облаков и водяного пара. Часть воды находится в твердом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу. Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Сверх того эта часть гидросферы находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и земной корой. Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу.

Дождь – атмосферные осадки, выпадающие из облаков в виде капель воды диаметром от 0,5 до 6–7 мм. Жидкие осадки с меньшим диаметром капель называются моросью. Капли с диаметром больше 6–7 мм разбиваются при падении на меньшие. Интенсивность дождя колеблется от 0,25 мм/ч (моросящий дождь) до 100 мм/ч (ливень). Дождь выпадает, как правило, из смешанных облаков (преимущественно слоисто-дождевых и высокослоистых), содержащих при температуре ниже нуля переохлажденные капли и ледяные кристаллы. Упругость насыщения водяного пара над каплями больше, чем над ледяными кристаллами при той же температуре; поэтому облако, даже не насыщенное водяным паром по отношению к каплям воды, будет пересыщено по отношению к кристаллам. Это приводит к росту кристаллов при одновременном испарении капель. Укрупняясь и утяжеляясь, кристаллы выпадают из облака, примораживая к себе при этом переохлажденные капли. Входя в нижнюю часть облака или под него в слои с положительной температурой воздуха, они тают, превращаясь в капли дождя. Меньшая роль в образовании дождя принадлежит слиянию облачных капель между собой.

Жидкость – одно из агрегатных состояний вещества. Основным свойством жидкости, отличающим ее от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объем. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым телом и газом: газ не сохраняет ни объем, ни форму, а твердое тело сохраняет и то и другое. Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведет себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохранение формы (внутренних частей жидкого тела). Молекулы жидкости не имеют определенного положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Вещество в жидком состоянии существует в определенном интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние путем кристаллизации или аморфного превращения, а выше – испарением в газообразное. Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси, причем многие жидкости могут выполнять функцию растворителей.

Капля – небольшой объем жидкости, ограниченный поверхностью вращения или близкой к ней. Форма капли определяется действием сил поверхностного натяжения и внешних сил. Капли образуются: при стекании жидкости с края поверхности или из малых отверстий, при конденсации пара, при распылении жидкости и эмульгировании. Роса образуется при конденсации водяного пара на поверхностях, туман и облака – при конденсации водяного пара на пылинках воздуха. Форма капли определяется совокупным действием поверхностного натяжения и других внешних сил. Микроскопические капли, для которых сила тяжести не играет определяющей роли, имеют форму шара – тела с минимальной для данного объема поверхностью. Крупные капли в земных условиях имеют шарообразную форму только при равенстве плотностей жидкости капли и окружающей ее среды. Падающие дождевые капли под действием силы тяжести, давления встречного потока воздуха и поверхностного натяжения принимают вытянутую форму. На несмачиваемых поверхностях капли приобретают форму приплюснутого шара.

Конвекция (от лат. convectio – доставка) – перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную конвекцию.

Ледник – масса льда преимущественно атмосферного происхождения, испытывающая вязко-пластическое течение под действием силы тяжести и принявшая форму потока, системы потоков, купола или плавучей плиты. Ледники образуются в результате накопления и последующего преобразования твердых атмосферных осадков снега при их положительном многолетнем балансе. Общим условием образования ледников является сочетание низких температур воздуха с большим количеством твердых атмосферных осадков, что имеет место в холодных странах высоких широт и в вершинных частях гор. Однако чем больше суммы осадков, тем выше могут быть температуры воздуха. Преобразование снега в лед может идти как при отрицательной температуре, так и при температуре таяния. В первом случае – путем рекристаллизации, вызываемой давлением вышележащей толщи и уменьшением пористости снега. Во втором случае – посредством таяния снега с повторным замерзанием талой воды в толще.

Мировой океан – основная часть гидросферы, составляющая 94,1 % всей ее площади, непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и отличающаяся общностью солевого состава. Воды Мирового океана составляют основную часть гидросферы Земли – океаносферу. Воды океана составляют более 1338 млн кубических километров. Единство океана как водной массы обеспечивается ее непрерывным движением как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. В океане, как и в атмосфере, нет резких природных границ, все они более или менее постепенны. Здесь осуществляется глобальный механизм трансформации энергии и обмена веществ, который поддерживается неравномерным нагревом солнечной радиации поверхностных вод и атмосферы.

Океан играет огромную роль в формировании климата Земли. Под действием солнечной радиации вода испаряется и переносится на континенты, где выпадает в виде различных атмосферных осадков. Океанические течения переносят нагретые или охлажденные воды в другие широты и в значительной мере ответственны за распределение тепла по планете. Вода обладает большой теплоемкостью, поэтому температура океана меняется гораздо медленнее, чем температура воздуха или суши. Если факторы, вызывающие течения, постоянны, то образуется постоянное течение, а если они носят эпизодический характер, то формируется кратковременное, случайное течение. Течения, температура воды в которых выше средней температуры для тех же широт, называют теплыми, ниже – холодными, а течения, имеющие ту же температуру, что и окружающие его воды, – нейтральными. Скорость течений в среднем не превышает 10 м/с, а в глубину они распространяются не более чем на 300 метров.

Молния – гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим ее громом. Наиболее часто возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Муссоны (франц. mousson, от араб. маусим – время года) – устойчивые сезонные переносы воздуха у земной поверхности и в нижней части тропосферы. Характеризуются резкими изменениями направления от зимы к лету и от лета к зиме, проявляющимися над обширными районами Земли.

Парниковый эффект (оранжерейный эффект) атмосферы – свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать аккумуляции тепла Землей. Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, так как альбедо земной поверхности в общем мало. Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового, излучения, прозрачность атмосферы для которого мала и которое почти полностью поглощается в атмосфере.

Пассаты (от голл. passaat) – воздушные течения в тропических широтах океанов, сравнительно устойчивые в течение всего года. Являются частью общей циркуляции атмосферы. Общее направление пассата – с Востока на Запад. В нижней части тропосферы (на высоте 1–2 км) его дополняют меридиональные составляющие, направленные преимущественно к экватору; в результате в Северном полушарии пассаты чаще всего являются северо-восточными ветрами, а в южном – юго-восточными. Пассаты тесно связаны с субтропическими океаническими антициклонами (дуют по обращенным к экватору перифериям этих антициклонов). Над материками в тропиках, где режим ветра более изменчив, они выражены менее определенно, а в ряде районов заменяются муссонами.

Погода – совокупность непрерывно меняющихся значений метеорологических элементов и атмосферных явлений, наблюдаемых в данный момент времени в той или иной точке пространства. Понятие «погода» относится к текущему состоянию атмосферы, в противоположность понятию «климат», которое относится к среднему состоянию атмосферы за длительный период времени. Если нет уточнений, то под термином «погода» понимают погоду на Земле. Погодные явления протекают в тропосфере (нижней части атмосферы) и в гидросфере. Выделяют периодические и непериодические изменения погоды. Периодические изменения погоды зависят от суточного и годового вращения Земли. Непериодические обусловлены переносом воздушных масс. Они нарушают нормальный ход метеорологических элементов. Несовпадение фазы периодических изменений с характером непериодических приводят к наиболее резким изменениям погоды.

Стратосфера (от лат. stratum – слой и сфера) – слой атмосферы между тропосферой и мезосферой (от 8–16 км до 45–55 км), температура в стратосфере в общем растет с высотой. Газовый состав воздуха в стратосфере сходен с тропосферным, но в нем меньше водяного пара и больше озона с наибольшей концентрацией в слое от 20 до 30 км. Тепловой режим стратосферы в основном определяется лучистым теплообменом, в меньшей степени – вертикальными движениями и горизонтальным переносом воздуха.

Струйное течение – воздушное течение в верхней тропосфере и в нижней стратосфере с почти горизонтальной осью, характеризующееся большими скоростями, относительно малыми поперечными размерами и большими вертикальными и горизонтальными градиентами ветра. Такое течение напоминает гигантскую струю среди относительно слабых ветров окружающей атмосферы.

Тропопауза (от греч. τροπος – поворот, изменение и пауза) – часть атмосферы, переходный слой от тропосферы к стратосфере. Расположена в среднем в 12 км от поверхности Земли. Толщина тропопаузы составляет от нескольких сотен метров до 2–3 километров. Высота тропопаузы зависит от географической широты, циклонической деятельности и сезона (летом тропопауза расположена выше, чем зимой). В субтропиках наблюдаются разрывы тропопаузы, обусловленные мощными струйными течениями. Тропопауза над отдельными районами часто разрушается и формируется заново. В тропопаузе градиент температуры, имеющийся в тропосфере, уменьшается; иногда наблюдается температурная инверсия.

Тропосфера (от греч. τροπος – поворот, изменение и сфера) – нижняя, преобладающая по массе часть земной атмосферы, в которой температура понижается с высотой, простирается в среднем до высот 8–10 км в полярных широтах, 10–12 км в умеренных, 16–18 км в тропических. Над тропосферой располагается стратосфера, от которой она отделена сравнительно тонким переходным слоем – тропопаузой. В тропосфере сосредоточено более всей массы атмосферного воздуха. Среднее атмосферное давление на верхней границе в умеренных широтах менее атмосферного давления у земной поверхности. Самые высокие горы остаются в пределах тропосферы, и вся деятельность человека проходит в тропосфере, только космический и воздушный транспорт выходит за пределы тропосферы – в стратосферу.

Турбулентность – явление, наблюдаемое во многих течениях жидкостей и газов и заключающееся в том, что в этих течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, вследствие чего их гидродинамические и термодинамические характеристики (скорость, температура, давление, плотность) испытывают хаотические флуктуации и потому изменяются от точки к точке и во времени нерегулярно. Этим турбулентные течения отличаются от так называемых ламинарных течений. Большинство течений жидкостей и газов в природе (движение воздуха в земной атмосфере, воды в реках и морях, газа в атмосферах Солнца и звезд и в межзвездных туманностях и т. п.) и в технических устройствах являются турбулентными.

Фронты атмосферные (фронты тропосферные) – промежуточные, переходные зоны между воздушными массами в тропосфере. Зона атмосферного фронта очень узка по сравнению с разделяемыми ею воздушными массами, поэтому ее приближенно рассматривают как поверхность раздела двух воздушных масс разной температуры, называемой фронтальной поверхностью. На синоптических картах атмосферный фронт изображают в виде линии (линия фронта). Поверхность фронта располагается наклонно к земной поверхности, причем холодный воздух лежит в виде очень пологого клина под теплым.

Циклон (от греч. κυκλώνας – кружащийся, вращающийся) – атмосферное возмущение с пониженным давлением в центре и вихревым движением воздуха. Различают внетропические и тропические циклоны. Последние обладают особыми свойствами и возникают гораздо реже.

Циркуляция атмосферы – общая система крупномасштабных воздушных течений над земным шаром. В тропосфере сюда относятся пассаты, муссоны, воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами, в стратосфере – преимущественно зональные (западные и восточные) переносы воздуха с наложенными на них так называемыми длинными волнами. Циркуляция является важнейшим климатообразующим процессом. Характер погоды и его изменения в любом месте Земли определяются не только местными условиями теплооборота и влагооборота между земной поверхностью и атмосферой, но и циркуляцией атмосферы.

Благодарности

Автор с большим удовлетворением вспоминает плодотворные обсуждения рукописи со своими коллегами и отмечает, что замысел книги подсказал в свое время академик РАН Э. П. Кругляков, а доктор ф.-м. наук, профессор М. Б. Менский высказал ряд ценных предложений.

Автор подозревает, что замечательные специалисты издательства «Страта», в особенности изумительный редактор Светлана Викторовна Волкова, вполне могли бы и обойтись без его участия, но вот сам автор без их разносторонней высоко профессиональной работы был бы совершенно беспомощен.

Content

Олег Фейгин
Планета бурь

введение

Часть 1. Климат планеты

Как все начиналось

Земная преджизнь

Часть 2. Кухня погоды

Живая и мертвая, тяжелая и легкая

Дыхание Мирового океана

Гидрологический цикл

Часть 3. Фабрика льда

Опасные метаморфозы

Снежные фракталы

Ледовые миражи

Часть 4. Природа погодных аномалий

Наводнения

Грозы

Ураганы

Снежные лавины

Часть 5. Теория заговора

Энергия будущего

Глобальное потепление

Озоновая катастрофа

Заключение

Глоссарий

Благодарности