Юлия Владиславовна Мизун

Юрий Гаврилович Мизун

ОЗОННЫЕ ДЫРЫ

И ГИБЕЛЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА?

*

Серия «Великие Тайны»

© Ю. В. Мизун, Ю. Г. Мизун, 1998.

© «Вече», 1998.

Итак, мир идет к концу, а человек своей деятельностью даже способствует приближению конца, ибо цивилизация эксплуатирующая, а не восстанавливающая, не может иметь иного результата, кроме ускорения конца.

Н. Ф. Федоров. «Философия общего дела»

Предисловие

Возможное неблагоприятное изменение климата по вине человека — одна из самых серьезных проблем нашей цивилизации. Озонные дыры увеличиваются с каждым годом. Климат быстро меняется, и не только потому, что разрушается озонный слой, но и потому, что в атмосфере меняется количество углекислого газа и увеличивается содержание вредных веществ.

Что же ждет человечество? Чтобы ответить на этот вопрос, надо хорошо знать, что происходит сейчас и что происходило в прошлом. Зная прошлое, легче предсказывать будущее. А в прошлом климата Земли (и вообще всей Земли) было все — и атмосфера без кислорода, и кислотные моря, реки и озера, и почти сплошной ледниковый панцирь. Были и периоды, которые можно назвать раем на Земле (малый климатический оптимум), но были и другие, в которые каждый четвертый год был голодным. Был не только голод, но и холод.

Говорить только об озонных дырах нет смысла. Надо видеть всю проблему целиком, чтобы осмыслить то положение, в котором оказалось человечество. Не мы одни попали в эту ловушку. До нас были цивилизации, которые достигли более высокого уровня развития. Но они не удержались в рамках действующих законов Природы и… погибли. Знания их не спасли, хотя они были очень обширными и глубокими. Видимо, им не хватило воли и мужества остановиться, обдумать все и скорректировать свое стремительное движение, движение к гибели. Найдем ли мы в себе это мужество и волю? Во всяком случае, знание истины могло бы этому помочь.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ПРОШЛОМ

ОТКУДА БЕРЕТСЯ ИНФОРМАЦИЯ

Что произойдет на Земле, если увеличится количество углекислого газа в атмосфере, если уменьшится количество озона и, вообще, если по тем или другим причинам изменится температура? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, ученые проводят расчеты ожидаемых изменений. Они моделируют процессы в атмосфере Земли, задавая различные сценарии изменения указанных величин. Но такие расчеты не являются достаточно точными, поскольку задача слишком сложная. Поэтому ученые собирают всю возможную информацию о том, как изменялись условия в атмосфере (и биосфере) раньше, сотни, тысячи и даже миллионы лет назад. Может быть, подобные ситуации уже были в истории Земли? Любопытно знать, чем они закончились.

На Земле неоднократно изменялся состав атмосферы и средняя температура. Необходимо внимательно проанализировать, к чему приводили эти и другие изменения. Но для того, чтобы проводить анализ изменения климата сотни, тысячи и даже миллионы лет тому назад, надо иметь информацию о климате. Но архивы позволят нам совершить экскурс в прошлое только на сотни лет назад. Где же взять нужные данные?

Этот вопрос задавали себе многие ученые. И они нашли на него ответ, и не один. Оказывается, имеется несколько источников таких данных, что позволяет говорить об изменении климата в прошлом весьма уверенно. Какие это источники?

Изменение климата влияет на многие процессы на Земле. Например, от климата зависит формирование осадочных пород. Под действием ветра и воды формируется рельеф. Климат оказывает влияние на образование почвы. Формирование границ распространения растений и животных, их переселение и вымирание во многом также происходит под действием климата, его особенностей и изменения во времени. Под действием изменения климата происходит изменение характера переноса химических элементов и соединений от одного элемента климатической системы к другому, например, из атмосферы в океан.

Конечно, не все происходившие ранее изменения, связанные с изменением климата, оставили след. Но те, о которых мы знаем, позволяют ученым воссоздать, реконструировать изменение климата в прошлом. Их выводы основаны на геологических документах. Таковыми являются осадочные породы, а также останки растений и животных, которые оказались захороненными в этих отложениях. Эти останки растений и животных содержат в себе информацию о том климате, который был при их жизни. Осадочные породы являются самым первым свидетелем климатических условий прошлого. При таком анализе специалисты изучают не только состав пород (как химический, так и физический), но и их структуру и особенности залегания. Весь процесс напластования осадочных пород протекает очень медленно. Поэтому анализ этих данных позволит получить сведения, относящиеся к достаточно длительному периоду. Извлечь нужную информацию о климате из свойств осадочных пород очень непросто, поскольку эти свойства менялись одновременно и под действием других (неклиматических) факторов. Эти изменения надо уметь распознавать и рассчитывать, чтобы оставшиеся изменения дали информацию о климатических условиях, которые имели место в период образования данного пласта осадочных отложений.

Сказанное можно проиллюстрировать такими примерами. Если пласт осадочных пород представляет собой белые глины (каолины), то ученые не сомневаются, что в период формирования этого пласта климат был влажным. Они знают, что белые глины (которые используют для производства фарфора) образуются в результате выветривания, разложения горной породы в условиях влажного климата. О влажном климате свидетельствуют также пласты бокситов в отложениях осадочных пород. Напомним, что бокситы служат сырьем для производства алюминия. В условиях влажного климата происходило также образование марганцевых руд и пластов каменного угля. Для образования же месторождений фосфоритов климат должен быть не только влажным, но и теплым.

Что же касается сухого климата, то о нем можно достаточно уверенно судить по отложениям, которые образовались в условиях сильного испарения. Это пласты каменной поваренной соли, а также калийной соли и гипсов, они образовались в условиях, близких к современному климату пустынь. Для того, чтобы химические превращения протекали эффективно, температура должна быть достаточно высокой. При низкой температуре, в холодном климате химическое разложение пород, их выветривание существенно замедляется, породы изменяются путем физического разрушения. Можно уверенно сделать вывод, что если в породах не прошли процессы химического разложения, то есть в отложениях обнаруживаются минералы, которые легко поддаются химическому выветриванию, то эти пласты пород формировались в период холодного климата.

Ценную информацию о климате в прошлом содержат в себе отложения, которые оставили ледники. Такие отложения называют моренами. Они представляют собой глинистый материал с примесью песка, гравия, щебня, крупных обломков и валунов, который залегает не пластами, а беспорядочно. Это и понятно — мореные отложения были погребены под слоями других отложений. На них давили вышележащие слои, поскольку морены часто погружены на большую глубину. При этом они могли и нагреваться. Со временем морена древних ледников превращается в горную породу.

Ученые очень ценят информацию о климате в прошлые эпохи, которую они извлекают из свойств отложений в озерах. Эти отложения называют ленточными глинами. В этом случае появляется новая информация, поскольку накопления глинистых озерных отложений имеют годовой цикл. Один годовой слой благодаря этому четко отделяется от другого, соседнего, как предыдущего, так и последующего. Более того, в годовом цикле можно выделить весенне-летнюю и зимнюю прослойки. Информацию о потеплениях, похолоданиях, увлажнениях и засухах считывают из толщины слоев и прослоек, а также из состава материала в этих слоях и прослойках.

О том, каким был климат в прошлом в данной местности, специалисты судят и по особенностям рельефа территории или поверхности с древним рельефом, которую обнаруживают под породами. Если в нынешних пустынях удается обнаружить сохранившиеся следы былой сети рек и речных форм рельефа, значит, здесь раньше был влажный климат.

Ценную информацию о климате в прошлом извлекают из анализа высоты древних снеговых линий в горах. Если эти линии отмечены особыми формами рельефа — норами и нишами, то можно утверждать, что здесь в прошлом была эпоха похолоданий. Если для рельефа характерны ветровые формы, то по ним специалисты могут восстановить даже особенности циркуляции атмосферы в прошлом. Так, о наличии мерзлотных грунтов в прошлом однозначно свидетельствуют мерзлотные формы рельефа. В этом случае можно уверенно говорить о существенных похолоданиях в прошлом в этой местности.

Информацию о климате в прошлом содержат в себе и растения, которые смогли сохраниться в тех пор. Реакция растений на изменение климата более сильная и разнообразная, чем реакция осадочных пород. При переходе от теплого и влажного климата к умеренному и холодному меняется облик растительности, одни виды растений исчезают, а другие, совершенно новые, появляются. Это мы наблюдаем сейчас, это происходило и в прошлом. Поэтому по растительным остаткам в отложениях можно реконструировать климат прошлого. При этом используется абсолютно вся доступная информация — и тип ископаемой растительности, и ее внешний облик, а также анатомическое строение и набор видов растительности. Это позволяет восстановить многие качественные черты климата в прошлом. Очевидно, что более надежную информацию о климате дает анализ растительных сообществ, а не только отдельных растений.

Наличие отпечатков и останки растений большого количества видов означает, что эти растения в свое время росли в теплом климате. По современным данным в тропическом лесу на площади 2 гектара насчитывается более 200 видов деревьев. В умеренном климатическом поясе (более холодном) различных видов деревьев на такой же площади в 20 раз меньше. В холодном климате их еще меньше. Если в прошлом климат был теплым, то в остаточных породах вы обнаружите остатки или отпечатки вечнозеленых растений, пальм, растений с крупными листьями. В холодном же климате росли хвойные деревья, мелколиственные растения. В таком климате деревья и вовсе могут отсутствовать, поэтому их остатки в породах не обнаруживаются. В сухом климате росли растения с мелкой редкой листвой или с колючками.

Отпечатки растений прошлых эпох встречаются значительно чаще, чем сами растения, которые в отложениях сохраняются плохо. Но зато в отложениях хорошо сохраняется пыльца растений и споры. Анализ пыльцы и спор растений прошлых эпох дает очень ценную информацию об изменении и характере климата в это время. Этот метод позволяет установить не только климат, но и растительность в данном регионе в прошедшие эпохи.

Анализ структуры торфа также дает информацию о климате. Торфяники развиваются как в умеренных широтах, так и в холодных климатических зонах. Разные пласты торфа свидетельствуют о разных климатах. Пласт влаголюбивых мхов свидетельствует о том, что он формировался в период влажного климата. Пласт торфа, состоящий из лесной растительности, свидетельствует о том, что в то время в данном регионе был сухой климат.

Существует еще один метод определения климата в прошлом. Он основан на том, что ширина годичного прироста толщины стволов деревьев весьма четко связана с количеством осадков в данном году. Была установлена также зависимость этого прироста от температуры воздуха. Было установлено, что в одинаковых климатических условиях имеет место одинаковый ежегодный прирост колец. Это позволяет по ширине годичных колец деревьев разного возраста — как захороненных в торфяниках, льдах и морене, так и найденных при археологических раскопках, — определять климат в прошлом. Деревья при этом можно использовать самые разные. Так был выстроен по срезам деревьев, по годовым кольцам дендрохронологический календарь (греческое слово «дендрон» означает дерево), который охватывает период в 12 тысяч лет. Здесь ценно то, что речь идет не о влажных или сухих периодах, а об отдельных годах. Собственно, не только о годах, но и о сезонах. Информация о сезонных изменениях климата получается из тщательного анализа годичного кольца (с применением микроскопа, рентгеноскопии и компьютера). Таким образом специалисты получают информацию о средней летней температуре воздуха, поскольку максимальная плотность летней древесины четко связана со средней летней температурой воздуха. А это уже немало, поскольку перекрывается более 10 тысяч лет.

Ценную информацию о климате в прошлом содержат и сведения о распределении животных на суше и в море в то время. Речь идет об останках животных, которые сохранились в отложениях. В данном случае анализ имеющегося материала проводится по той же схеме, что и в случае остатков растений. Так, изобилие или бедность видового состава животных является свидетельством того, был ли климат в тех местах теплым или холодным. Холоднокровные животные свидетельствуют о теплом климате. Размеры животных также могут рассказать о климате. Ведь известно, что теплокровные животные тем больше, чем холоднее климат, в котором они живут. Что же касается холоднокровных животных, то наибольших размеров они достигают в условиях теплого климата. Это же справедливо и по отношению к крупным насекомым. Обитатели моря прошлых эпох свидетельствуют о климате тех времен по-особому. Те из морских организмов, которые выделяют известь, в частности фораминиферы, а также организмы, которые строят коралловые рифы, находились в условиях теплого климата. Это очевидно, поскольку только в условиях теплого климата верхний слой морской воды насыщен известью.

Мы лишь в общих чертах описали метод, позволяющий изучать, каким был климат в прошлом. Практическое применение указанного метода очень непростое. Приходится семь раз отмерить, прежде чем отрезать. Только совместный анализ всей совокупности имеющихся фактов позволяет сделать окончательные выводы о том, каким был климат в то или другое время в прошлом. Но при всем этом самым важным является вопрос о времени. Наряду с хронологией деревьев (по годичным кольцам деревьев) и с хронологией по ленточным глинам очень важными являются изотопные методы определения возраста.

Метод, основанный на измерении содержания изотопов кислорода, был разработан в 1950 году. Он основан на следующей закономерности: при осаждении карбоната кальция (CaCO_3) из воды соотношение между содержанием «легкого» изотопа кислорода (O^16) и «тяжелого» изотопа (О^18) зависит от температуры воды. Значит, измерив соотношение содержания изотопов, мы получаем информацию о температуре воды. Где же берут исследователи эти изотопы? Их консервируют в течение тысяч и даже миллионов лет организмы, которые сохранились в осадочных породах. Дело в том, что организмы, которые строят раковины, отбирают из воды карбонатные ионы. Именно в этих ионах соотношение изотопов кислорода соответствует температуре воды. Так информация о температуре воды закладывается в скелеты организмов. Далее она вместе с организмами накапливается в отложениях, эти архивные данные о температуре воды сохраняются там тысячи и даже миллионы лет. Метод, который можно назвать изотопным термометром, очень широко используется и позволяет получать количественную информацию об изменении климата в прошлом. Ясно, что этот метод применяется в совокупности с другими методами. Изотопный метод позволяет определять температуру воды морей и океанов в те времена, когда в океане появились первые организмы, которые строили свой скелет из карбонатов.

Ценную информацию о прошлом, в том числе о климате, содержат льды, и прежде всего льды Антарктиды. Лед накапливается слой за слоем в результате выпадения осадков в виде дождя и снега. А состав этих осадков (в смысле изотопов кислорода) зависит от температуры и характера испарения. Было установлено, что чем ниже температура формирования осадков, тем меньше вода, которая выпадает в виде дождя или снега, обогащена тяжелыми изотопами кислорода (О^18). Значит, остается слой за слоем считывать всю толщу ледника Антарктиды, Исландии, Арктики. Перелистав этот журнал наблюдений, мы получим количественную информацию об изменении температуры за весьма продолжительное время — сотни тысяч лет. Так мы можем заглянуть в прошлое на полмиллиона лет назад. Правда, читать такой журнал непросто — страницы его не переворачиваются. Остается сверлить (бурить) дырку (скважину) и заглядывать в журнал через нее. Так и сделали. Наши и зарубежные специалисты пробурили скважины в ледниковых покровах Антарктиды и Гренландии. Был проведен анализ образцов льда, который доставали с разных глубин. Кстати, эти образцы льда оказались информативными вдвойне. Мало того, что в них содержится информация о температуре воды. В них сохранились пузырьки воздуха, пробы воздуха, как сказал бы специалист. Эти пробы «брались» (консервировались) регулярно, от года к году. Анализ этих проб позволяет определять состав атмосферного газа в определенный момент в прошлом.

Но лед сохранил не только пузырьки воздуха. Лед является прекрасным улавливателем частиц (пыли), которые переносятся потоками воздуха. А эти частицы (пыль) служат своего рода трассером. По тому, что собой представляет эта пыль, можно сделать заключение о том, откуда она прилетела, или, другими словами, откуда дул ветер. А это немало. Это информация о циркуляции атмосферы, а значит о климате. Исследуют и состав пыли. По нему можно выявить степень влажности и даже восстановить состав солей в океане, поскольку в прибрежной морской зоне воздуха содержится много солевых частиц, которые попали туда из моря.

Восстанавливая картину климата в прошлом, ученые, конечно, анализируют и различные письменные источники. Но на этом вопросе мы останавливаться не будем — здесь многое очевидно и известно читателю. Мы же прямо перейдем к результатам, то есть кратко, схематично опишем картину изменения климата на Земле в прошлом.

Описывая исторические события, говорят о годах, столетиях и тысячелетиях. Описывая всю историю Земли, поступают по-иному — весь период геологического времени разбивают на отдельные периоды.

Еще 2000 лет назад полагали, что вся геологическая история Земли укладывается в 6000 лет. Но позднее стало очевидным, что для формирования осадочных пластов необходимы не тысячи, а миллионы лет. Когда стали использовать радиоизотопный метод датирования, то стало ясно, что геологическое время Земли измеряется не миллионами, а миллиардами лет.

Ученые поделили все геологическое время Земли на отдельные отрезки, для которых характерны однотипные процессы. Прежде всего геологическое время было поделено на два эона. Название происходит из греческой мифологии. Эон — это неостанавливающееся, неумолимое время, отпрыск Хроноса — бога времени. Эти два эона названы докембрийским и фанерозойским. Фанерозой начинается там, где (в смысле времени) встречаются явные следы жизни. Слово «фанерозой» означает «эра явной жизни». В докембрийских отложениях также встречаются следы жизнедеятельности организмов. Но они сохранились плохо. Докембрийский эон занимает 85 % всего времени, которое прошло после момента образования Земли. «Эру явной жизни» (фанерозой) делят на три эры, которые имеют разную продолжительность. Это палеозой — эра древней жизни, мезозой — эра средней жизни, и кайнозой — эра новой жизни. Наше время входит в кайнозойскую эру. Специалисты каждую эру поделили на периоды, названия которым даны по названиям тех районов, где отложения данного периода были описаны впервые. Эти периоды ученые поделили на эпохи. В кайнозойской эре выделено всего два периода — третичный и четвертичный. В третичном периоде было 4 эпохи — плиоцен, эоцен, олигоцен и миоцен. Мы живем в четвертичном периоде. В нем выделена одна эпоха — плейстоцен. Она пока что совпадает по продолжительности с периодом плейстоцен. После таких пояснений перейдем к описанию картины изменения климата Земли в прошлом.

ИСТОРИЯ КЛИМАТА

Говоря о климате всей Земли, оперируют средней температурой на ее поверхности. В отдельных регионах температура может меняться очень значительно. Но когда в одних регионах температура понижается, она повышается в других. Поэтому средняя температура на поверхности Земли при этом меняется незначительно или вовсе не меняется. Если нас интересуют не региональные проблемы изменения климата, а глобальное его изменение, то надо рассматривать среднюю температуру. Она определяется соотношением двух энергий — той, которую Земля получает от Солнца, и той, которую она отдает обратно в космос. Разницу она оставляет себе. Ею и определяется средняя температура на поверхности Земли. Сразу скажем, что эта разница за всю историю Земли изменялась очень незначительно. Другими словами, средняя температура у поверхности Земли за всю ее историю менялась мало. Эти изменения происходили в пределах от 5 до 40 °C. Откуда мы это знаем?

Сделать такой вывод нам позволяет анализ таких фактов. Во-первых, океан на Земле с момента своего возникновения до сих пор существовал всегда — он никогда не вымерзал и никогда не испарялся. Значит, температура не понижалась до 0 °C и не повышалась до +100 °C. Анализ останков растений и животных в древних породах свидетельствует о том, что жизнь никогда не прекращалась, она развивалась в благоприятных условиях — происходило ее непрерывное поступательное развитие. Если бы температура на Земле (средняя) достигала +50 °C, то это было бы невозможным — произошла бы пастеризация, в результате чего большая часть организмов была бы уничтожена в условиях высокой температуры. Но этого не произошло. Следовательно, таких высоких средних температур (+50 °C) на Земле не было. Среднюю температуру Земли сверху ограничим величиной в +40 °C. Нижняя температура, как мы видели, не могла опускаться до 0 °C. Более того, она не могла быть ниже +5 °C. Если бы это случилось, то на больших пространствах быстро распространились бы ледники, которые сами создают благоприятные условия для своего развития. Это своего рода цепная реакция, в результате чего происходят необратимые изменения. Вот поэтому можно уверенно утверждать, что средняя температура у поверхности Земли за всю ее историю не выходила за пределы от 5 °C до 40 °C. С точки зрения сохранения и развития жизни вообще такие изменения средней температуры вполне допустимые. Можно сказать, что это очень узкий диапазон колебаний температуры, который сохранялся в течение всей истории Земли.

Но если говорить не просто о развитии жизни, а о биосфере, ее характеристиках, то она кардинально менялась, если средняя температура на поверхности Земли менялась на 5 —10 °C. В истории Земли эпохи оледенений («зимы нашей планеты»), которые длились десятки и сотни миллионов лет, сменялись еще более длительными теплыми эпохами.

Каким был климат на Земле в самый давний — архейский период? Анализ отложений этого периода свидетельствует об обилии воды в это время. Атмосфера была агрессивной восстановительной. Вода морей характеризовалась высокой кислотностью. Это был самый теплый период на Земле. Атмосферный газ содержал большое количество углекислого газа, а также других примесей, которые создавали парниковый эффект. Образовывалась мощная облачность, поскольку при высокой температуре воды океана интенсивно испарялись. Облака закрывали свет, и на поверхности Земли под облаками царил полумрак. К этому добавим, что почти непрерывно гремели грозы и шли обильные кислые дожди и ливни. В определенной мере это та перспектива, которая ожидает нас, если выбросами в атмосферу человечество раскачает ее тепловой баланс и начнется реальный процесс потепления на Земле. Если к этому добавится проникновение губительного ультрафиолета к поверхности Земли (поскольку озонный слой будет разрушен), то трагизм происходящего достигнет своего апогея: не только произойдет необратимое изменение климата, но и перестанет существовать биосфера как таковая. Но вернемся к описанию изменения климата в прошлом. Собственно, мы и делаем экскурс в историю климата с целью найти ответ на вопрос — что нас ждет в результате изменения состава атмосферы, а значит, и энергетического соотношения, что неизбежно должно привести к изменению средней поверхностной температуры Земли.

После описанного выше периода наступила протерозойская эра. В это время начали появляться первые ледники, а значит, и первые ледниковые отложения. Эта эпоха была учеными названа гуронской, поскольку впервые эти отложения были обнаружены в Канаде в районе озера Гурон. Затем они были обнаружены и в других регионах Земли (в Южной Америке, в западной Австралии).

Ледниковую гуронскую эпоху сменил период потепления, который длился около одного миллиарда лет. За ним последовала вторая эпоха оледенения (гнейсесская). Она сменилась сравнительно теплым периодом, который длился 100–150 миллионов лет. Затем произошло новое похолодание и распространение ледников (стертская ледниковая эпоха). После этой ледниковой эпохи последовал период потепления, который сменился третьей эпохой оледенения (вараганской). Все эти три эпохи оледенения укладываются в первый эон — докембрийский.

Что же касается фанерозойского эона, то он начался с теплого кембрийского периода, за которым последовал ордовикский период. В конце этого периода вновь началось оледенение, о чем свидетельствуют обширные отложения тиллитов с гигантскими валунами, которые были обнаружены относительно недавно. Следы ордовикского оледенения обнаружили в 1960-е годы французские геологи-нефтяники в западной Африке и в Сахаре. Любопытно, что именно в Сахаре, самой большой пустыне мира, были обнаружены доказательства былого оледенения. Ордовикское оледенение закончилось в селуре. После него наступил длительный теплый период, который длился до каменноугольного периода. В начале этого нового периода начинается новое похолодание. Оно достигло своего апогея примерно 280 миллионов лет тому назад. В то время возникли огромные ледниковые покровы и шельфовые ледники над мелкими морями. Плавучие льды покрывали моря, а также пространства вокруг полюсов. Айсберги бороздили воды океанов. Вечная мерзлота широко распространилась на больших пространствах в обеих полушариях. Об этом оледенении свидетельствуют отложения тиллитов. Они обнаружены на огромных пространствах Южной Америки, южной Африки, Индии, Австралии и Антарктиды. Обнаружены они и в Сибири. Мощность пластов тиллитов достигает сотен метров.

После этого оледенения в конце пермского периода началась теплая эпоха, которая продолжалась до середины кайнозойской эры, а затем вновь наступил период оледенения.

Продолжительность ледниковых эпох определяется достаточно точно с помощью радиоизотопных методов. Эти методы позволяют определять возраст пород, которые затем были покрыты слоем тиллитов. Эти измерения позволили установить, что самая древняя ледниковая эпоха — гуронская. Она началась 2,34 миллиарда лет тому назад и закончилась 1,95 миллиарда лет назад. Следующая, гнейсесская эпоха оледенения имела место 950–900 миллионов лет назад. Стертская эпоха оледенения продолжалась от 810 до 715 миллионов лет назад. Последняя эпоха оледенения — варангская — длилась от 680 до 570 миллионов лет назад. Это речь шла о первом эоне — докембрийском.

Во втором эоне — фанерозойском — первая эпоха оледенения продолжалась от 460 до 410 миллионов лет назад. Ее называют ордовикской. После теплого перерыва последовало новое гондванское оледенение, эпоха которого длилась от 340 до 240 миллионов лет назад.

Любопытна регулярность эпох оледенения и их большая продолжительность. Ясно, что они не являются случайными эпизодами на Земле. Учеными была высказана мысль, что эпохи оледенения повторяются на Земле с периодом в 150 миллионов лет. Они считают, что часть эпох оледенения пока что не обнаружена, поэтому эта периодичность и не подтверждается. Вопрос этот важен, поскольку надо понять причину чередующихся эпох оледенения. На рис. 1 показана схема чередования эпох оледенения, которое происходило в продолжении последнего миллиарда лет. Заштрихованы периоды (эпохи) оледенения. Весьма любопытно, что эпохи оледенения не только чередуется с теплыми эпохами, но за последние 2,5 миллиарда лет занимают примерно столько времени, сколько и теплые эпохи. Это в том случае, если в это время включить продолжительность развития и завершения оледенения.

Рис. 1. Эпохи оледенения последнего миллиарда лет.

Эпохи: 1 — оледенения; 2 — теплые.

В эпохи оледенения ледниковый покров вначале наступал, затем отступал. Ледники то стягивались к полюсам, то широко распространялись по пространству суши и прибрежных морей. В пределах одной ледниковой эпохи этот колебательный процесс стягивания — расширения ледникового покрова повторялся неоднократно. Поэтому сама эпоха оледенения не однородна во времени.

Следует отметить, что с течением времени в пределах одной эпохи оледенения центры оледенений постепенно смещались. Отнюдь не всегда такими центрами были полюса. По мере вымерзания воды в периоды разрастания ледниковых покровов уровень воды в океанах, естественно, уменьшался. Это падение уровня океанов достигало десятков метров. Когда льды таяли, воды в океанах прибавлялось. Ясно, что от уровня воды в Мировом океане зависят очертания и размеры суши — ее то заливает водой, то с нее вода стекает в океан. Размеры суши менялись. Растения и животные полностью зависели от этого процесса. По мере наступления эпохи оледенения теплолюбивые растения и животные сменялись холоднолюбивыми. Потом все возвращалось на круги своя. И так периодически, а точнее циклически все повторялось много раз.

Как видим, эпохи оледенения были очень динамичными в смысле изменения температуры, уровня воды в океане, движения ледников. Это сказывалось на биосфере, на растительном и животном мире. Теплые эпохи были значительно стабильнее. Изменение внешних условий происходило медленнее, средняя температура на поверхности Земли изменялась незначительно. Кстати, разница в значениях средней температуры на Земле в эпохи оледенения и в теплые эпохи составляла не так уж и много, всего 7 —10°. Такая разница характерна для условий, когда ледники стягиваются около полюсов. Это в эпоху оледенения. Когда же ледники широко разрастались, то эта разница средних температур на Земле в теплые эпохи и эпохи оледенения достигала 20°. Мы сейчас живем в эпоху оледенения, когда ледники стянуты к полюсам. Средняя температура на поверхности Земли сейчас составляет 15 °C. В предыдущий теплый меловой период средняя температура у поверхности Земли была на 7° выше, то есть она составляла 22 °C. Десятки тысяч лет тому назад ледники разрастались до своих максимальных размеров. Тогда средняя температура у поверхности Земли была ниже современной примерно на 6 — 10°. Разница ее с такой температурой в теплый меловой период достигала 13–17°.

Таким образом, за последние 2,5 миллиарда лет происходили следующие изменения климата на Земле. После теплой архейской эры наступил длительный период чередования теплых и холодных эпох, которые имели различную продолжительность. Это значит, что на Земле в этот период сменяли друг друга два различных устойчивых типа климата. Каждый из них длился десятки миллионов лет. Во время одного климата — теплого — суша и моря были безледными. Во время второго климата — холодного — часть суши и морей была покрыта ледовым панцирем. Ясно, что оба эти климата принципиально отличались друг от друга. Ледники шли от полюсов, то есть в широтном направлении. Поэтому во время оледенелого климата зональные климатические изменения были более резкими, чем во время теплого климата. Так, например, в период гондванского оледенения в его пике ледниковый покров в южном полушарии расширялся в направлении экватора и достиг широты в 35°. На этой широте находится, например, Буэнос-Айрес. Таким образом, в пики оледенения зона жизни буквально прижималась к экватору. Все остальное пространство было покрыто льдами.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ КЛИМАТ

Что такое климат — знают все. Мы только уточним, что климат — это та же погода, усредненная за десятки лет. Когда говорят, что климат влажный, то это отнюдь не значит, что каждый день наблюдается влажная погода. Просто за десять — двадцать лет в данной местности преобладали влажные погоды.

Ясно, что климат, как и погода, поддаются измерению. Измеряют атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, направление и скорость ветра, облачность, видимость, осадки (количество и вид), туманы и метели, грозы и другие явления, продолжительность солнечного сияния, температуру почвы, высоту и состояние снежного покрова и многое другое. Это мы перечислили составляющие части климата. Специалисты их так и называют — метеорологическими элементами.

Климат Земли проявляется элементами окружающей среды глобального или климатического масштаба. Это океан, атмосфера, суша, солнечное излучение, снежноледниковый покров. Но не только элементы окружающей среды влияют на климат. Климат, в свою очередь, тоже влияет на эти элементы. Если первую связь считать прямой, то вторая является обратной.

Из сказанного выше ясно, что в данном смысле мы имеем дело со сложной системой, которая состоит из многих элементов, связанных между собой. Поэтому специалисты в наше время говорят все чаще о «климатической системе» Земли. А раз «система», то она должна обязательно подчиняться всем законам, которые определяют развитие, состояние, режим жизни систем. Если систему вывести из состояния равновесия, то понадобится определенное (но не любое) время, за которое система или вернется в прежнее состояние, или в ней установится новое состояние. Что именно произойдет при возмущении климатической системы, зависит как от характера и интенсивности возмущения, так и от того состояния, в котором в момент воздействия находилась климатическая система. Климатическая система включает в себя атмосферу, гидросферу (океан и воды суши), сушу (континенты), криосферу (снег, лед и районы многолетней мерзлоты), а также биосферу. Ведущий советский климатолог академик А. С. Монин всю свою жизнь настаивал на том, что эта система является замкнутой. Другими словами, он настаивал на том, что на климатическую систему не оказывают влияния факторы, которые находятся вне системы. Это прежде всего Солнце и его энергия. Абсурдность этого утверждения очевидна, но от позиции ведущего в стране ученого зависит (особенно сильно зависело в советское время) формирование программ и исследований других ученых и институтов. Зарубежные ученые показали, что погода и климат на Земле тесно связаны с изменением солнечной активности, с выбросом из Солнца заряженных частиц различных энергий, с направлением межпланетного магнитного поля к Солнцу или от него. Такие же результаты описаны нами в книге «Космос и погода», выпущенной в свет издательством «Наука» в 1986 году. Мы еще вернемся к этим результатам.

Центральным элементом климатической системы является атмосфера. Через нее человек воспринимает изменение других элементов. Атмосфера есть в любой точке Земли, она глобальна. Другие элементы в той или иной мере локальны. Океан занимает 70,8 % поверхности Земли. Суше остается 29,2 %. Ледники занимают чуть больше 3 % поверхности Земли. Если сюда добавить морские льды и снежный покров, то получится 11 %. Биосфера распространена в глобальных масштабах.

Атмосферный газ является всепроникающим. Он находится в состоянии непрерывного обмена с другими элементами климатической системы. Составляющие атмосферного газа растворяются в гидросфере. Из гидросферы они также поступают в воздух, проникают в поры и трещины литосферы. И в свою очередь атмосфера наполняется выбросами вулканических газов и их слабыми потоками из литосферы. В ледниковых покровах также сохраняются атмосферные газы. При таянии льдов в виде пузырьков они освобождаются и поступают обратно в атмосферу. Атмосфера обменивается газами с биосферой в процессе дыхания. Мы далее убедимся в том, что именно биосфера создала в атмосфере кислород. Атмосфера как элемент климатической системы является самой подвижной из всех других элементов.

Надо ли говорить о том, как важна гидросфера, прежде всего Мировой океан, для образования климата? Тепло, масса и энергия движения передаются от атмосферы водам Мирового океана и наоборот. Они соприкасаются друг с другом на 2/3 поверхности Земли. Влагооборот образуется за счет того, что с поверхности океана в атмосферу испаряется значительное количество воды. Поверхностные течения в океане формируются атмосферными ветрами, которые переносят большое количество тепла. Океан является гигантским аккумулятором тепла. Масса океанической воды в 258 раз больше массы атмосферного газа. Для того, чтобы повысить температуру атмосферного газа на 1 °C, океанической воде надо отдать то же количество тепловой энергии, в результате которого температура воды уменьшится всего на одну тысячную долю градуса. Такие изменения температуры даже трудно измерить.

К сожалению, Мировой океан изучен слабо. Только недавно обнаружены очень важные особенности циркуляции воды в океане. Так, были обнаружены океанические вихри, подобные циклонам и антициклонам в атмосфере. Диаметр этих вихреобразных кольцевых структур достигает 100 километров. Свойства воды в пределах этих вихрей сильно отличаются от свойств воды окружающей их. Обнаружены также поверхностные океанические движения воды (рис. 2). Установлено, что и на больших глубинах вода находится в движении. Таким образом, гидросфера является очень подвижной средой, хотя по сравнению с атмосферным газом скорость движения здесь в десять — сто раз меньше. Средняя скорость океанических движений составляет несколько сантиметров в секунду, тогда как скорость ветра достигает нескольких (а то и десятков) метров в секунду. В верхних слоях атмосферы эти скорости достигают сотен метров в секунду.

Рис. 2. Основные поверхностные течения Мирового океана.

Снег и лед (криосфера) также очень важны для формирования климата. Покрывая земную поверхность, они сильно увеличивают отражательную способность Земли. В результате до 90 % приходящей от Солнца тепловой энергии этим зеркалом отражается обратно в космос. Усвояемость солнечной энергии участками Земли, которые покрыты снегом и льдами, значительно ниже, чем обнаженных.

Основная масса льда сосредоточена в Антарктиде. Там находится 90 % всего льда, который имеется на планете. Но в данном случае главную роль играет не масса льда, а площадь поверхности Земли, на который он рассредоточен. А наибольшую площадь на Земле занимают морские льды и сезонный снежный покров. Морской лед Северного Ледовитого океана сохраняется летом на площади около 8 миллионов квадратных километров. Зимой эта площадь увеличивается более чем в два раза. Она в два раза превышает площадь Австралии. Морской лед зимой вокруг Антарктиды покрывает еще большую площадь (почти 20 квадратных километров). Летом площадь, занятая там льдами, в 10 раз меньше.

Снег в среднем за год покрывает до 60 миллионов квадратных километров поверхности Земли. Границы как снежного покрова, так и морского льда находятся в непрерывном движении. Непрерывно перемещаются ледники.

Сушу можно считать пассивным элементом климатической системы. Она за короткие промежутки времени меняется мало. Ее изменяют процессы почвообразования, выветривания, эрозии, опустынивания. За десятки и сотни миллионов лет происходит дрейф континентов, что совершенно меняет лик Земли. И не только лик. Меняются все компоненты климатической системы. Скорость дрейфа континентов составляет несколько сантиметров в год.

Биосфера является весьма активным компонентом климатической системы. Действует она на изменения климата по-разному. Так, в периоды вегетации растительного покрова, смены растительных сообществ, расширения и сокращения площади, занятой растительностью, увеличения или уменьшения биомассы ее влияния на изменения климата проявляются по-разному, они проявляются в разных масштабах времени.

Если климатическую систему сравнить с живым организмом, то можно сказать, что роль крови в нем выполняет вода. Она находится в любых фазовых состояниях (пар, жидкость, снег, лед). Вода является переносчиком массы и энергии в климатической системе. Климатическая система, по мнению специалистов, является в большинстве случаев системой саморегулирующейся. Это значит, что многие внешние и внутренние изменения (возмущения) гасятся, затухают.

Самым подвижным компонентом климатической системы является атмосфера. В ней происходят слабые и сильные движения воздуха, а также конвекция. В ней формируются циклоны и антициклоны, зарождаются торнадо и ураганы. В атмосфере дуют устойчивые и неустойчивые ветры, возникают атмосферные волны и с огромной скоростью несутся струйные течения. Атмосфера является наименее инерционным компонентом климатической системы. Она влияет на изменение погоды за секунды, недели, месяцы и годы.

Очень подвижны воды Мирового океана. Поверхностные морские течения тесно связаны с движениями атмосферного газа. В Мировом океане имеются и другие системы течений — придонные, приливно-отливные. Происходят также погружения и подъемы глубинных вод. Эти движения вод называют апвелингом. Одна десятая площади поверхности океана занята этими движениями. На поверхности раздела вод с разной плотностью возникают внутренние волны.

ОБРАЗОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Возраст Земли — 4,6±0,005 миллиарда лет. Его определяют весьма точным радиоизотопным методом по возрасту падающих на поверхность Земли метеоритов. Метеориты стали бомбардировать поверхность Земли сразу же после ее образования.

Долгое время считалось, что Земля в свое время была полностью расплавленной. Но сейчас ученые уверены, что этого никогда не было, поскольку никаких следов этого не обнаружено. Следами должны были бы быть мощные древнейшие отложения карбонатных осадков, которые должны были выпадать из атмосферы. Кроме того, из раскаленной атмосферы расплавленной Земли должны были улетучиться благородные газы. Но этого не произошло. Видимо, на то, чтобы расплавить Землю, не хватило тепла. Оно поступало за счет ударов метеоритов, а также за счет радиоактивного распада и движения вещества внутри планеты в вертикальном направлении. При этом более тяжелое вещество опускается вниз к центру планеты, а более легкое всплывает вверх. При таком движении выделяется энергия, превращающаяся в тепло. Энергии всех этих источников хватило только для разогревания внутренней части Земли, а также для того, чтобы расплавить ее поверхностный слой. Из этого слоя, то есть из верхней мантии Земли, вырывалась вулканическая лава. Она формировала земную кору. Первоначально образовавшаяся мантия была однородной. Но затем она постепенно стала разделяться на легкоплавкую и тугоплавкую части. Первая часть состояла в основном из базальтов, в которых были растворены газы и вода. Эта более легкая часть мантии поднималась вверх к поверхности Земли. Затем она через жерла вулканов и трещины разломов изливалась на поверхность. При этом выбрасывались газы и вода в виде пара. Из этих газов и воды затем образовалась атмосфера Земли и Мировой океан.

Через вулканы и сейчас интенсивно выбрасывается вещество. Оценено, что в год таким путем выбрасывается 3 х 10^15 грамм вещества. Это вещество и создало земную кору.

Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (СН_4), аммиак (NH_3), азот и другие газы. Из них и образовалась первичная атмосфера. Она кардинально отличалась от современной. Во-первых, она была очень тонкой. Во-вторых, у поверхности Земли ее температура была равна примерно 5 °C. В условиях такой (низкой) температуры водяной пар превращался в жидкую воду, и так постепенно образовался Мировой океан и вся гидросфера. В то же время появились снег и лед (то есть криосфера).

Ученые установили, что первичная атмосфера Земли состояла наполовину из метана. 35 % приходилось на углекислый газ и 11 % на азот. Кроме того, она содержала пары воды и другие газы. Кислорода в то время в атмосфере вообще не было. В атмосферу вместе с вулканическими газами попадали кислые дымы. Это соединения водорода с хлором, фтором и бромом. Они растворялись в каплях воды, которая была в облаках, и выпадали в виде дождя слабых кислот на поверхность Земли. Такой же путь прошли соединения серы и аммиак. Появились кислотные ручьи и реки, текущие по базальтам. При этом из пород базальтов извлекались щелочные и щелочноземельные металлы. Это калий, натрий, кальций, магний и другие. Извлекалось и железо.

Процесс, как говорится, пошел, и масса атмосферы быстро увеличивалась. Из атмосферы интенсивно вымывались хорошо растворимые и активные газы. И в ней стало увеличиваться содержание газов, которые обладают парниковым эффектом. Поэтому температура у поверхности Земли стала расти. Это способствовало увеличению облачного покрова и содержания пара в атмосфере. Под действием солнечного излучения из молекул воды на верхней границе атмосферы стал выделяться кислород. Стало возможным окисление активных газов атмосферы. Аммиак, метан и другие газы растворились в водах Мирового океана. В результате растворения в воде углекислого газа образовывались бикарбонатные и карбонатные ионы. Они связывались с кальцием и, выпадая в осадок, образовывали слои карбонатов. Так значительная часть газообразного вещества, совершив кругооборот, вновь возвращалась к земной коре в виде отложений.

Например, в земную кору вернулось 80 % углекислоты, которая из недр Земли поступила в атмосферу. Поэтому можно сказать, что земная кора формировалась и за счет взаимодействия океана и атмосферы.

Если бы первичная атмосфера содержала кислород, то жизнь в таких условиях не могла бы возникнуть. Дело в том, что в таких условиях первичные органические вещества были бы кислородом окислены тут же и окиси превратились бы в неорганические.

Первичный океан состоял из воды с резко выраженной кислой реакцией. Эта вода представляла собой смесь разбавленных кислот с преобладанием угольной кислоты и большим содержанием кремниевой кислоты. По мере связывания металлов и образования солей кислотность воды в океане понижалась. Таким образом, ни на суше, ни в морях и океанах в то время пресной воды не было.

Что касается суши, то в первоначальный период она занимала большую часть поверхности Земли, чем сейчас. Она представляла собой оголенный грунт, который сформировался вулканическими отложениями — базальтами, туфами, вулканическими бомбами. В то время на суше и на море дышали огнем цепи вулканов. Многие участки поверхности Земли были усыпаны метеоритными кратерами. Поверхность суши была покрыта узором срединно-океанических хребтов. По осям они были разбиты рифтовыми долинами — провалами с крутыми стенками. На дне этих провалов практически не было земной коры. Из этих мест вытекала раскаленная лава, били фонтаны горячих минерализованных гейзеров, дымились выбросы газов. Такие гигантские трещины опоясывали весь земной шар. Они разделяли земную кору на несколько гигантских плит. Эти плиты перемещались, наползали друг на друга и расходились. В тех случаях, когда одна плита подвигалась под другую, формировались горные поднятия. При этом нижняя плита погружалась в недра и частично снова переплавлялась. В этих местах создавалась более мощная и более легкая континентальная земная кора.

Такая первичная климатическая система (атмосфера — океан — суша — криосфера) просуществовала примерно один миллиард лет. Она существенно изменилась после того, как на Земле зародилась жизнь. Вернее, не зародилась, а приняла определенные формы. Дело в том, что жизнь на Земле существует столько, сколько существует сама Земля. Это подтверждают факты.

Так, в Гренландии были найдены образцы кварцитов, возраст которых составлял 3,8 миллиарда лет. Это древнейшие из пород, обнаруженные на Земле. Исследования показали, что в тончайших средах кварцитов, из которых сложены древнейшие породы, имеются шарообразные и удлиненные пустоты. Их наблюдали под микроскопом. В этих пустотах были обнаружены фрагменты стенок, которые имели явные признаки принадлежности к одноклеточным организмам. Значит, жизнь на Земле начала развиваться задолго до этого. К тому моменту (3,8 миллиарда лет назад) она успела уже пройти стадию доклеточного формирования, а также стадию перехода от органического вещества к живому существу.

Атмосфера Земли стала принципиально меняться с момента появления микроскопических водорослей, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды. При этом выделялся свободный кислород. Все это было возможным под действием солнечного света. Ультрафиолетовое излучение Солнца в наше время задерживается атмосферой. При том составе атмосферы оно проходило беспрепятственно к земной поверхности. Поэтому первые организмы смогли сохранить свою жизнь только в воде на такой глубине, куда ультрафиолет не проникал. Как известно, именно озон, которому посвящена данная книга, задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца и сохраняет нам и всему живому жизнь. Разрушив озонный слой, мы рискуем загнать жизнь глубоко в воды Мирового океана.

Озон образуется из кислорода. А кислорода в первоначальной атмосфере не было. Поэтому не было и озонного слоя. Кислород в атмосферу стали поставлять микроорганизмы, похожие на современные сине-зеленые водоросли. С началом их возникновения атмосфера начала кардинально меняться. Это произошло примерно 3 миллиарда лет назад.

Вначале образующийся кислород расходовался на окисление атмосферных и растворенных в океане активных газов — метана, сероводорода, аммиака, а также серы. Молекулярный азот образовался в процессе окисления аммиака, растворенного в океане. Образованный молекулярный азот явился источником азота в современной атмосфере. Количество кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Окислительные процессы привели к появлению сульфатных осадков — гипсов.

Примерно полтора миллиарда лет назад в атмосфере создалось кислорода около 1 % от нынешнего его содержания. Поэтому стало возможным возникновение организмов, которые при дыхании перешли к окислению. Это аэробные организмы (аэро — воздух). При таком способе дыхания высвобождается значительно больше энергии, чем при анаэробном брожении. В это время в атмосфере начинает формироваться озонный слой. Он задерживает часть ультрафиолетового излучения, и жизнь в океане и водоемах поднимается ближе к поверхности. Водный слой толщиной в один метр надежно защищал живые организмы от ультрафиолетового излучения.

Содержание кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Примерно 600 миллионов лет назад оно составляло десятую часть от нынешнего. Поэтому озонный слой увеличивался. Это усиливало защиту жизни от ультрафиолета. И действительно, примерно с этого времени начался настоящий взрыв жизни. Вскоре на сушу вышли первые самые примитивные растения, что способствовало более быстрому увеличению количества кислорода. Через какое-то время оно достигло современного уровня. Есть мнение, что его было и еще больше. Но оно стало постепенно уменьшаться. Не исключено, что этот процесс уменьшения кислорода в атмосфере продолжается и в наше время. Изменение количества кислорода в атмосфере обязательно вызовет изменение количества углекислого газа.

Океан также менялся. Изменялся его состав. Находящийся в воде аммиак окислялся. Изменились также формы миграции железа. Сера была окислена в окись серы. Из хлористо-сульфитной вода стала хлоридно-карбонатно-сульфатной. Большое количество кислорода оказалось растворенным в воде океана. Там его стало в 1000 раз больше, чем в атмосфере. Появились новые растворенные соли. Масса воды океана продолжала расти. Но этот рост замедлился по сравнению с первыми этапами. Изменение во времени массы воды показано на рис. 3. Это привело к затоплению срединноокеанических хребтов. Эти хребты в Мировом океане были открыты только во второй половине нашего столетия.

Рис. 3. Изменение во времени массы воды (m). 1 — суммарная масса воды, дегазированной из мантии; 2 — масса воды в гидросфере; 0 — наше время.

На суше в это время происходили разительные перемены благодаря появлению растительности. Это существенно изменило отражательные свойства суши, а также режим увлажнения. Изменился характер испарения влаги, поскольку изменилась шероховатость земной поверхности, покрытой растительностью. По-другому стали протекать процессы выветривания и формирования осадочных пород.

Поверхность Земли, занятая ледниками, сильно менялась. Она то сильно увеличивалась, то уменьшалась.

Так в конце концов сформировалась климатическая система. Очень большую роль в этом сыграл фактор жизни. Об этом свидетельствуют такие факты. За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды, которая равна всей гидросфере. Примерно за 4 тысячи лет обновляется весь кислород атмосферы, а всего за 6–7 лет поглощается вся углекислота атмосферы. Это значит, что за все время развития биосферы вся вода Мирового океана прошла через ее организмы не менее 300 раз. Кислород за это время возобновлялся не менее одного миллиона раз.

Современная климатическая система выглядит следующим образом. Атмосфера имеет массу, равную 5,3 × 10^21 г. Она состоит из молекулярных азота и кислорода, аргона, углекислого газа, неона, гелия и метана. Основная масса атмосферы сосредоточена в нижних слоях. Половина массы находится в толще высотой 5 километров, 2/3 — в тропосфере, а в двухкилометровой толще находится 9/10 всей массы.

Основное влияние на климатические условия различных районов и всей Земли оказывают процессы в тропосфере. Это поглощение солнечной радиации, формирование потока теплового излучения в инфракрасной (длинноволновой) области спектра, общая циркуляция атмосферы, влагооборот, который связан с образованием облаков и выпадением осадков. Важны и химические реакции. Движение воздушных масс и развитие циркуляции в глобальном масштабе связано с тем, что на разных широтах (в тропическом поясе, полярных и умеренных широтах) земная атмосфера получает разное количество солнечной энергии. В тропиках идет отток теплого воздуха вверх от земной поверхности и по направлению к полюсам. В полярных районах из-за охлаждения воздуха он устремляется вниз к поверхности Земли и движется затем в сторону экватора. Так образуются ячейки Гадлея. Но эти ячейки не являются устойчивыми. Прежде всего из-за вращения Земли, которое приводит к тому, что в умеренных широтах воздух при движении от экватора поворачивает на запад и так образует западный перенос. Так образуются циклоны и антициклоны. Они захватывают теплые массы воздуха на юге и холодные на севере и дальше продолжают движение, вращаясь против часовой стрелки (антициклоны) или по часовой стрелке (циклоны). Размер атмосферных вихрей составляет около 5000 километров в поперечнике. Такими вихрями переносится тепло между полюсами и экватором.

Всю совокупность крупномасштабных движений в атмосфере называют общей циркулярной атмосферы. Она весьма сложная.

Стратосфера также оказывает влияние на формирование климата. В стратосфере находится слой аэрозолей — мельчайших твердых и жидких частиц, которые изменяют поток солнечного излучения, частично поглощая и рассеивая его. В стратосфере находится и озонный слой.

ПОЧЕМУ МЕНЯЛСЯ КЛИМАТ?

Точно на этот вопрос мы ответить не можем. Но существует много гипотез и суждений, которые рассматривают различные возможные причины такого изменения. Все гипотезы о причинах наступления эпох оледенения можно поделить на две группы. Одни из них пытаются объяснить этот факт причинами, которые находятся вне Земли. Это естественно, поскольку основной источник энергии, тепла, от которого зависит климат, находится вне Земли. Это Солнце. Эти гипотезы исходят из того, что поток солнечной энергии мог почему-то существенно меняться. Поэтому менялось и количество тепла, которое получала от Солнца Земля.

Почему Солнце может (могло) менять присылаемую на Землю энергию? Во-первых, нельзя исключить, что процессы внутри Солнца протекают с определенной периодичностью, причем длительность этих периодов составляет сотни миллионов лет. Почему бы и нет? Меняется же активность Солнца с периодами в 11, 22, 33, 90, 200, 600, 2000 лет. От уровня солнечной активности зависит количество энергии, которую посылает Солнце в околосолнечное пространство в виде солнечных заряженных частиц. Почему не может быть такой (но с более продолжительным периодом) периодичности в изменении энергии, которую посылает Солнце в околосолнечное пространство в виде волнового излучения — видимого света, рентгеновского и ультрафиолетового излучения? Исключить такую возможность никак нельзя.

Но причину уменьшения энергии, которая проходит к Земле от Солнца, можно искать и вне Солнца. Можно рассуждать так: Солнце излучает все время одинаково. Но периодически попадает в некую черную (пыльную) полосу, и в результате часть энергии рассеивается и до Земли не доходит. Возможно и такое, но это менее вероятно и менее обосновано, чем предположение о периодических процессах внутри Солнца. Тем более, что такие процессы с меньшими периодами налицо. Но они касаются изменчивости солнечной энергии, которая переносится солнечными заряженными частицами. Специалисты-солнечники считают, что за время существования Земли, то есть за 4,6 миллиарда лет, светимость Солнца монотонно увеличивалась, не проявляя колебательных изменений. За все время это возрастание составило примерно 25–30 % первоначальной величины. В это сейчас все верят, хотя ясно, что столь существенное (на одну треть) увеличение энергии, которую Земля получает от Солнца, не должно было остаться без последствий — Земля должна была с течением времени нагреваться все больше и больше. Нетрудно рассчитать, что если приходящая от Солнца к Земле энергия увеличится на 1 %, то это должно вызвать увеличение средней температуры у поверхности Земли на 1 °C. Это значит, что если светимость Солнца увеличилась за всю историю Земли на 30 %, то ее средняя температура должна была за это время возрасти на 30 °C. Но этого не произошло.

Что же касается пыли, в облако которой попадает Земля и экранируется от солнечной энергии, то эта пыль могла бы появиться в результате прохождения кометы на очень близком расстоянии от Земли. Из хвоста кометы должна посыпаться пыль. Что касается комет, то достаточное количество их проходит на разных удалениях от Земли. Ежегодно 5 комет проходит на расстоянии от Земли, которое равно удалению Солнца от Земли. Это расстояние принято за единицу длины и называется астрономической единицей. Применяя законы теории вероятностей, можно получить, что у всего этого сонма пролетающих за миллионы лет комет один раз примерно в сто миллионов лет комета пронесется мимо Земли так близко, что сильно запылит ее окрестности, прежде всего ее атмосферу. Если эта пыль находится в погодном слое атмосферы (то есть под облаками), то дождями и вообще осадками она достаточно быстро вымывается из атмосферы и осядет на поверхности Земли, после чего больше не будет влиять на поток энергии, приходящий к Земле от Солнца.

Вторая группа гипотез ищет причину оледенений — не в изменении потока солнечной энергии, которая достигает Земли, а в разной усвояемости этой энергии Землей. Идея состоит в том, что почему-то время от времени в околоземном пространстве (в атмосфере Земли) создаются такие условия, при которых солнечная энергия утилизируется значительно хуже и температура существенно понижается. Причину такого изменения усвояемости энергии можно искать только в атмосфере, где происходит сортировка солнечной энергии: часть энергии атмосфера отсылает обратно в космос, часть пропускает к поверхности Земли нетронутой, а часть потребляет сама, прежде всего для собственного обогрева, а точнее нагрева. Но эта способность атмосферы зависит от ее состава, а состав атмосферы Земли за всю ее историю изменялся весьма радикально. Не все составляющие атмосферы играют одинаковую роль в смысле перераспределения солнечной энергии. Важную роль в этом отношении играет углекислый газ СО_2, хотя его абсолютное количество в атмосфере ничтожно мало — всего 0,03 % объема.

Углекислый газ в атмосфере работает как пленка на теплице по принципу: впускать, но не выпускать. Приходящие к поверхности Земли солнечные лучи проходят атмосферу беспрепятственно. Это свет. Конечно, часть его рассеивается из-за мутности атмосферы. Световая энергия частично поглощается и нагревает Землю. Часть солнечной энергии отражается земной поверхностью (сушей и водной поверхностью) обратно в атмосферу и далее в космос. Нагретая Земля, как и любое нагретое тело, начинает излучать. Но получив световую энергию, она излучает тепловую. Это инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Это излучение, уходящее от Земли, и задерживает СО_2. Если бы СО_2 в атмосфере не оказалось, то средняя температура на поверхности очень существенно снизилась бы. При этом на Земле наступили бы условия эпохи оледенения.

Из сказанного выше ясно, откуда у нас столь повышенный интерес к СО_2 в атмосфере. Ведь углекислый газ в атмосфере может не только уменьшиться, что угрожает нам ледниками, но и увеличиться, что угрожает нам затоплением, поскольку при сильном потеплении начнут таять ледовые шапки на полюсах. И то и другое плохо. СО_2 лучше не трогать. Но как обеспечить его стабильность? Откуда он берется? Основная масса углекислого газа находится в океане. Его там в 50 раз больше, чем в атмосфере. Поставляет углекислый газ в атмосферу и биосфера. Но самое большое его количество скрыто в земной коре. Он вырывается оттуда время от времени вместе с вулканическими извержениями. Ясно, что в настоящее время установилось некоторое, хотя и весьма хрупкое, равновесие между всеми источниками углекислого газа. Если такое равновесие нарушается, то количество СО_2 в атмосфере должно измениться со всеми вытекающими отсюда последствиями. При этом неизбежно на Земле произойдет изменение климата.

Нельзя исключить, что в прошлом количество углекислого газа в атмосфере изменялось так, что это вызывало сильное похолодание, оледенение. Можно представить себе такую последовательность событий. Биосфера Земли развивалась таким образом. что постепенно утилизировала («съедала») всю углекислоту. Вернее, она ее переводила в такие формы, которые не восстанавливали количество углекислого газа в атмосфере. Например, углекислота трансформировалась в отложения карбонатов, угля и других пород органического происхождения, которые содержат углерод. Если так происходило, то наступала эпоха оледенения. Условия для биосферы становились неблагоприятными, и биомасса постепенно сокращалась. Сокращались и ее потребности в углекислом газе. Значит, он стал снова постепенно накапливаться в атмосфере, которая поэтому получила возможность утилизировать солнечную энергию. А дальше все снова, через 100 миллионов лет повторялось. Это своего рода естественные качели. Правда, при таком развитии событий период качания не обязательно должен быть постоянным. Наоборот, более естественно, что он должен изменяться. И действительно, специалисты считают, что в продолжении фанерозоя (то есть периода жизни) основным регулятором количества в атмосфере кислорода и углекислого газа была именно биосфера. Ведущая роль в этом принадлежит биомассе океанов.

По скорости образования углеродсодержащих отложений на континентах можно рассчитать, как изменялся во времени химический состав атмосферы в фанерозое. Оказалось, что за последние 600 миллионов лет было несколько всплесков увеличения количества кислорода и углекислого газа в атмосфере Земли. Более того, периоды повышенного количества СО_2 достаточно хорошо совпадают с периодами теплых эпох, а периоды уменьшения количества СО_2 с эпохами оледенений. Это показано на рис. 4. Любопытно, что изменения количества СО_2 не очень большие, тогда как результат от такого изменения в переменах климата — налицо. В проведенных расчетах принято, что количество СО_2 в атмосфере меняется в результате изменения вулканической активности. Сама вулканическая активность была определена по количеству вулканических пород за тот же период времени. Она также показана на этом рисунке (пунктирная кривая). Колебания вулканической активности согласуются с изменением количества углекислого газа. Это подтверждает правильность предположения о том, что в формировании всплесков увеличения количества СО_2 вулканическая активность играет определяющую роль. Логически получается, что теплые эпохи на Земле связаны с повышенной вулканической активностью, а нормальным климатом на Земле является как раз холодный климат в эпохи оледенения.

Рис. 4. Изменения содержания СО2 в атмосфере в течение фанерозоя. 1 — изменения СО2; 2 — вулканическая активность; 3 — эпохи оледенения.

Вулканическая активность является результатом процессов термической (тепловой) конвекции в недрах Земли. Эти процессы, действительно, выявляют определенную периодичность, ритмичность. Теоретические исследования показывают, что длительные эпохи относительного покоя длятся 100–150 миллионов лет. В это время развивается оледенение. Эти эпохи покоя сменяются эпохами активности, которые известны как тектоно-магматические эпохи. Они длятся относительно недолго — обычно миллионы лет. Хотя некоторые совпадения во времени между периодами потепления и периодами вулканической активности имеются (это видно и на рис. 4), тем не менее считать это доказанным нельзя, поскольку нет полного соответствия между похолоданием — потеплением, с одной стороны, и процессами термической конвекции — с другой. Тут «работает» еще один механизм изменения теплового режима Земли. Когда уровень Мирового океана максимальный, то значительная часть суши оказывается под водой (до 40 % по сравнению с современной). Отражательная способность поверхности Земли уменьшается (вода хуже отражает свет, чем поверхность суши). Значит, энергии отражается меньше и она идет на нагрев вод океана, а также суши. Температура при этом повышается. Когда площадь суши увеличивается, то происходит обратное — больше солнечной энергии отражается и температура понижается.

Изменение уровня Мирового океана в течение фанерозоя показано на рис. 5. Видно, что уровень менялся на сотни метров. Столь продолжительные изменения глубины Мирового океана обусловлены процессами в недрах Земли, которые вызывают движение литосферных плит, а также изменения конфигурации, размеров и глубины океана. Те изменения уровня океана, которые обусловлены наступлением и отступлением ледников, имеют продолжительность в сотни и тысячи раз меньше.

Рис. 5. Изменения уровня Мирового океана (трансгрессии и регрессии) в течение фанерозоя (для территорий СССР и США).

Крупномасштабные изменения глубины Мирового океана, которые длятся сотни миллионов лет, обусловлены изменением скоростей приращения литосферных плит в районах рифтовых долин срединно-океанических хребтов. Дело в том, что при быстром раздвижении плит вновь образующаяся океаническая кора не успевает остывать и поэтому формирует «мелкий» океан. Поскольку количество воды неизменное, то часть ее должна выплеснуться на сушу и затопить ее. Когда же скорость приращения литосферных плит уменьшается, то образовавшаяся океаническая кора постепенно остывает и сжимается. Поэтому океан становится «глубоким». При этом воде хватает места в океане — она оставляет сушу.

Перемещение материков по поверхности Земли в составе литосферных плит также оказывает огромное влияние на изменения климата за продолжительные промежутки времени. Как известно, материки перемещаются, и современная их конфигурация и положение совсем не похожи на то, что было, скажем, 150 миллионов лет назад. Ясно, что со временем и нынешняя картина изменится.

Былое расположение материков можно восстановить по геофизическим данным. Легче всего это сделать для фанерозойского эона. Любопытно, что следы оледенения специалисты находят почти на всем протяжении Африки от северной до ее южной оконечности. Значит ли, что в былые времена ледники достигали даже экватора? Отнюдь нет. Не ледники достигали экватора, а сама Африка в какие-то периоды устремлялась от экватора навстречу ледникам. Кстати, ученые установили, что всегда в периоды оледенений один из материков должен находиться в районе полюса. Когда происходило замещение воды сушей (у полюса появлялся материк), то увеличивалась отражательная способность поверхности Земли, а значит, температура понижалась (происходило образование льдов). К тому же районы полюсов получают наименьшее количество солнечной энергии. Поэтому у полюсов осадки выпадают в виде снега. Весь снег не тает, из года в год он накапливается и превращается в лед. Так формируется около полюсов ледниковый покров — своего рода глобальный холодильник. Он и оказывает влияние на климат всей планеты.

Совсем по-другому развиваются события в том случае, если на полюсе оказывается не материк, а океан. Тогда ледниковый покров возникнуть не может. Поэтому у полюсов температура в теплую эпоху не должна быть ниже нуля градусов, а на экваторе не более 30 °C. В настоящее время у одного полюса — южного — находится материк (Антарктида), а у северного полюса — океан. Над океаном, в Арктике, в 3,5 раза теплее, чем над материком в Антарктике. Так выражается влияние океана у полюса.

История движения континентов такова, что то они вместе составляли один суперконтинент, то они расходились в разные стороны. Это просто не могло не вызывать изменения климата хотя бы уже потому, что менялась отражательная способность земной поверхности. Значит, менялось количество энергии, поглощаемой Землей, которая шла на нагрев. В одной из самых теплых эпох фанерозоя — в мезозое — единый суперконтинент — Пангея — располагался по обе стороны экватора. В результате средняя температура поверхности Земли была на 10 °C выше, чем сейчас.

Конвективное движение мантии может образовывать или одну конвективную ячейку, или две таких ячейки. Но обе эти структуры конвекции являются неустойчивыми, и одна переходит в другую. Ученые предполагают, что за все время существования Земли уже пять раз существовала одноячеистая структура конвекции. При такой структуре конвекции все материки объединяются в один суперматерик, который затем при переходе к двухячеистой структуре раскалывается на части. Эти отдельные материки дрейфуют в сторону вновь возникших нисходящих потоков в мантии. Самая большая тектоно-магматическая активность Земли имеет место в эпохи установления одноячеистой конвекции. В моменты перехода от одноячеистой структуры к двухячеистой эта активность минимальна. В периоды, когда установится двухячеистая структура, активность занимает промежуточное положение.

В эпохи повышенной тектоно-магматической активности происходит горообразование и общее повышение суши. Это ведет к тому, что степень усвоения солнечного излучения уменьшается. В результате температура понижается. Так ученые пытаются объяснить наступление эпох оледенения. Но это только еще одна гипотеза.

В настоящее время не вызывает сомнения одно — формирование эпох оледенения и потепления связано с процессами перестройки активности недр Земли. Эти процессы на поверхности Земли выражаются как движение литосферных плит с ускорением или замедлением скоростей приращения, как развитие вулканизма и горообразования, как объединение и разъединение континентов, как изменение площади и глубины океанов и, наконец, как изменения состава атмосферы и эволюционное развитие биосферы. Движущейся силой в данном случае вступает активность недр Земли. Усиливаясь или ослабляясь, эта активность вызывала изменение способности климатической системы усваивать солнечное излучение.

ВЛИЯНИЕ НА КЛИМАТ ДВИЖЕНИЯ ЗЕМЛИ

Климат на Земле зависит от количества той энергии, которую Земля получает от Солнца. Примером являются сезонные изменения погоды. Сезонные изменения на Земле вызваны тем, что Земля по-разному подставлена под солнечные лучи. Для того, чтобы солнечная энергия лучше всего была воспринята данной поверхностью, надо, чтобы эта поверхность была перпендикулярна солнечным лучам. Те места на Земле, которые перпендикулярны солнечным лучам (или почти перпендикулярны), получают больше всего солнечной энергии. Ясно, что они располагаются вблизи экватора, в экваториальном поясе Земли. Они смещаются от экватора к северу или к югу в зависимости от того положения, которое занимает Земля при своем движении вокруг Солнца.

Но количество солнечной энергии меняется не только с сезоном. Поступающая к Земле энергия от Солнца зависит от угла наклона солнечных лучей по отношению к поверхности Земли и от расстояния Земли от Солнца. На самом Солнце (и в его недрах) происходят процессы, в результате которых меняется солнечная энергия. Значит, от этих процессов зависит и величина той энергии, которую Земля получает от Солнца. Эти процессы на Солнце определяют его активность, солнечную активность.

Значит, если мы хотим разобраться в том, почему меняется климат, или, другими словами, почему меняется поступающая от Солнца к Земле энергия, то должны проанализировать, как меняется во времени расстояние от Земли до Солнца, как Земля подставлена под солнечные лучи и какова активность самого Солнца. Прежде всего надо иметь в виду, что земная орбита меняется периодически. Все планеты Солнечной системы движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Но сами эти эллипсы не остаются постоянными, неизменными. Так, эллипс, по которому движется Земля вокруг Солнца, периодически меняется. Меняется эксцентриситет этого эллипса — земной орбиты. Это значит, что при движении вокруг Солнца расстояние Земли от Солнца меняется еще и потому, что меняется форма самого эллипса. Другими словами можно сказать, что траектория Земли вокруг Солнца становится время от времени более вытянутой. Такое положение повторяется с определенными периодами: 90 — 100 тысяч лет, 425 тысяч лет и 120 тысяч лет. Это значит, что с такими периодами меняется удаление Земли от Солнца. А поступающая к Земле от Солнца энергия зависит от этого удаления, она обратно пропорциональна квадрату расстояния от Земли до Солнца. Это значит, что если это расстояние увеличилось бы вдвое, то энергия уменьшилась бы в четыре раза. Ученые рассчитали, как менялась орбита Земли за 30 миллионов лет в прошлом и как она будет меняться в течение одного миллиона лет в будущем. В этих расчетах и были установлены приведенные выше периоды изменения эксцентриситета эллипса — орбиты Земли.

Как должен меняться климат на Земле в результате того, что эллиптическая траектория Земли то вытягивается, то сокращается, то есть в результате изменения эллиптичности орбиты Земли? Если бы климат на Земле менялся только из-за изменения эллиптичности орбиты Земли, то в северном полушарии зимой летние сезоны должны были бы быть более длинными и прохладными. В южном полушарии летние сезоны должны были бы быть более короткими и теплыми, а зимы — холодными и более длинными. Когда земной эллипс вытягивается максимально, сезонные контрасты должны увеличиваться. Такие условия были примерно 20 тысяч лет назад, когда земной эллипс был максимально вытянут. Такая ситуация повторяется примерно через 90 — 100 тысяч лет. Сейчас же орбита Земли медленно приближается к своей наименьшей эллиптичности, то есть она больше будет похожа на окружность, чем на эллипс. И различия условий летом и зимой постепенно уменьшаются.

Изменение эллиптичности орбиты Земли за последние полмиллиона лет показано на рис. 6. Степень вытянутости эллипса (орбиты Земли) характеризуется величиной, которая была названа эксцентриситетом. Чем больше эта величина, тем более вытянут эллипс. Как известно, эллипс в отличие от окружности имеет два центра. Чем дальше они удалены друг от друга, тем эллипс более вытянут. Если оба центра эллипса сближаются постепенно так, что совпадают друг с другом, то эллипс превращается в окружность. Сейчас происходит приближение центров земного эллипса. Это значит, что эллиптическая орбита Земли все больше и больше приближается к форме окружности. По этой причине (это одна из причин) климат на Земле холодает. Из рисунка ясно, что мы постепенно приближаемся к новой ледниковой эпохе.

Рис. 6. Изменение эллиптичности орбиты Земли за последние полмиллиона лет.

Однако положение Земли относительно Солнца меняется не только из-за изменения вытянутости земной орбиты. Одновременно меняются и другие характеристики движения Земли и ее положения в пространстве относительно солнечных лучей.

Плоскость, в которой находится траектория Земли, то есть в которой Земля движется вокруг Солнца, не совпадает с плоскостью экватора Земли. Другими словами, ось вращения Земли не является перпендикулярной плоскости, в которой Земля движется, плоскости эклиптики. Это наглядно показано на рис. 7. Собственно, именно поэтому на Земле и существуют сезоны — зима, весна, лето и осень. Но это не все. Оказывается, что наклон оси вращения Земли не остается постоянным. Он все время меняется. Но не произвольно, а по определенному закону. Изменения наклона оси вращения Земли происходят таким образом, что через определенное время все повторяется, возвращается на круги своя. Это время равно 41 тысяче лет. Скажется ли это на климате Земли? Обязательно. Точно так же, как наклон оси вращения Земли. Он является причиной сезонного изменения погоды и климата. Разница только в том, что сезонные изменения видны быстро, за какие-то один-два месяца. А изменения климата, обусловленные изменением этого наклона, скажутся за более продолжительное время — за тысячи лет. Весь круг изменений замыкается по истечении 41 тысячи лет. Затем все повторяется.

Если мы хотим оценить, как эти изменения наклона оси Земли скажутся на изменении климата, мы должны знать, насколько значительны эти изменения наклона. Ученые рассчитали их на многие миллионы лет назад и вперед. Часть этих результатов (за последние 500 тысяч лет) показана на рис. 7. Из рисунка ясно видна периодичность изменения наклона оси Земли. Период равен примерно 41 тысяче лет. Эти изменения почти в два с половиной раза происходят быстрее, чем изменения вытянутости эллиптической орбиты Земли. Это видно из сравнения рис. 6 и 7. Как видно из рис. 7, изменения угла наклона оси Земли весьма ощутимые. В течение полупериода (20 тысяч лет) этот угол меняется примерно на 2,6о. Таковы законы механики, согласно которым вращающееся тело меняет угол наклона оси вращения в том случае, если ось вращения тела не перпендикулярна плоскости движения тела. В этом вы можете убедиться с помощью детской игрушки юлы, раскрутив ее так, чтобы ее ось была наклонена относительно поверхности пола или стола. Понаблюдайте за ее движением и за какие-то минуты увидите то, что происходит с Землей за десятки тысяч лет.

Рис. 7. Изменение наклона оси Земли за последние 500 тысяч лет.

Какие же изменения климата должны вызвать периодические изменения угла наклона оси вращения Земли? Ученые исследовали этот вопрос и пришли к следующему заключению. Когда угол наклона оси вращения Земли максимальный (это было 8 — 10 тысяч лет назад), то климат должен быть теплым. Именно 8 — 10 тысяч лет назад это и наблюдалось на Земле. Это было золотое время земного климата — время «климатического оптимума», по терминологии ученых. Мы постепенно движемся к моменту, когда угол наклона оси Земли станет минимальным. Этот момент наступит примерно через 20 тысяч лет. Из простой логики следует, что чем меньше угол наклона оси Земли, тем меньше разница между сезонами. Если бы этот угол стал равным нулю, то есть если бы ось Земли была строго перпендикулярной плоскости траектории Земли, то сезоны исчезли бы вообще. Поэтому от года к году разница между сезонами должна постепенно уменьшаться. И так в течение 20 тысяч лет. В конце этого периода она станет минимальной. После этого все начинается сначала. Угол наклона оси Земли будет расти, а разница между сезонами будет также увеличиваться. Это значит, что будет увеличиваться разница между энергиями, которые получают от Солнца северное и южное полушария. Надо обратить внимание на то, что изменения в энергии за счет изменения угла наклона оси Земли одинаковы по величине в обеих полушариях — северном и южном. В первом случае, когда мы рассматривали влияние на климат вытянутости эллиптической орбиты Земли, это влияние в северном полушарии отличалось от такого же влияния в южном полушарии. Это важно, поскольку климат меняется не только потому, что Земля в целом получает меньше или больше энергии от Солнца, но и потому, что эта энергия по-разному распределена по всей земной поверхности. Изменяя места максимального и минимального нагрева атмосферы и земной поверхности, вы тем самым изменяете характер и интенсивность атмосферной циркуляции, то есть меняете погоду и климат. Поэтому обязательно надо знать, как именно распределена по поверхности Земли поступающая от Солнца энергия. Без этого вы не сможете установить характер климата и его изменения.

Специалисты оценили, насколько важными для климата являются изменения угла наклона оси вращения Земли. Они получили, что средняя энергия солнечного излучения — инсоляция (от слова solar — солнечный) — летом на широте 45° изменяется на 1,2 % на каждый градус изменения угла наклона оси Земли. При изменении угла наклона от среднего значения на 2,6° (амплитуда изменения угла наклона оси Земли) инсоляция изменится на 3 %. Именно такие изменения угла наклона имели место за последние 500 тысяч лет. Эти изменения инсоляции зависят очень сильно от широты места на Земле. Если мы сдвинемся на север от 45° на 20°, то инсоляция (при изменении угла наклона на один градус) изменится уже не на 1,2 %, а на 2,5 %. При амплитуде изменения угла наклона оси Земли в 2,6° амплитуда изменения инсоляции на 65° составит уже 6,5 %. А это немало. Такие изменения поступающей солнечной энергии атмосфера Земли не может не почувствовать. Поэтому, когда угол наклона земной оси максимальный, околополярные области нагреваются больше и ледники должны отступать. Средние и низкие широты также нагреваются, но в меньшей мере. Когда же угол наклона земной оси уменьшается, ледники должны наступать, поскольку полярные области недополучают весомую часть причитающейся им энергии. Энергетические убытки при этом средних и экваториальных широт меньше. Как мы уже говорили, в настоящее время угол наклона оси Земли постепенно уменьшается, в результате чего различие между летом и зимой уменьшается. Но не только это. Грядет похолодание и наступление ледников.

Положение Земли относительно Солнца меняется и вследствие прецессии орбиты Земли. Эффект прецессии проявляется с периодом в 21 тысячу лет. Характерно для него то, что он проявляется одинаково (в одной фазе) в северном и южном полушариях. Кроме того, этот эффект не зависит от широты. В настоящее время Земля и Солнце ближе всего находятся друг от друга в январе, когда в южном полушарии в разгаре лето. Но 10 тысяч лет назад такое расположение Земли и Солнца друг относительно друга имело место в июле, то есть когда было лето в северном полушарии. Еще через 10–11 тысяч лет все вернется к начальному состоянию — Земля и Солнце будут ближе друг к другу в январе. А дальше все будет повторяться с периодом в 21 тысячу лет.

Но раз меняется расстояние между Землей и Солнцем, то неизбежно меняется и поступающая от Солнца к Земле энергия. А это не может не сказаться на изменении климата (с периодом 21 тысяча лет). Какие изменения климата это вызовет? Через 10–11 тысяч лет, когда минимальное расстояние между Землей и Солнцем будет в июле, следует ожидать, что лето в южном полушарии и зима в северном полушарии будут холоднее, чем сейчас. В то же время зима в южном полушарии и лето в северном полушарии станут теплее, чем сейчас. Как изменялась прецессия земной орбиты за последние 500 тысяч лет показано, на рис. 8.

Рис. 8. Изменение прецессии земной орбиты и наклона оси вращения за последние 500 тыс. лет.

Мы уже говорили, как меняется солнечная энергия, приходящая к Земле (инсоляция) за счет изменения угла наклона оси Земли. Ясно, что надо к этим изменениям добавить и те, что обусловлены изменением вытянутости эллиптической орбиты Земли, а также за счет существования прецессии орбиты Земли. Специалисты оценили изменение инсоляции за последние 500 тысяч лет за счет всех трех указанных изменений в положении Земли относительно Солнца. Расчеты были проведены для трех широт на Земле — 75°, 55° и 65° северного полушария. Результаты расчетов оказались на редкость интересными. Они показали, что чередование ледниковых и межледниковых эпох удивительно хорошо согласуется с теми периодами, с которыми происходит изменение вытянутости эллиптической орбиты Земли, изменение угла наклона оси вращения Земли, а также прецессии. Когда были сложены вместе изменения солнечной энергии, получаемой Землей, которые происходят за счет указанных трех эффектов, то оказалось, что они составляют примерно 5 %, если отсчет ведется от средних летних значений. Климатологи знают, что это отнюдь не мало.

Таких изменений энергии вполне достаточно для того, чтобы перевести климат Земли из состояния «климатического оптимума» (когда был рай на Земле) в состояние ледникового оцепенения. Климатологи утверждают, что изменениями инсоляции такой величины (5 %) можно вполне объяснить изменение климата на Земле за последний миллион лет. Все они сходятся на том, что достаточно изменить поступление солнечной энергии на несколько процентов (но это должно происходить длительное время) для того, чтобы на Земле наступила эпоха крупного оледенения. То же самое можно проделать и в обратном порядке — увеличить солнечную энергию на несколько процентов и освободить Землю от ледников. Это наглядно подтверждается данными, представленными на рис. 9. Там приведены изменения инсоляции за последние 500 тысяч лет. Период увеличения солнечной энергии (инсоляции) четко совпадает с периодом климатического оптимума, который имел место 8 — 10 тысяч лет назад. Период уменьшения инсоляции совпадает с последним ледниковым периодом. Но не только эти периоды совпадают. И другие эпохи потепления и похолодания климата в прошлом совпадают с периодами увеличения и уменьшения инсоляции соответственно. Ученые рассчитали, что через 11 тысяч лет инсоляция уменьшится по сравнению с современной примерно на 5 %. Это значит, что Земля окажется в ледниковом периоде.

Выше мы говорили о климате на всей Земле, о глобальном климате. Но надо иметь в виду, что за счет описанных эффектов меняется не только общая величина поступающей к Земле солнечной энергии. Меняется и характер распределения этой энергии по всей поверхности Земли. А это обязательно вызовет изменение широтных контрастов температуры. Ясно, что в результате этого изменится характер циркуляции атмосферы. Все это обязательно надо учитывать при проведении расчетов, хотя сделать это очень непросто. Иначе не следует требовать от результатов расчетов аптекарской точности. Преувеличение значения модельных расчетов чревато неправильным представлением об исследуемых процессах.

В заключение рассмотрения этого вопроса завяжем узелок на память: сейчас Земля находится в фазе межледниковья и приближается к очередной эпохе оледенения со средней скоростью уменьшения инсоляции порядка 0,2–0,4 % за одну тысячу лет.

Рис. 9. Временной ход летней инсоляции за последние 500 тысяч лет.

ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА КЛИМАТ

Мы рассмотрели, как меняется поступающая к Земле солнечная энергия за счет движения нашей планеты. Но она меняется и потому, что Солнце излучает разное количество энергии в разное время. Это зависит от его активности. Мы описали эту проблему в книге «Космос и погода». Дело в том, что большинство наших отечественных метеорологов и климатологов стараются это влияние не замечать, хотя им все труднее и труднее оправдывать свою консервативную позицию. В книге «Космос и погода» мы показали, что погода на Земле радикально меняется каждый раз, когда наша планета при своем движении вокруг Солнца пересекает границу секторов межпланетного магнитного поля, в которых магнитное поле направлено противоположно. На рис. 10 показано изменение солнечной активности, начиная с 1755 года. Солнечная активность выражена в числах Вольфа. Из рисунка видно, что периоду «климатического оптимума» в X–XIII веках (1100–1250) соответствовал максимум чисел Вольфа. Другими словами, когда Солнце было наиболее активно и излучало наибольшее количество энергии, на Земле был климатический рай (климатический оптимум). Когда же солнечная активность была на очень низком уровне (в 1450–1700), на Земле был малый ледниковый период. В пределах этого периода были два интервала с чрезмерно низкой солнечной активностью. Это 1460–1550 годы и 1645–1715 годы. Первый называют минимумом солнечной активности Спорера, ученого, который детально его исследовал. Второй называют минимумом Маундера, который много писал об этом периоде (исследовали его другие ученые). В оба эти периода с чрезвычайно низкой солнечной активностью на Земле наблюдался наиболее холодный климат даже по сравнению с климатом в другие годы малого ледникового периода. Кстати, похолодание в 1812–1921 годы также четко совпадает с минимумом солнечных пятен.

Сопоставляя данные об изменении климата и об изменении солнечной активности, не надо искать точного совпадения тех и других изменений. Пришедшая от Солнца энергия не может в один миг сдвинуть огромные ледники, растопить их и нагреть воды Мирового океана. Все происходит постепенно. Эффект от изменения приходящей солнечной энергии или от ее дефицита накапливается и затем прорывается при достижении определенной фазы. Что же касается ледников, то они действительно двигаются не по команде. В каждом регионе свои условия, которые влияют как на зарождение и рост ледников, так и на их полное или частичное исчезновение. Так, максимум наступления альпийских ледников приходится на 1760–1790 годы. В горах Кебнекайсе в Северной Швейцарии ледники были наиболее активны в 1780 году. Ледники в Норвегии и Исландии максимально развились в 1740–1750 годах. В 1850–1860 годах наблюдался максимум в активизации ледников в Исландии, Норвегии, Северной и Южной Америке.

Рис. 10. Характеристика циклов солнечной активности, выраженная в числах Вольфа

Задача состоит не в том, чтобы объяснить все изменения климата только изменчивостью солнечной активности. Мы рассмотрели, какое значение для изменения климата имеет характер движения Земли (эллиптичность ее орбиты, наклон ее оси и прецессия). Влияют на изменение климата и другие факторы, о которых мы будем говорить. Задача состоит в том, чтобы правильно оценить роль каждого из этих факторов и научиться предсказывать, какие изменения климата могут вызвать те или иные эффекты, в частности связанные с Солнцем. Что же касается солнечной активности, то установлена достоверная связь между ее изменениями в последнем тысячелетии с изменениями климата на Земле.

Солнечная активность определенным образом связана с гравитационным действием планет Солнечной системы. Что же касается связей за короткие периоды, то представляют интерес такие данные. С 1958 по 1963 год глобальная приземная температура воздуха выявила отрицательную корреляционную связь с солнечной активностью. Но в последующие годы характер этой связи постепенно менялся и в 1974–1975 годы связь стала положительной, то есть при увеличении солнечной активности температура растет. В 1880–1972 годы наблюдалась положительная корреляционная связь между величиной полезной потенциальной энергии северного полушария и 11-летним циклом солнечной активности. В 30-40-е годы нашего столетия эта связь несколько ослабла. То же наблюдалось и в начале 70-х годов.

С 22-летним солнечным циклом положительно коррелировала летняя температура воздуха у поверхности за весь период с 1750 по 1830 год, а также с 1860 по 1880 год. После 1880 года связь оказалась более сильной с 11-летним циклом солнечной активности. Однако в некоторые периоды эта связь нарушалась, например, между 1830 и 1860 годами.

Температура в тропиках также выявляла связь с солнечной активностью. Она была отрицательной в 11-летний цикл солнечной активности вплоть до 1920 года. Затем в течение 30 лет эта связь стала положительной. Нарушения связи имели место между 1920 и 1925 годами. До 1922 года наблюдалась отрицательная связь между температурой приземного слоя воздуха в Аделаиде (Австралия) и 22-летним циклом солнечной активности. После 1922 года эта связь нарушилась.

Уровень воды в озерах, реках и Мировом океане также выявляет корреляционную связь с уровнем солнечной активности. Например, уровень воды в озере Виктория положительно коррелировал с 11-летним циклом солнечной активности в период с 1880 по 1930 год. Ясно, что уровень воды в озере свидетельствует о количестве осадков. После 1950 года связь уровня воды в озере Виктория с 11-летним циклом солнечной активности восстановилась, но она стала отрицательной. За почти столетний период с 1888 по 1973 год имелась сильная корреляционная связь между западно-восточным смещением центра Исландского минимума и 22-летним циклом солнечной активности. Исключение составлял только интервал от 1923 по 1943 год.

Мы могли бы продолжить перечисление результатов, полученных разными учеными при исследовании связи солнечной активности с процессами в атмосфере и гидросфере, которые определяют собой погоду и климат. Но и приведенных данных достаточно для того, чтобы убедиться, что вопрос не так прост, как некоторым ученым хотелось бы. Они считают, что если связь не является простой, то ее и вовсе нет. Но рассудите сами. Если под действием солнечной энергии в одном месте атмосферный воздух будет нагрет, то изменится движение воздуха в окрестности. Если этот нагрев (или охлаждение) велик, то может измениться атмосферная циркуляция во всем регионе или же на всей Земле. Но вытесненному из одного места воздуху деться некуда — он движется в другое место. Значит, если в одном месте давление падает, то в другом оно неизбежно увеличивается, поскольку вся масса воздуха сохраняется неизменной. На этом примере становится понятным, почему в одном месте связь с солнечной активностью может быть положительной, тогда как в другом месте в это же время она отрицательна. Но циркуляция атмосферы меняется. Поэтому в определенные периоды перехода циркуляции атмосферы от одного режима к другому связь и вовсе трудно проследить. Это не значит, что она исчезла, что ее нет. Просто ее трудно выявить с помощью математического аппарата корреляционного анализа. Приведенные выше примеры связи погоды и климата с солнечной активностью говорят о том, что ограничиваться только поиском корреляционных связей в таком сложном вопросе, как изменение климата, нельзя. Надо к анализу привлекать и другие конкретные физические данные, позволяющие проследить, куда и как распределилась поступающая от Солнца энергия, какие изменения в атмосфере и гидросфере она вызвала и т. д. Ясно, что эти изменения будут разными в разных регионах. Поэтому вместо того, чтобы отмахиваться от проблемы, отрицать проблему влияния солнечной активности на погоду и климат, надо проводить непростой многопараметрический анализ взаимосвязи многих климатических элементов между собой и одновременно их связи с солнечной активностью.

Кстати, надо иметь в виду, что солнечная активность, как мерило солнечной энергии, которая приходит к Земле, связана не только с температурой приземного воздуха или воздуха в верхней атмосфере, но и с другими явлениями в атмосфере. Например, была установлена сильная корреляционная связь между уровнями солнечной активности и количеством гроз. Для Сибири эта связь в 1888–1924 годы оказалась очень даже сильной (коэффициент корреляции равнялся 0,88 при максимальном его значении 1,0, когда связь однозначная, полная). В других районах мира эта связь между числом гроз и солнечной активностью слабее.

Напомним еще раз, что и количество озона зависит от солнечной активности. В частности, после солнечных вспышек количество озона в атмосфере Земли резко меняется.

Климатологи исследовали связь появления засух с разными фазами солнечной активности. Такие связи были установлены. Но в одних регионах они отрицательные, а в других в это же время положительные. Из того, что мы говорили выше, это и понятно: в одном месте число осадков убывает, зато оно прибывает в другом. Поэтому в этих двух регионах и связи с солнечной активностью будут выявлять противоположные знаки: в одном регионе связь положительная, а в другом — отрицательная.

Надо иметь в виду и еще одно обстоятельство. Изменения в атмосфере зависят не только от того, какая дополнительная энергия поступила, но и от того, в каком состоянии в данный момент находилась сама атмосфера. Поэтому проблема изменения климата и связи этого изменения с солнечной активностью еще больше усложняются. Но тем не менее решать ее надо. А для этого надо глубже вникать в физическую суть всех процессов, протекающих не только на разных уровнях атмосферы и гидросферы, но и во всей магнитосфере Земли, в околоземном космическом пространстве и, обязательно, на Солнце. Солнце не только было, но и остается для Земли богом.

Раз уж мы говорим (и это так на самом деле), что погода и климат на Земле определяются энергией, поступающей от Солнца, то имеет смысл более детально проанализировать, как меняется эта энергия во времени. Было время, когда ученые были убеждены, что эта энергия и вовсе не меняется, поэтому они ее так и назвали — солнечная постоянная. Этот термин вы встретите в каждой книжке по метеорологии. Что же собой представляет солнечная постоянная? Это то количество солнечной энергии, которое приходит на верхнюю границу атмосферы в течение одной минуты. Но не на всю границу, а только на один квадратный сантиметр, причем эта площадка должна быть расположена поперек солнечных лучей. По мере проникновения вглубь атмосферы солнечная энергия постепенно теряется в различных процессах поглощения и рассеяния. Поэтому, чтобы узнать, сколько пришло энергии от Солнца к Земле, нужно измерить ее еще до того, как она начнет расходоваться. Почему выбрали одну минуту и один квадратный сантиметр? Это чистые условности. Важно, чтобы их придерживались все, в противном случае величина энергии будет различной.

Солнечную постоянную измеряли с помощью аппаратуры, установленной на высотных самолетах (предельная высота равна 12 км), на баллонах (высоты 27–35 км), на ракетах (наибольшая высота при измерениях достигала 82 км). Ясно, что все эти измерения проводились ниже верхней границы атмосферы, хотя казалось бы, что там плотность атмосферного газа столь мала, что им можно пренебречь. На самом деле это не так. Пренебрегать нельзя ничем, поскольку даже при малой плотности газа часть энергии будет потеряна при взаимодействии с атомами и молекулами газа. Поэтому были проведены измерения солнечной постоянной и с помощью аппаратуры, установленной на космических кораблях (за пределами земной атмосферы). Все данные измерений были обработаны, и получалась официальная величина солнечной постоянной, которую используют во всех инженерных и космических расчетах. Она равна 1,940±0,03 кал/см2 × мин. Если измерять энергию не в калориях, а в ваттах, то солнечная постоянная равна 1356±20 Вт/м^2. Чтобы не писать очень малое число, площадку увеличили от 1 см^2 до 1 м^2, то есть в 10 тысяч раз. Для простых (обыденных) оценок достаточно величину солнечной постоянной брать равной двум калориям (в одну минуту на один квадратный сантиметр).

Выше солнечная постоянная записана с добавкой «плюс — минус». Это значит, что официально допускается ее изменение на полтора процента, то есть допускается ее непостоянство. Этим непостоянством и заинтересовались ученые. Если оно значительное, то оно (то есть изменение поступающей от Солнца энергии) может вызывать наблюдаемые изменения климата. Если же оно пренебрежимо мало, то с ним не стоит возиться — никаких последствий в атмосфере Земли наблюдаться не должно.

Измерения солнечной постоянной с помощью аппаратуры, установленной на космических кораблях, позволили установить, что ее величина изменяется с изменением солнечной активности. Изменяется, но не намного, примерно на 0,1–0,2 %. То, что эти изменения невелики, не должно успокаивать. Специалисты считают, что при определении длительных изменений климата их надо обязательно учитывать.

Имеется несколько (а, возможно, и много) путей влияния солнечной активности на погодные процессы в атмосфере. Как мы уже говорили, с повышением солнечной активности увеличивается поток солнечных заряженных частиц. Эти частицы, проникнув в магнитосферу Земли, достигают ее атмосферы и вызывают там ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Потоки солнечных заряженных частиц при своем движении через атмосферу вызывают образование окислов азота. Окислы азота вступают в реакции с участием озона. Кроме того, окислы азота изменяют характер поглощения солнечного ультрафиолетового излучения. Это значит, что часть ультрафиолетового излучения, пришедшего от Солнца, поглощается. Это равноценно тому, что уменьшилось бы ультрафиолетовое излучение на Солнце. В конце концов для климатических элементов не важно, где теряется солнечная энергия. Важно, сколько энергии доходит до атмосферы. Специалисты эту измененную за счет атмосферных процессов солнечную постоянную называют метеорологической солнечной постоянной.

Солнечная энергия рассредоточена на разных частотах (разных длинах волн). При изменении солнечной активности энергия на разных частотах меняется по-разному. На некоторых длинах волн (например, 0,18 мкм) амплитуда изменения достигала 37,6 %. А это не может не сказаться на процессах в атмосфере.

На атмосферу действуют и космические лучи, которые выбрасываются из Солнца после хромосферной вспышки. Собственно, это не лучи, а потоки высокоэнергичных заряженных частиц. Они практически беспрепятственно проскакивают верхнюю ионосферу и застревают в атмосфере в основном ниже 90 км. Там эти солнечные частицы производят ионизацию. Собственно, именно они создают самую нижнюю ионосферу. С изменением погоды и климата это связано следующим образом. При воздействии солнечных заряженных частиц происходит не только ионизация атомов и молекул, но и запускаются химические реакции с образованием окислов азота. Это в свою очередь меняет характер поглощения солнечного излучения атмосферой. Другими словами, меняется величина метеорологической солнечной постоянной. Но описанный эффект зависит от широты, поскольку движение заряженных частиц направляется магнитным полем Земли. Чем ближе к магнитному полюсу, тем легче заряженные частицы проникают в атмосферу.

Время от времени на Солнце происходят особые вспышки, во время которых выбрасываются потоки высокоэнергичных протонов. Эти вспышки так и называются — протонными. Высокоэнергичные солнечные протоны проникают в области, окружающие магнитные полюса, — в полярные шапки. Эти протоны производят ионизацию атомов и молекул на высотах нижней ионосферы. Кроме того, они нагревают атмосферный газ, то есть их энергия преобразуется в энергию теплового движения частиц атмосферного газа. Этот эффект был назван «выпучиванием» атмосферы в полярных областях. Некоторые специалисты считают, что именно в результате этого нагревания происходит углубление Исландского минимума и усиление движения атмосферного газа в направлении восток — запад, то есть усиление западно-восточного переноса.

В атмосферу Земли проникают не только солнечные заряженные частицы. Сюда приходят заряженные частицы, выбрасываемые из других звезд галактики. Потоки этих заряженных частиц называют галактическими космическими лучами. Эти заряженные частицы вызывают в атмосфере те же эффекты. Но поскольку они приходят в нашу планетную систему извне, их интенсивность зависит от условий в межпланетном пространстве. При высокой солнечной активности пространство вокруг Солнца (гелиосфера) заполнено заряженными частицами. Поэтому пробиться через него к Земле галактическим космическим лучам труднее. Поэтому при максимальной солнечной активности интенсивность приходящих к Земле галактических космических лучей в этот период минимальна. Их интенсивность зависит от геомагнитной широты, поскольку их движение направляется магнитным полем Земли. Все межпланетное пространство пронизано магнитным полем, источником которого является Солнце. Интенсивность галактических космических лучей зависит и от межпланетного магнитного поля.

При изменении солнечной активности от минимальной до максимальной интенсивность галактических космических лучей может меняться на 20 % и более. Основная их энергия застревает в атмосфере на высоте 12–20 км. Она расходуется как на нагревание атмосферного газа, так и на ионизацию атомов и молекул.

Мы уже упоминали, что изменение солнечной активности приводит к изменению концентрации озона. Это происходит даже в том случае, если солнечная постоянная не меняется. Просто меняется количество энергии волнового излучения Солнца с теми длинами волн, которые эффективно поглощаются молекулами озона. Их так и называют — полосами поглощения озона. Чем больше молекулы озона в стратосфере поглощают солнечной энергии, тем больше стратосфера нагревается. Это и обеспечивает прямую связь солнечной активности с нагревом атмосферы, или, другими словами, с изменением погоды и климата. Поглощение дополнительной солнечной энергии озоном в стратосфере способно увеличить температуру атмосферы на высоте стратосферы даже на десятки градусов. Это тепло дойдет до поверхности Земли не целиком. Температура воздуха у поверхности Земли при этом повысится примерно на один градус.

Поглощает солнечную энергию не только озон. Ее поглощают и другие малые составляющие атмосферы. Когда происходит ионизация заряженными частицами, то NO соединяется с молекулой азота и при этом образуется NO_2. Далее NO_2 соединяется с атомом кислорода, образуя NO. В этих двух реакциях исчезает как озон, так и атомарный кислород. Но это не все потери. Образовавшиеся окислы азота поглощают ультрафиолетовое солнечное излучение. Значит, солнечная энергия, приходящая к Земле, будет уменьшаться (уменьшается метеорологическая солнечная постоянная). Можно не сомневаться, что солнечные и галактические космические лучи за счет изменения их интенсивности во времени могут ощутимо изменять климат.

Имеется еще одна (не последняя) возможность влияния солнечной активности на климат. Она связана с высокоэнергичными солнечными частицами, которые проникают глубоко в атмосферу. На этих высотах (ниже ионосферы) солнечные частицы вызывают ионизацию атомов и молекул воздуха. Эти ионы могут выполнять роль ядер кристаллизации. На этих ядрах собирается (сублимируется) водяной пар из окружающего воздуха. В результате образуются облака. Весь этот процесс происходит потому, что упругость насыщения водяного пара надо льдом отличается от таковой над водой. Такие условия можно создать в специальных камерах в лабораторных условиях. Специалисты подметили, что при высокой солнечной активности создается больше перистых облаков, чем при минимальной солнечной активности. На основании анализа большого массива наблюдательных данных было показано, что после резкого увеличения (всплеска) интенсивности рентгеновского излучения на Солнце в земной атмосфере увеличивается облачность в обеих полушариях. Это увеличение составляет 0,25 — 0,5 балла. Много это или мало? Такое увеличение облачности может привести к уменьшению радиационного баланса в среднем на 1–2 %. В приполярных районах после интенсивных вспышек рентгеновских лучей облачность увеличивается значительно сильнее, она возрастает на 2–3 балла. В результате радиационный баланс меняется на 10–20 %. Это составляет примерно 12 Вт/м^2. В результате этого температура воздуха в приполярных районах уменьшается примерно на 3 °C. В средних широтах уменьшение температуры воздуха из-за данного эффекта меньше — порядка одного градуса. Но для метеорологов и эта величина весьма существенна. Специалисты рассчитали, как будут меняться отдельные климатические показатели из-за действия описанного механизма, и достоверно показали, что «климатический эффект влияния перистой облачности весьма заметен».

ВЛИЯНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Совершенно очевидно, что для изменения климата важно не только то количество энергии, которое приходит к атмосфере Земли и впоследствии поглощается на разных уровнях, но и свойства той среды, в которой эта энергия поглощается. Это и свойства атмосферы, и свойства гидросферы, и многое другое, вплоть до размеров Земли, ее массы, строения, процессов в ее недрах, свойств земной поверхности, скорости вращения Земли вокруг своей оси, гравитационного и магнитного полей внутренних источников тепла и т. д. Важно и то, как менялся состав атмосферного газа в процессе эволюции Земли и ее атмосферы.

Масса и размеры Земли в данном случае важны потому, что ими определяется гравитационное поле, а оно определяет способность планеты удержать свою атмосферу при себе. У Луны и масса и размеры недостаточны для того, чтобы удержать свою атмосферу, поэтому она безжизненна. Масса и размеры планеты оказывают влияние и на состав атмосферного газа этой планеты.

Гравитационное поле планеты зависит и от скорости ее вращения, поскольку вращение создает центробежные силы, которые в некоторой степени уменьшают гравитационное поле. Этот эффект зависит от широты. Чем ближе к экватору, тем он больше. Если на полюсе эта поправка равна нулю, то на экваторе она достигает максимальной величины порядка 0,35 %. Именно по этой причине ускорение силы тяжести у полюсов больше (9,83 см/с^2), чем у экватора (9,78 см/с^2). Чем больше масса планеты, тем сильнее она притягивает к себе атмосферу, которая при этом вынуждена уплотняться и ужиматься, прижимаясь к планете. Если бы масса Земли была больше, то ее атмосфера была бы плотнее и тоньше. Динамика атмосферного газа в такой атмосфере существенно отличалась бы от современной, то есть погода и климат были бы другими.

Циркуляция атмосферы зависит от угловой скорости вращения Земли. То же относится и к водам Мирового океана. То, что Земля вместе с атмосферой и водами Мирового океана вращается, кардинально влияет на движения как в атмосфере, так и в Мировом океане. Атмосферный газ приходит в движение прежде всего потому, что он в разных местах нагрет по-разному. В экваториальном поясе он нагрет больше всего. При нагревании газ расширяется и становится легче. Поэтому в экваториальном поясе он поднимается вверх. Отсюда поднятый нагретый атмосферный газ, постепенно охлаждаясь, будет двигаться в направлении северного и южного полюсов, где, естественно, холоднее. Так из-за неравномерного нагрева атмосферного газа создаются его движения в меридиональном направлении — от экватора по направлению к полюсам. На это движение газа действует вращение Земли (сила Кориолиса), из-за чего поток газа уже не движется строго вдоль меридиана, а отклоняется вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Поэтому атмосферный газ движется наискосок, то есть продвигаясь на север, он одновременно значительно смещается к востоку, а продвигаясь на юг, он смещается к западу. Так фактически за счет вращения Земли возникает зональная (вдоль постоянной географической широты) циркуляция. Она часто преобладает. Часто, но не всегда. Ранее мы говорили о том, что имеются две овальные зоны (в каждом полушарии по одной), в которые вторгаются заряженные частицы, приходящие от Солнца, и вносят в атмосферу свою энергию. Их вторжение в верхнюю атмосферу проявляется в виде полярных сияний. Значительная часть энергии солнечных заряженных частиц, которые вторгаются в атмосферу в зонах полярных сияний, идет на нагревание атмосферного газа. Таким образом, на Земле имеется не один нагретый пояс (экваториальный), а целых три: к экваториальному нагретому поясу добавляются еще по одному в зонах полярных сияний каждого полушария. В этих двух дополнительных поясах нагретый атмосферный газ поднимается вверх и затем движется по направлению к полюсу. Это происходит в обеих полушариях. Чем ближе к полюсу, тем вращение Земли сказывается меньше и меньше отклоняет поток атмосферного газа на восток (в северном полушарии) или на запад (в южном полушарии).

Благодаря нарисованной выше картине нагрева атмосферного газа очень отчетливо выявляется зависимость движения атмосферного газа от солнечной активности. Дело в том, что нагрев атмосферного газа в высокоширотных поясах (в зонах полярных сияний) производят солнечные заряженные частицы. Пролетая через атмосферу, они заставляют атомы и молекулы атмосферного газа светиться (полярные сияния, которые в северном полушарии называют северными сияниями) и одновременно увеличивают температуру атмосферного газа. А дальше все просто — чем выше солнечная активность, тем больше выбрасывается из Солнца заряженных частиц, значит, их больше приходит в атмосферу зон полярных сияний. Таким образом, при высокой солнечной активности атмосфера в зонах полярных сияний нагревается больше, что усиливает движение нагретого атмосферного газа в сторону областей, где он более холодный, то есть в меридиальном направлении. При минимальной солнечной активности нагрев атмосферы в зонах полярных сияний заряженными частицами меньше, поскольку меньше самих частиц приходит от малоактивного Солнца. Поэтому меридиональный перенос атмосферного газа будет слабее, чем при максимальной солнечной активности. Климатологи хорошо знают, что значит изменить направление движения атмосферного газа. При этом может поменяться практически все, поскольку погода и зависит от того, «откуда ветер дует». Значит, влияние солнечной активности на погоду и климат посредством нагрева атмосферного газа в зонах полярных сияний не может вызывать сомнений. Жаль только, что климатологи этот факт плохо воспринимают, поскольку он выходит за рамки классической климатологии. Практически все ученые (их результаты) являются жертвами очень узкой специализации, что не позволяет им видеть всю картину процессов в околоземном пространстве целиком. Они видят и понимают только некую часть этих процессов, которую «положено» им видеть в соответствии с выданными им дипломами. Жаль.

Зональная циркуляция атмосферного газа и вод в Мировом океане, создаваемая вращением Земли, очень важна. Ею в основном определяется зональность климата, скорость распределения длинных и ультрадлинных волн, формирование струйных течений с инерционно-сдвиговыми (разрывными) волнами. Вращение Земли определяет собой пассатную циркуляцию в атмосфере и, конечно, циркуляцию вод в Мировом океане.

Если так важно вращение Земли, то необходимо представлять себе, насколько вращение Земли остается постоянным. Специалисты установили, что скорость вращения Земли меняется, менялась она всегда. В далеком прошлом Земля вращалась быстрее. Поэтому зональность климата была более ярко выражена, чем сейчас. В прошлом были и такие периоды, когда Земля вращалась медленнее. Скорость вращения Земли меняется даже в течение малого времени — всего несколько месяцев.

Зональность климата надо понимать так, что климат на разных широтах резко различается. То есть температура воздуха между высокими и низкими широтами очень сильно отличается. Специалисты говорят о контрастах температур на разных широтах. Но в условиях контрастных температур между низкими и высокими широтами возникают многие эффекты, которые могут менять ситуацию. Они направлены на то, чтобы этот контраст (разность) уменьшить. Это прежде всего различные волновые процессы, которые усиливаются, когда перепады температуры вдоль меридиана увеличиваются. Все процессы зависят от той среды, в которой они протекают. Например, звук в воздухе распространяется не так, как в воде или в твердых телах. Так и другие процессы, в частности те, в результате которых переносится тепло. Например, атмосферный газ можно быстро нагреть, но он так же быстро и охлаждается. Воды Мирового океана нагреваются медленно, но зато они способны долго держать полученное тепло, служа своего рода термосом. Охлаждаются так же медленно, как и нагреваются. Поэтому та схема, которую мы привели выше, с нагретыми поясами и меридиальной и зональной циркуляцией, в условиях реальной Земли значительно видоизменяется. Очень много в смысле формирования погоды и климата зависит от того, какие площади поверхности Земли занимают воды Мирового океана, на каких широтах их больше и т. д. и т. п. Это естественно, поскольку континенты и океаны на Земле обладают различными тепловыми свойствами. Поэтому вдоль одной и той же широтной зоны климат может резко различаться в зависимости от наличия или отсутствия океанов.

Проблема погоды — это проблема составления различных карт. Метеорологи их очень любят. Наиболее классические составляются так. Температуры воздуха для каждой широты и для каждого месяца усредняются. Получают некие цифры. Их наносят на карты: каждой широте своя цифра. Причем на карту наносят не усредненную температуру, а отклонение наблюдаемой в данный момент температуры от среднемесячной. Далее на карте те точки, где температуры одинаковые, соединяют линиями. Так получают карту линий одинаковых температур. Такие линии специалисты называют изолиниями («изо» означает «одинаковый»). Такие карты очень наглядны. На них четко просматриваются различные отклонения от нормы (аномалии). Так, для января в районе Северной Атлантики имеется место, где температура равна +24 °C, а в районе Верхоянска -20 °C. Над Тихим океаном имеется аномалия, где температура равна +12 °C, а над Северной Америкой -14 °C. Значит, средние температуры на одной и той же широте могут различаться на 44 °C (это Верхоянск и Северная Атлантика). Так что, говоря о зональности климата, надо иметь в виду, что этот термин достаточно условный, то есть климат в одной и той же широтной зоне отнюдь не одинаковый. Он зависит от наличия или близости вод Мирового океана, от удаления данного места от побережья и т. д. Когда зональность увеличивается (например, при минимальной солнечной активности), то должно происходить потепление климата зимой у западных побережий континентов. В то же время у восточных побережий должно наблюдаться похолодание климата зимой. Все ведь зависит от того, откуда дует ветер, с океана или с континента. А указанные выше направления определяются направлением вращения Земли, которое всегда остается неизменным.

Мы пришли к пониманию, что наряду с вращением Земли для формирования климата очень важна подстилающая поверхность (вода, суша, лед, песок, камни и т. д.). Оба эти фактора определяются свойствами Земли, поэтому их называют геофизическими.

Имеется и еще один источник тепла, которое поступает в атмосферу и Мировой океан. Это сама Земля. Известно, что чем глубже проникать в Землю, тем там теплее. На глубине в один километр температура больше на 30 °C. Это тепло передается к земной поверхности путем теплопроводности. Этот процесс очень медленный. Так, внутри земное тепло доходит до вод Мирового океана или до атмосферы в мизерном количестве — всего одна десятитысячная калории за одну минуту. Значительно эффективнее тепло переносится путем турбулентного движения атмосферного газа. Установлено, что турбулентные потоки тепла над океаном более чем в тысячу раз больше, чем потоки теплопроводности. Над ледяной поверхностью они намного меньше, но все же в два раза больше, чем потоки за счет теплопроводности. Из всего этого следует вывод, что потоки внутреннего (геотермального) тепла оказывают пренебрежимо малое влияние на климат Земли. Другое дело — в прошлом, во время высокой активности вулканической деятельности. При исследовании изменения климата в эти периоды учитывать влияние геотермального тепла обязательно. Особенно если речь идет о длительных в геологическом масштабе времени изменениях климата.

Имеется и еще один геофизический фактор, который может влиять на изменение климата. Это магнитное поле Земли. Здесь мы подразумеваем не то, что только благодаря магнитному полю Земли она имеет атмосферу, биосферу и вообще жизнь. Если бы магнитного поля у Земли не было (как его нет у Луны), то все заряженные частицы (как солнечные, так и галактические), которые подходили бы к Земле, проникали бы в ее атмосферу и очень скоро разрушили бы ее. Все нейтральные атомы и молекулы атмосферного газа этими частицами были бы разрушены (они превратились бы в электрически заряженные ионы) и проблема изменения климата отпала бы сама собой. Естественно, что при этом не было бы смысла говорить ни о биосфере, ни о человеке.

Но здесь мы будем говорить о роли не самого магнитного поля Земли как такового, а о том, как на климатических условиях скажется непрерывное смещение магнитных полюсов Земли. Дело в том, что магнитные полюса кардинально меняют свое положение. Попутно скажем, что зоны полярных сияний, в которых атмосферу нагревают солнечные заряженные частицы, определенным образом «привязаны» к магнитным полюсам: их дневная часть удалена от соответствующего полюса на 10 угловых градусов, а ночная — на 20°. Смещение магнитного полюса автоматически означает смещение зон полярных сияний, а значит, и зон нагрева атмосферного газа солнечными заряженными частицами. Оба магнитных полюса (северный и южный) связаны между собой, как связаны между собой два конца одного намагниченного бруска. Поэтому говоря о движении (смещении) северного магнитного полюса, мы тем самым говорим и о смещении южного полюса. Если захотите воспользоваться глобусом, то точку на глобусе, где находится северный магнитный полюс, соединяйте с центром Земли (глобуса) и продолжайте до ее пересечения с поверхностью Земли (глобуса). Здесь и находится южный магнитный полюс. Правда, это не строго точно, но для понимания сути дела достаточно точно. Дело в том, что центр магнитного диполя Земли на 600 км смещен относительно центра тяжести Земли.

А как смещались полюса раньше? В конце последнего ледникового периода 12–15 тысяч лет назад северный магнитный полюс Земли располагался не там, где сейчас, а на востоке Северного Ледовитого океана. Сейчас он находится на северо-западе Гренландии. Около 200 года до н. э. северный магнитный полюс Земли находился значительно ближе к Европе, чем через 200 лет. Еще через 300 лет он передвинулся на север Аляски. Затем между 600 и 1000 годами н. э. он снова приблизился к Европе. Еще через 600 лет он передвинулся в Баренцево море и только между 1650 и 1850 годами он удалился к Гренландии. Куда он пойдет дальше?

Почему смещение магнитных полюсов должно влиять на климат и вызывать его изменение — мы уже фактически объяснили. Это вызвано смещением зон, в которые вторгаются солнечные заряженные частицы и в которых они вызывают нагрев атмосферного газа. Правда, весьма уважаемые климатологи считают, как и сто лет назад, что заряженные частицы легче всего вторгаются вблизи магнитных полюсов. Такая информация и содержится в книгах по метеорологии. Это неверно, и уже несколько десятилетий благодаря измерениям, выполняемым на спутниках и космических кораблях, установлено, что области непосредственно вокруг магнитных полюсов достаточно надежно защищены от вторжения заряженных частиц. Но зато под действием давления солнечного ветра магнитосфера деформируется таким образом, что наиболее уязвимыми для вторжения заряженных частиц становятся овальные области, подсолнечная (дневная) сторона которых удалена от своего полюса на 10°, а ночная — на 20°. Это и есть те зоны полярных сияний, о которых говорилось выше. Мы объясняем такие «тонкости» потому, что в книгах по климатологии и метеорологии читатель может найти старую информацию, которая выдается за современную.

Поскольку смещение магнитных полюсов Земли приводило к смещению зон нагрева атмосферного газа, то это обязательно вызывало изменение климата. Так, когда северный магнитный полюс смещался ближе к Европе, что, естественно, начинала преобладать циркуляция атмосферы в меридиональном направлении. А это однозначно вызывало потепление климата. На континент поступали более теплые океанические воздушные массы. Когда же северный магнитный полюс находился в восточной части Северного Ледовитого океана, то происходило похолодание: на Европу надвигался холодный арктический воздух.

При оценке возможного изменения климата следует учесть все источники тепла, а также оценить тот вклад, который они могут (или могли) внести в изменение климата. В частности, надо оценить вклад тепла, который связан с распадом долгоживущих изотопов U, Th и К. Оценено, что за всю историю Земли за счет радиоактивного распада U и Th было выделено огромное количество тепла — 1,6х10^38 эрг. Несколько меньше (0,9 × 10^38 эрг) тепла выделилось за всю историю Земли за счет распада долгоживущего изотопа К. Часть этого тепла, аккумулированного внутри Земли путем теплопроводности, была передана наружу и была поглощена водами Мирового океана и атмосферным газом. Но это примерно пятая часть всего накопленного тепла. Оставшееся там тепло шло на разогрев и частичное плавление недр Земли. Внутри Земли вещество фактически кипит. Как и на Солнце, в мантии Земли имеются весьма интенсивные конвективные потоки вещества. Время от времени последствие этой бурной деятельности мантии мы наблюдаем — активизируются вулканы со всеми вытекающими отсюда последствиями. И не только. Конвективные движения вещества в мантии Земли вызывают также дрейф континентов.

Что касается вулканов, то они возникают не в любых местах. Если вы нанесете на карту или глобус все вулканы, известные на Земле, то заметите, что они группируются в определенных поясах. Что это за пояса? Это зазоры, зоны, которые остаются между литосферными плитами. Сами литосферные плиты не сейсмичны. На них вулканов быть не может. Там нечему кипеть. Все кипящее вещество находится под ними. Литосферные плиты перемещаются, поэтому смещаются и границы между ними, так называемые подвижные зоны. На сегодняшний день установлены следующие подвижные зоны, в которых располагается большинство вулканов. Это Евроазиатская зона, Индо-Австралийская зона, Тихоокеанская, Американская, Антарктическая и Африканская зоны. Расположение плит показано на рис. 11.

Рис. 11. Основные литосферные плиты земной коры.

Как мы уже говорили, литосферные плиты плавают. Поэтому неизбежно плавают (перемещаются) и материки. Примерно 15–20 миллионов тому назад лет континенты располагались так же, как и сейчас. Эволюция земной коры, океана и атмосферы связана с движением континентов и вулканической деятельностью. Естественно, что с ними самым тесным образом связано и формирование и изменение климата.

За всю историю Земли вулканы выбросили на поверхность столько вещества, что оно равно массе земной коры толщиной около 33 км. Это вещество содержало, в частности, и газы. Общая масса всех выброшенных при извержениях вулканов газов примерно в 50 раз больше массы современной атмосферы. Масса выброшенных газов примерно в два раза больше массы всех вод современного Мирового океана. Значительно больше половины из этих газов (70–80 %) составлял водяной пар. Остальные газы — H_2S, SO_2, HCl, HF, HBr, H, Ar и другие. Ясно, что водяной пар впоследствии сконденсировался и образовал воды Мирового океана. Сконденсировалась и часть других паров, поэтому океан состоял не только из воды.

Мы уже описывали, как дальше развивались события, как происходили сложные геохимические изменения, в результате которых из атмосферы, содержащей азотные соединения и воду, образовалась нынешняя атмосфера — азотно-кислородная. Решающую роль при этом сыграло действие солнечного излучения. При этом в атмосфере образовались примеси — малые составляющие в виде углекислого газа, озона, водяного пара и др. Малые составляющие определяют тепловой режим атмосферы. Они служат своего рода пленкой над нашим домом — теплицей. Эту пленку нельзя повредить, иначе теплица исчезнет и нам станет очень неуютно.

Все ученые сходятся на том, что вулканическая деятельность сформировала атмосферу Земли и хотя бы частично ответственна за изменения климата на Земле. Но специалистами высказывалась и другая идея — что определенная динамика атмосферного газа может активизировать деятельность вулканов. Здесь все построено на определенном распределении сил, сил притяжения. В том случае, если холодные и теплые воздушные массы располагаются так, что их граница (воздушный фронт) придется на вулканические подвижные зоны, то равновесие может быть нарушено, поскольку теплый воздух легче холодного. Проведенные подсчеты показывают, что если воздушные массы будут занимать около десяти миллионов квадратных километров, то при разности в атмосферном давлении равной 20 миллибар (а это вполне реально) могут создасться значительные дополнительные силы напряжения в земной коре.

Как известно, во время извержения вулканов в атмосферу выбрасываются не только газы, но и аэрозоли. Попадая в атмосферу, аэрозоль меняет ее оптические свойства, а значит, и условия прохождения через нее солнечного излучения, особенно в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Это не может не сказаться на процессах в атмосфере, а значит и на климате. Не вызывает сомнения, что в прошлом на климат влияли в основном аэрозоль и малые составляющие атмосферы, такие как CO_2 и др. Несомненно, что и в будущем эти факторы, приводящие к изменению. климата, останутся главными. Об этом свидетельствуют такие факты. Мы научились сами создавать огромные количества аэрозоля и выбрасывать его в атмосферу. На сегодняшний день ежегодно мы выбрасываем не менее двух миллионов тонн аэрозоля. Аэрозоль поглощает солнечную энергию, и она не доходит до поверхности Земли. Аэрозоль малых размеров (мелкодисперсный) рассеивает коротковолновое солнечное излучение. Этот эффект равносилен увеличению отражательной способности атмосферы. Раз атмосфера недополучает солнечную энергию, то она охлаждается. Мы привели два противоположных эффекта, которые способен вызывать аэрозоль. Один эффект приводит к нагреванию атмосферы, а другой — к ее охлаждению. Что будет преобладать на самом деле — зависит от свойств аэрозоля и прежде всего от размера его частиц. Поэтому при анализе влияния аэрозоля на изменение климата необходимо весьма детально проанализировать все свойства реально находящегося в атмосфере аэрозоля.

То, что вулканические выбросы способны уменьшить доходящее до поверхности Земли солнечное излучение, было известно с древности. После некоторых мощных извержений вулканов на Земле наступали сумерки. Ситуация не выравнивалась в течение нескольких месяцев.

Некоторые ученые склонны объяснять основные изменения климата на Земле именно влиянием вулканической деятельности. Ледниковые эпохи они также объясняют таким механизмом. Некоторые совпадения действительно имеют место. Когда были сопоставлены данные о климате с изменением индекса вулканической активности с 1500 года н. э. по наше время, то оказалось, что, действительно, в период малого ледникового периода в XV–XVI веках н. э. и в начале XIX века н. э. наблюдалась повышенная вулканическая деятельность. С 1912 года до начала 40-х годов не было сильных вулканических извержений и атмосфера за этот период была более прозрачной. В это время происходило потепление климата. Но не надо все эти факты воспринимать как несомненное доказательство того, что основные изменения климата связаны с вулканической деятельностью. В период с 1883 по 1912 год наблюдалась целая серия извержения вулканов. Солнечное излучение в течение нескольких месяцев и даже одного-двух лет было меньше. Но потепление климата началось не после извержения вулканов, а до того. Поэтому не следует объяснять сложное явление действием только одного из действующих факторов. Нужно остановиться и еще на одном факторе, от которого зависит поступающая в атмосферу и к поверхности Земли солнечная энергия. Это концентрация CO_2, а также других малых составляющих атмосферы. Речь идет о составляющих, которые обладают парниковым эффектом. Это и водяной пар и хлорные соединения, и др.

Что касается количества CO_2, то цифры здесь такие. В атмосфере Земли в настоящее время содержится 0,033 % CO_2. Это соответствует примерно 2350–2570 миллиардам тонн. В водах Мирового океана CO_2 в 50 раз больше. Между атмосферой и океаном, между атмосферой и биосферой происходит непрерывный обмен CO_2. На фотосинтез растений сейчас уходит за счет атмосферы около 100 миллиардов тонн CO_2 в год. Такое же количество CO_2 атмосфера получает в результате дыхания живых организмов. CO_2 поступает и из недр Земли через вулканы. Но это почти в сто раз меньше, чем поступление CO_2 за счет деятельности человека. Источником CO_2 в недрах Земли является углерод, которого там не менее 2× 10^8 миллиарда тонн. Основная его часть связана в карбонатных породах.

CO_2 приходит в атмосферу и уходит из нее в биосферу. Он совершает своего рода кругооборот, естественный цикл. Этот естественный цикл CO_2 между атмосферой и биосферой составляет около 20 лет. В то же время естественный цикл в системе земная биосфера — атмосфера длиннее. Он составляет 20–40 лет. CO_2 совершает кругооборот и между атмосферой и океаном. Полный период обмена CO_2 в системе океан — атмосфера (туда и обратно) составляет около пяти лет. Этот обмен существенно зависит от температуры воды Мирового океана. Чем теплее, тем эффективнее поступает CO_2 из океана в атмосферу. Одновременно идет поступление CO_2 из атмосферы в воды Мирового океана. Из-за разницы в температурах в высоких широтах в условиях холодной воды поток CO_2 из воды в атмосферу мал. Здесь преобладает поток CO_2 из атмосферы в воду океана. В низких широтах все наоборот, поскольку там вода Мирового океана теплая. Поток CO_2 из воды в атмосферу больше, чем из атмосферы в воды Мирового океана. Установлено, что если температура верхнего слоя воды в Мировом океане (толщиной 50 км) изменится на 1 °C, то это вызовет изменение выхода CO_2 из океана на полпроцента или даже больше. При оценке изменения климата с этим надо считаться.

Рассматривая историю атмосферы, мы уже говорили о том, как менялось содержание CO_2 в атмосфере Земли за всю ее историю. В прошлом в истории Земли были такие периоды, когда содержание CO_2 в атмосфере было намного больше, чем в наше время. Примерно 250 миллионов лет назад концентрация CO_2 в атмосфере составляла 7,5 %. Зато в фанерозое (570 миллионов лет назад) CO_2 в атмосфере было не более 0,3 %. Примерно 1 миллион лет назад концентрация CO_2 в атмосфере была в два раза больше, чем сейчас. Рассматривая современное количество CO_2 в атмосфере и возможные его изменения, мы должны исходить не из абсолютных величин, а из того, как эти изменения при учете озона и других малых составляющих скажутся на изменении климата. Рассматривать влияние на климат изменения концентрации одного только CO_2 бессмысленно, как бессмысленно без всестороннего анализа говорить о том, много CO_2 в атмосфере или мало. Всегда надо добавлять: «для чего?», то есть для чего много или мало. Это необходимо пояснять, поскольку уважаемые климатологи позволяют себе писать так: «сейчас содержание CO_2 в атмосфере невелико».

ВЛИЯНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ

НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Рассмотренные выше факторы действуют на климат постепенно. Нужно немалое время, чтобы прогреть Мировой океан или растопить ледники. Приведенное в движение вещество в океане или атмосфере движется, подчиняясь законам движения, законам гидродинамики или даже законам магнитной гидродинамики (в ионосфере и атмосфере). Поэтому мало рассмотреть роль приходящей к Земле солнечной энергии в изменении климата. Надо проследить, как эта энергия распределилась в атмосфере и гидросфере и какие процессы она там вызвала. Каждый процесс характеризуется своим временем. Это также надо учитывать. Поэтому надо рассмотреть, как отразятся на изменениях климата различные особенности циркуляции атмосферного газа.

Не вызывает сомнения, что атмосферная циркуляция в разные климатические эпохи была разной. Общая энергия, поступающая от Солнца в атмосферу, может и не меняться, тогда как циркуляция атмосферы будет меняться весьма кардинально. Об этом свидетельствуют данные наблюдений. Приведем некоторые примеры. В Швеции и Дании зима 1657–1658 годов была одной из самых холодных. Даже средняя температура была отрицательной (-1 °C), тогда как в обычные годы она на 4° была выше. Холодные зимы в этих местах наблюдались и в другие годы: 1739–1740, 1762–1963, 1783–1784, 1788–1789, 1794–1795, 1798–1799, 1822–1823, 1829–1830, 1837–1838, 1890–1891, 1928–1929 и 1941–1942.

Суровая зима в определенном регионе отнюдь не означает холодного климата. Из приведенного выше списка видно, что часть очень холодных зим в Швеции и Дании приходится на малый ледниковый период. Зато две последние суровые зимы имели место в период потепления климата. Особенно суровая зима 1941–1942 годов, охватившая и Россию, наблюдалась в период максимального потепления климата в северном полушарии. Таких примеров можно привести много. Так, по данным о толщине колец деревьев, было установлено, что в конце малого ледникового периода между XVII и началом XX века в Калифорнии произошло общее потепление климата.

Специалисты детально исследовали характер появления различных аномалий в климатических процессах (наступление засух, суровых зим, обильных осадков и т. п.). При этом обнаруживается, что наступают они с определенной повторяемостью, периодичностью. Правда, длина периода в некоторых пределах меняется. Поэтому лучше говорить не о периодичности (это предполагает определенную величину периода), а о цикличности, что означает просто повторяемость. Например, было установлено, что за последние 30 лет для Англии четко выявляются изменения климата, повторяющиеся через 20–25 и 45–55 лет. При этом очень важно, что в этих аномальных климатических условиях циркуляция атмосферы кардинально отличается от циркуляции в другие, нормальные периоды. Так, для Европы самые мягкие зимы соответствуют западным и юго-западным ветрам. Таким в Европе был период 1920–1929 годов. Теплые летние сезоны обусловлены теплыми антициклоническими типами циркуляции над Западной и Центральной Европой. Такими были годы: 1940–1949, 1976. Когда имеет место слабая циркуляция атмосферы, то наблюдаются более холодные зимы. Когда в Европе наблюдались холодные погоды летом (1690–1699 и 1840–1849 годы), то в это время области высокого давления были значительно смещены к югу. При этом преобладали северные ветры. За период с конца XVIII века по начало XX века н. э. положение центра Исландского минимума (атмосферного давления) сместилось в северном направлении на 1,5–3° широты. Именно в результате этого создались условия движения атмосферного воздуха, которые способствовали потеплению климата в приполярных областях северного полушария. В таких условиях при интенсивной атмосферной циркуляции над Арктикой льды взламываются и выносятся в соседние районы. Если движение воздушных масс над Арктикой стихает, успокаивается, то есть в условиях спокойной атмосферной циркуляции, спокойной погоды, то льды растут и их количество увеличивается. Такие условия реализовались над северной частью Европы в 1930–1939 и 1940–1949 годах. Поскольку на этой территории преобладали антициклоны и господствовали южные ветры, то в западной Арктике обширные пространства поверхности воды освободились ото льда.

Если в Арктике дуют восточные и северо-восточные ветры и часто образуются антициклоны, то в Европе формируются холодные климатические условия. Такие суровые зимы с преобладающими восточными ветрами наблюдались в 1560–1569, 1690–1699, 1820–1829, 1890–1899 годы.

Во второй половине прошлого столетия в южном полушарии усиливались южные ветры, а в северном полушарии возрастала циркуляция западного направления (зональный перенос). Этот зональный перенос явился причиной значительного изменения количества осадков. При этом происходящие изменения количества осадков для разных регионов были разными.

Аномальные (необычные) климатические явления весьма часты и в последние десятилетия. Они весьма ощутимо сказываются как на народном хозяйстве, так и на жизни и здоровье людей. Так, аномальной по климатическим условиям была зима 1962–1963 годов. Для Англии она была самой холодной после 1740 года. Зима 1963–1964 годов была очень сухой. Такой сухой зимы в Англии не было с 1743 года. В эту зиму морозы продвинулись вплоть до берега Персидского залива. Зима 1965–1966 годов была суровейшей. Замерзло даже Балтийское море, а льды Северного Ледовитого океана достигли Мурманска. Порт Мурманск обычно не замерзает, сказывается теплое течение Гольфстрим. Над европейской территорией СССР очень холодная зима стояла в 1978–1979 годы. Зимы 1973–1975 годов были очень теплыми. В Копенгагене до конца января цвели розы, а Балтийское море вообще не замерзало.

В последние десятилетия и в экваториальном поясе разыгрывались аномальные климатические явления. В зонах 10–20° северной широты и 12–20° южной широты существенно сократилось количество осадков, которые сюда обычно приносятся ветрами муссонами. Результатом такого сокращения стали жесточайшие засухи.

Специалисты обращают внимание на то, что в последнее время циркуляция (динамики) атмосферного газа радикально изменила свой характер. Это проявляется в том, что сейчас области аномального высокого атмосферного давления (теплые) и аномально низкого атмосферного давления (холодные) очень сходны друг с другом. Такого в прошлом еще не было. Поэтому есть все основания говорить о формировании новых циркуляционных условий или, другими словами, о том, что движение атмосферного газа в наше время кардинально меняет свой характер. С чем связано такое изменение атмосферной циркуляции? Специалисты не спешат все списать на деятельность человека, засорения им окружающего пространства и атмосферы в том числе. Но они и не сомневаются в том, что антропогенное влияние на изменение климата в последнее время очень существенно. Они высказываются следующим образом: «Если для изменения общего теплового режима планеты антропогенных источников, включая CO_2, еще недостаточно, то для региональных воздействий на погоду и климат антропогенные факторы уже сейчас, а тем более в будущем, могут стать определяющими».

ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

В ЧЕТВЕРТИЧНОМ ПЕРИОДЕ

Мы живем в четвертичном периоде. Он начался примерно полтора-два миллиарда лет тому назад. Лучше всего мы знаем, как менялся климат за то время, когда уже существовали цивилизации. Этот этап четвертичного периода называют голоценом. Мы располагаем палеоклиматическими, а также историческими данными не только об изменении климата за это время, но и о том, как это изменение влияло на человечество.

Главной характерной чертой изменения климата в четвертичном периоде является чередование продолжительных (70 — 120 тысяч лет) ледниковых периодов и более коротких (15–20 тысяч лет) теплых межледниковых периодов. Известные нам цивилизации существовали и существуют последние 10–12 тысяч лет. Это время последнего теплого межледникового периода, который начался 15–18 тысяч лет назад. Это благодатное время примерно через 4 тысячи лет должно закончиться — снова начнут наступать ледники. Что они принесут с собой? Об этом можно судить по тем ледниковым периодам, которые уже были раньше.

Если подсчитать среднюю температуру Земли за последние два миллиона лет, то окажется, что она была близка к нынешней — примерно 15 °C. Но это средняя температура. При переходе от ледниковых к межледниковым периодам она изменялась весьма существенно — на 5 — 10 °C.

На рис. 12 показано, как менялась средняя температура Земли за последние 4,5 миллиона лет. За весь этот период даже в самые суровые фазы ледниковых периодов Земля ни разу не была покрыта льдом целиком. Но она и не освобождалась ото льда никогда, даже в самые теплые межледниковые периоды. Ученые считают, что за последние 4,5 миллиона лет Северный Ледовитый океан всегда в той или иной мере был покрыт льдом. Антарктида также была скована льдами.

Последний ледниковый период своим климатом очень сильно отличался от нашего межледникового периода. Наибольшее оледенение имело место примерно 18 тысяч лет назад. Тогда уровень воды в Мировом океане был на 85 метров ниже, чем в наше время. Температура воды в океане была на несколько градусов (местами в Атлантике даже на 10 °C) ниже современной. Некоторые континенты были полностью покрыты ледниками. Поэтому отражательная способность поверхности Земли была значительно больше. Значит, больше приходящей от Солнца энергии отражалось обратно в космос. Лед, камни и песок занимали примерно вдвое больше той площади, которую они занимают сейчас, — 24 миллиона квадратных километров. Тундра и альпийские сообщества также занимали почти в три раза большую площадь, чем они занимают сейчас (сейчас — 8 миллионов квадратных километров). Пустынь и полупустынь на одну треть по площади было меньше (8 против 12 миллионов квадратных километров). Полагают, что леса, кустарники, саванна и другие сообщества занимали в ледниковый период такую же суммарную площадь, как и сейчас.

Исходя из этих основных данных, а также делая определенные предположения, ученые рассчитали, как менялись в ту пору основные климатические показатели: температура поверхности Земли и воздуха у поверхности и на высоте в атмосфере, где атмосферное давление равно 800 и 400 миллибар, ветры на этих высотах, направление на восток или запад, облачность, относительная влажность, а также содержание влаги в атмосфере, испарение, осадки и давление у поверхности Земли.

Рис. 12. Средняя глобальная температура поверхности Земли за последние 4,5 миллиона лет.

Были рассчитаны указанные величины для всей Земли для трех различных вариантов в предполагаемых параметрах. Основные результаты этих расчетов дают представление о климате в ледниковый период. Если рассматривать условия июля для северного и южного полушарий, то расчеты показывают, что в северном полушарии средняя температура земной поверхности и воздуха вблизи нее была ниже современной примерно на 5,3 °C. В южном полушарии, где большая поверхность Земли была занята водами Мирового океана, понижение температуры по сравнению с современным было, естественно, меньше (4,5 °C).

Мы привыкли к изменениям температуры на десятки градусов. Поэтому 4–5 градусов могут показаться незначительными. Но не обманывайте себя. Речь идет о средней температуре для полушария. А это совсем иное. Так, уменьшение средней температуры поверхности Земли всего на один градус означает изменение вегетационного периода примерно на две недели. Следовательно, глобальное среднее похолодание на 5,4 °C должно было вызвать сокращение вегетационного периода практически на три месяца. Это значит, что в этих условиях во многих районах мира вегетационный период практически исчезал. Речь идет не только о приполярных зонах, но и о средней полосе, где в условиях отсутствия вегетационного периода нельзя было заниматься сельским хозяйством.

Облачность в ледниковый период была меньше современной на 2–3 %. Более чем в два раза было меньше и количество осадков. Что касается атмосферного давления, то в северном полушарии среднее давление было меньше на 8,7 миллибар, а в южном полушарии на столько же оно было больше современного.

Если в атмосфере меняются давление, температура, влажность и другие показатели воздуха, то меняется и его движение. Другими словами, меняется циркуляция атмосферы. В условиях ледникового периода атмосферная циркуляция была более интенсивной как в июле, так и в январе. В то время циклоны двигались другими путями, их оси были смещены к югу, в отличие от сегодняшних. Они проходили южнее Скандинавии и направлялись в сторону Азии. Летом осадков было немного меньше, чем сейчас, особенно в Южной и Восточной Азии. Зимой их было примерно столько же, как и сейчас. Правда, в северном полушарии их было несколько меньше.

Каким был климат за время существования цивилизаций (период голоцена)? Установлено, что первые 7–8 тысяч лет этого межледникового периода имело место резкое потепление климата. В результате этого примерно восемь тысяч лет назад растаял ледник на Скандинавском полуострове. Спустя полторы тысячи лет растаял ледовый покров и на Североамериканском континенте. Еще через две тысячи лет растаял Лабрадорский лед. По мере потепления леса стали смещаться к северу. Они занимали площади на 300 км севернее нынешней полярной границы лесов. Вечная мерзлота в Северной Америке и Восточной Сибири также отступила на север на несколько сот километров. Климат был не только более теплым, чем сейчас, но и значительно более влажным.

Там, где сейчас имеется засушливый пояс — от Западной Африки до Раджахстана на северо-западе Индии, в то время был очень влажный климат. Об этом можно судить по таким фактам. В современном засушливом центре Сахары количество осадков достигало 250–400 миллиметров. Сейчас там осадки составляют всего 6 мм в год. Уровень воды в озере Чад был на 40 м выше современного. Поэтому само озеро было значительно больше по площади — оно достигало размеров Каспийского моря. В крайне засушливых районах Ближнего и Среднего Востока и северо-запада Индии в то время были очень благоприятные условия для скотоводов-кочевников, а также для земледельцев. Было главное — достаточное количество воды. Поэтому были обильные пастбища и поля для земледелия, не требующие орошения. Это был прекрасный климат. Поэтому специалисты назвали его оптимальным, а точнее климатическим оптимумом.

Но такое положение сохранялось всего несколько тысяч лет. Примерно четыре тысячи лет назад климат стал значительно холоднее. Становилось суше. По уровню воды в озерах в прошлом ученые восстанавливают количество осадков. Эти данные свидетельствуют о том, что количество осадков примерно 3,7 тысячи лет назад уменьшилось в Рад-жахстане примерно в три раза. Это вызвало упадок экономики района. Произошли неблагоприятные изменения климата и в других районах Земли. При этом надо иметь в виду, что все эти изменения взаимосвязаны. Это и понятно, поскольку вся атмосфера Земли представляет собой единое целое. Если в одном месте воздух начнет двигаться по-иному, то и в других местах его движение изменится. Поэтому потепление или увлажнение климата в одних районах будет сопровождаться похолоданием или сухостью климата в других районах. При усреднении это нивелируется и средние показатели меняются значительно меньше. Как мы уже говорили, изменение средней температуры всего на один градус вызовет значительные изменения в жизни биосферы и человека. Так, если брать последние пять тысяч лет, то за первые две тысячи лет из этого периода среднегодовая температура в Китае была на два градуса выше, чем теперь. В этот же период в других районах мира имело место значительное похолодание. В последние три тысячи лет в Китае среднегодовая температура менялась в пределах 2–3 °C. Самые низкие температуры там были в 100, 400 годы до н. э. и в 1200 году н. э. Довольно теплым климат в Китае был в 206 году до н. э., а также в 220 году н. э. и в 618–907 годы н. э. В Западной Японии лето 1180 года н. э. принесло неслыханную засуху. В восточной части Японии в это время собирали богатый урожай.

За последние 6000 лет наблюдались четыре периода повышенной увлажненности, которые четко разделены тремя периодами с сухим климатом.

Первый из этих периодов увлажненного климата имел место на рубеже V и IV тысячелетий до н. э. Об этом свидетельствуют результаты работы французской археологической экспедиции Анри Лота.

Экспедиция обнаружила в Центральной Сахаре в скальных нишах и пещерах массива Тассилин-Алджер наскальные рисунки. На них были изображены гиппопотамы и носороги. Скальные ниши и пещеры находились в долинах рек, которые давно пересохли, а также по берегам высохших водоемов.

Массив Тассилин-Алджер имеет свои особенности. Он находится на северо-восток от плоскогорья Ахаггар. Массив представляет собой систему уступов, которые возвышаются до 2000 м над уровнем моря. В сущности, это плато, расчлененное эрозией и сложенное песчаниками. Эрозия образовала очень своеобразную местность. Это ровные площадки с башнеподобными останками, которые чередуются с участками каменистой пустыни. Песчаники представляют собой пористую породу. Они хорошо собирают грунтовые воды. Край всего массива изрезан ущельями, которые имеют причудливую форму. Это следы работы эрозии.

Руководитель экспедиции Анри Лот описал работу экспедиции во многих книгах. Он описывал, что путь экспедиции лежал среди высоких колонн, которые напоминали руины громадного средневекового города. Им «виделись» обезглавленные башни, церковные шпили, паперти соборов, странные фигуры фантастических животных, диковинные архитектурные ансамбли.

Плато, на котором проводились работы, имеет длину 800 км и ширину 50–60 км. Сейчас там безводная территория. В период увлажнения здесь жили люди, которые создали чудесные наскальные рисунки. Наскальные рисунки здесь были впервые обнаружены в 1933 году лейтенантом Бренаном. На отвесной скале он увидел глубоко вырубленные изображения громадных животных, слонов с поднятыми хоботами, гиппопотамов, которые выходят из воды. Изображены здесь и носороги и длинношейные жирафы, которые щиплют верхушки кустарников.

Специалисты считают, что когда-то Сахара была заселена и ее фауна была аналогична фауне современной саванны. В прошлом в этих местах текли полноводные реки и климат был влажным. Реки брали начало в горных массивах Ахаггар, Тассилин, Ардар-Ифорас. Они образовывали большую гидрографическую сеть, которая соединялась с Нигером, озером Чад, а также с другими озерами, которые сейчас остались как соленые озера.

Сахару в IV тысячелетии до н. э. населяли племена охотников и рыболовов. Они селились по берегам рек и озер. Обнаружены каменные серпы и зернотерки, датируемые IV тысячелетием до н. э. Поэтому можно считать, что население занималось не только охотой, но и использовало семена дикорастущих злаков для приготовления муки. Климат менялся, реки и озера высыхали. Жители устремлялись на восток, к долине Нила и на юг, к озеру Чад. Экспедиция обнаружила много «кухонных куч», в которых найдены кости гиппопотамов.

Имеются наскальные рисунки разных эпох. По ним специалисты получили возможность развернуть жизнь в Сахаре во времени. Так, были выделены разные периоды.

Первый период — период охотников, или период буйвола. Это ранний неолит. Он обнаружен в самых древних наскальных рисунках периода между V и IV тысячелетиями до н. э. На рисунках изображены выбитые на камне контурные фигуры животных «эфиопской фауны». Это гиппопотамы, носороги, слоны, жирафы, антилопы, страусы. Носороги и гиппопотамы изображены только на самых древних рисунках. Они первыми вымерли из-за изменения (иссушения) климата.

Анри Лот так представлял себе то далекое время, в которое ему позволили заглянуть наскальные рисунки:

«Нам рисовались цветущие долины, леса, болота и звери, жившие когда-то в этом раю. Мы заселяли в нашем воображении эти места разнообразными животными. Добродушные слоны толпились возле воды, шевеля большими ушами. Пугливые носороги спешили к логовищам по узким тропинкам. Жирафы прятали головы в кустах мимозы. По долинам, пощипывая траву, бродили стада антилоп и газелей, находивших отдых под зелеными кронами деревьев. Наконец, мы старались представить себе людей, живших в скальных пещерах: мужчин, занимавшихся подготовкой оружия к охоте и мастерящих себе одежду из шкур, женщин, готовящих пищу или отправляющихся к соседнему водоему купаться или мыть миски».

Рисунки этого периода (фрески) имеют большие размеры. На них люди вырисованы с большой тщательностью. При этом видна татуировка, которая характерна для современных племен Верхнего Нила и Центральной Африки.

Второй период приходится примерно на 3500 год до н. э. Это скотоводческий период. Появились домашние животные, что изображено на фресках. Это крупный рогатый скот, козы, собаки, антилопы, муфлоны. Люди и животные изображены очень естественно. Нарисованы стада с пастухами. Люди изображены в разнообразных одеждах. Они полны красоты, гармонии, изящества. Они даны в движении. То они стреляют по дичи из лука, то сражаются за обладание стадами. Показаны они и собирающимися в группы для участия в танцах.

Дикие животные — слоны, носороги, гиппопотамы, жирафы, лошадиные антилопы, львы, дикие ослы, страусы — нарисованы очень реалистично. Эти животные не могли существовать без тучных пастбищ и очень влажного климата. Так, на одной из фресок изображены три гиппопотама, за которыми охотятся люди в пирогах.

Таким образом, достоверно доказано, что Сахара некогда была обитаемой. От Атлантического побережья вплоть до долины Нила и далее к востоку, в Нубийской пустыне, были обнаружены следы деятельности человека. В Сахаре повсеместно найдены каменные орудия. Они относятся к двум различным периодам, которые отделены друг от друга тысячелетиями. Орудия первого периода появились в эпоху раннего палеолита. Второй период — время неолита. Итак, в глубокой древности в Сахаре было два периода высокой влажности. Тогда в ныне безводных районах существовала жизнь.

Первый влажный период приходится на эпоху раннего палеолита. Сахару в те времена населяли предки современного человека. Их каменные орудия найдены по всей территории Сахары. Все они очень единообразны. После этого периода влажного климата наступил весьма продолжительный период с очень засушливым климатом. Сахара превратилась в огромную пустыню, непригодную для жизни. Всякая растительность исчезла. Эта древняя пустыня была намного больше современной Сахары.

Затем наступил второй влажный период, уже в эпоху неолита. Именно в это время Сахару населяли племена охотников и рыболовов, которые жили на берегах больших рек и озер. Могучие реки в то время прорезали ущелья в горных массивах. Сейчас рек нет, остались только ущелья. Орудия в этот неолитический период очень разнообразны, но встречались они не повсеместно. В районах каменистых и песчаных пустынь их не обнаружили. Основными орудиями были лук и стрелы. Население занималось преимущественно охотой. Как уже говорилось выше, были найдены каменные серпы и зернотерки, также каменные.

Неолит Сахары не уступает по возрасту неолитическим культурам Египта. Более того, ученые полагают, что Сахара (Тибести) была центром, откуда распространялись культурные влияния на Фаюм, Хартум и Танере.

Но в Сахаре второй раз наступил период сухого климата. Периоды влажного климата обнаруживаются и по раскопкам древнейшего города Ур («Ур халдеев») в Месопотамии (современный Южный Ирак). Город находился в междуречье рек Тигра и Евфрата, в 16 км к западу от современного русла Евфрата.

Раскопки «Ура халдеев» проводила экспедиция под началом Леонарда Вулли с 1922 по 1934 год. Было подтверждено то, о чем писал Геродот об Ассирии и Вавилоне. Вавилон был возведен во времена царицы Семирамиды. Геродот приводит описание Вавилонской башни. Ее руины обнаружила экспедиция Вулли.

Вавилон унаследовал высокую культуру от шумеров, которые раньше населяли Ассирию. Государство шумеров располагалось в общей долине рек Тигра и Евфрата. Это была аллювиальная равнина, сложенная из плодородных речных отложений.

Раскопки свидетельствуют о том, что первые поселенцы позднего неолита селились на илистых речных островах, которые лежали среди заболоченных равнин. Были обнаружены и руины дворцов, и царские могилы. Найденные в могилах сокровища говорят о поразительно высокоразвитой цивилизации.

Раскопки дали информацию и об изменении климата. Верхний слой до 19 м состоял из обычной смеси мусора, развалившихся необожженных кирпичей, золы и черепков. В этом слое (горизонте) находились гробницы. В них археологи обнаружили аллювиальные отложения толщиной до 2,5 м. В них не было никаких следов культуры. Затем под аллювием были найдены следы человека. Это были распавшиеся необожженные кирпичи, зола и черепки расписной посуды. Они принадлежали людям позднего неолита. Ниже этого слоя была зеленоватая глина. В ней не было следов деятельности человека. Эта толща формировалась при постепенном заполнении бывшего морского залива на месте единой дельты рек Тигра и Евфрата.

Раскопки, проведенные экспедицией Вулли, однозначно подтверждают, что в позднем неолите здесь был потоп.

В этот период влажный климат был не только в Центральной Сахаре и Месопотамии. Он прослеживается и в Средней Азии.

Особенно большая влажность в Средней Азии была на рубеже IV и III тысячелетий до н. э. Археолог С. П. Толстов пишет, что территории земель «древнего орошения» между горным массивом Султан-Уиздагом на севере, Амударьей на западе и староречьем Суярган на востоке представляли собой в это время обильно обводненную, влажную, болотистую страну, заросшую камышами и лесными зарослями. В это время были затоплены песчаные холмы с постройками, а значительная часть дельты Амударьи была превращена в водоем.

В середине III тысячелетия до н. э. наступил влажный период. Об этом, в частности, свидетельствует снижение уровней Онежского и Ладожского озер, а также заселение освободившейся местности людьми эпохи неолита. При исследовании побережья Ладожского и Онежского озер был обнаружен торф, который залегал на 3,1 м ниже современного уровня Ладоги. Этот торф, по мнению специалистов, образовался в первой половине суббореального периода, то есть 2600 лет до н. э. Значит, в это время уровень воды в Ладоге был на три метра ниже современного. Это подтверждают и исследования Онежского озера. Специалисты обнаружили культурный слой с обломками керамики, который относится к эпохе неолита, ниже современного уровня Онежского озера. На этом же уровне были обнаружены и древесные пни.

В это же самое время в Альпах сокращались ледники. Высоко в горах стали появляться первые поселения. Люди создали дороги через горные перевалы, которые в наше время закрыты ледниками. Данные однозначно свидетельствуют о том, что в этот период торфяники Западного Казахстана, Западной Сибири и Европейской территории бывшего СССР очень сильно усохли. Этот период пониженной увлажненности во второй половине II тысячелетия до н. э. сменился периодом повышенной влажности. При этом уровень Ладожского озера поднялся на 5,5 м выше современного и на 8,6 м выше того, который был в предыдущий период пониженной влажности. Исследования альпийских озер подтверждают наступление в это время влажного климата. Было показано, что в это время все свайные поселения погибли, поскольку они были затоплены при повышении уровня воды в озерах. Древние свайные поселения найдены почти во всех странах Европы. Они представляли собой поселки людей эпохи неолита, которые вырастали на озерах или реках. Жилища сооружали на сваях с настилом. Когда уровень воды сильно поднимался, люди покидали их.

В начале II тысячелетия до н. э. наступил очередной период пониженной влажности. Об этом достоверно свидетельствуют остатки поселений в поймах рек Русской равнины. В обычных условиях в поймах никто не селился, поскольку пойма обязательно будет залита водой. Собственно пойма — это часть долины вдоль реки, которая ежегодно заливается водой. То, что в этих поймах были обнаружены поселения, однозначно говорит о том, что они не заливались водой, поскольку уровень воды в реке значительно понизился.

При изучении остатков поселений в пойме Оки было установлено время, когда пойма не затапливалась рекой. Это была первая надпойменная терраса. Лесостепь тогда простиралась до широты Вологды. Это первый ксеротермический период. Таким образом, изучение соотношения древних культурных слоев с отложениями речных пойм средней полосы Русской равнины дает убедительную картину заселения человеком пойм в период максимального усыхания водоемов, которое происходило во второй половине II тысячелетия до н. э. Это ксеротермический период.

При изучении морфологии и стратиграфии поймы среднего течения реки Дона было установлено, что в XV–XIV веках до н. э. произошло значительное иссушение. Поэтому стоянки людей бронзового века располагались в пойме. Весенний сток Дона был небольшим, и пойма не затапливалась.

В наскальных рисунках Сахары (Тассилин-Алджер) прослеживается и третий период влажного климата. Он приходится на отрезок времени между 1000 годом до н. э. и началом нашей эры. К этому периоду относятся найденные в Тассилин наскальные изображения колесниц (рис.). Геродот также писал, что живущие в Ливии «гараманты охотятся в квадригах на пещерных эфиопов». Изображены не просто колесницы, а боевые колесницы. Анри Лот восстановил путь, которым проезжали на колесницах от залива Сирта через Сахару к Нигеру. На этом пути существовали большие источники воды. Она проходила по твердому грунту. Она обходила нагромождения песка и горные массивы. В 19 году до н. э. римский правитель провинции (легат) Корнелий Бальба пересек Сахару от Разании до реки Нигер на колесницах.

Достоверно известно, что в римскую эпоху незадолго до н. э. Северная Африка являлась житницей Европы.

В начале I тысячелетия до н. э. климат в очередной раз стал влажным. Это подтверждают многие данные. В частности, исследования в Вологодской области свайных поселений на реке Людлоне, которая впадает в озеро Воже, показали, что в это время люди оставили свайные поселения, поскольку они были затоплены поднявшейся водой. То, что в это время был влажный климат, подтверждают и исследования дюн. Было установлено, что в это время увлажненного климата дюны не двигались. Это естественно, поскольку они были закреплены растительностью, которой хватало влаги.

Влажный климат означает обильные осадки. В этот период в Западной Европе были снежные и суровые зимы. По этой причине в начале первого тысячелетия до н. э. (в 219 году до н. э.) Ганнибал испытал большие трудности при переходе через Альпы. Полибий об этом писал так: «Обстановка сложилась как-то особенно необыкновенно: на прежний снег, оставшийся от прежней зимы, выпал в этом году новый; легко было пробить этот снег ногами, так как он выпал недавно, был мягок и к тому же неглубок. Но, пробивши верхний слой и ступая по нижнему, отвердевшему, солдаты уже не пробивали нижнего и двигались дальше, скользя обеими ногами: на земле так бывает с людьми, которые идут по дороге, сверху покрытой грязью».

Большая снежность в горах подпитывала уже существующие ледники. Это способствовало наступлению ледников стадии эгессен (200 г. до н. э.). Такое происходило не только в Альпах, но и в других горах, в частности на Кавказе. Здесь ледники продвинулись вниз по долинам. Создались напорные конечные морены. Они сохранились до настоящего времени. У нас эти морены называют моренами исторического оледенения. В Альпах их назвали моренами стадии эгессен.

Холода и большая снежность в это время наблюдались и на равнинах Западной Европы. Так, в 177 году до н. э. в северной Греции и на юге Европы зима была очень суровой. В летописи сказано: «В ту зиму все деревья замерзли и сильные ветры сносили целые дома». В 8 — 10 годы н. э. замерзал Дунай. Об этом свидетельствует Овидий: «Уже трижды становился от холода Истр и трижды твердела волна Евксинского моря, с тех пор как мы находимся на Понте».

В I тысячелетии н. э. влажность снова понизилась. Ледники стали отступать. Специалисты считают, что большинство современных горных ледников возникло после исчезновения снегов и льдов в начале первого тысячелетия н. э. В этот период климат на Кавказе был более сухим и теплым, чем климат Приэльбрусья в настоящее время. Гораздо выше находилась и верхняя граница леса. Естественно, что поселения также поднялись выше в горы. Все это стало возможным из-за значительного уменьшения оледенения. Исследователи не исключают, что в этот период оледенение в ряде мест, ранее покрытых льдом, и вовсе исчезло. Об этом свидетельствуют такие факты. А. В. Соколов взбирался на вершину Арарата в 1902 году. По пути на большой высоте он обнаружил участки дороги, которая была высечена в скалах. Более того, выше 4660 м ему встречались остатки различных сооружений. Местный житель ему это прокомментировал так: «Вот видите, было время, когда и наших отцов, и их отцов, и их отцов еще не было, а здесь жили люди и каналы строили, а теперь все пропало». Ученый А. М. Шостак также натолкнулся на древнюю колесную дорогу, когда путешествовал по Раче и Сванетии. Дорога проходила между реками Цхенис-Цхали и Ингури. Вдоль дороги путешественник обнаружил развалины поселений, которые находились на очень большой высоте. Он писал: «Я сперва предполагал ехать этим путем, но, ввиду отсутствия постоянного сообщения, не рискнул довериться проводникам, которые, впрочем, для того времени года сами не ручались за то, что на перевалах не встретится непроходимых снегов. Между тем несколько сот лет тому назад из Геби в Верхнюю Сванетию существовала колесная дорога».

Очень любопытны сведения о ледяной шапке острова Виктория, который находится между Землей Франца-Иосифа и Шпицбергеном. Сообщалось, что летом 1961 года из-под отступившего края ледниковой шапки острова Виктория вытаял древесный ствол плавника. Специалисты определили, что абсолютный возраст этого древесного ствола равен 1035±120 годам. Измерения были проведены весьма точным радиоуглеродным методом. Из этого факта следует, что около тысячи лет назад ледник не закрывал весь купол острова Виктория. Возможно, что ледникового покрова на острове и вообще не было, а рос прекрасный лес. Ведь и другие данные говорят за то, что в то время климат Северной Атлантики был относительно мягким. В то время ледники Скандинавии, Исландии и Гренландии отступали. В этих благоприятных климатических условиях норвежцы успешно колонизовали не только Исландию, но и Западную Гренландию. Таким образом, значительное и резкое сокращение оледенения в Европе в раннее средневековье (Х в. н. э.) проявлялось значительным потеплением в Арктике.

Исследователи обнаружили и в Сибири следы значительных сокращений ледников, которые в свое время сменялись их разрастанием. Явные доказательства потепления в это время находят не только в Сибири, но и на Урале. Климат там становился суше. Поэтому ландшафтные зоны смещались. Например, в начале нашей эры в Большеземельной тундре был лес. Подтверждением этому служит то, что там до сих пор находят пни деревьев. А это на 200 км севернее современной границы тундры. Холод потеснил ее к югу. Люди были вынуждены переселяться в другие зоны. О. Н. Бадер об этом пишет так: «Вероятно, толчки для этнических сдвигов исходили обычно из степей, превращавшихся местами в полупустыни; в этих условиях кочевые племена скотоводов не могли более прокармливать свои многочисленные стада и должны были искать новые пастбища».

Специалисты изучают изменение климата в прошлом и по распределению и содержанию пыльцы древесных пород в торфе. Так, детальное изучение торфа Усманского болота в Воронежской области позволили судить об изменении климата в этих местах за последние 2000–2500 лет. Кропотливое изучение состава пыльцы в каждом тончайшем слое позволяет делать выводы о том, какие деревья здесь росли в данный период. Двигаясь вглубь торфа от одного слоя к другому, вы путешествуете по времени от одного климата к другому. Так восстанавливается хронология климата. В частности, было установлено, что с наступлением все более сухого климата в V–IX века н. э. резко увеличилось количество сосны и уменьшилось количество березы. Максимальное распространение дуба в Усманском бору за последние 2500 лет приходится на VIII век н. э. А это однозначно свидетельствует о существенном потеплении.

Изменение уровня Каспийского моря служит наглядным доказательством изменения влажности климата. На рис. 13 показано изменение уровня Каспийского моря за последние 2000 лет. В V веке до н. э. на берегу Каспийского моря была построена крепость Дербент. Крепостные стены ограждали порт со стороны моря. Эти стены уходили в море почти на два километра. Для их постройки требовалось много камня. Его добывали в больших каменоломнях, расположенных в 4 км к северу от крепости. В каменоломнях часть старых рубок камня оказалась на 30 м под водой. В VI веке н. э. уровень Каспийского моря был ниже современного на 2 м. Как видно на рисунке, уровень Каспийского моря менялся ритмически. В разные периоды крепость Дербент смотрелась по-разному. В 1623 году московский купец Котов свои впечатления от города описал так: «А Дербень город каменный белы, бывал крепок, только не люден, а стоит концом на горы, а другим концом в море, а длиной в горы больше 3 верст… И сказывают, что того города море взяло башен с 30, а теперь башня в воде велика и крепка».

Рис. 13. Колебания уровня Каспийского моря за последние 2000 лет.

В 1234 году н. э. уровень Каспия был на 30,13 м ниже современного. Показательно и то, что к югу от Ленкорани были обнаружены 18 торчавших из-под воды пней. Специалисты установили, что это остатки деревьев, которые росли еще в 1300 году н. э. Некоторые пни в наше время находились на глубине 2 м. Поэтому можно заключить, что уровень моря тогда был на 32 м ниже уровня Мирового океана.

Показателен и такой факт. К северу от Апшеронской дамбы было найдено старинное кладбище. На нем захоронения производились в больших гробах из камня. Поскольку могилы находятся как на современном уровне моря, так и под водой, можно заключить, что уровень моря в то время был ниже современного на 31,37 м.

Понижение влажности, или, другими словами, увеличение сухости климата, в первом тысячелетии н. э. не обошло и Сахару. Именно в те времена в Центральной Сахаре пересохли реки и озера. Это подтверждается котловинами высохших озер и сухими руслами рек.

Влияние изменения климата на деятельность и жизнь человека иллюстрируется историей колонизации Гренландии. Она была открыта норманнами в 880 году н. э. Колонизация ее началась в 870 году. Эту трагическую историю стоит описать хотя бы кратко.

Колонизация Гренландии началась потому, что там были благоприятные условия для жизни. Климат был значительно мягче, чем сейчас. Березовые леса простирались от моря до гор. Ледников был значительно меньше. В Гренландии были плодородные земли и хорошие пастбища. 4–5 тысяч норвежских колонистов в 895 году отправились туда на 25 мореходных судах. Они расселились в двух районах (Восточной и Западной колониях), которые разделяли 12 дней пути.

Руководил колонистами норвежский моряк Эрик Рыжий. В 999 году его сына Лайфа, который плыл из Норвегии в Гренландию, буря отнесла к берегам Америки. Он вернулся оттуда с ветками дикого винограда и колосьями дикой пшеницы. Норманны назвали новую землю Страной винограда (Винланд). Они решили, что имеет смысл колонизовать и ее. Для этого в 1003 году 160 колонистов на трех кораблях отправились в Америку. Они прошли вдоль ее побережья от Лабрадора (страны плоских камней) к югу и достигли Ньюфаундленда (Лесная страна). Зиму 1003–1004 годов они провели в Теамфиорде (в фиорде Течений) и только летом достигли желанного Винланда. Здесь они провели вторую зиму. Впоследствии они глубоко проникли на американский континент и постепенно смешались с местным населением. От местных жителей-индейцев они отличались белым цветом кожи. Поэтому европейцы, которые значительно позже попали в Америку, недоумевали, откуда там взялись «белые индейцы». Возможно, это и были потомки бывших колонистов-норманнов.

В 1355 году норвежский король Эриксон послал миссию в Гренландию с задачей обратить в христианство гренландских колонистов, поскольку те постепенно смешивались с эскимосами и индейцами и отходили от христианской веры. Эти миссионеры не ограничились Гренландией, а последовали за колонистами в Америку. Но здесь они закончили жизнь трагически. Об этом они оставили запись на каменной плите, которая была обнаружена только в 1898 году. На ней было написано следующее:

«Мы 8 готов (шведов) и 22 норвежца во время разведочного путешествия из Винланда через запад разбили лагерь у двух скалистых островов на расстоянии однодневного перехода к северу от этого камня. Мы ушли из лагеря и ловили рыбу один день. Когда мы вернулись, нашли 10 наших людей красными от крови и мертвыми. Спаси нас от зла Ave Maria. 10 человек из нашей партии у моря наблюдают за нашим кораблем в 14 днях пути от этого острова. Год 1362».

Уже в наше время были найдены руины древнего поселения, а также пни деревьев, которые росли во времена колонистов. С помощью радиокарбонового анализа древесного угля, который был обнаружен в жилищах, был определен абсолютный возраст. Он оказался в пределах 900±80 лет и 1060±70 лет. Это подтверждает, что поселения норманнов в Америке возникли в X–XI веках.

Период сухого и теплого климата длился примерно шесть веков, от V до XII века н. э. Затем началось похолодание. Климат становится холодным и влажным. На Гренландию надвигаются льды. Уже в середине XIV века население Гренландии перестало заниматься земледелием и скотоводством. Льды отделили колонистов от их родины — Скандинавии. Последний корабль в Гренландию прибыл в 1377 году, а из Гренландии последний корабль отправился в Скандинавию в 1410 году. Спустя более чем сто лет, в 1542 году, из Норвегии было направлено судно для обследования территории Восточной колонии. Но оно пришло слишком поздно — никого из жителей там уже не было.

В Исландии с конца XV века также усилилось похолодание. Северное побережье блокировали льды. Климат стал полярным. Культурные земли и поселения занимали ледники. Пастбища беднели, растительность стала скудной. Население было вытеснено ледниками. В это же время замерзло Адриатическое море, а также вся поверхность Балтийского моря.

Температуру, которая была тогда, можно измерить сейчас. Она консервируется ледниками, которые служат своего рода термосом. Установлено, что при изменении внешней температуры в леднике температура меняется только в слое толщиной около 20 метров. Глубже в леднике температура не меняется, что бы ни происходило снаружи. Значит, можно углубиться в ледник и измерить там температуру. Поскольку она там оставалась все время неизменной, можно узнать, какой она была в прошлом, в XIV–XVII веках н. э. Именно во времена значительного охлаждения в XIV–XVI века н. э., в результате которого произошла ледяная блокада Гренландии, образовались запасы холода в ледниках. До этого времени было теплее. Это подтверждает тот факт, что под ледниками на глубине 47 м были найдены остатки растений, возраст которых равен 200 годам.

Этот период похолодания был назван учеными малым ледниковым периодом. Ледники стали образовываться потому, что во влажном холодном климате выпадало много снега и града. Когда же в XVII веке н. э. в фирновых бассейнах их скопилось очень много, образовались ледники. Они начали наступать, неся с собой бедствия для людей. Так, в Альпах, в массиве Высокий Тауэрн рудники по добыче золота были раздавлены надвинувшимися ледниками. А рудники там существовали с начала нашей эры. До этого малого ледникового периода на Земле было теплее, чем сейчас. И это теплое время сменилось очень холодными и мощными ледниками.

Ледники наступали не только в Альпах. Они двигались во всех горах северного полушария, в частности на Кавказе. В 1845 году конец ледника Большой Азау (Эльбрус) надвинулся на густой сосновый лес и лег на него, как на щетку: стволы сосен с зеленой хвоей торчали из ледника.

Ледники приносили огромные разрушения и бедствия. При их движении часто происходило подпруживание боковых притоков реки и образовались ледяные запруды. Выше этих запруд возникали озера. Но когда эти запруды прорывались — это была катастрофа. Например, в результате сползания нижнего конца ледника Казбек (Орцвери) образовалась ледяная плотина, за которой скопилось много воды и всякого обломочного материала. Затем плотина из льда прорвалась, и вал воды, льда и обломочного материала хлынул по руслу (а также по всей долине) реки Чхари. Последствия этого были ужасные.

Нечто подобное произошло и в Альпах. С 1599 по 1848 год ледник Фернагтфернер в Рофнерской долине несколько раз создавал запруды. Высота их достигала 140 м. Так возникло Рофнерское озеро. Все это в 1848 году закончилось страшной катастрофой. Озеро длиною в 1 км и глубиною 80 м, содержащее около 3 миллионов кубических метров воды, опорожнилось в течение всего одного часа. Огромный вал воды и разного материала разрушил все на своем пути и унес много жизней.

В 1938 году в хребте Каракорум в Азии боковые ледники продвинулись в главные долины и образовали запруды. Выше запруд возник ряд озер длиною в несколько километров. Ширина этого водного коридора доходила до одного километра. Глубина воды превышала 100 м. Здесь скопилось около полутора миллионов кубических метров воды. И вся эта вода в один миг прорвала запруду и принялась крушить все на своем пути. Подобное происходило в разных местах весьма часто.

Опасны также ледяные обвалы. Они образуются в тех случаях, когда фирн и лед обильно поступают из области питания, в результате чего скорость движения ледника увеличивается и происходит обвал. Такие ледяные обвалы происходили в разных местах, в частности на Военно-Грузинской дороге. Там 13 августа 1832 года лед объемом в полтора миллиона кубических сажен обвалился и перекрыл ущелье реки Терек на протяжении 2 км. Этот же ледяной обвал в Дарьяльском ущелье разрушил полотно дороги. Обвалившийся лед таял в течение нескольких лет.

В 1902 году огромный ледяной обвал произошел на Кавказе в долине реки Геналдон. Двигалась смесь из льда и снега общим объемом около восьми миллионов кубических сажен со скоростью 12 верст за 5–8 секунд. Этот поток снега и льда полностью уничтожил высокогорный курорт Кармадон. После этого ледяного обвала река Геналдон ниже ледяной плотины сильно обмелела. Но не надолго. Через несколько часов прорвалась запруда и воды подпрудного озера огромным разрушительным валом пронеслись по долинам рек Геналдон и Гизельдон. Долины были покрыты сплошной массой льда, снега и камней на протяжении 12 верст. О масштабах происходящего говорит то, что при прохождении этого ледяного обвала возникали ледяные волны высотой до 100 м над дном долины. Любопытно, что аулы Тменику и Кони построены очень высоко над дном долины. Жители не без основания опасались селиться в долинах.

В Альпах происходило нечто подобное. 11 сентября 1895 года от Ательского ледника в Бернских Альпах оторвалась глыба и понеслась вниз. Ледяная лавина, содержащая около четырех миллионов кубических метров льда, завалила альпийские пастбища площадью почти триста гектаров. В 1901 году ледяной обвал с ледника Росбоден уничтожил деревню Эгген на южной стороне перевала Сими-лон.

Многовековые колебания влажности за последние шесть тысяч лет показаны на рис. 14. За это время имели место 4 периода влажного климата (на рисунке обозначено цифрами 1, 2, 3 и 4) и четыре периода сухого климата (цифры 5, 6, 7 и 8). Дадим краткую характеристику этих восьми периодов.

Рис. 14. Схема колебания влажности на материках северного полушария.

1. — Открытые Вуллем следы затопления в стране Шумеров (Вавилон — Месопотамия). Повышение влажности в Сахаре и время появления пастухов-скотоводов. Первые затопления свайных построек на альпийских озерах.

2. — Оледенение стадии данау. Гибель всех свайных поселений среднего и позднего неолита. Повышение влажности и быстрое нарастание торфяников в Северной Европе, Западной Сибири, Западном Казахстане. Наступление леса на степь. Ладожская трансгрессия. Пастбища в Сахаре. Второй дождливый период (эпоха неолита). Наскальные рисунки Тассилин.

3. — Погребенный гумусовый слой в дюнах Онежского побережья. Замерзание Амударьи на пять месяцев (сейчас 2 месяца). Наступление горного и океанского оледенения эгессен. Гибель свайных построек бронзового века на альпийских озерах. Холодная и влажная эпоха V–VI в. до н. э. Катастрофические наводнения изменили конфигурацию Северного и частично Балтийского моря. Века страшных зим. Влажность в Африке. Фрески Тассилин третьего дождливого периода. Римляне пересекали Сахару на колесницах.

4. — Затопление города Абескун. Нашествие змей в городе Янгикент. Сильные холода в Европе. Река Тургай впадала в Сырдарью. Опустошение побережья Северного моря наводнением. Разрастание горного оледенения в Альпах и на Кавказе. Сильнейшие штормы у побережий Европы. Ледяная блокада Гренландии. Оледенение Северной Атлантики и Арктики достигло максимума. Разрастание ледникового покрова до островов Виктория, Земли Франца-Иосифа. Уровень Каспия достиг максимума. Каспийское море поглотило часть города Баку.

5. — Понижение уровня альпийских озер и возникновение поселений раннего неолита. Оледенение Северной Атлантики сильно сократилось. Уровень Ладоги и Онеги был ниже, чем в XIX веке н. э. Торфяники Западного Казахстана, Европейской части бывшего СССР, Западной Сибири сильно высохли. Высыхание Сахары.

6. — Отступание оледенения в Альпах. Заселение высокогорных долин. Понижение уровня альпийских озер. Распространение стоянок человека в поймах. Высыхание торфяников Европы, Западной Сибири, Западного Казахстана. Продвижение лесов к северу. Низкий уровень озера Лаче. Усиленное дюнообразование на севере и на юго-востоке Европейской части бывшего СССР. Засушливый период в Сахаре.

7. — Архызский перерыв в оледенении и снежности. Малое оледенение Северной Атлантики и Арктики. Исчезновение ледников на острове Виктория. Наинизший уровень Каспия (V–VI века н. э.). Открытие норманнами Исландии, Гренландии. Первое посещение Северной Америки (Винланд). Отсутствие горного оледенения.

Заселение горных долин в Альпах и на Кавказе (Теберда, Архыз). Самый низкий уровень Каспия. Возникновение ныне погребенного горизонта почв в Приэльбрусье и Хибинах. Постройка города Янгикент.

8. — Деградация оледенения. Потепление Арктики. Усиление схода гляциальных селей. Усыхание степных озер Сибири и Западного Казахстана. Понижение уровня Каспийского моря. Продвижение южных растений и животных к северу.

КЛИМАТ В ЭПОХУ НОВОЙ ЖИЗНИ

Теперь более детально проанализируем, как менялся климат на Земле с того момента, когда появился человек. Собственно, это для нас наиболее важно в смысле освещения проблемы выживания человечества. Чтобы знать, как вынести то, что нас ждет, мы должны как можно полнее представлять, что уже с нами (человечеством) было и как мы это перенесли. Так что же было?

Посмотрите внимательно на рис. 15, на котором показана геологическая шкала времени. Мы будем рассматривать кайнозойскую эру. Ей предшествовала мезозойская эра, в которую входило три периода: триасс, Юра и мел. Граница между мезозойской эрой и эрой кайнозойской не является формальной. На этой временной границе происходили очень большие, радикальные изменения во всем: в движении материков, в климате, в растительном и животном мире. Многое из того, что тогда происходило, остается до сих пор не разгаданным. Сам Дарвин был ошеломлен тем, как все быстро менялось, и поэтому назвал это «отвратительной тайной». Почему «отвратительной»? Потому, что ему не удалось ее разгадать. Но расскажем обо всем по порядку.

Рис. 15. Геологическая шкала времени.

Эра, в которую мы живем (кайнозойская), недаром получила название — эра новой жизни. Предыдущая эра (мезозойская) называлась эрой средней жизни. Переход из одной эры в другую происходил весьма драматично.

В конце мезозойской эры существовал единый суперконтинент — Пангея. Но он начал распадаться на части, из которых стали образовываться современные континенты. Раздвижение литосферных плит ускорялось. В результате Мировой океан менялся из-за поднятия дна. Воды Мирового океана затопляли значительную часть суши. Со временем один из осколков бывшего единого континента переместился в направлении южного полюса. Из этого осколка затем образовались Антарктида и Австралия. Эти события происходили в меловой период мезозойской эры, за которым следовала наша кайнозойская эра.

В меловой период в мире менялось все. Кстати, именно в это время вымерли динозавры. Но решая проблему исчезновения динозавров, как специалисты, так и любители забывают о том, что в это же время исчезли и многие другие старые формы жизни, а вместо них появились более близкие к нам новые формы. Поэтому новая эра и была названа эрой новой жизни. Например, смена растительности была настолько радикальной, что она потрясает больше, чем исчезновение динозавров. В это время на смену господству голосемянных и споровых пришло царство цветковых-покрытосемянных.

Поразительно изменился и мир насекомых, хотя они являются самыми устойчивыми обитателями Земли. Таким образом, изменились океан, суша, растительность, насекомые и даже почвы. Мир морских животных также изменился. Современники динозавров аммониты также вымерли. Важно, что все эти изменения происходили весьма быстро (конечно, в геологическом масштабе времени).

В меловый период воды Мирового океана затопили 40 % суши. Но этот процесс был колебательным — эта величина постепенно менялась в ту и другую сторону. Другими словами, обстановка во всех отношениях была изменчивой. Анализ палеоботанических данных показывает, что в это время цветковые растения захватили самую динамическую часть суши — пространства вблизи воды. Особенно благоприятными оказывались периоды, когда воды океана отступали. За ними тут же следовали цветковые растения, покрывающие сплошным ковром недавно залитые водой почвы.

Надо иметь в виду, что меловой период был теплым и устойчивым в смысле температуры. За миллионы лет температура изменялась всего на несколько градусов. Речь идет о средней температуре поверхности Земли. В то время особенно тепло было в высоких широтах южного и северного полушарий. Даже при относительном похолодании на широте 70° (широта Мурманска) температура была такой же, как в настоящее время южнее Москвы. Север тогда еще не был севером.

В нашу кайнозойскую эру средняя температура поверхности Земли стала понижаться. Происходил переход от эпохи теплой к эпохе оледенения. Исследование разных вещественных свидетельств установило, что в начале кайнозойской эры такие области, как ныне покрытая льдом Баффинова Земля у северных берегов Канады, имели растительность, которая сейчас присуща южным приатлантическим штатам США. На островах вблизи побережья Антарктиды в отложениях начала кайнозойской эры были обнаружены остатки листопадных и хвойных деревьев. Из этого можно сделать вывод, что существовали зимы со снежным покровом. С другой стороны, ясно, что было значительно теплее, чем сейчас.

В это время в северном полушарии начал формироваться Северный Ледовитый океан. Рельеф суши изменялся. Открылись северо-западный и северо-восточный проходы. Гренландия при этом сместилась на север, к своему теперешнему положению. Антарктида составляла единое целое с Австралией. Они продолжали дрейфовать на юг, в район южного географического полюса. На каком-то этапе Австралия откололась от Антарктиды. Напомним, что перемещение континентов означает перемещение литосферных плит. Континенты впаяны в плиты. Движение литосферных плит, о котором можно судить по движению континентов, неизбежно сопровождалось поднятием и опусканием различных участков суши. Мы уже говорили о том, что смещение континентов неизбежно приводит к изменению глобального климата. Материки в обеих полушариях смещались в сторону полюсов. А это обязательно должно было привести к понижению температуры. Важным этапом на пути к глобальному похолоданию стало смещение Антарктиды к южному полюсу. Когда она стабилизировалась вокруг южного полюса — глобальный земной холодильник заработал в полную силу.

Далее, примерно 27–28 миллионов лет назад Южная Америка отделилась от Антарктиды. Образовался пролив Дрейка. Для климата это имело очень принципиальное значение. Создалась возможность образования вокруг южнополярного материка сплошного кругового океанического течения. С этого момента этот материк (Антарктида) оказался полностью отрезанным от остального мира. Это и был тот последний штрих, который завершил запуск глобального холодильника в максимальном режиме. Пошел процесс интенсивного образования Антарктического ледникового панциря.

Значительное похолодание, которое сменило плавное снижение температуры в кайнозое, произошло, когда между Антарктидой и оторвавшейся от нее Австралией образовался более глубокий пролив. Это позволило образоваться вокруг Антарктиды циркумполярному течению (но еще не замкнутому). Это произошло примерно 38 миллионов лет назад. Только с отделением Южной Америки это течение смогло замкнуться и холодильная его возможность сильно увеличилась.

Появление ледникового панциря в Антарктиде существенно изменило отражательную способность Земли в глобальном масштабе. Снег и лед отражает свет очень хорошо. Значит, значительная часть пришедшей к Земле солнечной энергии направлялась снежно-ледниковым покровом Антарктиды обратно в космос. Земле ее стало не хватать, поэтому ее температура стала снижаться. Поэтому стала меняться растительность. До сих пор в высоких широтах была субтропическая растительность. С похолоданием ее стала замещать растительность, характерная для умеренных и холодных широт.

Под влиянием южного холодильника стало развиваться оледенение в северном полушарии. Примерно 10 миллионов лет назад появились ледники в горах Аляски. Гренландский ледниковый покров возник значительно позднее, не ранее 3,5 миллиона лет назад. В Исландии ледники возникли не менее 10 миллионов лет назад.

Образование постоянного ледяного покрова в Северном Ледовитом океане очень важно для климата. Он сформировался примерно 4–5 миллионов лет назад.

Как видим, произошли слишком значительные изменения, которые подвели климатическую систему к некоторому критическому порогу. За этим порогом должна была начаться существенная перестройка системы. Это показано на рис. 16. Здесь изображено изменение средней температуры у поверхности Земли в течение кайнозойской эры. Видно, что около 2–3 миллионов лет назад общее постепенное понижение температуры сменилось практически периодическими ее колебаниями. Периодичность связана с разрастанием покровных оледенений на материках северного полушария и на прилегающих к ним шельфах. Одновременно все больше и больше разрастался антарктический ледниковый покров. Кстати, нынешняя средняя температура у поверхности Земли, равная 15 °C (288К — по абсолютной шкале), является пороговой температурой при существующей сейчас климатической системе. Это надо иметь в виду, поскольку любой сдвиг по шкале температур может привести к колебательному изменению температуры и к кардинальной перестройке климатической системы, к непредсказуемому изменению климата. В то время пороговая температура была иной, но последствия ее изменения очевидны. Наступили колебательные изменения средней температуры (то есть климата).

Рис. 16. Изменения средней температуры у поверхности Земли в течение кайнозоя.

Раньше считалось, что в этот период было всего четыре ледниковых подпериода. Но более поздние данные дают основания полагать, что их было 18. То есть 18 раз ледниковый покров максимально расширялся и затем сужался до областей вокруг полюсов.

Чтобы не было путаницы, мы еще раз подчеркнем, что не надо путать эпохи оледенения, о которых мы говорили раньше и которые длились очень долго, и ледниковые периоды, относительно (в масштабе геологического времени) короткие, которые имели место уже в нашу кайнозойскую эру.

Колебательное изменение ледникового покрова (то он разрастался, то сужался — и так 10 раз) неизменно вызывало существенные изменения климата. Климатическая система не могла не реагировать на динамику ледников, поскольку менялось количество солнечной энергии, которую усваивала Земля. Чем большая ее поверхность была покрыта льдами, там больше приходящей к Земле энергии отражалось снежным и ледовым покровом обратно в космос. Поэтому на Земле холодало. Когда ледников было меньше, больше солнечной энергии усваивала Земля и средняя температура у ее поверхности увеличивалась. Колебания температуры были весьма существенными. Это и понятно, если иметь в виду, что при максимальном расширении ледники покрывали примерно треть всей суши планеты. Колебания средней температуры в разные фазы движения ледников составляли не менее 6 °C. В умеренных широтах температура была ниже современной как минимум на 10 °C.

Самый близкий к нам ледниковый период изучен, естественно, наиболее полно — больше удалось собрать данных о нем. Ученые его называют валдайским. Ему предшествовало межледниковье. Это было примерно 125 тысяч лет назад. Тогда был теплый климат. Границы растительности по сравнению с современными были намного ближе к полюсам — в Северной Америке на 300–400 км, а в Сибири на все 600 км. Поскольку льды растаяли, то уровень Мирового океана повысился на 5–8 м. Это то, что угрожает нам сейчас. Казалось бы, что такое 5 или даже 10 м, этого можно даже не заметить. Но не тут-то было. Если не дай Бог это произойдет в наше время, то оно обернется для нас всех огромной трагедией и неисчислимыми материальными потерями. Судите сами: гавани и порты по всей Земле со всеми их постройками, техническими средствами окажутся под водой. Прибрежная линия очень существенно сместится вглубь континентов. Кроме того, будут залиты водой практически все плодородные земли. Можно уверенно сказать, что человечество это не перенесет, а те, кто перенесут это бедствие, будут совсем иными, им не позавидуешь. Так что нам есть чего бояться, тем более, что мы слишком далеко оторвались от природы и намертво зависим от технического прогресса.

Межледниковье с его теплым климатом длилось недолго. Буквально спустя пять тысяч лет после его расцвета (пика тепла) начался очередной (последний для нас) ледниковый период. Он вызвал огромные перемены. Уровень океана понизился примерно на 60 — 100 м. Это произошло потому, что замерзшая океаническая вода в виде огромного количества льдов переместилась на сушу. В Северной Америке возник Лаврентьевский, а в Европе Скандинавский ледниковые покровы. Ледниковый период не был однородным. Специалисты его делят на две части более теплым периодом. Этот теплый интервал имел место от 60 до 25 тысяч лет назад. Потеплело потому, что ледниковый покров в Северной Америке отступил к северу и востоку и отделился от Кордильерского ледяного щита на западном побережье. Ледниковый покров в Европе отступал к предгорьям в Норвегии и Швеции. Но распад ледников в этот теплый промежуток времени был отнюдь не полным, и уровень Мирового океана продолжал оставаться очень низким. Именно поэтому оголилась перемычка между Азией и Америкой, что позволяло человеку каменного века свободно перемещаться из одного континента на другой.

Последнее разрастание ледникового покрова началось 25 тысяч лет назад. В северном полушарии ледники достигли своего максимума примерно 18 тысяч лет назад. Климат на Земле в этот период стал суше, а температура воздуха над ледниковыми поверхностями была очень низкой. Над экватором она была примерно такой же, как сейчас. Пик оледенения 16 тысяч лет назад сменился фазой быстрого таяния льда. В продолжение пяти тысяч лет количество льда сократилось примерно вдвое, а восемь тысяч лет назад Скандинавский ледниковый покров исчез полностью. Спустя две тысячи лет исчез и мощный Лаврентьевский ледник в Северной Америке.

Мы говорили о северном полушарии. Но то же самое, по сути, происходило и в южном полушарии. В Южной Америке в Кордильерах образовался ледниковый щит, а в горах Австралии и Новой Зеландии образовались ледниковые шапки. Расширялся и Антарктический ледниковый щит. Граница этого щита совпадала с границей между ледниковым шельфом и глубокой частью океана.

Ученые единодушны в том, что при современном состоянии климатической системы изменения климата в глобальном масштабе зависят от ледникового покрова в Антарктиде. Это своего рода демпфер, стабилизатор. Площадь его всегда не менее десяти миллионов квадратных километров. Поэтому даже в межледниковые периоды не происходит резкого повышения температуры. Именно антарктический ледниковый покров удерживает критическую пороговую температуру воздуха почти на одном уровне. В межледниковье она увеличивается не более, чем на два градуса. Стабильность связана с тем, что в периоды расширения ледников Антарктический ледник не может себе позволить выйти за пределы своей зоны (мелководья). Открытый глубокий океан препятствует образованию ледника. Поэтому в этом смысле оба полушария оказываются не равноправными, не идентичными в смысле динамики ледников и изменения температуры. Так, когда в северном полушарии люто свирепствуют ледники, в южном полушарии все остается стабильно — сохраняется сравнительно теплая обстановка. Собственно, главным стабилизатором климата на планете является Мировой океан. Такую огромную массу воды трудно быстро нагреть, но ее так же трудно быстро охладить. В этом и состоит суть стабилизации. В южном полушарии более стабильный климат потому, что большую его часть занимает Мировой океан, играющий роль стабилизатора.

В природе все устроено очень мудро: жизнь содержит в себе смерть, а смерть содержит в себе жизнь. Можно думать, что раз ледник стал расширяться, то так может продолжаться до бесконечности, поскольку отражательная способность увеличивается, а температура при этом должна падать. Но до каких пор? Кто остановит этот процесс? Его остановит атмосфера, движение атмосферного воздуха. Дело в том, что над ледниковым покровом создаются условия для формирования области высокого давления, то есть антициклона. Этот воздушный вихрь с высоким атмосферным давлением препятствует проникновению сюда циклонов, которые несут осадки. Так ледник лишается существенной подпитки в виде осадков. Поэтому он перестает расти, расширяться. Более того, он постепенно начинает распадаться, поскольку таяние льда не восполняется его притоком из центральной части ледника. Так все регулируется естественным путем.

Мы не будем рассматривать многочисленные гипотезы объяснения наступления ледниковых периодов. Все они любопытны с точки зрения того, насколько все взаимосвязанно. Можно дернуть за одну из множества ниточек — и начнется образование ледников. Один Бог знает, за что можно дергать, а за что нельзя. Во всяком случае, современный человек об этом и вовсе не задумывается и дергает за все, что ему взбредет в голову. Но это до поры до времени. В природе как аукнется, так и откликнется. Рано или поздно отклик обязательно последует. В чем он будет состоять — вот вопрос.

Что же касается образования ледников, то самый простой механизм следующий. В данном районе снежные зимы несколько лет следуют одна за другой. Бывает же такое. В результате при холодных летних условиях на плато и в равнинах формируются поля снега, который не успевает растаять летом и поэтому существует круглый год. Снежный покров увеличивает отражение солнечной энергии обратно в космос, поэтому температура должна в конце концов понижаться. Это начало. А дальше образование ледника будет само себя подстегивать, пока его не остановит образовавшийся над центральной частью ледника антициклон. Как видите, гигантские изменения в природе могут начаться (и начинаются) с очень незначительных изменений, которые нам кажутся случайными. Но в природе ничего случайного нет.

Для образования ледника (ледников) в самом начале должно произойти хотя бы незначительное понижение температуры. Дальше все пойдет само собой. Ученые считают, что в северном полушарии в любое время может произойти перестройка атмосферной циркуляции только потому, что эта циркуляция неустойчива. Если это произойдет (а при неустановившейся циркуляции атмосферного воздуха это может произойти в любое время), то над северной Атлантикой будет удерживаться холодный воздух. В результате зимний сезон удлинится, и выпадет большое количество осадков в виде снега. Это сформирует холодные летние условия, что будет способствовать сохранению снежного покрова до следующей зимы. А дальше последуют второй и третий холодные годы и грянет начало образования ледников.

Мы говорили о неустановившейся циркуляции атмосферного воздуха, в результате чего может развиться практически любой процесс, неблагоприятный в смысле сохранения постоянным климата. Но мы сами можем внести такие изменения в атмосферу, при которых эта неустойчивость проявится обязательно и в самых неблагоприятных для нас формах.

Сосредоточив свое внимание на самой климатической системе, мы не должны забывать то, чем определяется климат, то есть солнечную энергию. Вернее, нас должна интересовать та часть солнечной энергии, которая достигает поверхности Земли и усваивается ею. Эта энергия зависит не только от того, чем покрыта поверхность Земли (песок, снег, лед, вода и т. д.). Эта энергия зависит и от того угла, под которым солнечные лучи падают на земную поверхность. Ясно, что этот угол падения солнечных лучей на экваторе один, на полюсах другой, в средних широтах — третий. И так для любой широты — свой. Но он меняется в зависимости и от сезона, не говоря о времени суток. Поэтому с сезоном меняется температура (и вообще погода). Но только ли с сезоном?

Сезонные изменения связаны с тем, что Земля по-разному оказывается подставленной солнечным лучам: меняются места, куда солнечной энергии поступает больше всего и меньше всего. А это значит, что изменится циркуляция атмосферы, то есть изменится режим климатической системы. Но положение Земли относительно Солнца (солнечных лучей) меняется и по другим причинам. В частности, в результате изменения наклона оси вращения Земли. Земная ось описывает в пространстве круг за время около 25 тысяч лет. Другими словами, земная ось как бы прецессирует по отношению к Солнцу. Это и есть явление прецессии. Положение Земли относительно Солнца меняется и в результате изменения наклона земной оси по отношению к плоскости ее орбиты, к плоскости эклиптики. Эти изменения наклона достигают 3°. Период этих изменений составляет 41 тысячу лет. Положение Земли относительно Солнца меняется и в результате изменения ее орбиты. Как известно, каждые 100 тысяч лет орбита Земли изменяется от почти круговой до вытянутой (эллиптической). В результате этого удаление Земли от Солнца меняется, причем весьма существенно. Эти изменения составляют около 5 миллионов километров. Полагают, что в прежние эпохи они были еще больше.

Законы движения Земли хорошо известны, в том числе и те, о которых сказано выше. Можно без труда рассчитать (тем более с помощью современных компьютеров) не только положение Земли по отношению к солнечным лучам, но и ее удаление от Солнца на любой момент времени. Далее, можно определить те периоды, когда те или иные широтные зоны (пояса) на Земле получали наименьшее количество солнечного тепла. Можно полагать, что в эти периоды и формировались ледники.

Такие расчеты были выполнены, и неоднократно. Одни ученые перепроверяли других. Но у всех у них оказалось, что рассчитанные периоды похолодания содержат в себе все три цикла, которые связаны с описанными выше тремя особенностями в движении Земли. К анализу был привлечен большой фактический материал, касающийся не только изменения температуры Земли за последние полмиллиона лет, но и материал о содержании тяжелого изотопа кислорода, а также видового состава двух видов морских организмов (радиолярий). Эти данные были получены при изучении колонок глубоководных морских осадков. Очень важно, что все указанные данные характеризуют разные стороны климатической системы, а именно температуру, распределение и засоление вод океана в результате таяния и образования ледниковых покровов.

По всем указанным данным было выявлено наличие трех циклов изменения климатической системы, а именно связанных с колебаниями земной оси, с изменениями наклона земной оси по отношению к плоскости эклиптики и с изменениями удаления Земли от Солнца. Анализ вещественных данных, о которых говорилось выше, показал, что периоды в 100 тысяч лет, 42 тысячи лет и 24 тысячи лет действительно прослеживаются в изменении климатической системы Земли, а попросту — климата. Наибольшие изменения климата происходили с периодом в 100 тысяч лет. С таким периодом происходят колебания земной оси. Менее выражена периодичность в изменении климата, которая совпадает с периодом изменения наклона земной оси по отношению к плоскости эклиптики (42 тысячи лет). И еще меньше проявляются колебания климата с периодом в 24 тысячи лет, которые связаны с изменением удаления Земли от Солнца. Это вполне закономерно. По законам физики так и должно быть.

Можно заключить, что на сегодняшний день наиболее правдоподобно объясняет наступление ледниковых периодов именно учет указанных трех особенностей в движении Земли. Выполненные корректные расчеты с учетом не только усваиваемой Землей солнечной радиации, но и с учетом обратной связи между температурой воздуха и полярными льдами в совокупности с результатами анализа большого фактического материала об изменении климатической системы за последние полмиллиона лет показали, что загадка наступления ледниковых периодов, которые следовали друг за другом с определенной цикличностью, близка к разгадке. По крайней мере, в главных чертах.

Именно в главных чертах, поскольку задача настолько сложная, что надо быть слишком самоуверенным и близоруким, чтобы позволить себе говорить о ее решении. По сути дела, надо решать задачу в более широком аспекте. Надо рассчитывать колебательный режим климатической системы с учетом всех прямых и обратных связей между различными ее элементами. Такие задачи мы решать пока не умеем — это слишком сложно даже для современных компьютеров. Сложно не из-за большого объема вычислений, а потому, что мы не в состоянии в настоящее время задать сколько-нибудь уверенно алгоритмы прямых и обратных связей между различными элементами климатической системы. Но когда самые главные связи — между атмосферой, океаном и ледниками, — были заданы разумными алгоритмами, то результаты оказались вполне похожими на реальную ситуацию, которая имела место за последние полмиллиона лет. Естественно, что в расчеты надо включать и то, о чем говорилось выше — изменение условий поступления солнечной энергии (ее утилизации) в связи с изменением положения оси Земли, изменением ее наклона и изменением удаления ее от Солнца. В эту задачу надо включать и другие разумные, обоснованные и проверенные логикой и фактами положения. Именно в этом направлении движется решение этой сложной задачи сегодня. И небезуспешно.

Остановимся более подробно на последнем отрезке времени, периоде голоцена, во время которого мы живем, — от начала нынешнего межледниковья, которое началось 10 тысяч лет назад. В это время также происходили значительные изменения климата.

В начале этого периода происходило потепление, которое примерно восемь тысяч лет назад перешло в нечто оптимальное. Напомним, что ученые это состояние климатической системы назвали «климатическим оптимумом». Жаль, что он продолжался всего 25 тысяч лет. В этот благоприятный период средняя температура воздуха была выше современной. Влажность воздуха также была повышенной. Влажно было и в местах, где в настоящее время находится пустыня Сахара, а также в Раджахстане в Индии.

О более высокой температуре в то время говорят находки стволов деревьев, которые тогда росли в Сибири на берегах Северного Ледовитого океана, а также в Гренландии и на острове Эльсмир. В то время березовые леса покрывали половину всей территории Исландии. Сейчас они занимают не более 1 % ее территории. Ледяной покров Северного Ледовитого океана по сравнению с современным сократился в то время примерно на половину. Сахара тогда еще не была Сахарой. В ней найдены останки многих животных, которые могли жить только в водоемах со стоячими и текучими водами. Значит, тогда такие водоемы в Сахаре были. Найдены также в бывшей Сахаре и остатки богатой растительности.

В Европе в то время было теплее, чем сейчас, но ненамного — всего примерно на 2 °C, и то главным образом летом. Судя по тому, что вечнозеленые растения — тисс, падуб и другие, — в это время на север не продвигались, делаем вывод, что зимняя температура была не выше, чем сейчас. Дело в том, что жизнь этих растений контролируется, естественно, самой низкой, то есть зимней температурой. В южном полушарии потепление было значительно меньшим, чем в северном. Опять же — роль океана как стабилизатора, а его в южном полушарии больше.

Но «климатический оптимум» был непродолжительным. Он 5,5 тысячи лет назад сменился похолоданием, после которого наступило новое потепление. Это показано на рис. 17, пик которого отстоит от нас на четыре тысячи лет. Наступившее после этого новое похолодание совпадает по времени с периодом Троянской войны. В это же холодное время путешествовал и Одиссей.

Мы говорили достаточно подробно о том, по каким данным ученые описывают изменения климата в прошлом. Для получения этих данных используются в основном геологические и геофизические методы. Те изменения климата, которые происходили в историческое время, в период развития цивилизации, но еще характеристики климата не измерялись с помощью инструментов, называется историческим. Для получения информации о климате в исторический период используют данные анализа археологических памятников, а также памятников письменности. Когда говорят о современных изменениях климата, то имеют в виду его изменения за тот период, когда проводились инструментальные измерения различных элементов климата — температуры, влажности, ветров, осадков и т. д. и т. п.

Первое историческое похолодание достигло пика около трех тысяч лет назад. После него началось новое потепление, которое продолжалось и в первом тысячелетии нашей эры. Этот период назван климатологами «малым климатическим оптимумом». На этот период приходится эпоха забытых географических открытий (в отличие от Великих географических открытий XV и XVI веков). Забытыми открывателями были ирландские монахи. Они открыли Фарерские острова, Исландию и Индию, Америку. Это стало возможным потому, что потепление улучшило условия мореплавания в Северной Атлантике. Следом за ними эти же открытия повторили норманнские викинги. Они в конце первого тысячелетия н. э. заселили Фарерские острова, а также Исландию. Они также открыли и заселили Гренландию. Более того, в начале второго тысячелетия нашей эры они добрались и до Америки. Тогда были, несомненно, очень теплые условия, что и определило экспансию викингов.

Рис. 17. Изменения температуры в голоцене.

В Гренландии норманнские поселенцы занимались не только охотой и добычей рыбы, но и скотоводством. Мореплавателями они оставались всегда. При этом они очень далеко заплывали на север. Они устанавливали каменные пирамиды, которые служили им ориентирами. Такие пирамиды обнаружены даже на широте 79°, всего в тысяче километров от северного полюса, на берегу пролива Смита, который разделяет Гренландию и остров Элсмир.

Потепление в период раннего средневековья привело к уменьшению влажности в Европе. Об этом свидетельствуют отложения торфяников в Средней Европе. До конца Х века н. э. благоприятные климатические условия были и на Руси. Неурожаи случались редко, не было очень суровых зим и сильных засух. Именно в это благоприятное время был открыт и весьма интенсивно использовался путь «из варяг в греки».

Но уже в первую четверть нашего тысячелетия начинается постепенное похолодание. Священник Ивар Бордемон, который жил в XVI веке, писал о том, что появившийся морской лед отрезал Гренландию от Исландии. В результате поселения норманнов были обречены на вымирание. В последний раз о них упоминалось в 1500 году.

Климатические условия в Исландии также резко ухудшались. В XVI–XVII веках для нее наступили времена тяжелых испытаний. И это не могло не сказаться на населении страны. С начала похолодания до 1800 года оно сократилось вдвое. Голод сделал свое дело. Тяжелой стала жизнь и в Скандинавских странах. Суровые зимы стали повторяться все чаще и чаще, наступали ледники. Неурожаи стали обычным делом.

Похолодание не обошло и равнины Европы, которые настигли суровые зимы. Было все: и падеж скота, и неурожаи, и вымерзание водоемов. Ледники в Альпах и на Кавказе двинулись вперед. Участился сход снежных лавин, а снеговая линия в горах понизилась. Движущиеся ледники вклинивались в леса, перекрывали дороги, которые построили еще римляне. Наступавшими ледниками и снежными лавинами были уничтожены многие поселения.

В то время льды сковывали значительные пространства. В XIV–XVIII веках они несколько раз блокировали побережье Норвегии. Крупные льдины выносило даже к Шотландии. На таких плавучих льдинах эскимосы и достигали Шотландии. Гренландские айсберги достигали берегов Франции. Один из них, согласно историческим хроникам, в 1750 году был вынесен на отмель у острова Бель-Иль. Здесь он таял в течение целого года.

Резкое ухудшение климата происходило и на Руси. В начале второго тысячелетия нашей эры на Руси начался период страшных гроз, великих засух и суровых зим. В летописях сообщается, что в 1143 году в Новгородской земле в течение четырех месяцев не прекращались дожди. В XV веке произошел перелом, и не в лучшую сторону: засухи сменились годами с сильными наводнениями и небывалыми грозами. Десятки тысяч жителей унесли голод и эпидемии. Голод был спутником жизни все эти шесть столетий, с XI по XVII. Известно, что за этот период на Руси в целом и в отдельных районах было 200 голодных лет. Каждый третий или четвертый год был голодным!

Эта эпоха похолодания — малый ледниковый период, — длилась вплоть до XIX века. Только в прошлом веке началось новое потепление. Что касается малого ледникового периода, то он охватывал, несомненно, всю Землю, проявлялся в северном полушарии от Западной Европы до Китая, Японии. Проявлялся он и в Северной Америке. В южном полушарии похолодания тоже были, хотя и меньшие. Из рис. 20 видно, что колебательные изменения климата в голоцене идут на фоне постепенного, но явно выраженного, похолодания.

КЛИМАТ ПОСЛЕДНЕГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ

Данные об изменениях климата специалисты получают из исторических свидетельств (летописей и т. п.), а также из косвенных наблюдений за такими показателями климата, как годичные кольца деревьев, уровень воды в озерах, состояние горных ледников и т. п. Что касается последних двухсот лет, то за этот период накоплены данные о непрерывных наблюдениях за различными климатическими элементами. Надо сказать, что имеются письменные источники об изменении климата 5000 лет назад в Египте, 4500 лет назад в Китае и 250 лет назад в Южной Европе. Для Северной Европы письменные свидетельства об изменениях климата содержатся за последние 2000 лет. В Японии такие записи начали вестись с 500 года н. э., в Исландии — с 1000 года н. э., в Северной Америке — с 1500 года н. э., в Южной Америке — с 1550 года н. э., в Австралии — с 1800 года н. э. В русских летописях описания изменения климата содержатся начиная с X столетия.

Что касается последнего тысячелетия, то наиболее характерными периодами для него были следующие климатические условия. Примерно VIII–XIV века были сравнительно теплыми. Этот период и был назван малым климатическим оптимумом. Между XIV и XIX веками имел место малый ледниковый период. Во второй половине XIX века началось потепление, которое достигло максимума в 30 — 40-х годах XX века. После этого наступило некоторое похолодание, которое еще продолжается, хотя и с некоторыми колебаниями.

Мы уже говорили о норманнах, которые колонизировали в VIII–XIV веках Гренландию, Исландию и частично Америку. В период потепления климата усилилось экваториальное западное течение. При этом меньше штормило в тропиках. Это позволило полинезийцам плавать в экваториальном поясе. Между народами происходил активный культурный обмен.

Максимум потепления в Европе пришелся на 1200–1250 годы. В отдельных районах это период с 1265 по 1312 год. Необычайно засушливым было время с 1272 по 1291 год. Зато необычайно влажно было между 1313 и 1322 годами. Внутрисезонная изменчивость климата очень увеличилась в 1270–1350 годы.

За последнее тысячелетие средняя температура земной поверхности примерно на полтора градуса была выше, чем до того. Она была несколько выше средней температуры при потеплении в 30 — 40-х годах двадцатого столетия. Количество осадков в период малого климатического оптимума увеличилось. Потепление в этот период не обязательно сопровождается сухостью климата. При этом в ряде районов при более влажном климате в период потепления осадков стало меньше.

При переходе к малому ледниковому периоду (между 1300–1450 годами) средняя температура поверхности Земли резко снизилась на 1,3–1,4 °C. Линия деревьев в горах в Центральной Европе понизилась почти на 200 метров. Вегетационный период роста растений сократился почти на три недели. В это время полярные льды блокировали Исландию и Гренландию. Наиболее холодным был период 1675–1704 годов. Самым холодным был 1695 год. В это время холодные полярные воды преобладали вблизи Исландии и Фарерских островов. Вода в верхнем слое Мирового океана в то время была на полградуса холоднее, чем сейчас. Сильно увеличилась неустойчивость атмосферных процессов. Усилилось образование циклонов, участились наводнения. В 1443–1700 годы зимние температуры были значительно ниже, чем в последующие 250 лет. Но были и исключения. Теплые зимы были в 1665–1686 и 1718–1719 годы.

Как уже говорилось, ледники в Альпах сильно развились и вновь заняли свои прежние места, с которых их согнал малый климатический оптимум. Похолодание и наступление ледников не могло не сказаться на сельском хозяйстве. Так, в некоторых провинциях Китая после сильных морозов в 1654–1676 годы почти вымерзли апельсиновые деревья. В 1782–1787, 1883–1839, 1866–1869 годы в Японии были очень низкие урожаи, характерные для холодной влажной погоды летом.

Малый ледниковый период наиболее ярко проявился в 1550–1700 годы. В Европе наиболее изменчивым был климат в конце XV — начале XVI и в XVI–XVII веках. В горах Европы оледенение достигло максимума к 1600 году. Около 1820 года наблюдалось вторичное усиление оледенения. Ему предшествовало очень сильное похолодание в 1812–1817 годах. Для этого периода было характерно влажное холодное лето и холодная зима.

После весьма изменчивого климата в 1569–1579 годах последовали очень влажные и холодные летние сезоны во второй половине 80-х годов XVI века. В этот период, 13–21 августа 1588 года во время страшного шторма погибла Испанская армада. Четыре из пяти дней были дождливыми.

После 1560 года в Швейцарии наступили очень тяжелые климатические условия. Холодные зимы и весны сменялись холодным и влажным летом. Следствием этого были неурожаи зерна в 1614, 1717, 1731, 1785 годах и неурожаи винограда в 1588, 1628, 1692, 1698 и 1816 годах. С 1680 по 1718 год во Франции был очень холодный климат с катастрофическим выпадением осадков. В 1782–1785 годах в Европе наступили жестокие засухи. Особенно холодными и с избыточным увлажнением были 1812–1821 годы. Очень холодная зима наступила в 1657–1658 годы. При этом средняя температура в районе между Данией и Швецией была примерно на 4 °C ниже, чем за период 1931–1960 годов. В этих условиях проливы к востоку от Ютландского полуострова замерзли.

На Американском континенте в малый ледниковый период также происходили значительные изменения климата. Самые сильные засухи там наблюдались в 1746, 1803, 1824–1825, 1842–1844, 1868–1889, 1891 и 1912 годах.

Как менялся климат в России в последнее тысячелетие?

В первые двести лет второго тысячелетия нашей эры, когда в Европе отмечалось значительное потепление, на территории Руси климат менялся мало. Отмечены за два столетия только четыре особо опасные засухи (в 1022, 1024, 1124 и 1161 годах). Ледовые условия на Руси были в это время весьма благоприятными. Так, в X веке новгородцы вышли на берег Русской Арктики, а в 1132 году они ходили к Карским воротам. Тогда они назывались Железными воротами. Морозы были особенно суровыми в 1230 году. Но с 1232 по 1250 год климат менялся незначительно. Зато после этого последовал период с частыми бурями, сильными дождями, наводнениями, возвратами холодов и жестоких зим. Это было во второй половине XIII столетия. В следующем, XIV столетии непогода усиливалась. Экстремально неблагоприятные климатические явления за сто лет отмечались 40 раз. Половина из них приходится на тридцать лет от 1301 до 1331 года. Все это очень хорошо описано в русских летописях. В них отмечены за это время четыре дождливых периода и паводка в середине лета, два возврата холодов, четыре засухи и одна суровая зима. На это столетие приходится 20 голодных лет. Голод свирепствовал не только на Руси, но и в Европе.

В следующем, XV столетии климат на Руси продолжал ухудшаться. В летописях описаны уже более 50 экстремальных климатических явлений. Они стали причиной десяти голодных годов. Основным бедствием были холодные продолжительные дожди. Они 18 раз за столетие губили озимые и яровые. За эти сто лет наблюдались 15 засух, шесть из которых охватили всю русскую землю. Засуха в 1424 году охватила и Западную Европу.

Шестнадцатое столетие было не лучше. 26 раз наблюдались сильные дожди летом и осенью. 16 раз за сто лет наступили засухи. Четыре из них (1508, 1525, 1533 и 1534 г.г.) нанесли огромный ущерб экономике России. В XVII столетии непогоды продолжались — имели место 24 дождливых года и восемь засух. Каждый четвертый год этого столетия на Руси был голодным. В это время волна похолодания в Арктике распространялась с запада на восток. Во второй половине XVII века увеличивается ледовитость арктических морей и климат становится еще более суровым. Показательно, что в 1696 году недалеко от Архангельска вмерзло в лед 35 кораблей.

Не смягчился климат и в XVIII веке. За сто лет наблюдалось 18 жестоких зим. Особенно суровыми из них были зимы 1709 и 1740 годов. Время от времени (1702, 1709, 1716, 1718, 1765 г.г.) происходили большие наводнения. От них пострадали Москва и ряд других городов России. Засухи повторялись столь же часто (19 засух на столетие). Только в XIX веке началось выравнивание климата. Так, в первой четверти XIX века имели место четыре засухи, но они носили региональный характер. Только одна из них распространялась на обширную территорию. Постепенно увеличивается число мягких зим. Наводнений и дождливых лет также становится существенно меньше. Постепенно улучшаются ледовые условия в Арктике. Все это признаки потепления климата.

Из сказанного выше ясно, что в период похолодания в XI–XVIII веках в России были очень неблагоприятные условия для жизни. Конечно, похолодание коснулось не только России. Исторические хроники Исландии сообщают, что с 975 по 1500 год в стране было 12 голодных лет. За 1600–1804 годы отмечено 34 голодных года.

Все имеющиеся данные говорят за то, что период похолодания климата везде сопровождался увеличением влажности и осадков. Усиливались ветры, а зимы становились холодными. Летом же часто наступали засухи. Все это не могло не влиять на жизнь людей, на их благополучие, здоровье и, в конце концов, на их выживание. Такое положение было характерным практически для всех регионов северного полушария. Социальные явления и исторические события следовало бы также анализировать с учетом условий проживания людей, с учетом климата.

Со второй половины XIX века климат постепенно теплел. Наиболее ярко это проявилось в высоких широтах северного полушария. Потепление достигло максимума в 30 — 40-е годы нашего столетия. Это видно из рис. 21, на котором показано изменение температуры воздуха за последние сто лет. Видно, что на фоне общего потепления климата в отдельные временные отрезки имело место похолодание. После 1940 года происходит незначительное похолодание климата.

Из рис. 18 видно, что при общем потеплении климата имели место похолодания в первом, втором и третьем десятилетии. Эти похолодания были вызваны выбросами в атмосферу вулканической пыли. Специалисты отмечают также связь этого изменения климата с изменением солнечной активности.

Очередное потепление климата привело к резкому уменьшению арктических льдов. Улучшились условия плавания в арктических морях. В период с 1924 по 1945 год площадь льдов в восточном секторе Арктики уменьшалось почти на один миллион квадратных километров. Горные ледники в Альпах с 1866 года начали отступать. Так, ледник Мер-де-Пляс отступил на 1300–1400 м, а ледник Аржантьер — на 1000 м. В Скандинавии, Исландии, на Шпицбергене, в Гренландии, на севере Канады и в Кордильерах Северной Америки происходило то же самое — ледники отступали. На Кавказе с 1890 по 1946 год площадь ледников уменьшилась на 8,5 %. Уменьшились размеры ледников на Алтае, Памире и в Турции. С начала XV века бурно таяли ледники в Экваториальной Африке. В это время граница вечной мерзлоты повсеместно отступила на север. Температура мерзлых пород повысилась примерно на два градуса. Исландия стала освобождаться от льдов. Так, если в малый ледниковый период ее побережье сковывали льды в течение 20 недель, то в 1920–1939 годы этот срок ледовой блокады сократился до двух-трех недель. Реки и озера стали вскрываться раньше, а замерзать позднее. Северные моря стали более теплыми. В них завелась более теплолюбивая рыба. В Баренцевом море, в Атлантике, в Арктическом бассейне и в северной части Тихого океана стали водиться сельдь, треска, скумбрия, морской окунь и другие породы рыб, которых тут раньше не было или было так мало, что об их промысле не могло быть и речи. Морская фауна также изменилась весьма значительно. Раньше стали прилетать птицы.

С потеплением климата изменилась атмосферная циркуляция. В ряде мест уменьшилось количество осадков, увеличилась засушливость климата. Это было характерно для Северной Америки и Советского Союза. Потепление 1930 — 1940-х годов охватило не только северное, но и южное полушарие. Почему в 1940-х годах потепление климата сменилось его похолоданием — остается невыясненным.

Рис. 18. Изменение температуры воздуха для всей Земли за сто лет.

ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРИРОДНЫЕ

КЛИМАТИЧЕСКИЕ КАТАСТРОФЫ

За всю свою историю Земля пережила целый ряд глобальных климатических катастроф. Причины их были разные. Разными были и последствия. Нам важно знать об этих катастрофах не только потому, что это история нашей планеты, но и потому, что мы получим представление о том, что может вызвать глобальную катастрофу (экологическую, климатическую) и в чем именно она может проявиться. Важно иметь и представление о том, как Земля восстанавливает свою жизнь после такой глобальной катастрофы.

Природных причин глобальной климатической катастрофы может быть много. Мы рассмотрим только главные из них, тем более что любая из них может повториться. Некоторые из этих природных причин в наше время могут быть вызваны к жизни человеком. Они перестанут быть природными, естественными, а станут антропогенными, обусловленными деятельностью человека. Начнем с рассмотрения сильной запыленности атмосферы и ее влияния на катастрофические изменения климата в глобальном масштабе. «Запыленность» в данном случае сказано очень мягко. Речь идет о тех явлениях, когда в атмосферу выбрасываются за короткое время миллионы тонн пепла и пемзы. Таких катастрофических выбросов за всю историю Земли было не мало. И, естественно, они будут и в будущем. Но для нас они представляют интерес и потому, что дают нам представление, что может произойти, если путем взрыва большого количества ядер-ных бомб мы поднимаем в воздух миллионы тонн земли и пыли (и дыма, который в результате сплошных пожаров, закроет небо в глобальных масштабах). Климатические последствия ядерной войны мы рассмотрим отдельно и достаточно детально (люди должны знать, в какие игры они играют и к чему могут привести эти игры). Здесь же мы, рассматривая влияние вулканических извержений на изменение климата, все время будем помнить, что это только слабое, облегченное в сотни и тысячи раз подобие того, что мы сами сделаем для себя, для всего человечества, если затеем ядерную войну. Актуален ли вопрос сегодня? Он всегда будет актуален. Он будет актуален до тех пор, пока имеются ядерные бомбы, пока хотя бы один человек на Земле знает, как их изготовить. Джинна обратно в бутылку уже не загнать.

То, что запыление атмосферы должно привести к изменению климата, становится понятным из простых логических рассуждений. Солнечная энергия, которая приходит к поверхности Земли в виде света, должна на своем пути через атмосферу преодолеть ее влияние. Часть солнечного света атмосферой поглощается, часть отражается, а также рассеивается и до поверхности Земли не доходит. Чистая атмосфера является более прозрачной для солнечных лучей, чем запыленная. В чистой атмосфере имеются атомы и молекулы, которые поглощают солнечную энергию и затем переизлучают ее обратно в космос. Поэтому и чистая атмосфера (без пыльных примесей и аэрозолей) не является полностью прозрачной. Но когда в атмосферу в результате извержения вулканов или пыльных бурь выбрасываются миллионы тонн пыли и разных аэрозолей, то ее прозрачность падает настолько, что свидетели этого говорят о наступлении мглы. Проанализируем отдельные такие случаи, которые имели место в разное время.

В Исландии в 1783 году произошло извержение вулкана Лаки. Через какое-то время в Европе появился «сухой туман» (мгла). При этом климат существенно изменился: лето было холодным и неурожайным. Тогда Б. Франклин высказал мысль, что именно извержение вулкана было причиной изменения климата. С тех пор ученые прорабатывали эту мысль в деталях. Они доказали, что в результате запыленности земной атмосферы после извержений вулканов солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли, может уменьшиться на 10–20 %. Это явление занимает огромные территории и может длиться не только в течение нескольких месяцев, но даже и в течение нескольких лет. В результате Земля недополучает значительное количество солнечной энергии и климатическая система меняется. Очень наглядно это иллюстрируется рис. 19, где показано, как изменялась интенсивность прямого солнечного излучения, которое достигало поверхности Земли, после извержения вулкана Катмай на Аляске в 1912 году. Для лучшей наглядности взята не сама интенсивность, а ее отношение к интенсивности солнечного излучения, которое достигало поверхности Земли в безоблачную погоду до извержения вулкана. Если бы выбросы вулкана не влияли на интенсивность солнечного излучения, которое достигает земной поверхности, то мы имели бы прямую горизонтальную линию, которая начинается у цифры 100(%). Но вы видите, что кривая относительной интенсивности резко падает вниз, и только спустя 4–5 месяцев она очень постепенно начинает выравниваться. В данном случае потребовался почти год для того, чтобы прозрачность атмосферы восстановилась до того значения, которое было бы до извержения вулкана.

Специалисты рассчитали, как должна была измениться средняя температура нижнего слоя атмосферы в результате этого извержения вулкана. Результаты показаны на рис. 20 нижней кривой. Видно, что температура приземного воздуха изменялась бы примерно так же, как и интенсивность прямого солнечного излучения, то есть она уже в первые два месяца после извержения вулкана понизилась на все 5 °C. Для средней температуры это очень много. Скажем, что за последние 100 лет изменения средней приземной температуры не превышали 1 °C. Более того, за последние 500 миллионов лет, то есть в продолжение всего фанерозоя, изменение средней температуры нижнего слоя атмосферы не превышало 5 °C. На самом деле такого изменения температуры не произойдет и при сильных извержениях вулкана. Почему? Потому, что на Земле действует своего рода термос, поддерживающий изменение температуры в определенных пределах. Во всяком случае, он не позволяет температуре (средней температуре) изменяться резко, быстро. Роль этого термоса играет вода в Мировом океане. Запасенное ею тепло и не позволяет средней приземной температуре изменяться быстро. Это и спасает нас от климатических катастроф, которых в противном случае было бы слишком много, чтобы можно было рассчитывать на выживание биосферы и в частности человечества.

Рис. 19. Изменение прямой радиации (%) после извержения вулкана Катмай (Аляска), весна 1912 года.

Специалисты рассчитали, как изменится средняя приземная температура в результате вулканического выброса при учете указанного термоса — вод Мирового океана. Результаты показаны на том же рисунке 20 верхней кривой. Эти изменения также весьма существенны и не могут быть незамеченными, хотя они и составляют только несколько десятых градуса.

Показательным в этом плане является извержение вулкана Эль-Чичон в Мексике в 1982 году, а также ряд других взрывных извержений, которые произошли за последние сто лет, когда уже функционировала мировая сеть метеорологических станций. Так, об извержении в 1883 году вулкана Кракатау в Индонезии известно всем. В результате в атмосферу было выброшено примерно двадцать кубических километров пепла и пемзы. Морские волны, которые породил взрыв, пересекли весь Тихий океан и даже проникли в Атлантический. После извержения во всем мире наблюдались необычайно яркие закаты. Известно, что цветной закат объясняется рассеянием солнечного света на частицах аэрозоля. При этом длина волны излучения меняется — а значит, меняется и цвет света, то есть цветовая гамма заката. Поскольку количество аэрозольных частиц в атмосфере резко возросло, то изменились и закаты. Они стали необычайно яркими. Специалисты считают, что в результате взрывного выброса вулкана Кракатау приземная средняя температура в северном полушарии примерно на полградуса уменьшилась.

Рис. 20. Изменения температуры нижнего слоя атмосферы ΔТ после вулканического извержения.

Когда были проанализированы последствия взрывных извержений вулканов за последние 100 лет, то оказалось, что над сушей средняя приземная температура меняется в среднем на треть градуса, причем максимальное падение температуры наблюдается во второй месяц после извержения. После этого атмосфере требуется несколько месяцев (а то и год) для того, чтобы ее средняя температура восстановилась до нормального уровня.

На северо-западе США 18 мая 1980 года произошло извержение вулкана Сент-Хеленс (Святая Елена). В результате извержения в атмосферу был выброшен большой шлейф пепла. Он быстро распространился над восточной частью штата Вашингтон, а также над соседними штатами Айдахо и Монтана. Измерения на метеорологических станциях позволили установить, что дневная температура (но не средняя!) в местностях под облаком пыли уменьшилась на 8 °C. Причина ясна — уменьшилось солнечное излучение, которое нагревало земную поверхность и нижнюю атмосферу. В то же время ночная температура под облаком повысилась на 4–6 °C. Это тоже понятно — облако заэкранировало Землю и тепло от нее труднее излучалось в сторону космоса. Рассеивание излучения происходило на частицах, из которых состояло облако. Их по оценкам специалистов было около двух миллионов тонн. Размеры их составляли от 1 до 10 мкм (микрометров). Более мелких частиц было значительно меньше. Частицы таких размеров, из которых состояло облако, очень эффективно поглощают и вновь испускают тепловое излучение. Поэтому облако и не давало ночью земной поверхности остывать.

Более мощным было извержение вулкана Тамбора, которое произошло в 1815 году в Индонезии. При этом взрыве в атмосферу поступило 150–180 кубических километров пепла и пемзы. Но об этом извержении имеется меньше фактических данных, поскольку мировой сети наблюдений за погодой еще не было. Однако достоверно известно, что летом 1816 года в Европе и Северной Америке была столь низкая температура, что этот год назвали «годом без лета». В результате был нанесен существенный ущерб природе. Пострадали и люди. Многие тысячи людей в регионах, очень далеких от места взрыва, погибли от голода, поскольку резко снизилась урожайность.

Несмотря на то, что специальных наблюдений за погодой и климатом не велось, ученые находят возможность получить информацию не только об изменении климата, но и о самих извержениях. Для этого изучают слои льда, который оставался нетронутым тысячи лет, то есть крупных ледников, которые сформировались за очень продолжительное время. Причем проводят тщательный химический анализ состава льда. Так определяют в слоях льда соединения серы, которые попали на поверхность льда из атмосферы после взрывов вулканов. Слой за слоем ледник записывал информацию (причем достаточно подробную) об извержениях вулканов, о составе выбросов, а также о времени, когда это происходило.

Таким методом специалисты установили, что в 536 году произошло очень сильное извержение взрывного типа. В исторических записях позднеантичного времени говорится о том, что в этом году в атмосфере образовалась малопрозрачная пелена, которая сохранялась целых два года. Очевидцы писали, что яркость Солнца из-за этой пелены снизилась до яркости Луны. Установлено также, что извержение произошло в тропическом поясе. Об этом можно судить по тому пути, который прошло облако (и оставило свои следы). Специалисты заключают, что аэрозольное облако от извержения этого вулкана было примерно вдвое более плотным, чем то, что было выброшено в атмосферу при взрыве вулкана Тамбора. Не вызывает сомнения, что при этом произошли значительные климатические изменения, но конкретных данных мало. Известно только, что в том году не вызрели фрукты в странах Средиземноморского бассейна и Месопотамии.

Примерно в 1500 году до нашей эры произошло извержение вулкана на острове Санторин в восточной части Средиземного моря. Историки полагают, что вызванная извержением этого вулкана климатическая катастрофа привела, в частности, к гибели высокоразвитой крито-микенской цивилизации, которая до этого времени процветала. В Библии говорится «о тьме египетской».

Можно не сомневаться, что за продолжительные интервалы времени, длящиеся целые геологические эпохи, имели место и намного более мощные извержения вулканов. Последствия таких извержений не могли не быть катастрофическими.

До сих пор мы говорили об отдельных, единичных извержениях вулканов. Это естественно — они более вероятны. Но когда речь идет о длительных интервалах времени (миллионы лет), то надо учитывать и парные или тройные извержения. Вероятность их за такое продолжительное время отнюдь не равна нулю. Кроме того, надо иметь в виду, что в течение геологических периодов вулканическая активность менялась. В определенные интервалы она была значительно выше, чем сейчас. По этим причинам количество аэрозоля, который поступает в атмосферу от взрывных извержений вулканов за одно десятилетие, примерно в 10–20 раз больше того количества аэрозоля, которое поступило в атмосферу от вулкана Кракатау. Земной термос — воды Мирового океана — зависит от количества воды в океане. А это количество за всю историю Земли менялось очень сильно. Когда воды было мало — термос работал плохо и температура уменьшалась очень сильно. Во всяком случае, не менее чем на 5 °C, в результате чего неизбежно должны наступить катастрофические последствия для биосферы.

Специалисты оценили, что если аэрозольное облако будет существовать десяток лет (взрывы идут один за другим), то термос не справляется со своей задачей и наступление глобальной климатической катастрофы в этом случае становится неотвратимым. Конечно, раньше были и другие ситуации, когда извержение вулкана было единичным, но оно было в десять раз мощнее, чем извержение вулкана Кракатау. Ясно, что последствия для климата были не менее трагичными. Специалисты научились определять по количеству аэрозольных частиц то понижение температуры, которое оно вызовет. Так, во время извержения вулкана Эль-Чичон, когда в атмосферу было выброшено несколько миллионов тонн аэрозолей, средняя температура воздуха у поверхности Земли могла понизиться примерно на одну десятую градуса.

Этот вопрос, ввиду его важности, был разработан учеными весьма детально с применением методов математической статистики. Это позволило им сделать вывод, что за достаточно длительные интервалы времени могут возникать мощные аэрозольные слои, в результате чего средняя глобальная температура нижнего слоя атмосферы может понизиться не только на 5, но и на все 10 °C. Это средняя температура. Над сушей она меняется значительно сильнее, чем над водой. Надо ли говорить, что это истинная катастрофа для всего живого. Можно не сомневаться, что Земля пережила такие катастрофы, которые сопровождались вымиранием многочисленных видов животных и растений.

Надо сказать, что пыль в атмосфере образуется не только при извержениях вулканов. Она в большом количестве заносится в атмосферу при пыльных бурях, а также при падении небесных тел на Землю. Так, при падении больших метеоритов образуется дополнительный аэрозольный слой, а точнее, увеличивается, как говорят специалисты, оптическая плотность существующего аэрозольного слоя в атмосфере.

То, что Землю бомбардировали крупные метеориты, хорошо известно. Их размеры могли превышать не только сотни метров, но и достигать километров. Были проведены оценки, которые свидетельствуют о том, что падение одного крупного метеорита на Землю может привести к понижению температуры примерно на 5 — 10 °C. Оно будет продолжаться несколько месяцев, а последствия этого, бесспорно, будут катастрофическими для биосферы. Схема действия метеорита на температуру та же самая: образуются аэрозоли и перекрывают путь солнечному излучению. Может оказаться, что ослабленного этим аэрозолем солнечного излучения будет недостаточно для того, чтобы процесс фотосинтеза протекал успешно. Из-за ослабления солнечного излучения образовавшимся слоем аэрозоля температура воды в Мировом океане может понизиться на 2–3 °C, и это похолодание может затянуться на два года и более. Менее инерционна суша. Поэтому здесь температура понизится значительно сильнее (на несколько десятков градусов). Но она быстрее начнет восстанавливаться. На суше такого восстановления можно ожидать через полгода, а воздух над океаном восстановит свою температуру только спустя два года или более. Было оценено, что в течение первых десяти месяцев после падения астероида средняя глобальная температура может снизиться в среднем на 9 °C.

Столкновение Земли с астероидом — явление не частое. По теории вероятности оно происходит один раз в сто миллионов лет. Речь идет о столкновениях с крупным астероидом, диаметр которого достигает десяти километров. Скорость столкновения оценивается в 20 км/с. При таком мощном ударе о Землю высвобождается энергия, равная в тринитротолуоловом эквиваленте ста миллионам мегатонн. Исследования слоя осадков на границе мелового и третичного периодов показали, что этот слой имеет среднюю толщину порядка 2 см. По этой толщине можно определить полную массу глобальных осаждений. Кстати, частицы этих осаждений оплавлены.

На Земле имеются свидетельства столкновения астероидов с земной поверхностью, которые произошли в прошлом. Таким свидетельством является Карский кратер. Он расположен вблизи реки Кара, которая берет свое начало на Северном Урале и впадает Байдарацкую губу Карского моря. Возраст этого кратера составляет примерно 65 миллионов лет. Это даже не один кратер, а два. Основной — Карский — кратер имеет в поперечнике 60 км, а второй — Усть-Карский, диаметр которого достигает 25 км, уходит на дно Байдарацкой губы.

Около Ростова-на-Дону также имеется кратер (Каменский), который возник примерно в то же самое время. Диаметр этого кратера составляет 11,5 км.

Любопытно, что все три кратера расположены на одной дуге большого круга. Это наводит на мысль, что в космосе двигалась единая система, единое тело, которое в процессе падения разделилось на три части, каждая из которых приземлилась в своем месте. Но поскольку траектория этих трех частей была одной и той же, то они образовали кратеры вдоль одной дуги большого круга.

Надо иметь в виду, что несколько астероидов вызывают при столкновении с Землей больше пыли, чем один астероид, масса которого равна массе этих нескольких астероидов. Поэтому ученые не сомневаются, что при столкновении с Землей описанных трех астероидов в атмосферу поднялось огромное количество пыли, которое вызвало глобальную катастрофу. Как мы уже говорили, в то время образовался глобальный слой твердых осадков толщиной в 2 см, что свидетельствует о мощном глобальном запылении атмосферы.

Конечно, происходили и менее мощные выбросы пыли, когда размеры бомбардирующих Землю астероидов были меньше или значительно меньше. Так, если диаметр астероида составлял 5 км, то и пыли было в 10 раз меньше. Значит, и слой осадков имел толщину только 2 мм. Такой слой, образованный десятки миллионов лет назад, достоверно обнаружить трудно. Оценки показывают, что при столкновении с Землей метеоритом диаметром 2 км в атмосферу выбросится примерно 100 миллиардов тонн пыли. Этого достаточно для того, чтобы так ослабить приходящее к поверхности Земли солнечное излучение, чтобы фотосинтез перестал «работать». Если же фотосинтез прекратится, то произойдет резкое падение средней температуры поверхности Земли.

Мы привели только небольшую часть фактического материала, чтобы проиллюстрировать, что в геологическом прошлом имели место очень существенные кратковременные изменения климата. Специалисты не сомневаются в том, что они оказывали существенное влияние на биосферу Земли. Изменение климата происходило в результате значительного увеличения массы атмосферного аэрозоля. Это вызывало понижение прозрачности атмосферы и значительно уменьшало долю солнечного излучения, которое достигало земной поверхности. Конечно, это ослабление солнечного света было в десятки и сотни раз больше, чем после взрыва вулканов Кракатау или Тамбора. Но как мы убедились, что даже в результате запыления атмосферы после взрывов этих вулканов солнечное излучение, достигающее земной поверхности, было сильно ослаблено. Если выброс пыли был бы в десятки раз больше, то климатическая катастрофа была бы неминуемой. Так, собственно, оно и было в прошлом. И не один раз. Дело в том, что вулканическая активность за всю историю Земли в ее геологическом прошлом была очень неравномерной. Значит, были периоды, когда она была в десятки, а может, и в сотни раз выше, чем в наше время. Значит, при одновременных взрывах нескольких вулканов пыли выбрасывалось намного больше. Это и приводило к образованию в атмосфере мощного слоя аэрозолей, который рассеивал солнечное излучение.

Одновременно Землю бомбардировали и астероиды, что также приводило к дополнительному образованию аэрозолей в атмосфере. Запыление атмосферы происходило и в результате сильных пыльных бурь, которые, без сомнения, разыгрывались на Земле.

Во время пыльных бурь образуются облака пыли, высота которых достигает двух километров и даже больше. Такое облако эффективно рассеивает и поглощает солнечное излучение. За счет поглощенного тепла атмосфера разогревается, поэтому температура уменьшается с высотой не так резко, как обычно. Поэтому воздушные потоки становятся устойчивыми. Чем больше падает температура с высотой, тем неустойчивость воздушного потока увеличивается.

Атмосферный воздух, начиненный частицами пыли, ведет себя не так, как чистый атмосферный воздух, в котором происходят турбулентные (вихревые) движения. Эти движения как будто тормозятся при добавлении частиц пыли. Можно сказать, что энергия вихревого (турбулентного) движения атмосферного воздуха идет на поддержание пыли во взвешенном состоянии. Пыль при этом дольше находится в атмосфере, не осаждаясь на земную поверхность. Но если вихревые движения запыленного воздуха подавляются частицами пыли, то с высотой это способствует увеличению скорости ветра. Такое увеличение происходит очень резко — оно заметно уже на высоте в несколько метров над подстилающей поверхностью. Если при этом поверхность неровная, то увеличивающаяся скорость ветра будет способствовать усилению пылеобразования. Получается, что чем больше пыли в атмосфере, тем более эффективно поднимается новая пыль. Этот процесс постепенно замедляется и даже прекращается тогда, когда пылевое облако становится больше, чем та подстилающая поверхность, которая является источником пыли. Может произойти и другое — облако пыли сносится ветром с того участка, который был донором пыли.

Таким весьма эффективным донором пыли являются пески Сахары. Образовавшиеся там пылевые облака переносятся восточными и северо-восточными пассатами над странами Западной Африки. Далее пассаты выносят сахарские пылевые облака в Атлантику. Их путь прослеживается вплоть до Флориды и даже Мексики. Недаром еще в средние века часть Атлантики у западного побережья Африки в районе островов Зеленого мыса была названа «Морем мрака». Образующиеся пылевые облака занимают площадь до одного миллиона квадратных километров. В одном таком облаке содержится до восьми миллионов тонн пыли.

В период сухого сезона (январь — май) в Западной Африке приносят пыль северо-восточные ветры. Их называют харматан. При таких ветрах в Нигерии солнечное излучение уменьшается на треть, а температура падает на 5–6 °C.

Вопрос о пыльных бурях отнюдь не праздный. Климат зависит одновременно от целого ряда факторов. И изменение какого-либо из них может зацепить всю систему (климатическую систему) так сильно, что все полетит вверх тормашками. Когда говорят об озонных дырах, то тешат себя убаюкиваниями, что оно не может вызвать катастрофических изменений климата. Но это от непонимания. Изменение содержания озона настолько сильно повлияет на климатическую систему, что это трудно и описать. Мало того, что ультрафиолетовое излучение получит доступ к земной поверхности и на определенную глубину к морской и океанической воде. Поднимется уровень Мирового океана. Циркуляция атмосферного газа изменится в корне.

Как изменяется циркуляция атмосферы, можно судить по атмосфере Марса. Там это делают пыльные бури, которые достигают глобальных масштабов. При этом они покрывают всю планету толстой пеленой. Мутная пелена планеты может почти достигать конусообразных вершин, высота которых достигает 15 километров и более. Такова толщина пыльной пелены. Надо помнить, что на Марсе нет водной поверхности (океанов) и вся поверхность планеты способна быть донором пыли. Образование пыли на Марсе связано с количеством тепла, которое планета получает от Солнца. Марс движется вокруг Солнца по очень вытянутой эллиптической орбите. Поэтому он то сильно приближается к Солнцу, то удаляется от него. Количество тепла, которое Марс получает от Солнца, поэтому меняется так же сильно. Глобальные пыльные бури зарождаются и развиваются в то время, когда Марс находится ближе всего к Солнцу, то есть в перигелии. В это время Марс получает в полтора раза больше тепла, чем в афелии, когда он максимально удален от Солнца. В южном полушарии Марса в перигелии конец весны — начало лета. Тогда вначале в южных субтропических и средних широтах начинают образовываться пыльные облака. Процесс развивается быстро, и через несколько дней все эти широты покрываются пыльной пеленой. Спустя примерно неделю это пыльное одеяло дотягивается до обеих полюсов. Напомним, что толщина пыльного марсианского облака достигает 10 км. Может быть и больше. Состав марсианской пыли таков, что она поглощает солнечный свет несколько сильнее, чем силикатная пыль на Земле. Аккумулируя солнечное тепло, пылевое облако повышает температуру атмосферного газа на несколько десятков градусов. Но поскольку тепло в виде солнечных лучей не доходит до поверхности Марса, то она остывает на 10–15 °C. Мы говорили, что пыль изменяет циркуляцию атмосферы. Это наблюдается и в атмосфере Марса. Пока его атмосфера чистая, то в ней действует очень регулярная система циклонов. Но как только образуется пылевая пелена, всякая циклоническая активность там прекращается до тех пор, пока облако пыли не рассеется. А оно может существовать в продолжение месяца и более.

Что касается земной атмосферы, то особые для движения воздуха условия создаются в высоких широтах Арктики. Там в конце зимы — весной формируется устойчивая воздушная масса. Поэтому осадков здесь в этот период мало. Пыль (аэрозоли) из атмосферы вымывают осадки. Но раз их мало, то аэрозоли в продолжение нескольких месяцев висят в воздухе, образуя так называемую арктическую дымку. Слои этого аэрозоля достигают высоты до 5 км. В их составе много сажи. Арктическая дымка существенно влияет на отражение солнечного излучения. Эффективность отражения зависит и от угла падения солнечных лучей на аэрозольный слой. Важен при этом и характер (в смысле отражения солнечных лучей) подстилающей земной поверхности. Поэтому над открытым океаном, воды которого плохо отражают солнечное излучение, общая отражательная способность (альбедо) аэрозольного облака и подстилающей поверхности в этом случае увеличивается на несколько процентов. В то же время надо льдом, который хорошо отражает солнечное излучение, полная отражательная способность может понизиться примерно на десять процентов. В результате этих изменений альбедо температура может меняться в определенных местах на несколько градусов.

Имеется и еще один фактор, который способен сильно изменить климатическую систему и изменить климат в неблагоприятном направлении. Это дым от пожаров. Пожары пылают над землей всегда. Но их то больше, то меньше. Мы говорим о больших пожарах, во время которых в атмосферу поступает много аэрозолей. Мы рассматриваем здесь влияние дыма больших пожаров на климат и потому, что в случае глобального ядерного конфликта пожары обязательно охватят весь земной шар, во всяком случае его сушу. На последствиях этого мы остановимся позднее, а сейчас проанализируем имеющиеся данные о действии дыма обычных пожаров на изменение климата.

Мощным источником аэрозолей являются большие лесные пожары. Они наблюдаются и в наше время, пылали они и в прошлом. Никоновская летопись описывает пожары, которые возникали в засушливое лето 1371 года. Тогда над обширными территориями стояла дымная мгла. В летописи сказано, что Солнце было тусклым и на нем «аки гвозди» были видны пятна, звери бежали из лесов, а осенью хлеб почти не вызрел, дав «тощее зерно». Летом 1915 года огромные лесные пожары охватили Западную Сибирь. Летом 1972 года на Европейской части Советского Союза в лесах и торфяных болотах возникали пожары, а дымная мгла висела в течение нескольких недель. Она простиралась до высоты в 5 км. Обычно эта высота составляет 2–3 км. Дымные облака очень стабильны. Они распространяются на тысячи километров. Так, в августе 1972 года облако дыма, которое образовалось в средней части Европейской части территории Союза, обогнуло Уральский хребет и в две струи шириной в несколько сотен километров достигло озера Балхаш.

Как правило, большие пожары происходят в сухую погоду, в условиях антициклона. В центре антициклона развиваются направленные вниз движения воздуха. Они давят дым к земной поверхности. На периферии антициклона воздух устремляется вверх. Вместе с воздухом дым может подняться до высоты 8 км и даже в стратосферу (25 км).

Очень показательно развитие облака дыма, которое образовалось в результате лесных пожаров в западной части Канады в сентябре 1950 года. Это был огромный пожар, охвативший площадь леса около сорока тысяч квадратных километров. Буквально через два дня после начала наиболее интенсивной фазы пожаров облако дыма покрыло фактически всю Канаду и даже все восточные штаты США к востоку от Миссисипи и ряд других. В полдень в городах пришлось включать уличное освещение, настолько стало темно из-за дымового облака. Облако дыма двигалось в сторону Западной Европы и спустя пять суток достигло ее. Его можно было наблюдать везде: от Испании до Скандинавии. Поднятые в воздух английские специальные высотные самолеты обнаружили частицы дыма даже на высоте 10–12 км. Беспокойство англичан можно понять. Они наблюдали целый ряд очень необычных явлений. На небе были синие Солнце и Луна. Все были встревожены.

Вблизи Вашингтона дым был обнаружен на высоте 2,5–5 км. Слой дыма был хорошо перемешан, а снизу и сверху его граница была четко очерчена. Слой дыма уменьшил солнечное излучение, приходящее к земной поверхности, вдвое. В течение четырех дней температура была ниже обычной примерно на 4 °C.

Надо иметь в виду, что рассеяние и поглощение частицами (аэрозолем) солнечного излучения зависит от размеров частиц. Поэтому вулканическая пыль и дым по-разному влияют на солнечное излучение. Мы видели раньше, что при извержении вулкана Сент-Хеленс облако вулканической пыли приводило к некоторому повышению температуры ночью. Облако дыма такого эффекта не производит, поскольку частицы, из которых состоит дым, более мелкие, чем вулканические.

Приведенные выше данные интересны сами по себе. Но мы помним главную проблему, которой посвящена данная книга — проблему выживания человечества. Поэтому стараемся давать такие сведения, которые позволили бы оценить, что может с нами произойти при определенных критических ситуациях, которые мы создаем себе все в большем и большем количестве.

КРИЗИСЫ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ

Под кризисами мы понимаем кризисное состояние биосферы и прежде всего животного мира. Имеются в виду периоды (эпохи), в которые происходило массовое вымирание организмов.

Можно считать установленным, что в геологическом прошлом неоднократно происходили резкие изменения абиотических условий окружающей среды. Они приводили к массовым вымираниям организмов. Откуда мы об этом знаем? Ученые пользуются таким правилом: заключение о существовании в тот или иной момент времени данного вида (или рода) должно делаться на основании соответствующих палеонтологических находок. Если же таких находок для указанного исследуемого момента или более позднего времени нет, то можно заключить, что данный вид (или род) вымер.

Последнее из наиболее значительных массовых вымираний произошло в конце мелового периода. В это время перестали существовать многие представители морской и наземной флоры и фауны. В это время вымерла значительная часть видов морского планктона. Из четырех семейств планктонных фораминифер в конце мела вымерли три семейства. Из 23 родов вымерли 17. В конце мелового периода исчезло большинство семейств и родов существовавших тогда двухстворчатых моллюсков. В это же время вымерли и многие брахиоподы, остракоды, аммоноидеи, белемноидеи, а также другие беспозвоночные животные. В группе костистых рыб также произошли значительные изменения. При переходе от последней эпохи мелового периода (маастрихта) к первой эпохе третичного периода (данию) из 38 родов сохранилось 8, из 50 видов — 11.

Известно, что в конце мелового периода вымерли многие наземные, водные и летающие рептилии. Динозавры относились к числу вымерших наземных рептилий.

Самые точные сведения о продолжительности вымирания в поздний меловой период можно получить из наиболее массовых палеонтологических материалов, которые относятся к некоторым морским позвоночным, в частности к фораминиферам. Вымирание планктона на границе мелового и третичного периодов произошло за время около 200 лет.

Вымирание рептилий, в том числе и динозавров, обсуждалось очень широко. В одной из работ 1982 года была высказана мысль, что вымирание разнообразных организмов, включая и динозавров, и многих других рептилий, произошло за очень короткое время. Предположили, что причиной вымирания было падение крупного астероида. Позднее высказывалось и другое мнение. Автор полагает, что вымирание продолжалось не менее двух миллионов лет и оно было, по мнению автора, вызвано похолоданием климата. Причина похолодания климата не обсуждается.

Что касается изменения климата, то оно действует губительно на живые организмы только в том случае, если происходит за относительно короткое время. Это подтверждается возникновением четвертичных оледенений, когда понижение температуры на обширных территориях составляло десятки градусов. Но при этом изменения климата происходили на протяжении многих тысяч лет. Поэтому массового вымирания организмов не случилось. Правда, при наступлении ледников крупные изменения климата происходили только в высоких и средних широтах. Это позволило многим животным и растениям перемещаться в более теплые районы низких широт, где климат менялся незначительно. Ясно, что если бы ледники покрыли всю поверхность Земли, то ее биосфера была бы целиком уничтожена. Собственно, это подтверждается тем фактом, что в центральных областях Антарктиды, которые покрыты ледяным щитом, отсутствуют живые существа, которые обитали бы там постоянно.

В начале мезозойской эры существенно изменился химический состав атмосферы. В результате произошло значительное уменьшение количества кислорода в воздухе. Поскольку процесс был глобальным, то есть охватывал всю земную атмосферу, то это привело к существенному сокращению общего числа видов животных.

Если происходит изменение температуры, то оно наиболее опасно для биосферы в том случае, если развивается быстро, в течение короткого периода времени. Если такие изменения происходят за сотни тысяч лет и при этом изменение средней температуры не превышает несколько градусов, то значительная часть живых организмов должна приспособиться к такому изменению температуры, в частности к похолоданию. Животные могли бы постепенно переселиться в более теплые районы. С другой стороны, в этих условиях будет происходить акклиматизация, приспособление к новым более суровым условиям путем эволюционных изменений в самом организме животных. Мы уже говорили, что на протяжении эпох фанерозоя средняя температура изменялась в пределах нескольких градусов. Но это не приводило к массовому вымиранию животных, поскольку эти изменения температуры происходили очень медленно. Вымирание животных в конце мелового периода объяснить понижением средней температуры нельзя, если такое изменение было медленным. Для создания катастрофических условий средняя температура должна была понизиться примерно на 10 °C. Но палеотемпературные данные такого понижения в это время (да и вообще за всю геологическую историю Земли) не выявляют. То, что такого похолодания действительно не было, явствует из того факта, что в конце мелового периода не произошло развития крупных оледенений. Если бы такое похолодание действительно произошло, то неизбежные при этом оледенения были бы обнаружены.

При анализе ситуаций в прошлом и при попытках заглянуть в будущее надо помнить одно: чем быстрее изменяются условия жизни в худшую сторону, тем они опаснее для жизни, тем больший ущерб эти изменения причиняют живым организмам. Ученые это правило называют экологическим принципом воздействия неблагоприятных факторов на живую природу. Это значит, что даже незначительное, но резкое понижение средней температуры воздуха на всей Земле может вызывать массовое вымирание животных. Но это произойдет только в том случае, если изменение температуры произойдет в продолжение нескольких (немногих) лет. Если это похолодание затянется на многие тысячи или более миллиона лет, то катастрофы не произойдет. Животные постепенно разными путями приспособятся к новым условиям жизни.

Самым главным во всей этой проблеме выживания является вопрос о том, какими причинами были вызваны катастрофические изменения климата. Для нас это не просто любопытство или любознательность, но и вопрос нашего выживания. Надо понять, что происходило в прошлом биосферы. Тогда нам легче будет оценить те изменения климата, которые нас ожидают в будущем (частично, по нашей вине). Поэтому еще раз проанализируем, что может реально вызывать изменения климата, которые были бы катастрофическими. О действии вулканических извержений на климат мы уже говорили. Суть этого действия состоит в том, что после извержений вулканов взрывного характера происходит уменьшение прозрачности атмосферы, а значит и уменьшение солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Поэтому температура приземного слоя атмосферы уменьшается или в данном регионе, или во всем полушарии, или в масштабах всей Земли. Реализующийся вариант зависит от мощности и частоты вулканических взрывов. Если извержения вулканов являются единичными, то температура нижнего слоя атмосферы изменится незначительно, только на несколько десятых градуса. Но надо помнить, что речь идет о средней температуре. Если же извержение вулканов происходит одно за другим, целой серией, то средняя температура нашей планеты может уменьшиться на все 5 °C и даже больше. Ученые считают, что такие серии извержений вулканов, по теории вероятностей, могли происходить на Земле примерно каждые 10 — 100 миллионов лет.

Уже говорилось и о том, что критическое состояние климата может быть вызвано столкновением Земли с кометами, крупными метеоритами или астероидами. Еще Лаплас в конце XVIII века высказал мысль, что глобальное вымирание организмов на Земле было связано с падением на земную поверхность комет, что в конце концов приводило к глобальному похолоданию. Имеются прямые и косвенные свидетельства того, что такое могло быть на самом деле.

Во-первых, падение на Землю небесных тел сейчас не вызывает сомнения. Имеются все доказательства того, что небесные тела бомбардировали не только Луну, но и все планеты Солнечной системы. Это документировано при проведении космических исследований за последние десятилетия. Ясно, что небесные тела точно так же падали и на Землю. Причем падало их отнюдь не меньше. Остались следы этого падения — малые и крупные кратеры. Специалисты считают, что крупные кратеры (радиусом 100 км) возникали в среднем один раз за 14 миллионов лет. Более крупные небесные тела падали на Землю реже — один раз за 600 миллионов лет. Они оставляли после себя след — кратер диаметром в 1000 км. Эти кратеры, как и менее крупные (диаметром в 200 км), имеющие астрономическое происхождение, называют астроблемами. Гидросфера и атмосфера на Земле сильно разрушают за тысячи и миллионы лет эти «воронки». Поэтому не все они сохранились в первозданном виде до наших дней. В большинстве случаев они весьма сглажены или полностью деформированы водой, ветром и эрозией.

Когда происходили столкновения Земли со сравнительно большими небесными телами, то они сопровождались мощными взрывами, при которых выделялось огромное количество энергии. В результате после взрыва температура воздуха в районе взрыва на короткое время повышалась. После этого локального нагрева наступало длительное глобальное похолодание. Причиной похолодания был образовавшийся толстый аэрозольный слой, поскольку атмосфера была заполнена продуктами взрыва. Нечто подобное происходит и после взрывного мощного вулканического выброса. Но при столкновении с крупным небесным телом мощность взрыва в десятки и сотни раз больше. Поэтому и значительнее последствия, в частности запыление атмосферы.

Поскольку частицы, попавшие в атмосферу после столкновения Земли с большим небесным телом, образовались в результате взрыва, то они должны быть специфичными как по составу, так и по форме. В частности, они должны быть оплавленными. Раз эти частицы меченые, то их можно отличить от других. Значит, их стоит искать. И ученые искали рассеянное метеоритное вещество (которое осело на земную поверхность из образовавшегося аэрозольного слоя). Особо анализировались периоды, которые соответствуют эпохам крупных вымираний животных. Поиски оказались не безрезультатными. Ученые действительно нашли в слоях, которые относятся к концу мелового периода, избыточное количество иридия. Именно в небесных телах иридия больше, чем в земных. Но это касается не только иридия. В небесных телах концентрация и других металлов отличается от их концентрации в земных условиях (металлы платиновой группы, а также никель и кобальт). Подтверждения того, что небесные тела бомбардировали Землю, меняли климат на ней, обнаружены на разных континентах (в Европе, Африке, Северной Америке, Новой Зеландии) и даже на дне центральной области Тихого океана. Значит, эффект от падения небесных тел был глобальным. Так же глобально изменялся и климат на Земле.

По количеству иридия в осадочных отложениях можно не только судить, откуда он взялся (от небесного или земного тела), но и можно определить размеры упавшего небесного (внеземного) тела. Ученые таким путем определили, что найденный иридий в осадочных отложениях выделился при взрыве небесного тела (при столкновении с Землей), которое имело размеры 5 — 16 км. Масса этого астероида составляла несколько миллионов мегатонн (10^14 кг). Мы говорим об астероиде исходя из его огромной массы. Можно определить, что при падении на землю столь тяжелого астероида выделились огромная энергия. Она была оценена примерно в 10^23 джоулей. Это соответствует энергии, которая выделяется при взрыве 10^14 тонн тринитротолуола.

Расчеты показали, что при падении указанного астероида на Землю образовался аэрозольный слой, который в тысячи раз был более мощным, чем тот аэрозольный слой, который образовался в атмосфере в результате извержения вулкана Кракатау в 1883 году. Столь мощный аэрозольный слой служил плотным стратосферным экраном, который полностью задерживал солнечное излучение и оно не доходило до поверхности Земли. Поэтому прекратился фотосинтез, за чем последовало, естественно, вымирание животных. Экранирование Земли от солнечного излучения аэрозольным слоем длилось в течение нескольких лет. Но причиной вымирания животных могло быть и нагревание атмосферы. Атмосфера после падения астероида сразу нагрелась, и это могло повлечь за собой гибель животных. Нагрев атмосферы мог произойти и вторично — через тысячи лет после взрыва астероида. Дело в том, что после падения астероида в атмосфере изменились условия — увеличилось количество углекислого газа. Это стало естественным результатом того, что в океанах фитопланктон погиб и углекислый газ, который планктон поглощал, оказался невостребованным. Поэтому его концентрация в атмосфере постепенно стала увеличиваться. Углекислый газ в атмосфере создает парниковый эффект: чем его больше, тем больше нагревается атмосфера и Земля (земная поверхность). Поэтому естественно предположить, что по этой причине нагрев атмосферы увеличивался постепенно, что привело к ее перегреву и массовой гибели животных. Эти соображения о причинах глобальной гибели животных в конце мелового периода весьма логичны. Но не все исследователи их разделяют. Во-первых, они указывают на то, что если бы фотосинтез на Земле перестал протекать, то жизнь прекратилась бы раз и навсегда. Особенно трудно в этих условиях пришлось бы живым организмам в океанах, где нет сколько-нибудь значительных запасов органического вещества, которое они могли бы использовать в пищу и выжить. В то же время факты говорят за то, что массового вымирания океанических организмов все-таки не было. Поэтому надо согласиться с тем, что фотосинтез прекратился не полностью. Высказываясь против того, что сразу после падения астероида температура нижнего слоя атмосферы катастрофически повысилась, ученые приводили такой довод: если падение астероида произошло в океан, то воды океана без больших проблем утилизировали энергию астероида. Если падение астероида произошло на суше, то и в этом случае земная кора должна была поглотить основную часть углубившегося в нее астероида.

Есть противники утверждения о том, что произошла массовая гибель животных из-за перегрева нижнего слоя атмосферы. Здесь не учитывается, что разные животные по-разному реагируют на изменение температуры атмосферного воздуха. На самом деле в конце мелового периода исчезли многие группы позвоночных, которые не имеют терморегуляции. В то же самое время теплокровные животные (млекопитающие и птицы) остались практически невредимыми. Поэтому специалисты отдают предпочтение предположению, что вымирание животных в конце мелового периода было все же обусловлено похолоданием, которое было резким и кратковременным.

Надо иметь в виду, что в конце мезозойской эры на Земле было значительно теплее, чем сейчас. Тогда на Земле на всех широтах существовал теплый и жаркий климат. В таких условиях понижение температуры на 5 — 10 °C было вполне достаточным для того, чтобы вызвать массовое вымирание более или менее стенотермных жизненных форм, которых в конце мезозойской эры было очень много.

Высказывались и другие гипотезы о причинах массового вымирания животных в конце мелового периода. Одна из таких причин связывается с влиянием на земные организмы взрывов сверхновых звезд, которые происходили (могли происходить) на сравнительно близком расстоянии от Солнечной системы. Другие гипотезы рассматривать не будем. Скажем только, что вопрос о том, почему происходило массовое вымирание животных в конце мелового периода, далеко не исчерпан и разработка новых гипотез продолжается. Тем более, что сама проблема очень масштабна и экзотична. Но можно на нее посмотреть и более трезво и не привлекать сюда сверхновые звезды. Рассуждаем так. Жизнь может существовать только при определенных условиях (температуре, атмосферном давлении, влажности и др.). Имеется в виду жизнь живых организмов, так как сама жизнь как таковая существует при очень сильно измененных условиях. Условия на Земле за всю ее историю менялись весьма существенно. Они просто не могли не меняться, поскольку на климатическую систему действует одновременно слишком много факторов. Поэтому вполне естественно, что время от времени для определенных животных условия «зашкаливали» и эти животные переставали существовать. Такое рассуждение вполне логично, хотя и прозаично, обыденно. Конечно, это не значит, что не было ни астероидов, ни извержения вулканов, ни других катаклизмов. Все было, и все это привело к существующему положению.

Детальный анализ всей имеющейся информации по поводу массовых вымираний животных в конце мелового периода заставляет выбрать более умеренные оценки происходящего. Во-первых, трудно согласиться с тем, что после падения астероида средняя (!) температура воздуха над континентами понизилось на 40 °C. Нельзя согласиться с тем, что в течение полугода эта температура была ниже точки замерзания. Если бы это было так, то вымерло бы почти все живое из фауны и флоры, а не только часть животных. Нельзя согласиться с тем, что фотосинтез прекратился на несколько лет. Правда, авторы этого заключения пересмотрели свои выводы и сейчас считают, что фотосинтез не происходил только в течение нескольких месяцев. Надо при этом учесть, что морские животные чувствительны не только к наличию пищи (она создавалась с помощью фотосинтеза), но и к температуре воды. В конце мелового периода, как уже говорилось, было на Земле весьма тепло. Естественно, что и Мировой океан населяли животные, которые очень любили тепло. Уменьшение температуры океанической воды всего на несколько градусов, естественно, оказалось бы для них гибельным.

Мы весьма подробно рассмотрели массовое вымирание животных в конце мелового периода. Но в истории Земли были и другие периоды, когда происходила массовая гибель животных. На протяжении фанерозоя произошло несколько наиболее крупных вымираний. Специалисты полагают, что в конце пермского периода произошло вымирание животных более крупного масштаба, чем в конце мелового периода. В фанерозое кроме нескольких очень масштабных вымираний было больше меньших по масштабу вымираний животных. Но получить данные о них намного сложнее, чем о крупных вымираниях. Палеонтологические данные о событиях, которые оставили слабые следы, непросто. Тем не менее ученые установили, что некоторые из этих менее масштабных вымираний были также вызваны падением на Землю небесных тел. Эту точку зрения разделяет практически большинство ученых. Дело в том, что она хорошо подтверждается фактами. Например, в научной литературе сообщалось, что в середине позднего девона (365 миллионов лет тому назад) имело место массовое вымирание морской фауны. Обсуждалось, что причиной этого могло быть падение большого метеорита. И действительно — не так давно в Австралии были обнаружены повышенные концентрации иридия именно в том слое, который соответствует этому геологическому периоду.

О действии похолодания на массовое вымирание животных можно судить и более конструктивно. Не обязательно считать, что все животные от охлаждения погибли сразу, в короткое время. Могло все происходить в результате не одноразового действия фактора (например, извержения вулкана), а вследствие ряда крупных извержений, которые происходили в эпохи максимальной вулканической активности, между этими отдельными извержениями проходили многие тысячи лет. При такой ситуации вымирание проходило поэтапно. В результате первого похолодания погибали наименее приспособленные к охлаждению животные. При последующем взрыве происходило вымирание ряда других групп животных, которые были ослаблены за время предыдущих похолоданий.

Нельзя рассматривать падение астероидов и выбросы вулканов полностью независимыми. Очень вероятно (и логично!), что удар астероида об Землю должен активизировать процессы перемещения магматических масс в литосфере. В результате неизбежно должно произойти усиление вулканической активности. Другой вопрос — как долго будет длиться этот активный период. Во всяком случае, он должен быть достаточным для того, чтобы вызвать серию особенно крупных вулканических извержений. Поэтому после начальной аэрозольной катастрофы мог произойти ряд новых катастроф, которые и доконали животных, оставшихся после падения астероида. Так могли возникать двухэтапные массовые вымирания животных.

То, что массовые вымирания животных проходили этапами, а не сразу, подтверждается исследователями тех массовых вымираний животных в фанерозое, которые были более слабыми по сравнению с крупнейшими вымираниями, которые обсуждались ранее. Результаты исследования показали, что эти рядовые вымирания животных были разделены между собой более или менее близкими интервалами времени, которые в среднем имели продолжительность в 26 миллионов лет. Астрофизики заинтересовались этими результатами. Они предложили их объяснение. Оно состоит в том, что такие рядовые вымирания, возможно, были вызваны небольшой звездой. Эта звезда пока что не обнаружена, но по всем данным она обязана быть спутником Солнца. Эту звезду назвали Немезидой по имени греческой богини возмездия. Название звезды выбрано не случайно. Что касается ее астрономических характеристик, то ученые сообщают о них следующее. Немезида движется по эллиптической орбите на среднем расстоянии от Солнца, которое примерно в 100 000 раз больше расстояния между Солнцем и Землей. Немезида совершает один оборот вокруг Солнца за 26 миллионов лет. При движении по своей орбите Немезида время от времени приближается к облаку Оорта. Это область в космосе, в которой содержатся кометы и остатки вещества, недорасходованного при создании Солнца и планет Солнечной системы. Звезда Немезида, пролетая через эту область, так действует на нее, что способствует массовому выбросу комет, движущихся в сторону Солнца. Далее логика понятна — некоторые из этих комет должны столкнуться с Землей. Одна серия образования таких комет, которые затем движутся к Земле, занимает во времени примерно 1 миллион лет. Ясно, что серии возникают и действуют на Землю, на ее климатическую систему с периодом, равным 26 миллионов лет. Все здесь красиво и заманчиво. Осталось только обнаружить Немезиду (не богиню, а звезду) и уточнить экспериментально свойства облака Оорта, где рождаются кометы. Приведенная выше гипотеза описана в научной литературе, и предложили ее серьезные ученые — астрофизики, а не фантасты. Поэтому мы ее и привели. Ведь известно, что идея должна быть достаточно безумной, только тогда у нее есть шансы быть правильной. Мы так перефразировали высказывание известного ученого-ядерщика Макса Бора. Тем не менее другие ученые высказывают к описанной идее (гипотезе) немало претензий. Во-первых, считают оппоненты этой гипотезы, четкая периодичность с периодом в 26 миллионов лет массовых вымираний животных не доказана достоверно. Во-вторых, многие астрономы считают личным оскорблением предположение, что вблизи Солнца обитает еще никем не обнаруженная звезда. Это при нынешнем оснащении астрономов уникальными инструментами наблюдения во всех диапазонах спектра! Астрономы считают, что такая малая звезда не могла длительное время быть частью Солнечной системы, так как на столь большом расстоянии от Солнца сила тяготения ее к светилу очень мала. Но спор в научных кругах о Немезиде пока продолжается.

ПЛАВАЮЩИЕ МАТЕРИКИ И ЛИТОСФЕРА

Атмосфера появилась «из-под земли». Поэтому мы не можем ограничиться рассмотрением только атмосферы и гидросферы. Мы должны заглянуть и «под землю», тем более, что оттуда непрерывно поступают в атмосферу различные газы, а также аэрозоли.

Как устроена Земля?

Земля образовалась из того вещества, которое было выброшено из Солнца. Поэтому имеет смысл начать историю Земли с самого начала — с момента образования Солнца. Солнце в его нынешнем виде образовалось 6–7 миллиардов лет назад. Земля же образовалась примерно 4,6 миллиарда лет назад. Звезда — Солнце — с самого начала была не такой, как сейчас. Каждая звезда рождается, живет и умирает. Наше современное Солнце — это определенный этап в развитии, жизни звезд.

Каждая звезда образуется из газового облака, которое под действием собственной гравитации постепенно сжимается. По мере сжатия плотность вещества увеличивается. Когда она достигает определенной критической величины, то начинается дробление (фрагментация) единого облака. Каждая часть раздробленного облака сжимается — и из нее образуется звезда.

Основной характеристикой, от которой зависит дробление первоначального облака, является плотность вещества в облаке. Если радиус облака уменьшится в два раза, то плотность вещества увеличится в 8 раз. Первоначальное облако, из которого впоследствии образовалась наша Галактика, состояло из водорода. Когда оно распалось на отдельные части, то они при гравитационном сжатии стали превращаться в звезды. Образование звезд происходило следующим образом.

Облака-протозвезды сжимались под действием сил гравитации. На определенном этапе сжатия облака его плотность увеличивается настолько, что оно перестает выпускать наружу инфракрасное излучение вещества облака. Это приводит к очень быстрому росту температуры в центральных областях облака. Образуется большой перепад температуры между центральной частью протозвезды и внешними слоями. Перепад давления вызывает процессы конвекции, которые стремятся выровнять температуру во всем облаке — протозвезде. В наружных слоях протозвезды температура достигает примерно 2500 °C. Протозвезда продолжает сжиматься, ее размеры уменьшаются. Температура в ее недрах продолжает увеличиваться. В какой-то момент она достигает десяти миллионов градусов. Тогда «включаются» термоядерные реакции с участием ядер водорода (протон — протонные реакции), и протозвезда перестает сжиматься. Это значит, что протозвезда превратилась в звезду.

Энергия звезды, благодаря которой поддерживаются высокие температуры в ее недрах, черпается из термоядерного синтеза. В этих термоядерных реакциях четыре протона путем разных преобразований соединяются так, что образуют ядро гелия (альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов). При превращении одних частиц в другие часть их массы превращается в энергию. Поэтому можно оценить запасы атомной энергии звезды.

Дальнейшая эволюция звезды определяется, главным образом, ее массой. Чем больше масса звезды, тем больше энергия, которая может выделиться внутри звезды в процессе термоядерных реакций, тем больше горючего содержится внутри такой звезды. Казалось бы, что такая звезда должна жить (светиться) дольше. Но это не так. Чем массивнее звезда, тем больше она излучает энергии в космическое пространство. Если массу звезды увеличить в три раза, то ее расход энергии на излучение (светимость) увеличится в девять раз. Поэтому с увеличением массы звезды продолжительность ее жизни резко уменьшается. Так например, горючего для ядерного реактора внутри Солнца хватит еще на десятки миллиардов лет. Около пяти миллиардов лет это горючее уже расходуется. Но если масса звезды в 50 раз превышает массу Солнца, то ее горючего хватит всего на несколько миллионов лет!

Когда в процессе термоядерных реакций в ядре звезды израсходуется весь водород (он превращается в гелий), то термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают идти в слое вокруг ядра. Светимость звезды на этом этапе увеличивается. Звезда как будто разбухает. Но температура поверхностных слоев звезды уменьшается, поскольку размеры ее увеличились. Поэтому она начинает светиться не голубым, а красным цветом. Такую звезду называют красным гигантом. Дальше звезда эволюционизирует следующим образом. Поскольку в ядре не идут термоядерные реакции и не выделяется тепло, то она постепенно сжимается под действием сил гравитации. В результате сжатия ядра увеличивается его температура. Она достигает 100–150 миллионов градусов. При столь высокой температуре гелий становится источником тепла: идут термоядерные реакции, в результате которых ядра гелия превращаются в ядра углерода. Давление внутри ядра звезды увеличивается, поэтому сжатие прекращается. Светимость звезды на этом этапе увеличивается из-за выделения энергии из ядра. В результате увеличивается и поверхностная температура звезды.

Но когда-то кончается и гелий. Причем значительно быстрее, чем кончился водород. Когда это произойдет, то звезда теряет свои наружные слои. Они расширяются и отделяются от ядра звезды. Эти слои впоследствии наблюдаются как планетарная туманность. После этого момента события будут развиваться по одному из трех вариантов (сценариев). Какой из вариантов реализуется, это зависит только от массы звезды. Если масса звезды меньше 1,2 массы теперешнего Солнца, то вещество звезды под действием гравитационного сжатия уплотняется таким образом, что его плотность достигает 10 тысяч тонн в кубическом сантиметре. При такой огромной плотности атомы разрушаются. После этого сжатие звезды прекращается, так как ему начинает противодействовать сила упругости образованного очень плотного газа. Такая звезда (ее называют «мертвой») является белым карликом. Напомним, что до того, как звезда превратится в белого карлика, она некоторое время становится красным гигантом. Затем белый карлик в течение нескольких миллиардов лет остывает и в конце концов превращается в черного карлика, то есть в тело, которое уже не излучает. Звезда умирает и перестает излучать. Специалисты часто ее называют «трупом». Во Вселенной имеется бесконечное количество кладбищ звезд, превратившихся в черных карликов. Эта судьба ждет и наше Солнце, которое когда-то было и красным гигантом. Но оно сбросило лишнее вещество и из него образовались планеты нашей системы, в том числе и Земля. Что происходит со звездами, масса которых больше 1,2 массы Солнца, мы подробно описали в книге «Внеземные цивилизации» (ЭКИЗ, 1993). Здесь только скажем, что те из звезд, масса которых больше 1,2, но меньше 10 масс Солнца, в конце концов превращаются в нейтронные звезды. Это очень уникальные объекты. Плотность вещества такой звезды равна плотности вещества внутри атомного ядра! Получить такое вещество на Земле невозможно. Если же масса звезды превышает 10 масс Солнца, то она превращается в черную дыру, радиус которой равен всего 1–3 км. Так сильно ужимается (и уплотняется) вещество столь массивной и первоначально огромной звезды.

Но вернемся к Солнцу. Предшественник Солнца красный гигант сбросил с себя вещество, которое состояло в значительной мере из тяжелых химических элементов. Этот сброс происходит в виде взрыва. После того, как красный гигант сбрасывает свою шубу, он превращается в сверхновую звезду. Ученые слово «звезда» опускают и говорят просто «сверхновая». Таким образом наше Солнце после стадии красного гиганта превратилось в сверхновую звезду. Но при этом в околосолнечное пространство оно сбросило лишнее вещество, из которого и образовались планеты Солнечной системы. Это происходило так.

Спустя несколько сотен миллионов лет околосолнечное облако сброшенного Солнцем вещества стало постепенно остывать. При этом в нем стали появляться твердые частицы пыли. Все частицы облака находились в движении вокруг Солнца и постепенно стали двигаться в экваториальной плоскости Солнца, образуя своего рода диск. Это были струи твердых частиц и газов, занимающие пространство в форме диска и движущиеся вокруг Солнца. По законам движения происходила сортировка частиц по их величине и плотности: чем ближе к Солнцу, тем вещество приобретало большую плотность. Поэтому планеты земной группы, которые находятся ближе к Солнцу, чем остальные, образовались из более плотного вещества. Поэтому они и меньше по размерам. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс. Более далекие планеты образовались из летучих элементов и более легких газов. Поэтому они и по размерам больше. Это Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Примерно 5 миллиардов лет назад «вырисовался» зародыш Земли. Но процесс ее формирования продолжался в течение примерно еще одного миллиарда лет. Только после этого Земля стала постепенно остывать и превратилась в холодное безжизненное скопление космического вещества. Но спустя сотни миллионов лет это остывшее вещество вновь стало разогреваться, но уже по другим причинам. Энергия для этого поступала от ударов космических тел, а также вследствие радиоактивного распада химических элементов. Расплавилось ли при этом земное вещество полностью или только частично, сказать трудно. Ясно одно, что жидкое (или частично жидкое) вещество Земли получило возможность под действием силы притяжения перераспределиться по плотности вещества, по его удельному весу. При этом самое плотное вещество, состоящее из тяжелых элементов и соединений, стремилось к центру Земли. Во внутреннем составе Земли преобладает железо (35 %); за ним идет кислород (30 %), далее следуют кремний (15 %) и магний (12 %). Вещество Земли содержит значительное количество радиоактивного вещества, при распаде которого выделяется тепло. Этого тепла достаточно для того, чтобы поднять температуру в самой середине Земли до 6 000 °C. Под действием сил тяжести и тепла сформировалась и структура Земли: в ее сердцевине находится ядро, которое окружено мантией. Снаружи мантию покрывает земная кора.

Ядро Земли состоит из двух частей — внутренней и внешней. Внешняя граница земного ядра находится на глубине 2 900 км. Ниже этой границы (то есть в ядре) плотность вещества увеличивается скачком на 80 %. Внешняя часть ядра является жидкой. Внутренняя часть ядра состоит из железоникелевого сплава и ведет себя как твердое тело. Давление в центре ядра, а значит и в центре Земли, достигает 3 миллионов атмосфер. Температура там достигает 10 000 °C. Во внутренней части ядра сосредоточено только 1,7 % всей массы Земли. Более массивной является внешняя часть ядра. Она содержит почти треть всей массы Земли. Но плотность вещества во внешней части ядра значительно меньше, чем во внутренней, поскольку оно разбавлено легкой серой. Ее там содержится до 14 %.

Полагают, что сразу после образования Земли ее ядро было целиком расплавленным. Затем оно постепенно стало остывать, и на сегодняшний день расплавлена только его внешняя часть. Любопытно, что внешняя граница ядра не является идеальным шаром. Это слой со своеобразным рельефом, толщина которого в разных местах разная — от 150 до 350 км.

Ядро Земли окружено мантией. Она простирается от 30–50 до 2 900 км в глубину. Порода мантии содержит в себе 80 % оливина (Mg, Fe)2 [SiO_4] и 20 % пироксена (Mg, Fe)2 [S_2O_6]. Эту породу называют перидотитом. Она представляет собой зеленоватые минералы, силикаты магния и железа.

В мантии также высокая температура. Поэтому глубинные породы расплавляются и превращаются в магму. Эта магма по трещинам прорывается наверх в виде лавы. Собственно Земля на 82 % состоит из мантии. Она, естественно, неоднородна. Ученые делят ее на верхнюю и нижнюю. Но самым важным элементом, прослойкой мантии является слой в верхней мантии, в котором породы находятся в частично расплавленном состоянии. Расплав составляет всего 1–3 %. Но этого достаточно, чтобы обеспечивать весьма своеобразную динамику всей вышележащей части Земли. Из-за слабого расплава вещества в этом слое он был назван «астеносферой» («астенос» — слабый). Это слаборасплавленное вещество не является жидкостью, и течь оно не может. Но оно служит своего рода «смазкой», по которой перемещаются жесткие литосферные плиты, которые образуют верхнюю твердую оболочку Земли. Эта оболочка и называется «литосферой» (от греческого «литос» — камень).

Земная кора имеет разную толщину на материках и под океанами. Она толще всего там, где вздымаются могучие горные хребты. Океаническая кора тоньше континентальной. Состав их также различен. Океаническая кора состоит из двух слоев — базальтового и осадочного. Базальты — это темно-зеленая или даже черная силикатная порода, которая содержит кальций, натрий, магний и железо (а иногда и алюминий). Океаническая кора выделяется из самого верхнего слоя мантии, который под дном океана находится на глубине всего 10–50 км. Там, в верхнем слое мантии, порода находится в расплавленном состоянии и оттуда по трещинам поступает наверх, где и застывает, образуя базальтовый слой океанической коры.

Земная кора на континентах образуется по-иному. Она состоит из нескольких слоев. Самый верхний ее слой сложен песчаниками, глинами и известняками. Следующий слой (которого нет в океанической коре) образован гранитами и метаморфическими породами, которые изменились под влиянием высокой температуры и давления. Это и есть основной слой земной коры континентов. Кроме этого основного слоя в земной коре имеются осадочные породы — песчаники, глина, базальты. Базальты и подобные им породы составляют нижнюю часть континентальной коры. Континентальная кора образовалась давно, более 3 миллиардов лет. Океаническая кора возникла по геологическим понятиям только что, всего 150–170 миллионов лет.

Все вещество Земли находится в непрерывном движении. Так, любой участок литосферы постоянно перемещается по горизонтам. Конечно, мы этого не замечаем, поскольку перемещение составляет всего несколько десятков сантиметров в год. Но за геологические отрезки времени это перемещение достигает многих тысяч километров. Посмотрите на глобус или карту и мысленно или на рисунке сдвиньте Америку к Африке. Они очень хорошо стыкуются. Это проделал в середине XIX века Антонио Снидер. Он совместил берега Атлантического океана и получил один огромный континент. На эту мысль его натолкнуло не только сходство береговых линий Африки и Америки. В руках ученых оказались и другие данные, которые свидетельствовали о полном сходстве ископаемых растений каменноугольного периода палеозойской эры, которые были найдены в Европе и Северной Америке. Значит, ископаемые деревья росли в одном большом лесу, половина которого оказалась в далекой Америке, а другая половина осталась в Европе. Ученый поспешил поделиться своим открытием со всеми и в 1858 году издал книгу «Мироздание и его разоблаченные тайны». Но в эту ошеломляющую (и хорошо аргументированную) новость никто не поверил, и все забылось. И только в 1910–1912 годы Альфред Вегенер снова поднял этот вопрос. Так появилась идея плавающих («дрейфующих») материков, которая с тех пор и известна как «гипотеза Вегенера». Очередная несправедливость! Вегенер назвал единый континент, который затем располагался на части, «единой Землей» («Пангея»). Но почему и как материки дрейфуют, Вегенер и его современники не разгадали. Только к концу 60-х годов нашего века вопрос стал постепенно проясняться. Суть дела оказалась в следующем.

Раньше считали, что твердая земная кора плавает на расплавленном веществе. Факты такое представление как будто подтверждали. Судите сами. Когда в прошлом веке измерили силу тяжести в Гималаях, то установили, что под огромной массой Гималаев земная кора просела. При этом она погрузилась в слой с более плотным, вязким веществом. Масса вытесненного глубинного вещества, как и полагается по закону Архимеда, равна массе гор.

Другой пример. Во время оледенения в четвертичный период в Скандинавии земная кора прогнулась под тяжестью льда. Со временем лед растаял, и освободившаяся от груза земная кора начала восстанавливать свое прежнее положение. Она начала подниматься — сначала быстро, а затем все медленнее. Этот процесс продолжается и в наше время — земная кора в Скандинавии продолжает всплывать со скоростью один сантиметр в год.

Описанные факты достоверны, но трактовка их неправильная. Под земной корой находится не жидкое вещество, а твердое. И так на протяжении тысяч километров вглубь вплоть до ядра Земли. Так почему и как плавает земная кора? Она не плавает, а только смещается благодаря слою смазки — астеносфере. Но астеносфера находится не непосредственно под земной корой. Над ней находится и часть мантии. Эту часть мантии и земной коры, то есть все то, что находится над астенолсферой, назвали литосферой. Таким образом, плавает земная кора не сама по себе, а вместе с верхней частью мантии. Другими словами, плавает (скользит по слою смазки) литосфера. Толщина литосферы под континентами 150–300 км, а под океаном — от нескольких километров до 90 км. Таким образом, литосфера (в том числе и земная кора) плавает на астеносфере. Она при этом поднимается, опускается и скользит в горизонтальном направлении относительно нижней мантии и ядра Земли. Если бы вся литосфера представляла собой единую жесткую сферу, то скользить она не могла бы, тем более поднимаясь или опускаясь при этом. Но литосфера не есть единое целое. Она расколота на отдельные куски, части, которые называют плитами. Сейчас литосфера Земли состоит из семи больших плит и нескольких более мелких плит.

Литосферные плиты скользят в разных направлениях, наезжая при этом друг на друга. Упираясь друг в друга они создают напряжения, которые заканчиваются землетрясениями. Если плиты не упираются друг в друга, а расходятся, то напряжение не возникает. Ясно, что во внутренних частях литосферных плит все стабильно, там землетрясений нет. Все землетрясения располагаются вдоль крупных расколов, то есть вдоль границ между плитами, где и создаются напряжения и в конце концов происходит смещение одной плиты относительно другой (рис. 21). В том случае, если плиты расходятся, то во время землетрясений на поверхности появляются глубокие расщелины, которые называют рифтами (от анлийского riff — трещина, щель). Такие границы удаляющихся друг от друга литосферных плит проходят вдоль подводных срединно-океанических хребтов. Их называют расходящимися или дивергентными (от лат. divergere — обнаруживать расхождение). Там же, где происходит сближение, столкновение плит, вдоль границы между плитами образовались высокие горы, глубоководные желобы и островные дуги. Последние расположены главным образом вокруг Тихого океана. Такие границы между плитами называют сходящимися или конвергентными (от лат. convergere — приближаться, сходиться).

Литосферные плиты могут не только сходиться или расходиться, но и скользить друг относительно друга вдоль линии разлома. При таком смещении плит движение переносится от одной активной зоны к другой. Происходящие при этом землетрясения сопровождаются сдвигом пород параллельно разлому.

Литосферные плиты различаются и составом пород, из которых они состоят. Толщина их также различна. Под океаном литосфера намного тоньше, чем под континентами и под шельфами (обширными мелководьями). Имеются плиты целиком океанические — тонкие. Есть и комбинированные, состоящие из континентальной и океанической частей. Толстые литосферные плиты менее подвижны, что естественно. Океанические плиты наиболее подвижны.

Рис. 21. Эпицентры землетрясений мира, происшедших в 1963–1974 годы.

Что заставляет плиты двигаться? Вещество мантии, которое находится под плитами, совершает круговое (конвективное) движение. При этом движении в одних местах, где сходятся кольца конвекции, вещество движется вверх, а в других — вниз. Там, где оно движется вверх и образует восходящий поток, и литосфера испытывает давление снизу. Она приподнимается и раздвигается в стороны. Происходит раскол литосферы (под океаном она тонкая) с одновременным ее подъемом вдоль линии раскола. Так образуются срединно-океанические хребты с расщелинами — рифтами. В этих местах по трещинам изливаются базальтовые лавы. Магма, заполнившая трещину, в конце концов застывает. Так образуется кристаллическая горная порода. Это показано на рис. 22. Таким образом, с одной стороны, две половины срединно-океанического хребта расходятся в стороны со скоростью от нескольких миллиметров до 18 см в год. С другой стороны, образующаяся при этом щель (которая непрерывно растет) заполняется веществом, которое выходит из глубины. Так в этом месте раскола образуется новая океаническая кора. В результате океаническое дно как будто растягивается, расширяется. Специалисты этот процесс назвали английским словом спрединг (развертывание, расстилание).

Рис. 22. Общая схема движения литосферных плит, лежащая в основе концепции «тектоники плит».

Но литосфера не может только разрастаться. Это было бы возможным, если бы увеличивались размеры Земли. А «если в одном месте прибудет, то в другом месте убудет». Другими словами, должны существовать места, где литосфера сокращается. Это может происходить разными способами. Часть литосферы может поглощаться (утопать в жидком веществе мантии), сокращаться за счет смятия в складки или надвигаться одним участком на другой. Легко сообразить, что это происходит в тех местах, где движение мантийного вещества на стыке двух конвективных ячеек направлено вниз. В этих местах океаническая литосфера пододвигается под встречную плиту. Далее она потоками вещества мантии затягивается на глубину, где при высоких давлениях вещество плиты существенно уплотняется. Став тяжелее, этот кусок литосферы сам тонет во вязкой астеносфере. Он опускается на поверхность нижней мантии. Таким путем литосфера может затянуться очень глубоко. Например, под Камчаткой она упала на глубину более 1000 км, где она и затерялась. Ясно, что в таких местах на дне океана образуются глубоководные желоба, глубина которых может достигать 10 км. Так, самый глубокий такой желоб — Марианский в Тихом океане — достигает глубины 11 км. В таком желобе имеется прямой доступ к жидкому веществу мантии. Поэтому рядом с желобом обычно цепочкой выстраиваются действующие вулканы. Примером тому могут служить вулканы Курильской островной дуги и Камчатки. Они располагаются рядом с Курило-Камчатским желобом. Вулканы образуются над тем местом, где литосфера, которая наклонно уходит на глубину, начинает плавиться при высоком давлении и температуре. Погружение литосферы происходит со скоростью от 1 до 12 см в год.

Таким образом, вырисовывается такая картина. Литосферные плиты расходятся вдоль срединно-океанических хребтов и движутся к глубоководным желобам, где они уходят на глубину и там поглощаются. Но на плитах находятся континенты. Они вынуждены дрейфовать вместе с плитами. Если при этом сталкиваются два континента, то происходит нагромождение таких гор, как Альпы, Гималаи, Памир.

Таким образом, океаническая литосфера рождается в зонах расхождения. Континентальная литосфера наращивается по толщине в зонах столкновения. В тех и других зонах располагается большинство подводных и наземных вулканов. В этих местах поднимаются горячие растворы, которые несут с собой металлы. Поэтому здесь образуются рудные месторождения.

Очень важен кругооборот вещества в результате описанных процессов. Он состоит в том, что океаническая кора погружается и возвращается в мантию, она уносит туда с собой морские отложения, которые накопились на дне. В них содержатся и горные породы органического происхождения. Так в мантию Земли попадают не только элементы воздуха и воды, но и животные и растения оказывают влияние на ее состав до глубин в сотни и даже тысячи километров. Положение тех и других зон не является неизменным. Но неизменно движется, циркулирует, конвектирует вещество Земли. В расщелинах на дне океана изливается не только базальтовая лава. Здесь имеется множество горячих источников минерализованной воды. Вода богата медью, цинком, марганцем. Температура воды достигает 330 °C. Это так называемые гидротермы. Соединения химических элементов из раствора источников образуют на дне наросты, столбы и трубы. Высота их достигает 27 м. По этим трубам продолжает подниматься горячий раствор. При этом труба как будто дымится, поскольку на выходе из нее из раствора выделяются мелкие частицы минералов. Поэтому эти трубы назвали черными курильщиками (рис. 23). Вокруг них образуются отложения, которые богаты металлами. Там же образуются и железомарганцевые шары — конкреции. Вокруг них кипит подводная жизнь. Здесь имеются не только бактерии и черви, но и моллюски и даже крабы. Любопытно, что с течением времени в описанных выше процессах земная кора утолщается. Это происходит потому, что когда образовавшаяся земная кора начинает отодвигаться от линии разлома, то под ней застывает и содержимое магматического очага. Так в нижней части океанической коры образуются горные кристаллические породы. В результате толщина коры может достигать 7 км. На подошву коры снизу нарастают самые тугоплавкие минералы астеносферы, которые остались после выделения базальтовой массы. Поэтому чем древнее океаническая кора, тем больше тяжелых (богатых железом) пород мантии успевают нарасти к ней снизу. В тех местах, где дно океана формировалось еще в юрский период, толщина дна достигает 70–80 км. Это в 10 раз больше толщины земной коры.

Рис. 23. Группа черных курильщиков, получившая название «венский лес». Зарисовка сделана русским океанологом Ю. А. Богдановым.

Поскольку прилипают тяжелые породы, то со временем средняя плотность литосферы растет. Это значит, что становясь тяжелее, литосфера все больше и больше утопает в вязкой астеносфере. Раз дно океана опускается, то глубина океана увеличивается. По глубине океана можно рассчитать время образования его дна. Ясно, что чем дальше от срединно-океанического хребта, тем дно древнее. Но базальтовая кора нарастает и сверху. На ней отлагаются морские осадки. Их толщина в самых древних частых океана может достигать 1 км. У окраин континентов она во много раз больше.

Таким образом, со временем океаническая литосфера становится толще и тяжелее. Такая тяжелая плита при столкновении с другой плитой (более легкой) пододвигается под нее и исчезает в глубине. Поэтому неудивительно, что чем древнее дно океана, тем меньше его сохранилось. Здесь также действует закон старения и смерти. Поскольку вся литосфера (и океаническая также) находится в непрерывном движении, то через какое-то время океаническая литосфера доберется до берегов океана. Это время составляет не более 180 миллионов лет. Его легко рассчитать, если известна скорость движения и расстояние. Поэтому океаническая литосфера возраста, превышающего 180 миллионов лет (это юрский период), вся погибла, утонула в астеносфере. От нее остались только отдельные куски, клинья, которые оказались включенными в складчатые горные пояса на краях континентов. Таким образом, все дно океана очень молодо. Его возраст 180 миллионов лет и менее. По сравнению с возрастом Земли (4,6 миллиарда лет) это очень мало. Поэтому основная информация о геологических процессах хранится главным образом в континентальной земной коре.

Рассмотрим подробнее, что происходит, когда сталкиваются литосферные плиты. В том случае, когда сходятся океаническая и континентальная плиты, более тяжелая океаническая плита непременно уходит под континентальную. Если встречаются две океанические плиты, то вниз уходит более тяжелая, а это значит более древняя. Океаническая литосфера начинает погружаться в глубоководном желобе. В начале этого погружения литосферная плита уходит вниз полого. Но по мере погружения породы уплотняются под действием высокого давления. Становясь тяжелее, плита начинает быстро тонуть в астеносфере. При этом она перегибается и уходит вниз под крутым углом (почти вертикально). Когда она оказывается в более плотной мантии, то ее стремительное погружение замедляется и она постепенно переходит в режим горизонтального движения.

Уход в глубины астеносферы литосферной плиты сопровождается серией землетрясений. Первые очаги землетрясений появляются в океане под склоном желоба. В этом месте плита перегибается перед тем, как она уйдет в мантию. На внешней стороне изгиба плита растягивается и трескается. Но самое большое число землетрясений происходит там, где океаническая литосфера упирается в другую плиту. При этом океаническая плита уходит вниз под встречную плиту. На границе плит происходят землетрясения. В направлении пододвигания океанической плиты под встречную происходит скол пород. В тех местах, где океаническая плита уходит на глубину более 100 км, землетрясений становится меньше. При этом очаги землетрясений располагаются внутри опускающейся плиты. Причиной этого служит нагревание, а значит, и расширение горных пород. Опускаясь еще ниже, в область высокого давления, они сжимаются. В этих условиях минералы, из которых состоит порода, переходят в другое состояние, с более плотной структурой, при которой атомы упакованы более плотно. Постепенно погружающаяся плита становится неспособной вызывать землетрясения, поскольку она сильно разогревается и уже не может расколоться. Это происходит на разных глубинах, от нескольких десятков километров до 700 км. Описанный выше процесс позволяет правильно разобраться в порядке возникновения землетрясений.

Наклонные зоны, которые глубоко проникают в мантию Земли, связаны не только с землетрясениями. Над ними рядом с глубоководными желобами располагаются цепи действующих вулканов. Такие цепи вулканов простираются на многие тысячи километров вокруг Тихого океана. Они образуют «огненное кольцо». Происхождение этих вулканов таково. Когда океаническая плита погружается и попадает в область высокого давления и высокой температуры, то на глубинах 100–200 км из нее выделяются так называемые флюиды и определенное количество расплавленного вещества. Эти вещества направляются вверх. У нижней границы земной коры, а также внутри нее образуются очаги магмы. Эта магма и прорывается к земной поверхности в виде вулканической лавы. Такова физическая природа практически всех вулканов на островных дугах Земли. Такая же природа и вулканов на краю Южно-Американского континента, а также в цепях вулканов Анд, которые простираются на тысячи километров.

Возникновение вулкана происходит в строго определенное время — когда плита окажется на некоторой определенной глубине. Правило таково: чем круче наклонена зона пододвигания одной плиты под другую, тем ближе к желобу располагается цепь вулканов.

Может произойти и столкновение континентов, когда сходятся литосферные плиты. Специалисты это явление называют коллизией. Это особый случай, при котором ни одна из плит не заталкивается внутрь, в мантию. Этому мешает легкая гранитная облицовка континентальных литосферных плит. Поэтому происходит отслаивание пород огромными пластинами. Этот «материал» нагромождается у поверхности в виде горных сооружений. Так произошло образование Гималаев и тибетского нагорья. Это произошло в ходе столкновения Индостана с южным краем Евроазиатского континента. Это столкновение продолжается до сих пор, хотя оно началось 45–50 миллионов лет назад. При этом легкие породы верхов континентальной литосферы скучиваются близ поверхности земли. При этом вся остальная тяжелая часть литосферы круто погружается в астеносферу. Горы Большого Кавказа также образовались в результате столкновения двух континентальных литосферных плит. Примерно 10–11 миллионов лет назад единый Африкано-Аравийский континент раскололся вдоль огромной трещины — рифта. С этого момента Аравия стала удаляться от Африки, направляясь на север. При этом движении она еще вращается против часовой стрелки. Так мощная Аравийская литосферная плита сдавливала более мягкие и податливые толщи пород, которые накопились в бывшем океане Тетис, а также в его окраинных морях. Эти сжатые породы и образовали ряд горных хребтов разной высоты и очень сложного внутреннего строения. При сжатии различные породы не только сжимаются в складки, но и наползают друг на друга. Так образуются тектонические покровы.

У северной окраины грандиозного Кавказского горного пояса (в Предкавказье) располагаются равнинные участки. Они принадлежат прочной Скифской плите. Южнее находятся вытянутые вдоль широты (с запада на восток) горы Большого Кавказа. Их высота достигает 5 км. Здесь же располагаются узкие впадины Закавказья. Рядом располагаются горные цепи Малого Кавказа (в Грузии, Армении, Восточной Турции и Западном Иране). Южнее от них находятся равнины Аравии. Они принадлежат Аравийской литосферной плите. Кавказские горы образовались в тисках двух прочных плит — Аравийской и Скифской. Самые высокие горы образовались там, где Аравийская плита твердым клином сильно сдавила податливые отложения. Восточнее и западнее этого места горы значительно ниже.

Образованный таким путем горный пояс находится под огромным давлением. Поэтому он расколот протяженными диагональными разломами. Это сдвиги, вдоль которых отдельные части горного пояса скользят друг по другу. Эти смещения и являются причиной сильнейших землетрясений. Последние из них произошли в Армении (1988 год) и в Турции (1991 год). Под горы Кавказа с юга пододвигается монолитная и прочная Закавказская литосферная плита. Поэтому южный склон Большого Кавказа узкий и очень крутой, а северный — широкий и пологий. На южном склоне отложения смяты в очень сложные складки. Они опрокинутые и надвинутые и как будто наползающие друг на друга и на массив. В результате пододвигания южной Закавказской плиты горы Большого Кавказа асимметричны. Их главный хребет располагается ближе к югу.

В результате столкновения континентальных литосферных плит образовались и высочайшие горы Европы — Альпы. Здесь «работали» две плиты — Адриатическая и Средне-Европейская. Они не только столкнулись, но и надвинулись друг на друга. Так же образовались и Карпаты. Величайший горный узел Памира, Каракорума, Гиндукуша, Гималаев и Тибетского плато возник в результате столкновения Индостанской плиты с Евроазиатской. Этот процесс начался 10–15 миллионов лет назад и продолжается и сейчас. Индостанская литосферная плита и сейчас продолжает перемещаться в северном направлении, оказывая огромное давление на горные породы.

Кордильеры Северной Америки и Анды Южной Америки образовались при столкновении океанической и континентальной плит. Мы уже говорили, что вначале мезозойской эры все материки составляли единый суперматерик — Пангею. Со временем начался распад Пангеи на отдельные крупные литосферные плиты. Так возник Атлантический океан. Он расширялся в обе стороны от протяженного срединно-океанического хребта. Такая же зона расширения имеется и на востоке Тихого океана. От нее материал океанической коры движется в обе стороны. Континенты Северной и Южной Америки с прилегающими участками дна Атлантического океана смещаются на запад, навстречу Тихоокеанской плите. Океаническая плита, как более тяжелая, пододвигается под континентальную. Это и привело к образованию гор, которые представляют собой не что иное, как нагромождение друг на друга горных пород. В результате в земной коре образуются складки, а по западной окраине Северной и Южной Америки растут горы.

Любопытно происхождение цепочек давно остывших вулканов, которые простираются на тысячи километров. Каждая такая цепочка (гряда) выстроена строго закономерно: чем дальше от начальной точки гряды, тем моложе вулкан. Такое впечатление, что некто «поджигал» эти вулканы в строгой последовательности. Как будто он двигался вдоль гряды с факелом и зажигал вулканы один за другим. Ученые показали, что так оно и было. Только этот «некто» двигался не рядом с вулканами, а под ними, под литосферой, в мантии. Этим «некто» была мантийная струя. Она и двигалась от одного места к следующему, и так создавалась длинная гряда вулканов. Новый вулкан зажигался тогда, когда предшествующие уже успели потухнуть. Уточним только, что двигалась не мантийная струя под литосферой и земной корой, а литосфера двигалась над струей. К тому же мантийная струя работала не всегда достаточно интенсивно. Так и образовались длинные цепи мертвых вулканов. Добавим только, что место выхода на поверхность Земли мантийной струи называют «горячей точкой». Кстати, зная возраст давно потухших вулканов и расстояние между ними, можно определить скорость движения мантийной струи, а точнее скорость смещения литосферной плиты по отношению к глубоким недрам Земли. Конечно, точность такого определения скорости невелика, но других возможностей пока что нет. А скорости смещения литосферных плит, определенные этим методом, очень правдоподобны. Так, по гряде вулканов Гавайского хребта получена скорость движения литосферной плиты, равная 10 см в год. По различным цепочкам мертвых вулканов специалисты прослеживают смещение литосферных плит за десятки миллионов лет. Особенно важно иметь информацию о движении разных литосферных плит в одно и то же время. Этот метод позволяет получить такую информацию. Определяют не только величину скорости, но и ее направление. Специалисты при этом наткнулись на моменты в геологической истории Земли, когда направление скорости смещения литосферных плит резко менялось. Такие явления (переломные моменты) наступали одновременно для разных плит. То есть происходили некие процессы глобального характера.

Анализ скоростей смещения литосферных плит показал, что плиты более охотно движутся на запад. Если вспомнить, что Земля вращается с запада на восток, то это станет понятным. В сущности, происходит небольшое общее проворачивание на запад всей литосферы Земли относительно нижней мантии и ядра. Почему же происходит отставание литосферы при вращении Земли вокруг своей оси (отставание относительно более глубоких оболочек)? Дело в том, что сила притяжения Луны вызывает приливные волны в атмосфере, гидросфере и литосфере. Конечно, эти волны в литосфере (земной коре) значительно слабее, нежели в океанах и в атмосфере. Но тем не менее, хотя они и явным образом незаметны, они отражаются на движениях литосферных плит. Когда приливная волна образуется в литосфере, то литосфера сопротивляется изгибу. Именно это порождает силы приливного торможения. Именно под действием этих сил при вращении Земли вокруг собственной оси литосфера несколько отстает от вращения более глубоких слоев Земли. Это замедление во вращении земной коры и всей литосферы проявляется и в дрейфе зон расхождения (спрединга). Зоны пододвигания литосферных плит (зоны субдукции) также дрейфуют на запад, хотя и с другими скоростями. Таким образом, те и другие зоны совершают сложные движения: на их расхождения и пододвигания накладывается западный дрейф. Если литосферная плита одним своим концом глубоко уходит вниз в мантию и оказывается в наклонном положении, то она оказывается достаточно хорошо застабилизированной. Она как будто находится на мантийном якоре. На движение такой плиты меньше сказывается западный дрейф, она старается прокручиваться вместе с нижележащей мантией. Примером таких устойчивых зон служат зоны субдукции (пододвигания) на западе Тихого океана (под островными дугами и желобами на востоке Азии и Австралии), которые круто уходят вниз. Поэтому они глубоко «заякорены» в мантии.

Западный дрейф литосферы можно наблюдать воочию. Вернее не сам дрейф, а его последствия. Одно из таких последствий — асимметрия Тихого океана. Он с одной стороны обрамляется гирляндами островных дуг, а с другой — берегами континентов.

В результате западного дрейфа произошло и надвигание Северной Америки на Восточно-Тихоокеанское поднятие. Именно это оказало сильное влияние на горообразование и вулканизм в Кордильерах.

В заключение скажем несколько слов о последствиях смещения литосферных плит. Если океаническая плита подползает под континентальную, то это может означать конец континента. Под японские острова с востока, со стороны Тихого океана подползают две океанические литосферные плиты. Обе они находятся очень близко к островам. Это навело на мысль создателей фильма «Гибель Японии» проиллюстрировать то, что неизбежно когда-то произойдет. К счастью, плиты смещаются со скоростью 10 см в год. Поэтому это произойдет через многие миллионы лет. Но произойдет.

КАЛЕНДАРЬ

Основными единицами времени являются день (сутки) и год. Сутки равны 24 часам. Это тот промежуток времени, за который Земля совершает в точности один оборот вокруг своей оси. Год же — это тот промежуток времени, за который Земля совершает один обход вокруг Солнца при своем движении по своей эллиптической орбите. За это время, то есть в течение одного года, Земля совершает не целое число оборотов вокруг своей оси. Она совершает 365 оборотов и примерно четверть оборота (5 часов 48 минут 46 секунд). Значит, год равен 365 дням 5 часам 48 минутам и 46 секундам. На практике таким годом пользоваться было бы крайне неудобно. Поэтому этот физический год заменили условным, который равен целому числу дней (суток). Этот условный год стали называть гражданским или календарным годом, поскольку на его основе был составлен календарь.

Календарь представляет собой некую систему счета длительных промежутков времени. В ней установлен определенный порядок счета дней в году. При этом обязательно указывается момент, эпоха, эра, от которого ведется счет лет. В связи с тем, что нецелые сутки, входящие в физический год (0,2422 суток), были отброшены, календарный год меньше реального, физического. С каждым годом эта разница будет расти, и наш отсчет времени по календарю через какое-то время перестанет отражать реальные изменения в природе. Например, зимний месяц январь (для северного полушария) может со временем стать летним месяцем. Поэтому главная задача составителей и корректировщиков календарей состояла в том, чтобы не дать этой разнице между физическим и календарным годом сильно вырасти.

Разные цивилизации в разные эпохи решали эту проблему по-разному. Не решать ее было просто невозможно — вся жизнь общества и человека проверяется временем. Установлено, что за известную нам историю человечества люди составили (и пользовались ими) примерно двести календарей. Все эти календари отличались друг от друга как счетом времени внутри года, так и началом отсчета лет.

Самые первые календари были привязаны к движениям Луны. В качестве примера лунного календаря приводят календарь Мухаммеда. В нем год был поделен на 12 месяцев, месяцы состояли из определенного количества дней. Длительность месяца исчислялась от одного новолуния до другого. Но и здесь возникла та же проблема — в один лунный месяц укладывалось не целое число дней (суток). В физический (реальный) лунный месяц укладывается приблизительно 29 суток и половина суток. Выход был найден такой: один месяц (календарный, а не физический) равнялся 29 суткам, а следующий месяц — 30 суткам. В этом календаре все было привязано к движению Луны. Поэтому год не был связан со временем оборота Земли вокруг Солнца. Это был лунный год, равный двенадцати лунным месяцам. В продолжение лунного года Земля не успевала совершить полный оборот вокруг Солнца. Ей для этого не хватало 11 дней. Как мы уже говорили, эту разницу между календарным (лунным) годом и физическим годом надо было как-то убирать. На самом деле она от года к году накапливалась. Легко подсчитать, что по прошествии 33 солнечных физических лет эта разница составляла уже ровно один лунный год. Значит, каждому 33-летнему циклу тропических лет соответствуют 34 лунных года мусульманских, соответствующих календарю Мухаммеда. Совершенно очевидно, к чему приводит то, что разницу между календарным и физическим годом не устраняют. С физическим годом связана повторяемость, цикличность явлений в природе, в частности сезоны. Одну весну от другой отделяет физический год. Если календарный год будет отличаться от физического, то весна будет начинаться в разные месяцы года. Прежде всего этим неудобен лунный календарь.

За пять с половиной тысяч лет до Мухаммеда эта задача была оптимально решена в Древнем Египте. У них год состоял из 12 месяцев, но каждый месяц не был привязан к новолуниям. Он просто равнялся 30 дням. Так получался год длительностью в 360 дней. Но уже примерно три тысячи лет до новой эры египтяне уточнили, что год содержит не 360, а 365 дней. Эти дополнительные 5 дней они добавляли к концу каждого года с тем, чтобы приблизить свой календарный год к физическому. Но четверть суток, о которых мы говорили вначале, оставались лишними. Каждый год четверть суток, или точнее 5 часов 48 минут 46 секунд. За четыре года набегают сутки. Если эти дополнительные сутки в четыре года не устранять, то за 365 × 4 = 1460 лет они дадут целый год. Это будет ошибка, равная одному году. Поскольку эту ошибку древние египтяне не устраняли, то их календарный год блуждал. По этой причине календарные даты начала разлива Нила стали постепенно сдвигаться от года к году. Поэтому этот календарь получил название «блуждающего года». Проблему разрешил египетский царь Птолемей Эвергет. По его приказу стали добавлять к концу каждого из последних четырех лет не пять, а шесть дней. Поэтому средняя продолжительность календарного (александрийского) года стала равна 365,25 суток, что и требовалось для того, чтобы максимально приблизиться к физическому году. Этот четвертый удлиненный на одни сутки год сейчас называется високосным. Древнеегипетским календарем и сейчас пользуются потомки древних египтян — абиссинцы и копты.

Что же касается нашего календаря, то он происходит от лунного календаря Древнего Рима. Древние римляне пользовались четырехгодичным календарным циклом. Они нашли решение проблемы в том, что два года этого четырехгодичного цикла у них считались по 355 дней, один год состоял из 377 дней и еще один год состоял из 378 дней. Короткие годы (355 дней) состояли из 12 месяцев. Из них 7 месяцев были по 29 дней, четыре — по 31 дню, а один месяц (февраль) состоял из 28 дней. Кстати, у римлян этот самый короткий месяц февраль был последним месяцем года. Новый год у них начинался 1 марта. В годы длинные (по 377 и 378 дней) после 28 февраля добавлялось еще 22 или 23 дня. Вставка этого дополнительного месяца назначалась верховным жрецом. Она объявлялась глашатаями, которые «выкликивали» эту новость. По-латыни «выкликать» значит caleo. Отсюда и происходит слово «календарь».

С первого взгляда ясно, что такой календарь не был совершенным. Тем более, что законодательство этому не способствовало, поскольку сохранялся произвол в назначении этого дополнительного месяца в 22 или 23 дня. Правители областей в Риме назначались сроком на один год. Поэтому для них было не безразлично, насколько длинным был этот год. И если они могли его удлинить, они его удлиняли. Чиновник везде и во все времена чиновник и блюдет прежде всего свою выгоду. Историки утверждают, что римская знать этой возможностью удлинять или сокращать год широко пользовалась. Ее мало беспокоило то, что этим произволом с длиной года вносилась большая путаница в счет времени и вообще в гражданскую жизнь. Римский император Юлий Цезарь разрубил гордиев узел. Он ввел новый календарь — юлианский. Это и есть хорошо известный нам старый стиль, который в России был заменен новым стилем только после Октябрьской революции. Что же сделал Юлий Цезарь? Он принял предложение египетского астронома Созингена, и в 46 году до н. э. был принят календарь, в котором год состоял из 12 месяцев и продолжался 365 дней. Плюс к этому каждый четвертый год удлинялся на один день с тем, чтобы регулярно устранять разницу между физическим и календарным годом. Таким образом, каждый четвертый год состоял из 366 дней. Это и есть високосный год. Этот дополнительный день добавлялся в конце года, который кончался 28 февраля. Так раз в четыре года появлялось 29 февраля.

Казалось бы, все проблемы с календарем решены. Но не совсем. Дело в том, что за четыре года набегает не точно одни сутки (один оборот Земли вокруг своей оси), а чуть-чуть меньше (на 11 минут 41 секунду). За 127 лет уже набегает день. Примерно за 400 лет набегает три дня. Их надо как-то убирать. Этот календарь (старый стиль) был введен Юлием Цезарем в 46 году до н. э. Прошло полторы тысячи лет, и набежала нехватка в 10 дней. Соответственно сдвинулись религиозные праздники. На этот раз инициативу взял в свои руки римский папа Георгий XV. В 1582 году он ввел соответствующую корректуру календаря. Корректура была простой — сдвинули начало года на эти 10 дней. Сдвинули и обязали своих наследников не запускать это дело на полтора тысячелетия, а сдвигать начало года каждые 400 лет, когда накопится избыток в 3 дня. Был разработан алгоритм, как именно производить сдвиг: раз в 400 лет три удлиненных на один день високосных года укорачивать на этот день, то есть делать их простыми. Какие годы укорачивать? Договорились укорачивать все годы столетий, кроме тех, которые по отнятии двух нулей делятся на четыре без остатка (например, годы 1600, 2000).

Православная Россия не приняла нововведение католического папы. Церковные дрязги преобладали над здравым смыслом и интересами общества, и мы почти пять столетий шагали не в ногу со всем цивилизованным миром. Естественно, разрыв между старым и новым стилем закономерно увеличивался. Если в XVI и XVII веках он составлял 10 дней, то в 1700 году он увеличился на 11 дней. Это произошло потому, что по старому стилю в этот високосный год февраль состоял из 29 дней, а по новому стилю год 1700 подлежал урезанию на один день, то есть на 29-й день февраля. Еще через столетие, в 1800 году, разница увеличилась на день и составила 12 дней. В 1900 году она составила 13 дней. 1 февраля 1918 года этот рост разрыва был прекращен — старый стиль в России был отменен, и государство перешло на летосчисление по новому стилю, то есть по европейскому (григорианскому) календарю. Так была устранена разница в 13 дней, и 1 февраля 1918 года стали считать 14 февраля 1918 года.

Но исчерпывается ли этим проблема календаря? К сожалению, нет. Мы уже говорили, что три дня набегают не за 400 лет, а за 384 года. А эта разница означает, что календарный год по новому стилю (григорианскому календарю) за 400 лет станет отличаться от физического года на 2 часа 53 минуты. За 3300 лет набегут целые сутки. Но это уже не страшно. Для практической деятельности человека такая точность календаря вполне достаточна.

До сих пор мы говорили только об одной стороне календаря — о длине и структуре года или ряда лет (цикла). Но есть еще и другая сторона — от какого момента отсчитывать годы. Специалисты считают, что в древнем мире это начало отсчета было достаточно произвольным. За начало отсчета принималось правление того или иного монарха или какое-либо естественное явление, событие. У арабов до Мухаммеда отсчитывали годы от «года слона». В этом календаре за начало отсчета было принято время нападения на Мекку правителя Йемена, в составе войск которого были боевые слоны. В Древней Греции начало отсчета (эра) трижды обновлялось. Вначале оно связывалось с Пелопоннесскими войнами, затем с падением Трои и т. д. Очередная эра в той или иной стране начиналась с момента воцарения нового правителя. Например, в Индии в 1550 году нашей эры была принята эра «Великого Могола» Акбара (естественно, по его приказу). Эра начиналась в момент вступления его на престол. Римляне поступали в этом случае наиболее естественно — они отсчитывали свою эру от момента основания Рима. В данном случае не столь важно, насколько точно известен этот момент. Важно выбрать единую точку отсчета. Римская империя распалась, а эта точка отсчета оставалась неизменной вплоть до 1287 года. Переломил ситуацию почти рядовой римский Монах Дионисий Малый. Он предложил год 1285 от основания Рима считать 533 годом от Рождества Христова. Эта эра (новая, наша, христианская) вместе с христианством распространилась по всему миру. В VIII веке она была принята во Франции, а 29 февраля 1699 года указом Петра I она была введена в России. Кстати, в России до указа Петра I счет лет велся от «сотворения мира». Считалось, что оно состоялось в 5508 году до н. э. Во всех христианских странах к концу XIX века была принята новая (наша) эра — отсчет времени от Рождества Христова. Наглядно система летосчислений показана на рис. 24.

Рис. 24. Системы летосчислений.

Условия на Земле меняются в зависимости от того, какое место она занимает в космосе и как она расположена относительно потоков космической энергии. Основным источником энергии для Земли является Солнце. Поэтому, как мы уже видели, климат зависит от положения Земли относительно Солнца: от вытянутости земной орбиты, от наклона земной оси и т. д. Но для Земли космос Солнцем не заканчивается. Вместе с Солнцем и всей Солнечной системой Земля движется вокруг центра Галактики (Галактика вращается вокруг своего центра). И это движение Земли вокруг центра Галактики нельзя не учитывать. Продолжительность одного оборота естественно назвать годом, галактическим годом. Продолжительность галактического года составляет 215 миллионов солнечных лет. При прохождении Земли по орбите вокруг центра Галактики она попадает в разные космические условия. Поэтому и на самой Земле, и в ее недрах происходят соответствующие изменения. Поэтому если уж говорить об истинном календаре, то следовало бы перейти от астрономических (на самом деле солнечных) лет к галактическим годам. Формально, надо сделать то же самое, что сделали при переходе от лунного календаря к солнечному (астрономическому).

То, что все крупнейшие события синхронно повторяются, было известно еще древним. Более того, они знали, что этот период составляет 215 миллионов лет. А это и есть продолжительность галактического года. Учеными убедительно доказано (и путем математического анализа и из эмпирических данных), что наибольшие воздействия земная кора, мантия и внешние оболочки Земли испытывают в то время, когда один галактический год кончается, а другой начинается, то есть на стыке двух галактических годов. Почему именно на стыке годов, а не в середине года? Начало галактического года (как и астрономического) мы вправе выбрать как угодно. Так с астрономическим годом и делалось. Но дальше, выбрав начальную точку отсчета, все повторяется. Начало галактического года и было выбрано по самым резким рельефам, самым заметным событиям в геологической истории всех оболочек Земли. Но и внутри галактического года происходят на Земле изменения, хотя и меньшие по масштабу, но весьма существенные. Их можно назвать сезонными. Ясно, что эти изменения связаны с тем, что Земля входит в космическое пространство, где условия отличаются от тех, что были до этого. На основании данных астрофизики можно полагать, что Земля периодически входит в мощные струйные потоки космического вещества, которые и оказывают воздействие на планету и окружающую ее оболочку.

За начало одного из галактических годов на основании анализа геологических изменений специалисты выбрали момент стыка двух геологических периодов — рифея и венда. Это было 650 миллионов астрономических лет тому назад. Таким образом, фанерозой длился три галактических года. Согласно геохронологической шкале их называют вендско-ордовикским, силурийско-пермским и мезозойско-кайнозойским. Последний из этих трех галактических лет закончился совсем недавно — около 5 миллионов лет назад. Таким образом, мы живем в самом начале нового галактического года. На стыке галактических годов происходят интенсивные тектонические движения (складчатость и горообразование, активные глобальные вулканические явления), крупные климатические и биотические изменения, смена природной среды, глобальные повышения и понижения уровня Мирового океана. Все указанные изменения по своим масштабам являются катастрофическими.

Мы знаем, когда родилась Земля, знаем продолжительность ее оборота вокруг центра Галактики (продолжительность галактического года), поэтому можем определить, сколько прошло галактических лет за все время существования Земли. Поделив одно на другое, получим 21 галактический год. Мы с вами живем в самом начале 22-го галактического года. Он закончится через 210 миллионов астрономических лет. За это время Земле снова предстоит пережить все: на ней возникнут и исчезнут целые континенты, моря и океаны, много раз будет меняться климат и кардинально изменится состав органического мира.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

ВСЕМИРНАЯ

КЛИМАТИЧЕСКАЯ КАТАСТРОФА

ВОЗРАСТ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

Для того, чтобы знать свое будущее, надо знать и понимать свое прошлое. Каково оно было у нас? Еще в начале XX века ученые считали, что человечество прожило очень немного, всего ничего. Они полагали, что в Америке человек появился 4000 лет назад. Но уже в 1967 году этот возраст пришлось увеличить до 40 000 лет. Но оказалось, что и этот возраст слишком незначительный. Стали обнаруживаться факты, свидетельствующие о том, что возраст человечества исчисляется не сотнями тысяч лет, а миллионами. Спорить с фактами бесполезно. Так, во время раскопок в Калифорнии в пустыне Мохаве была обнаружена на глубине 7 м стоянка доисторического человека, на которой имелись следы огня и обломки грубых каменных орудий. Возраст стоянки был оценен в 200 000 лет. За этим открытием следовали другие. Ученый Л. Лики обнаружил череп зиджантропа, а также каменные орудия, возраст которых достигал уже 2 000 000 лет. В пустыне на северо-востоке Эфиопии были обнаружены предметы труда, каменные «инструменты», которые свидетельствовали о том, что «человек, работающий с инструментами», жил здесь примерно 2 500 000 лет. Такой же возраст у находки предметов труда, которые были обнаружены в Кении у озера Рудольфа. Новые раскопки археологов в Эфиопии свидетельствовали, что временную черту следует отодвинуть за 3 000 000 лет. В это время на Земле появился «человек прямоходящий». Затем в Южной Эфиопии работала международная археологическая экспедиция (бельгийцы, американцы, французы). Собранный ею материал давал основание сдвинуть временную начальную метку в прошлое на 4 000 000 лет.

На самом деле истоки человечества восходят к значительно более раннему времени. В Кении была найдена челюстная кость, которая, как убедительно доказано, принадлежала предку «гомо сапиенс», который жил 13 000 000 лет до нашего времени. Это были факты, свидетельствующие об отдельных людях. Но и данные, касающиеся целых цивилизаций, свидетельствуют о том, что древние цивилизации намного древнее, чем полагали раньше. Что касается первых цивилизаций в Центральной Америке, то ученые считали, что они появились здесь только в первые века нашей эры. На самом деле новые данные говорят за то, что цивилизации в Центральной Америке появились намного раньше. Что это за данные? Приведем некоторые из них.

Недалеко от Мехико находится ступенчатая пирамида. В свое время значительная часть этой пирамиды была залита лавой, извергнутой из кратера вулкана. Возраст лавы специалисты определяют достаточно убедительно. Оказалось, что пирамида уже существовала 5000 лет до нашей эры — ведь она вначале была построена, а затем ее законсервировала лава. До этого считалось, что 5000 лет до н. э. в этом регионе Земли не было цивилизаций, способных создать подобные сооружения. При раскопках пирамиды археологи последовательно прошли несколько культурных слоев. В самом основании они обнаружили культурный слой, который можно было датировать серединой 5-го тысячелетия до н. э. Здесь можно говорить не о догадках или предположениях, а о весьма точных измерениях, поскольку использовался метод радиоуглеродного анализа. Кстати, эти измерения позволили определить, что в 2160 году до н. э. люди покинули пирамиду.

Можно не сомневаться, что эта цивилизация имела и соседей, дальних или ближних. Это подтверждают археологические раскопки. Так, в нижней долине реки Миссисипи в 1982 году были обнаружены следы уникального огромного сооружения, которое состояло из шести концентрических восьмиугольников. Размеры сооружения поражают — по диагонали сооружение занимало около 1 км. Ученые определили, что построено оно было за 1800 лет до н. э. Для чего оно было построено? Не просто для забавы! Анализ конструкции и размеров сооружения показал, что просветы между восьмиугольниками с очень высокой точностью соответствуют направлению захода солнца в дни зимнего и летнего солнцестояния. Отсюда и на основании других характеристик этого сооружения специалисты сделали вывод, что постройка служила для того, чтобы измерять время с очень высокой точностью.

Любопытен и такой факт. На одной из каменных стен в Центральной Америке была высечена дата, соответствующая 12 042 году до н. э. Были обнаружены и более поздние даты и надписи различного содержания. Все это было обнаружено севернее от тех мест, где находится ступенчатая пирамида, залитая лавой и свидетельствующая о существовании в то время развитой цивилизации. Данные раскопок свидетельствуют о том, что и южнее от этого региона находились развитые цивилизации. Так, в районе нынешнего Перу находятся руины Гран-Пахатен. Там обнаружены многочисленные барельефы, на которых изображены странные человеческие существа. Эти находки относятся к «культуре Антисуйо». Эта цивилизация, по мнению специалистов, существовала за 20 000 лет до н. э. Эта культура не могла не быть связанной с цивилизацией, которая в то время развивалась в Центральной Америке. Здесь речь идет о временной шкале в 40 000 лет. Причем найдены не только останки человека, но и орудия производства, которыми он пользовался, и вообще различные материальные следы его трудовой деятельности.

Одновременно не будем забывать о египетской, шумерской и южноамериканской цивилизации. Когда они существовали? Считалось, что первые государства в долине Нила возникли в четвертом тысячелетии до н. э. Но Геродот писал, что в его время сохранившиеся письменные источники египетской цивилизации следует датировать на 17 000 лет назад. В IV веке до н. э. египетский жрец Манефон написал историю Египта, при этом он начинал свою хронологию от 30 627 года до н. э. Еще более давнее существование цивилизаций подтверждается такими фактами. Византийский историк Снеллиус говорит о неких записях, которые назывались «Древние хроники» и велись жрецами Египта на протяжении 36 525 лет. Это ли не поражает! Греческий историк Диоген Лаэртский в III веке н. э. утверждал, что египетские жрецы берегут записи, которые уходят в прошлое на 48 863 года до времен Александра Македонского. Это не должно сильно удивлять, поскольку многие даты древних историков, которые относятся к Египту, восходят к тем временам, когда там якобы вообще не обитали люди. Но эти взгляды под натиском фактов пересматриваются. А факты поступают один за другим.

Так, в 1969 году в долине реки Нил были обнаружены каменные орудия, которыми пользовался живший здесь человек 70 000 лет тому назад. Любопытен и такой факт, свидетельствующий о древности первых цивилизаций человечества. В развалинах города Тиаунако в Андах был обнаружен весьма странный календарь. Странность его состояла в том, что он насчитывал 290 дней. В настоящее время этот город расположен в горах на высоте 4000 метров. На такой высоте практически нет растительности, и вообще там условия отнюдь не благоприятствуют жизни людей. Но подумайте, что там было обнаружено — остатки большого порта (на высоте 4000 метров в горах!), морские ракушки, изображения летающих рыб, а также скелеты ископаемых морских животных. Ясно, что все это свидетельствует о том, что этот город когда-то находился у моря.

Что же произошло? Поднялись горы (Анды) и на своих плечах подняли и прибрежный город. Но геологи знают, что подъем Анд произошел 60–70 миллионов лет назад, в третичный период. Значит, к тому времени город уже был, была цивилизация, а не просто человек. Эти заключения подтверждают и другие факты. Вблизи этого города находится озеро Титикака. На дне этого озера исследователи в наше время обнаружили остатки построек, стены, которые были составлены из огромных каменных глыб. Сами стены идут вдоль мощеной мостовой. Они расположены параллельного друг другу и тянутся более чем на километр. Специалисты-археологи считают, что это сооружение представляет собой остатки прибрежного храма, где совершались захоронения важных лиц. Храм оказался на дне озера в результате того, что развивался процесс горообразования.

Сообщается и о других фактах, которые свидетельствуют о том, что человечество, его цивилизации берут свое начало сотни миллионов лет назад. Один из интригующих фактов такой: в XVI веке в серебряных рудниках Перу испанцы нашли странный предмет. Это был железный гвоздь, длина которого достигала 18 см. Большая часть гвоздя оказалась зацементированной в куске каменной породы. Он пролежал в недрах Земли десятки тысячелетий. Сообщается, что вице-король Перу Франциско де Толедо длительное время держал этот гвоздь в своем кабинете и показывал его как нечто чрезмерно курьезное. Сохранилось письмо, в котором он сам об этом пишет. Но гвоздь не сохранился (к сожалению).

Другой факт такой. В угольных пластах в Австралии был обнаружен железный метеорит, на котором четко выделялись следы обработки человеком. А ведь метеорит был найден в третичных слоях. Это значит, что примерно 30 миллионов лет тому назад метеорит обрабатывал своими инструментами человек.

Что-то подобное было обнаружено и в Шотландии, только здесь речь шла не о метеорите, а о некоем металлическом предмете. Он был найден в толще каменного угля. Кстати, в куске каменного угля была обнаружена даже золотая цепочка. А каменноугольный период (карбон) отстоит от нас на все 350–275 миллионов лет. Комментарии излишни, ведь золотую цепочку должен был кто-то изготовить, прежде чем она оказалась в каменноугольном плену! В этом плену в 1885 году была обнаружена стальная пластинка с примесью никеля. Весила она 785 г, ее размеры 67 × 67 × 47 мм. Гипсовый слепок, снятый с этой пластинки, находится в музее города Линеза и сейчас. Жаль, что там не хранится сам оригинал, куда он первоначально был передан.

Конечно, нашему современнику хочется, чтобы о древности говорилось столь же уверенно, как и о современности. Он хочет достоверных фактов. Но исследователи не могут произвольно увеличить число этих фактов. Они могут только очень тщательно и добросовестно изучать имеющиеся факты, предметы-свидетельства, анализировать информацию, которую они несут в себе. Поэтому каждый такой факт является бесценным, и не надо торопиться выбрасывать эти предметы-свидетельства на свалку только потому, что мы с вами не понимаем их происхождения и не отдаем себе отчета в их значении. Уроков такого самомнительного выбрасывания слишком много — человек всегда хотел верить в свое всемогущество, во всемогущество своего ума и очень торопился поступать в соответствии с этой верой. Так, из музеев Европы были выброшены камни, упавшие с неба (метеориты), поскольку французские «бессмертные» (так во Франции называли членов академии наук) постановили, что «камни не могут падать с неба». Ох уж этот раскрепощенный человек, вечно жалующийся на то, что он только второй после Бога! А хотелось бы быть первым. Очень хотелось бы, да только не получается, и почему-то, что бы человек ни делал, все невпопад. Человек расщепил атомное ядро и повысил уровень радиации на всей Земле. Он разрабатывает и использует такие технологии, которые загрязняют окружающую среду, постепенно превращая ее в непригодную для своего собственного существования. Давайте будем сдерживать свои амбиции и не повторять на каждом шагу: «Я сам!» Будем внимательно относиться к истории Земли и человечества и беречь каждое свидетельство этой истории. Не будем торопиться выбрасывать на свалку свидетельства и поумерим по возможности свое высокомерие.

Продолжим рассмотрение этих свидетельств.

В научной литературе сообщалось, что в Лондонском музее естественной истории хранится как очень ценная реликвия особый человеческий череп. Особенность его состоит в том, что в левой его части имеется равное, строго круглое отверстие. Такое отверстие могло быть создано только огнестрельным оружием. Если бы оно было образовано холодным оружием или каким-либо другим предметом, то неизбежно образовались бы мелкие трещинки и осколки. Но таковых не оказалось. Особенность этого черепа состоит в том, что его возраст составляет 40 тысяч лет. Значит, в то время череп был пробит пулей?!

Хранится и еще один подобный свидетель древних цивилизаций. В Палеонтологическом музее в Москве также хранится череп с отверстием от пули, но это череп не человека, а зубра, и возраст его не сорок, а сотни тысяч лет. Значит, уже в то время было огнестрельное оружие, что само по себе свидетельствует о существовании весьма высокоразвитой цивилизации.

Идем дальше. В 1973 году в французском научном журнале сообщалось, что в процессе раскопок, проводимых под Парижем, были обнаружены осколки искусственных кремниевых орудий. Они находились рядом с костями быка. Геологи определили, что эти орудия относятся к верхнему палеолиту. Это примерно 15 тысяч лет назад. Анализ осадочных пород, о котором мы уже писали раньше, позволил специалистам сделать вывод, что найденным каменным орудиям не менее 20 миллионов лет. Следовательно, уже в то время человек был вооружен орудиями труда и охоты.

Подобные свидетельства древности человеческой цивилизации самые разнообразные. Ценную информацию содержат обнаруженные отпечатки на скальных породах, а также на песчанике. Их возраст составляет сотни миллионов лет: сделаны они были на мягких породах и на влажном песке. Так, советско-китайская палеонтологическая экспедиция, работавшая в 1959–1960 годах в пустыне Гоби, обнаружила странный отпечаток на песчанике. Это были небольшие углубления правильной формы. Они были расположены ровными рядами на одинаковом расстоянии друг от друга. Четко просматривалась геометрическая правильность рисунка. Специалисты ее назвали «машинной» правильностью, поскольку складывается такое впечатление, как от штамповки. Поэтому не приходится предполагать, что такой рисунок могло создать какое-либо живое существо. Но тогда кто это сделал, кто мог оставить такой след? Ответа нет.

В тридцатые годы нашего века на окаменевшем песке также был обнаружен отпечаток. Но это был отпечаток следов прямоходящего существа. Эти следы уж очень напоминали следы человека. Обнаруженным следам было 250 миллионов лет. Значит, в то время уже был человек, и он ходил распрямившись на двоих! Такой вывод для ученых очень неподходящий. Он ломает все прежние представления, в создание которых вложено столько труда. Неудивительно поэтому, что это свидетельство — следы — было подвергнуто самому тщательному анализу. Прежде всего, надо было убедиться, что эти следы не были созданы сейчас, то есть что они не были выбиты искусственно в песчанике. Были применены самые современные физические и физико-химические методы исследования. Все результаты исследований убедительно показали, что подделка исключается, что следы действительно очень древние. Любопытно будет для читателя знать, как добиваются объективности. В данном случае анализ проводили трое ученых независимо друг от друга. Друг о друге они не знали, и вообще никто из них не знал, что еще кто-то делает то же, что и он. Тем не менее все они проводили весьма скрупулезную работу, сравнивая под микроскопом плотность песчинок как на месте самого следа, так и на соседних участках, которые не подверглись давлению ног неизвестного. Выводы всех трех независимо работающих экспертов был сформулирован практически одинаково: «Песчинки, расположенные на месте следа, лежат ближе друг к другу, чем на соседних и других участках песчаника, при той же их комбинации, что объясняется давлением, созданным ногой этого существа». Мы приводим полученные отпечатки на рис. 25. Они были опубликованы в научных журналах. Учеными было предложено назвать существо, оставившее эти следы, термином «человекоподобный, странный». В заключении экспертов констатировалось, что отпечатки «соответствуют размерам ноги человека — 25–26 см длины, и они почти такой же формы. Если бы большой палец был чуть крупнее, а мизинец не отстоял бы чуть ли не под прямым углом к оси стопы, отпечатки можно было бы принять за след человека».

Напомним, что речь идет о существах, которые жили 250 миллионов лет назад, в каменноугольный период. Классическая наука учит, что тогда обитали амфибии, родственные теперешним лягушкам, а также саламандры. Если это следы амфибии, то она должна была быть неправдоподобно огромной.

Описанные выше следы «человекоподобного» были обнаружены на американском континенте геологом У. Г. Бурроу, который возглавлял кафедру геологии. Но отпечатки ноги «человекоподобного» были обнаружены и в Туркмении в Кургатанском заповеднике. Они четко напоминают следы босой ноги человека или человекообразного существа. Длина следа составляет 26 см. «Человекоподобное» существо оставило свой след 150 миллионов лет. Любопытно и загадочно то, что встречаются только следы задних конечностей этого существа. Следов его рук нет. Загадка остается неразгаданной. Один из исследователей об этом писал так: «Загадка остается. Четверть миллиарда лет назад это нечто, ходившее как человек, оставило отпечатки своих конечностей на россыпях песка, который время превратило в скальную породу. Затем существо это исчезло. А теперь ученые скребут затылки».

Рис. 25. Следы прямоходящего существа, напоминающие следы человека (250 миллионов лет назад).

Но описанные следы — не самое странное из того, что запечатлелось на скальных породах. Были обнаружены и более странные отпечатки. Так, на месте излома скальной породы был обнаружен четкий отпечаток подошвы. Причем подошва была с каблуком, поскольку задняя часть следа более углублена. Это естественно, поскольку при ходьбе так распределяется тяжесть идущего. Исследовавшие эти следы геологи сделали заключение, что это образование в свое время находилось на поверхности и только впоследствии было похоронено под наслоениями различных пород. Что же касается времени, когда этот след был оставлен, то оно отдалено от нас на 500 миллионов лет. Главный вопрос существует всегда — насколько это достоверно? В данном случае специалисты считают, что достоверно, поскольку в образце породы, где обнаружен этот странный отпечаток, встречаются окаменевшие трилобиты, моллюски, которые существовали именно в ту эпоху — 500 миллионов лет назад. Как будто специально — одна из таких окаменелостей приходится прямо на сам след. Это своего рода гербовая печать с подтверждением истинности не только места, но и возраста.

Такой отпечаток обуви не единственный. Отпечаток подошвы довольно примитивной обуви был обнаружен также на пласте каменного угля. В данном случае след достаточно четкий. На отпечатке четко просматриваются даже стежки двойной нити, которой подошва была прошита.

Мы привели некоторые факты, которые свидетельствуют о том, что сотни миллионов лет тому назад не только существовал человек, но он располагал и орудиями производства, охоты и ремесла.

СВИДЕТЕЛЬСТВА О КАТАСТРОФЕ

Жизнь человека всегда зависела от окружающей среды. На рис. 26 показано изменение средней зимней температуры Великобритании за 20 000 лет до нашей эры. Обратите внимание на то, как кривая внезапно падает вниз примерно 11 000 лет до н. э. Это значит, что происходило похолодание, которое длилось примерно тысячу лет. Но затем температура резко увеличивается. Через тысячу лет средняя зимняя температура увеличилась примерно на 10° и установилась на современном уровне.

Возникает естественный вопрос — откуда мы знаем, как менялась температура воздуха за 20 000 лет? Она достаточно убедительно рассчитывается по остаткам растительности. И эти расчеты заостряют наше внимание на отрезке времени между 11 и 10 тысячелетием до н. э. Что такое произошло на Земле и температура так резко изменилась?

Анализируя весь комплекс данных, исследователи приходят к выводу, что такое глобальное изменение климата могло быть вызвано только глобальным процессом, в частности опусканием достаточно большой по площади суши в Атлантическом океане. В результате этого опускания теплое подводное течение Гольфстрим устремилось на север. Поэтому именно это время закончилось эпохой оледенения в Европе и Гренландии, то есть закончился последний ледниковый период в северном полушарии.

Чем же подтверждаются такие выводы? Прямых и косвенных фактических материалов, которые свидетельствуют в пользу заключения, что 11–10 тысяч лет до н. э. произошло опускание суши в Атлантическом океане, достаточно много. Приведем только некоторые из них. Шведский ученый В. П. Колбе анализировал пробы дна Атлантического океана. Пробы были им взяты на глубине 3600 м. В пробах оказались остатки таких водорослей, которые могут существовать только в пресной воде. Как эти водоросли, сугубо пресноводные, попали на глубину почти 4 км в Атлантическом океане? Можно предположить только одно — они опустились на дно океана вместе с сушей. Можно ли установить, когда это произошло?

Рис. 26. Средняя зимняя температура Великобритании

за период от 20 000 года до н. э.

О времени опускания суши ученые судят по вулканическим извержениям. Так, стекловидная вулканическая лава может образовываться только при атмосферном давлении, то есть на суше. Кусок такой лавы извлекли в 1898 году со дна Атлантического океана специалисты, которые занимались ремонтом кабеля, проложенного по дну океана. Кусок скалы вулканического происхождения был передан ученым. Они установили, что она образовалась в тринадцатом тысячелетии до новой эры. Суша с этой лавой могла опуститься на дно океана только после этого момента времени. Когда?

Ледниковый период закончился в 10-м тысячелетии до н. э. В это время ледниковый покров, который сковывал значительную часть северного полушария, начал таять. В результате воды в Мировом океане значительно прибавилось и его уровень повысился на 125–150 м. Оказались затопленными обширные районы суши. Это привело к отделению Азии от Америки. Самый высокий уровень Мирового океана был в 9600 году до н. э. Платон опускание Атлантиды датирует 9570 годом. Таким образом, можно заключить, что опускание суши произошло в 10-м тысячелетии до н. э. Оно привело к столь резкому изменению климата в глобальном масштабе. Кстати, именно с этим периодом специалисты связывают резкое увеличение влажности атмосферного воздуха.

Специалисты по гидрографии также выделяют этот период. Они располагают множеством достоверных фактов о том, что именно в этот период произошла значительная перестройка ландшафтов на территории Европы и Передней Азии. Такая же перестройка в этот период происходила в Америке. Свидетельством этого может служить структура Ниагарского водопада. Суть этой структуры состоит в следующем.

Каменные ступени Ниагарского водопада длительное время испытывали напор падающей воды. Когда же какая-либо каменная ступень оказывалась в результате этого напора размытой, то вода устремлялась на следующую ступень. Специалисты установили, что Ниагарский водопад возник в результате резких геологических сдвигов во временном отрезке между 8 и 13-м тысячелетием до н. э.

Уровень воды в водных бассейнах специалисты устанавливают путем анализа растительных остатков, а также по размытым контурам берегов этих бассейнов. Для обеспечения достоверности результатов анализируют данные по закрытым водным бассейнам, то есть таким, из которых не вытекают реки. Так, исследовались шесть крупных озер тропической Африки за 20 000 лет. Оказалось, что по всем шести озерам результаты получились одинаковые. Данные свидетельствуют о том, что на границе 10-го тысячелетия до н. э. все шесть озер были наполнены до максимального уровня. При этом четыре озера выходили в это время из своих берегов.

Особенность этого периода подтверждают и археологические данные. Американский археолог Гарсиа Пайона в Кордильерах на высоте 5700 м обнаружил остатки двух хижин, которые находились под толстым слоем льда. Эти хижины были окружены ракушечником. Это свидетельствует о том, что здесь некогда был берег моря. Уверенно можно говорить о том, что это было 10 000 лет назад. Радиоуглеродный метод позволяет датировать события весьма точно. С использованием этого метода специалисты получили очень важную и, можно сказать, обильную информацию о происходящем в далеком прошлом. Нобелевский лауреат американский ученый У. Ф. Либби так описывает происходящие в этот период удивительные явления на Американском континенте: «Примерно 10 400 лет назад следы человека внезапно исчезают. Полученные пока факты как будто свидетельствуют о том, что именно на этом рубеже происходит перерыв в последовательности. Это явление трудно объяснить, если принять во внимание, что значительная часть американского материка не была покрыта льдом во время последнего оледенения».

В этом же временном отрезке перерыв в последовательности наблюдается учеными и в Европе. Так, во франко-кантабрийских пещерах в этот период рисунки внезапно исчезли. Это происходило 10–12 тысяч лет назад. Через некоторое время пещерная живопись вновь возродилась и постепенно достигла своего нового расцвета.

Подобные по сути явления прослеживаются в этом временном отрезке в глобальных масштабах: на Американском континенте, в Европе, в Египте, в Центральной Азии. Так, в Курдистане есть знаменитая пещера Шанидар. Это своего рода Эрмитаж или Лувр. Здесь культурные слои представляют собой как бы хронику за 100 000 лет. Четко прослеживается, как один культурный слой следовал за другим, одна эпоха сменяла другую. Но и тут на рубеже 10 000 лет наблюдается обрыв, как и в других местах на Земле в этот период, что свидетельствует об исчезновении следов деятельности человека. Вместо следов деятельности человека в этот период появились слои осадочных пород, которые были намыты водой. Добавим, что эта пещера находится на высоте 750 м над уровнем моря. А в тот период она оказалась затопленной водой. В результате появились камни, которые обрушивались с потолка пещеры во время сильных землетрясений. Новый культурный слой в пещере постепенно формировался только через пять тысячелетий после перерыва. Вначале он рос медленно, а затем его рост постепенно ускорялся.

Об информативности извержения вулканов, пород, которые при этом выбрасываются, и лавы, которая образуется, мы уже говорили. Эта информация также подтверждает, что примерно 10 000 лет назад действительно произошли глобальные изменения не только климатического характера. Человек в этот период почти полностью исчез с лица Земли. К счастью, только «почти».

Так, специалисты по вулканологии располагают достоверными данными о том, что в этот период перерыва последовательности вулканическая деятельность очень сильно активизировалась. Специалисты нашли следы вулканического пепла при бурении скважины в ледяном панцире Антарктиды на глубине 1,5 км. Анализ пепла показал, что он образовался в указанный временной отрезок, то есть 8-го — 12-го тысячелетия до н. э. Вопрос о том, был ли занесен сюда пепел из других континентов, или вулканы бушевали в Антарктиде, в данном случае не принципиален. Важно то, что в этот период активность вулканов сильно возросла.

Нечто подобное происходило в это время и в Арктике, за Северным полярным кругом. Это подтверждают результаты бурения гренландского ледяного панциря. Бурильщикам удалось проникнуть на глубину более 2 км. Перед ними раскрылась великолепная картина — летопись климата и вулканических явлений целой эпохи. Важно то, что снег, который выпал в Гренландии в этом временном отрезке, то есть в конце ледникового периода, содержал в себе повышенное количество пыли.

Данные, полученные в Европе, говорят о том же. Так, в 9080 году до н. э. произошла вулканическая катастрофа в бассейне реки Рейн в Германии. Специалисты назвали ее «Помпеями ледникового периода». В результате этой вулканической катастрофы обширные окрестности вместе с поселениями были залиты потоками вулканической лавы, слой которой достигал пятнадцатиметровой толщины. В это время дождь из пепла достигал территории современной Польши.

Ученые располагают данными, которые позволяют значительно сузить указанный временной отрезок, то есть уточнить дату происшедших глобальных катастрофических изменений. Очень информативны в этом плане данные о численности населения Земли за последние 14 000 лет. Ее изменения показаны на рис. 27. Глядя на рисунок, возникает вопрос — кто проводил всемирную перепись населения? Численность населения за весь период до новой эры рассчитывалась. Расчеты основывались на следующей закономерности, которая была установлена для саморегулирующейся системы. При проведении расчетов численности населения за указанный период до новой эры использовались как данные о численности населения Земли за последние два тысячелетия, так и закономерности саморегулирующихся систем. К началу нашей эры численность населения всей Земли составляла около 250 миллионов человек. Демографы дают близкую цифру — 200 миллионов человек.

Как видно из рисунка, численность всего населения Земли за последние 14 тысяч лет изменялась очень существенно. В начале этого временного периода она равна примерно 20 миллионам человек. За одно тысячелетие после этого численность населения увеличилась в 32 раза (демографический взрыв) и в 11 800 — 11 600 годы до н. э. составляла 640 миллионов человек. После этого пика начался весьма резкий спад численности населения. Всего за 200 лет оно уменьшается примерно в десять раз. Далее она продолжала уменьшаться, но более плавно. На рубеже 8 000 — 8 600 годов до н. э. численность населения Земли составляла около 8 миллионов человек. Именно с этого времени начался рост численности населения Земли, который продолжается и в наше время. Напрашивается вопрос — как возросло бы население Земли, если бы не произошла глобальная катастрофа, о которой свидетельствует вся совокупность данных?

Рис. 27. Народонаселение мира за последние 14 000 лет.

Приведем те данные, которые позволяют значительно уточнить время происшедшей катастрофы. В этом плане любопытно, что исходная точка индийского лунно-солнечного календаря приходится на 11 652 год до н. э. Что же касается календаря майя, то он состоял из отдельных циклов, каждый из которых длился по 2760 лет. Если эти циклы откладывать в прошлое, то мы приходим к той же дате — 11 653 год до н. э. Поразительное совпадение! Из рисунка видно, что за 200 лет после происшедшей катастрофы из живущих на Земле остался только каждый десятый. Вот когда человечество решало проблему своего выживания. Платон об этом писал так: «Когда случилось это опустошение, дела у людей складывались так: кругом была необозримая страшная пустыня, огромная масса земли, все животные погибли, лишь кое-где случайно уцелели стада рогатого скота да племя коз. Эти стада и доставляли вначале пастухам скудные средства к жизни».

Выброс большого количества вулканического пепла в атмосферу привел к ее замутнению. Солнечный свет отражался в космос, и на Земле стало темно и холодно. Но по мере затухания вулканов и землетрясений атмосфера постепенно очищалась от вулканической пыли и солнечный свет все больше и больше проникал к земной поверхности. Происходило плавное восстановление жизни. Ассирийский и египетский календари берут свое начало именно от момента завершения катаклизма. Так, египетский солнечный цикл насчитывал 1460 лет. Дата завершения одного из этих циклов достоверно нам известна. Это 1322 год до н. э. От этой временной точки мы можем откладывать солнечные циклы в прошлое. Куда же мы при этом придем? К 11 542 году н. э. Это начало египетского календаря, это время завершения катаклизма, вызванного катастрофой.

Что же касается ассирийского календаря, то он состоял из лунных циклов. Они имели совсем иную протяженность. Каждый лунный цикл длился 1805 лет. Здесь мы также знаем дату конца одного из лунных ассирийских циклов. Это 712 год до н. э. Таким же способом откладываем лунные циклы от этого момента в прошлое и приходим к отправной точке, началу ассирийского календаря. Это тот же 11 542 год, год в год! Считать, что такое совпадение начала двух календарей является случайным, не приходится. Очевидно, что начало отсчета времени в двух разных календарях связано с конкретным глобальным явлением. Им, без сомнения, и была описываемая здесь катастрофа.

Приведенные выше данные позволяют заключить, что начало и завершение катастрофы вписываются во временной интервал между 11 652 (или 11 653) год до н. э. и 11 542 год до н. э.

ВСЕМИРНАЯ КАТАСТРОФА

Обратимся к сообщениям о всемирной катастрофе, которые содержатся в древних источниках различных народов.

В Библии о катастрофе сказано так: «Спустя семь дней воды потопа пришли на землю. В шестисотом году жизни Ноевой, во втором месяце, в семнадцатый день месяца, в этот день разверзлись все источники великой бездны, и окна небесные отворились. И был дождь на земле сорок дней и сорок ночей… И было наводнение сорок дней на земле, и умножилась вода, и подняли ковчег, и он возвысился над землей. И усиливалась вода и весьма умножилась на земле, и плавал ковчег на поверхности вод. И вода усилилась чрезвычайно на земле, так что покрылись все высокие горы, каждая часть под всем небом. На пятнадцать локтей поднялась над ними вода, и покрылись горы. И лишилась жизни всякая плоть, движущаяся на земле: и птицы, и скоты, и звери, и все гады, ползающие по земле, и все люди. Все, что имело дыхание духа жизни в ноздрях своих, все, что на суше, умерло. И истребилось всякое существо, которое было на поверхности земли; от человека до скота, и гадов, и птиц небесных, истребились они на земле: остался только Ной и что с ним в ковчеге. И усиливалась вода на земле сто пятьдесят дней. И вспомнил Бог о Ное, и о всех зверях, и о всех скотах, бывших с ним в ковчеге; и навел Бог ветер на землю, и воды остановились, и закрылись источники бездны и окна небесные, и перестал дождь с неба. И возвращалась вода с земли постепенно, и стала убывать вода по прошествии ста пятидесяти дней. И остановился ковчег в седьмом месяце, в семнадцатый день месяца, на горах Араратских. И вода постепенно убывала до десятого месяца; в первый день десятого месяца показались верхи гор».

На глиняных табличках Шумера также говорится о потопе: «Утром хлынул ливень, а ночью хлебный дождь Я увидел воочию. Я взглянул в лицо погоды — страшно глядеть на погоду было… Первый день бушует южный ветер, быстро налетая, затопляя горы, словно войною людей настигая. Не видит один другого…»

Сообщения о глобальном потопе имеются и в египетских священных книгах, и в санскритских текстах Индии, и у народов островов Тихого океана, и в преданиях обеих Америк. Многочисленные предания о потопе хранят мифы Южной, Центральной и Северной Америки, от Огненной Земли на юге до Аляски на севере. Нет ни одного индийского племени, в мифах которого не говорилось бы о потопе.

В древних источниках содержатся и изображения самого потопа. На рис. 28 показано изображение, которое содержится в древневавилонском источнике.

Рис. 28. Изображение всемирного потопа. Древний Вавилон.

В древнемексиканских текстах — «Кодексе Чималпопока» — потоп описывается так: «Небо приблизилось к земле, и в один день все погибло. Даже горы скрылись под водой… Говорят, что скалы, которые мы видим теперь, покрыли всю землю, а тетзонтли (пористая каменная лава — строительный материал в Мексике) кипело и бурлило с большим шумом, и вздымались горы красного цвета….»

Жрецы индейцев киче в своем кодексе «Пополь-Вух» (современная Гватемала) писали о катастрофе так: «Лик земли потемнел, начал падать черный дождь, ливень днем и ливень ночью…» «Густая смола пролилась с неба…» Люди пытались спастись и «побежали так быстро, как только могли. Они хотели вскарабкаться на крыши домов, но дома падали и бросали их на землю; они хотели вскарабкаться на вершины деревьев, но деревья их стряхивали прочь с себя; они хотели скрыться в пещерах, но пещеры закрывались перед ними».

Предания индейцев Амазонки также содержат описание катастрофы. Там сказано, что вначале раздался страшный рев и грохот, а потом все погрузилось в мрак. После этого на землю обрушился ливень, который смыл все и затопил весь мир.

Одно из бразильских преданий гласит: «Вода поднялась на большую высоту, и земля вся была погружена в воду. Мрак и ливень не прекращались. Люди бежали, не зная, куда укрыться; взбирались на самые высокие деревья и горы».

В мифах индейцев Островов королевы Шарлотты говорится, что до катастрофы Земля была не такой, как сейчас, и что тогда совсем не было гор. Это наводит на мысль, что, возможно, в тот же период происходило и горообразование. Об этом сказано и в «Кодексе Чималпопока». Там говорится о вздымающихся красных горах, которые были раскалены или покрыты расплавленной лавой. Из воспоминаний африканских народов следует, что катастрофа не ограничивалась потопом. Она сопровождалась ураганами, землетрясениями и вулканической деятельностью.

Из анализа и сопоставления описания катастрофы в разных местах на земном шаре специалистами был сделан вывод, что эпицентр глобальной катастрофы находился где-то между Америкой и Африкой. По мере удаления от этого эпицентра характер мифов существенно меняется, они при описании катастрофы становятся спокойнее. Так, в преданиях индейцев Аляски (племя Тлингит) говорится только о потопе. Описывается, как немногие уцелевшие люди плыли на каноэ к вершинам гор, чтобы спастись от бушующих вод. Медведи и волки, подхваченные потоком, безбоязненно подплывали к лодкам, и людям приходилось копьями и веслами отгонять их.

В эпосе племен Южной Америки также говорится преимущественно о потопе, от которого люди сумели спастись, поднявшись на вершины гор.

Если прослеживать описание катастрофы в древних текстах в порядке удаления от эпицентра катастрофы (в Атлантике), то есть если медленно двигаться через Средиземное море, Персию и дальше до Китая, то нельзя не заметить, что характер описания катастрофы все больше и больше смягчается. Так, греческий эпос говорит, что во время потопа содрогнулась земля. «Одни искали холмы повыше, другие садились в лодки и работали веслами там, где еще недавно пахали. Третьи снимали рыб с верхушек вязов…» Можно заключить, что до этого района докатились только колебания почвы, а также волна наводнения. При этом высокие холмы остались незатопленными. Вода не поднялась выше верхушек деревьев. Примерно то же самое сказано и в священной книге древних иранцев «Зенд-Авеста». В ней говорится, что во время потопа «по всей земле вода стояла на высоте человеческого роста».

Что же касается Юго-Восточной Азии и Китая, то в их древних источниках сообщается, что вначале море затопило сушу, а затем отступило от побережья далеко на юго-восток. Это логично, поскольку речь идет о глобальном явлении. Значит, если в одном районе земного шара была огромная приливная волна и воды доходили даже до горных вершин, то в противоположном районе неизбежно был отлив, как это описано в древнекитайских источниках. И действительно, по мере движения на восток постепенно уменьшалась и высота водного покрова. Так, если в Центральной Америке вода доходила до вершин самых высоких гор, то в Греции она была не выше холмов и верхушек деревьев. Далее на восток — в Персии она достигла только высоты человеческого роста. Можно достаточно уверенно заключить, что разные древние источники содержат описания действительно одного и того же глобального явления. По крайней мере пространственное распределение этого явления описано вполне логично. И не только это говорит о том, что произошла глобальная катастрофа. Дело в том, что в совершенно разных источниках воспроизводятся одни и те же детали. Это при том, что событие описывали люди, находящиеся на удалении друг от друга на тысячи километров. Это такие детали. Во-первых, практически у всех авторов в описаниях катастрофы присутствуют некие предвестники беды, которые предупреждали людей о том, что катастрофа надвигается.

В эпоху Шумера о предстоящей катастрофе людей предупредил бог Эа. Об этом сказано так:

Сын Убар-Туту,

Снеси жилище, построй корабль,

Покинь изобилие, заботься о жизни,

Богатств презри, спасай свою душу!

На свой корабль погрузи все живое.

Тот корабль, который ты построишь.

Очертаньем будет четырехуголен,

Равны да будут ширина с длиною.

В кодексе ацтеков сказано примерно то же самое: «Не делай больше вина из агавы, а начни долбить ствол большого кипариса и войди в него, когда в месяце Тозонтли вода достигнет небес».

В Библии сказано, что посланец Бога предложил Ною сделать ковчег. Индийские священные тексты говорят о том, что бог Вишну также предупреждал людей о будущей катастрофе.

В преданиях племен, проживающих на островах Тихого океана, говорится, что кто построил себе плоты, те сумели спастись. Значит, они откуда-то знали, что надо строить себе плоты.

Вторая общая деталь во всех описаниях катастрофы — в числе тех, кто был предупрежден о катастрофе и спасен от гибели, постоянно фигурируют мужчина и женщина. Иногда говорится и о сопровождающих их детях. Так, в библейских текстах это Ной и его жена, в греческих легендах — Девкалион и Пирра, в Уэлсе — Дюэйввен и Дюэйвич, в ирландском эпосе Бит и Биррен — муж и жена — родоначальники басков.

По другую сторону Атлантики практически до деталей такая же картина. Как у ацтеков и индейцев Бризалии, так и у североиндейских племен повторяется то же самое — от потопа спасаются мужчина и женщина.

Третья общая для всех описаний катастрофы деталь состоит в том, что предупрежденные о бедствии берут с собой в ковчег животных. Так делает Ной и древнемексиканский Ната, персонаж канадских индейцев Этси и индийский Ману, на Борнео это делает Троу, а в Древнем Шумере — Ксисутрос.

Общие детали описания катастрофы этим не исчерпываются. Так, когда вода пошла на убыль, спасшиеся высадились на вершине горы, которая первой появляется из воды. «…У горы Нацир корабль остановился. Гора Нацир корабль удержала, не дает качаться». У Ноя это гора Арарат, а у героя греческого потопа Девкалиона — гора Офрис (или Парнас). Что касается спасшегося от потопа предка жителей Таити, то он причалил к горе Пихотихо. Этот перечень можно продолжить.

Общим для всех описаний потопа является то, что находящиеся в ковчеге, в лодках, на плотах выпускали птиц для того, чтобы узнать, не появилась ли где-нибудь суша. Птиц выпускал не только Ной, но и герой более древнего шумерского эпоса, а также герои американских преданий о потопе. О них рассказывается в эпосах индейцев Вест-Индии, Центральной и Северной Америки. Когда вода шла на убыль, птица приносила людям в клюве зеленую ветку.

В Библии сказано, что по окончании потопа в небе появилась радуга. Но, оказывается, появление в небе радуги в момент окончания потопа описано значительно раньше Библии — в тексте древнешумерского эпоса о Гильгамеше. Любопытно, что и в мифах Америки и Тихого океана говорится, что прекращение потопа знаменовалось появлением в небе радуги.

Проследим далее общие детали описания потопа в разных источниках. У ацтеков, которые обитали в Мексике, сохранилась запись о том, что бог Титлаканхуан предупредил человека по имени Ната о том, что грядет катастрофа, и посоветовал ему сделать ковчег. Когда Нат и его жена спаслись, они добыли огонь и стали жарить рыбу. Так же поступил после потопа и Ной. По запаху сожженной жертвы Бог узнал, что люди спаслись. В вавилонских (более ранних) источниках сказано, что после потопа «боги собрались, как мухи», на запах жертвы. Они хотели погубить спасшихся людей, но бог Эа уговорил богов не делать этого. В мексиканском предании за людей точно так же заступается бог Титлакахуан.

Что же вызвало катастрофу?

В древнеиндийских священных книгах говорится, что катастрофа была вызвана «богом Хаягривой, обитавшим в бездне». В шумерских мифах также говорится о каком-то «архангеле бездны». Среди греческих мифов есть предания о Фаэтоне («пылающем»). Он был сыном Солнца (Гелиоса) и упросил своего отца Гелиоса доверить ему на один день управление солнечной колесницей, которая проходит по небу. Но случилось так, что неопытный Фаэтон не сумел справиться с колесницей и направить коней по обычному пути. В результате солнечная колесница приблизилась к Земле слишком близко. Она испепелила ее своим жаром.

Главный бог Зевс поразил юношу молнией, и тот рухнул на Землю.

Не вызывает сомнения, что в основе мифов лежат реальные события. Специалисты считают, что в мифе зашифрована информация о падении крупного метеорита на Землю. Более того, они считают, что в данном случае речь идет не просто о крупном метеорите, но о планете, которая разбилась вдребезги на целое семейство астероидов. По подсчетам это была немалая планета, радиус ее был только вдвое меньше радиуса Земли. Она была меньше Марса, но больше Меркурия, а ее орбита проходила между Марсом и Юпитером. Эта планета (Фаэтон) погибла (раскрошилась) в результате какой-то гигантской космической катастрофы. Образовавшиеся осколки и представляют собой известный пояс астероидов в нашей планетной системе.

Это предположение, высказанное учеными — нашими современниками, очень близко перекликается с тем, о чем говорит Платон. Он повествует, что в Египте жрецы говорили Солону, что в мифе о Фаэтоне «содержится и правда: в самом деле, тела, вращающиеся вокруг Земли, отклоняются от своих путей, и потому через известные промежутки времени все на Земле гибнет от великого пожара».

Во многих древних источниках при описании катастрофы сообщается о появлении на небе каких-то тел, которые затем упали на Землю (или же удалились от нас). Например, «Книги Сивиллы» говорят о том, что на восточном горизонте появилось какое-то огненное тело, свет которого затмил свет Солнца. Затем это тело обрушилось в океан. «Книги Сивиллы» создавались в Риме. Но практически то же самое сказано и в письменах, которые обнаружены далеко от Рима — на острове Пасхи. В них говорится об «огромном огненном шаре», который появился на небе и обрушился в океан, в результате этого падения «огненного шара» произошли катастрофы и землетрясения, и находившийся в этом районе архипелаг опустился в воду, затонул.

В древних текстах других народов также содержатся сведения о том, что какие-то небесные тела низверглись с неба, неся гибель и разрушения. В пятой книге кодекса майя «Чилам Балам» говорится о небесном «Великом Змее», который возник в небе и рухнул на Землю. Там сказано: «Шел огненный дождь, земля покрылась пеплом, деревья клонились к земле. Камни и деревья были разбиты. С неба сорвался Великий Змей… Небо вместе с Великим Змеем рухнуло на землю и затопило ее.

В китайском предании сказано, что на небе взошло десять солнц и великий жар испепелил землю. Затем девять солнц упало на землю. О том, что после потопа на небе взошло семь солнц, утверждается в одном из индийских преданий. Затем одно солнце пожрало все остальные.

Мы уже говорили о том, что по индийской традиции каждая юга (эпоха) завершается космической катастрофой. Сказано: «В конце юги, ударяясь о Солнце, большая звезда падает с неба».

Свидетельства о падении на Землю космических тел содержатся не только в древних источниках, но и на теле самой Земли. Например, Святое озеро на эстонском острове Сааремаа есть не что иное, как котлован, который образовался в результате падения какого-то огромного тела. Этот котлован вырыло тело, весившее 450 тонн. Это было 2500 лет назад, когда огромный метеорит после того, как вошел в плотные слои атмосферы, распался и его осколки полетели на Землю. Один из таких осколков и сотворил Святое озеро, выбросив при этом тысячи кубометров грунта.

Подобные зрелища не забываются. Рассказы о них передаются из поколения в поколение в продолжение тысячелетий. Их описывают в разных мифах и преданиях. Например, у индейцев племени навахо существовало предание о боге, который опустился с неба на Землю в определенном месте долины в огненном столбе. При этом все вокруг оказалось уничтоженным. Исследователи установили, что в точке приземления бога находится огромный метеоритный кратер глубиной более 100 м. Диаметр кратера достигает почти 1,5 км. Теперь понятно, почему бог приземлился в огненном столбе.

Собственно, в разных местах Земли имеются десятки различных следов, оставшихся от столкновения Земли с телами из космоса. В Южной Америке диаметр такого следа — чаши составляет целых 40 км. Эту чашу длительное время принимали за кратер погасшего вулкана. Но специалисты установили, что чаша образовалась в результате падения на Землю какого-то большого тела из космического пространства. Когда тело приблизилось к поверхности Земли, оно взорвалось с огромной силой, которая в 20 раз превышает силу взрыва самой мощной водородной бомбы. Это произошло очень давно — 250 миллионов лет тому назад. Позднее, 65 миллионов лет назад на Землю упал другой гигантский астероид. Удар этого астероида был чрезвычайно сильным, при этом выделилась энергия, равная энергии от взрывов миллионов водородных бомб.

На сегодняшний день известно более двух десятков следов («звездных ран» — астроблем), диаметры которых весьма внушительные — от 50 до 120 км. Что же касается ран меньших размеров, то их огромное множество. Кстати, даже подо льдом Антарктиды недавно был обнаружен кратер, диаметр которого достигает 250 км. Возможно, в истории Земли образовывались кратеры и больших размеров. Специалисты предполагают, что Гудзонов залив есть не что иное, как часть гигантского метеоритного кратера, размеры которого достигают 440 км. Ученые обсуждают возможность того, что и Аральское море образовалось подобным же образом. Думают, что образование кратера-моря произошло 40 миллионов лет тому назад. Серьезным доводом в пользу этой гипотезы служит то, что на дне моря-кратера при проведении разведочного бурения обнаружили железо массивной текстуры, а также минерал когенит, который для «железных» метеоритов является обычным. Диаметр Тунгусского метеорита равнялся 160 м. Вес его составлял 7 миллионов тонн.

Вернемся к описываемой катастрофе. Картина получилась следующая: во время катастрофы море далеко отступило от берегов Китая, тогда как на противоположной стороне Земли поднялась огромная приливная волна. Прилив такой силы мог вызвать гигантский астероид, который приблизился к Земле. Не менее опасным для Земли явилась бы ее встреча с кометой. Некоторые исследователи полагают, что глобальная катастрофа и была вызвана такой встречей. Если, не дай Бог, Земля встретилась бы с ядром кометы, то при их столкновении выделилась бы энергия, равная энергии, которая выделилась бы при взрыве полумиллиона водородных бомб.

Существует еще одна заслуживающая внимания гипотеза возникновения катастрофы. Ученые полагают, что огромную приливную волну могла вызвать Луна, которая первоначально была планетой, а не спутником Земли. При этом она вращалась по орбите, очень близкой к орбите Земли. В какой-то момент Луна была захвачена Землей и стала двигаться вместе с ней, вращаясь вокруг нее. Процесс развивался следующим образом. Вначале Луна постепенно приближалась к Земле. С Земли она была видна в 20 раз большей, чем сейчас. Естественно, сильно увеличились лунные приливы, которые зависят не только от массы Луны, но и от ее удаления от Земли. Считают, что Луна могла так сильно приблизиться к Земле, что создалась приливная волна, которая достигала нескольких километров. Она-то и затопила вершины гор. Затем под действием сложной системы гравитационных сил Луна снова стала удаляться от Земли. В конце концов она заняла свое нынешнее положение. Это только гипотеза, но она вполне правдоподобна. В ее пользу говорит то, что Луна занимает особое место в Солнечной системе — она слишком велика для того, чтобы быть спутником другой планеты. Это и наводит на мысль, что она стала спутником в результате космической катастрофы. Сбить ее с ее орбиты могло другое космическое тело, пролетающее вблизи нее. Вследствие этого Луна могла потерять скорость и, попав в область земного притяжения, оказаться захваченной Землей.

Кстати, не только современные гипотезы подозревают Луну в причастности к космической катастрофе. Луну считают причиной космической катастрофы и авторы некоторых дошедших до нас мифов, в частности финского эпоса «Калевала». То же сказано и в южно-американских преданиях.

Значит, было время, когда Луна не была спутником Земли или на небе не было Луны в современном смысле? Видимо, да. Во всяком случае, об этом также свидетельствуют предания различных народов. Например, майя в своих допотопных хрониках о Луне не упоминают ни разу. У них ночное небо освещает Венера. Луны нет.

Бушмены в Южной Африке в своих мифах о катастрофе весьма определенно утверждают, что до потопа на небе Луны не было. Такое же утверждение содержится в преданиях жителей страны Аркадии. Эта легендарная страна была когда-то на юге Греции, в Пелопоннесе. В предании говорится, что Луна появилась на небе после катастрофы. Главный смотритель великой Александрийской библиотеки Аполлоний Родосский в III веке до н. э. также писал о том, что некогда на небе не было Луны. Он черпал информацию из древних рукописей и текстов, которые до нас не дошли. Анаксагор, греческий математик, философ и астроном, живший и творивший в V веке до н. э., на основании древних источников утверждал, что Луна появилась на небе (как спутник Земли) позднее, чем возникла сама Земля.

Глобальная катастрофа потрясла не только очевидцев. Спустя тысячелетия древним народам Земля казалась ненадежной — так сильна была память о катастрофе. Об этом имеются многие свидетельства. Например, арии, которые пришли в Индию из неизвестной своей прародины, просили в своих гимнах бога «твердо держать Землю».

Майя всю свою историю боялись повторения катастрофы. В Библии также имеются тревожные тексты: «Солнце померкнет, и Луна не даст света своего. И звезды спадут с неба, а силы небесные поколеблются… О дне же том и часе никто не знает».

Пророческие тексты Вавилона также проникнуты ожиданием новых катаклизмов. В Талмуде говорится о цикличности катастроф. В священных книгах индийцев «Пуранах» утверждается, что подобные бедствия, которые сопровождаются погружением целых континентов, цикличны и могут быть заранее предсказаны. В другом источнике — «Махабхарате» говорится, что в будущем придет день, когда бурлящие воды нового потопа поглотят сушу.

Египетские жрецы в IV веке до н. э. говорили философу Солону: «Вы помните только один потоп, а их было много до этого. Время от времени наша цивилизация, как и цивилизации других народов, уничтожается водой, которая обрушивается с неба… Человечество постигали в прошлом и еще постигнут в грядущем многочисленные катастрофы».

Платон, говоря о таких катастрофах, писал, что после них «оставалась лишь незначительная часть человеческого рода».

Делались попытки определить период повторения таких катастроф. Например, римский историк Цензоринус писал в III веке до н. э., что Земля переживает такие катаклизмы каждые 10 800 лет или 13 384 года. Согласно Орфею, этот период равен 12 000 лет, а согласно Кассандре — 136 000 лет.

Что же происходило сразу после катастрофы?

На основании текстов древних китайских летописей иезуитский миссионер Мартин в книге «История Китая» так описал это: «Опора неба обрушилась. Земля была потрясена до самого своего основания. Небо стало падать к северу. Солнце, Луна и звезды изменили пути своего движения. Вся система Вселенной пришла в беспорядок. Солнце оказалось в затемнении, и планеты изменили свои пути». Знаток древности римский историк М. Теренций Варрон также писал об изменившемся виде неба после потопа. Он писал: «Звезда Венера изменила свой цвет, размеры, форму, вид и курс, чего не было никогда ни до, ни после этого». В Иудее считали, что потоп «произошел потому, что Бог изменил места двух звезд в созвездии».

Почти во всех источниках говорится, что после катастрофы наступил период мрака. В египетском папирусе сказано, что «Солнце померкло и не дает света». В Талмуде сказано, что после катастрофы скрылось Солнце. Жители островов Тихого океана в своих преданиях этот период после катастрофы обозначают как «глубочайшая темнота», «непроницаемый мрак», «мириады ночей». Объяснение наступившей темноты можно объяснить так: в момент сближения Луны и Земли масса лунной пыли рассеялась в пространстве между Землей и Луной и затем постепенно оседала на Землю и ее спутник Луну. Поэтому для земного наблюдателя «небо потемнело и Солнце померкло». Возможен и другой вариант — пыль была вызвана извержением вулканов.

Если атмосфера сильно засорена пылью, то ее отражательная способность растет. Это значит, что часть той солнечной энергии, которая в нормальных условиях достигает Земли и нагревает ее, в условиях запыленной атмосферы слоем пыли отражается обратно в космос. Земля недосчитывается значительной части причитающейся ей энергии, и в результате наступает резкое похолодание. Такое похолодание («ядерную зиму») ученые рассчитали как результат ядер-ной войны. Такое похолодание на самом деле наступило после катастрофы. И об этом самым определенным образом говорится в древних источниках. В финском эпосе «Калевала» об этом сказано так:

Не восходит больше солнце,

Золотой не светит месяц.

…Охватил мороз посевы.

В мифах Венесуэлы и Древней Мексики говорится, что сразу после катастрофы наступил страшный холод и море покрылось льдом. В тропических лесах Амазонки живут племена, которые до сих пор хранят память об ужасной и долгой зиме, которая последовала за катастрофой. В эту зиму люди замерзали и умирали от холода.

В книге «Зенд-Авеста» также говорится о холодах и морозах, которые послал на благословенную родину древних ариев царь тьмы. Правда, согласно этой книге, арии были предупреждены о наступлении страшной зимы: «На землю падут губительные зимы, они принесут с собой лютые морозы… они принесут снег на 14 пальцев глубиною».

То, что атмосфера была сильно засорена пылью, подтверждается исследованием образцов пород, взятых со дна океана. Возраст пород определяется достаточно точно по останкам живых организмов. Анализ показал, что в течение периода, который продолжался всего 100 тысяч лет, организмы, обитавшие в поверхностных слоях океана, исчезли практически все. Потребовались миллионы лет для того, чтобы в океане вновь возродилась жизнь во всем своем разнообразии. Любопытно, что в слоях пород, которые относятся к этому мертвому периоду, на дне океана, а также на суше обнаружено очень высокое содержание иридия, мышьяка и сурьмы. В таких условиях 65 миллионов лет назад вымерли динозавры. В их костях, а также в скорлупе яиц, которые относятся к периоду их гибели (это поздний мезозой), тория почти в 80 раз больше, чем его концентрация в земной коре сегодня. После того как пыль экранировала солнечный свет на несколько лет, растительность стала исчезать. За этим последовала массовая гибель животных от голода.

Ученые обсуждают и другую возможную причину наступления после катастрофы страшной длительной зимы. Такой причиной могли быть сдвиги полюсов Земли, то есть угла наклона оси вращения нашей планеты относительно плоскости, в которой она движется (плоскости эклиптики). Не вызывает сомнения, что такие сдвиги происходили неоднократно. Об этом, в частности, свидетельствуют залежи каменного угля в Антарктиде и за Северным полярным кругом (архипелаг Шпицберген). Эти места когда-то находились в приэкваториальной зоне. Экспедиция в районе Южного полюса обнаружила остатки обуглившейся древесины, а также отпечатки листьев и пышной растительности, которая была 200–250 миллионов лет назад. Полагают, что 600 миллионов лет назад Северный полюс находился в южной части Тихого океана.

Магнитные полюса также «гуляют». А их перемещение не менее важно для энергетики Земли, чем перемещение географических полюсов, о которых говорилось выше. Если с положением географических полюсов связано поступление солнечной волновой энергии (видимый свет, рентген, ультрафиолет), то с магнитными полюсами связано поступление солнечной энергии в виде заряженных частиц, движение которых в околоземном пространстве направляется магнитным полем Земли. Смещение магнитных полюсов означает смещение всей магнитосферы относительно данного места на земной поверхности. Это значит, что при этом смещаются области наиболее интенсивного вторжения в атмосферу Земли солнечных заряженных частиц, то есть области ввода в атмосферу Земли солнечной энергии в виде энергии заряженных частиц. А такое изменение не может не вызвать кардинального изменения климата. Это и происходило (и неоднократно) за всю историю Земли.

Установлено, что ось вращения Земли также периодически изменяет свой наклон. Период такого изменения составляет 40 000 лет. При этом земная ось еще и колеблется. Период этого колебания составляет 26 000 лет. Если изменился наклон земной оси, то Земля оказалась по-другому подставленной под падающие на нее солнечные лучи. Значит, по-другому поступает энергия в атмосферу Земли, по-другому она распределяется в ней. Следствием этого является изменение климата. Ко всему сказанному добавим, что и сама траектория Земли, то есть земная орбита, меняется, хотя и медленно. Земля меняет траекторию своего движения вокруг Солнца каждые 92 000 лет, при этом она то приближается к Солнцу, то удаляется от него. Но все эти изменения являются плавными и привести к катастрофическим изменениям климата не могут.

Что касается внезапного изменения положения географических полюсов, которое вызвало бы катастрофу, то оно могло бы произойти в том случае, если распределение массы вращающейся Земли резко изменилось бы. Другими словами, в каком-то месте масса добавилась бы или же уменьшилась бы. Так, в результате образования массива Гималаев (масса добавилась) земная ось переместилась на несколько градусов, в результате чего произошло смещение полюсов. Как изменился при этом климат? Огромные пространства, которые были покрыты буйной растительностью и населены множеством животных, превратились в ледяную пустыню.

Но изменить массу в данном районе Земли может не только прибавка гор, но и прибавка воды. Другими словами, огромная приливная волна, о которой говорилось выше, обязательно должна была привести к существенному изменению наклона земной оси, то есть к смещению земной оси, а значит и к смещению географических полюсов.

Если это действительно произошло, то до катастрофы полюса должны были находиться в другом месте. Ученые приходят к выводам, что полюса действительно сместились. Они показали, что в период последнего оледенения северный полюс находился там, где сейчас проходит 60 °Cеверной широты. Сейчас он находится на 90°. Разница в 30°!

Факт смещения Северного полюса (и естественно, Южного, так как они находятся на одной оси) подтверждается древними источниками. В «Зенд-Авесте» рассказывается о прародине древних ариев. Там, где они жили, «Солнце, Луна и звезды всходили над ними только один раз в году, и год казался как один день и одна ночь». Арии принесли с собой в Индию книгу священных гимнов — «Ригведу». В ней говорится о Большой Медведице, которая стоит прямо над головой, и о звездах, которые движутся в небе по кругу. Сказано о Солнце, что оно восходит только раз в году. Значит, арии были истинными полярниками, если выражаться современным языком.

Информацию о смещении географических полюсов можно получить и окольным путем, в частности из особенностей конструкции часов в Древнем Египте. В основу конструкции положено соотношение между самым длинным и самым коротким днем в году. Ясно, что на экваторе это соотношение одно, в средней полосе — другое, а на полюсе — третье. На полюсе самый длинный день равен шести месяцам, а самый короткий — нулю. Чем ближе к экватору, тем это соотношение постепенно стремится к выравниванию. Почему-то в Древнем Египте исходили из соотношения самого длинного дня к самому короткому как 14 к 12. Мы сказали «почему-то», поскольку это соотношение никак не соответствовало географической широте Египта (ни одной точке на его территории). Так почему же они пользовались «чужими» данными, данными, которые имели силу только до 15° южной широты? Но эта широта на целых тысячу километров удалена к югу от самой южной границы Египта. Территория Египта «гулять» не могла. Значит, «гуляли» полюса. Значит, когда-то полюса были смещены так, что для Египта было справедливо соотношение самого длинного дня к самому короткому, равное 14 к 12. А дальше действует традиция: один раз сделанные часы, принципы, по которым они сделаны, остаются в силе на сколь угодно длительное время.

Что же касается скорости вращения Земли, то она может изменяться очень существенно. Не только может изменяться, но и изменялась. И это сейчас доказано. Вначале объясним метод, который позволяет измерить длину суток, которая была многие тысячи и миллионы лет тому назад. Метод прост. Все живое зависит от условий в окружающей среде. Посмотрите на свежеспиленный срез дерева, и вы увидите годовые кольца. Это тот прирост толщины дерева, который появился в течение года. По ширине древесных годовых колец определяют условия в атмосфере — температуру, влажность. В данном случае речь идет не о дереве, а о кораллах. Оказывается, они также образуют своего рода годовые кольца. Более того. При помощи специального микроскопа внутри этих колец можно четко различить слои, которые кораллы наращивали в течение суток. Этот метод признан учеными безукоризненным. Он позволяет определять количество суток в году.

Естественно, метод стали сразу применять. Оказалось, что в девонском периоде год состоял не из 365, а из 390 дней. Другими словами, Земля вращалась быстрее, а сутки были короче. Сам же год оставался по длительности таким же. С помощью этого метода было установлено, что четырнадцать миллионов лет тому назад земной год складывался из 800–900 суток. Продолжительность одних суток равнялась девяти часам. Постепенное замедление вращения Земли произошло из-за тормозящего действия Луны. Но имеются и данные, согласно которым некогда год состоял из 290 суток. Это было определено на основании изучения высеченного на камне календаря, который обнаружили в Андах среди развалин древнего города Тиауанако.

Любопытен в этом плане и такой факт. У майя был очень точный календарь. Он был точнее того, которым мы пользуемся сейчас. Но наряду с этим, ежедневным календарем существовал и другой — «священный». Особенность его состояла в том, что в нем год состоял из 260 дней. Его происхождение неизвестно. Можно только строить догадки.

ЗНАНИЯ НАДО СОХРАНИТЬ

Катастрофа надвигалась постепенно. Было время предпринять меры, чтобы спасти хотя бы что-то. Мудрые люди считали, что надо спасать самое ценное — знания. И они спасали их. Арабский ученый Абу Балкхи, живший в IX–X веках н. э, сказал об этом так: «Мудрецы построили в Нижнем Египте много пирамид из камня для того, чтобы спастись там во время надвигающейся гибели. Две из этих пирамид превосходили остальные, имея 400 локтей в высоту и столько же в ширину и длину. Они были построены из больших отшлифованных глыб мрамора, пригнанных друг к другу так плотно, что места соединения были едва видны. Внутри этих пирамид были начертаны различные сведения об удивительных знаниях, которые хотели сохранить мудрецы».

Арабский историк Масуди на основании сведений, которые до нас не дошли, писал следующее: «Сурид, один из царей, живших до потопа, выстроил две большие пирамиды и приказал жрецам спрятать в них записи их знаний и того, что они достигли в различных искусствах и науках, с тем, чтобы они уцелели для тех, кто потом сможет понять их. Он также записал положение звезд, их циклы…»

Об этом же писал и древнеегипетский историк Манефон. Он сообщил о текстах, в которых содержались очень важные знания, которые по мере приближения катастрофы были записаны Мудрецом Тотом. Это была легендарная личность, вошедшая позднее в пантеон египетских богов. Он был богом знаний, который дал людям письменность. Манефон свидетельствует, что эти тексты, «сделанные на священном языке и священными знаками Тотом, первым Гермесом, были переведены после потопа… и записаны иероглифами».

Широко известный Иосиф Флавий, ученый историк древности, также писал о мудрецах, которые «изобрели науку о небесных телах и их устройстве». Флавий утверждал, что эти мудрецы были заранее предупреждены о надвигающейся катастрофе и о гибели «отчасти от силы огня, отчасти же вследствие огромного количества воды». Флавий писал: «Для того, чтобы изобретения их не были забыты и не погибли раньше, чем с ними познакомятся люди, они воздвигли два столба — один кирпичный, другой каменный — и записали на них сообщение о своем изобретении. Последнее было сделано с таким расчетом, что в случае гибели кирпичного столба при наводнении каменный, оставшийся невредимым, дал бы людям возможность ознакомиться с надписью». Иосиф Флавий утверждал, что каменный столб существовал при его жизни, то есть в I веке н. э.

Страбон, древнегреческий ученый, также сообщал о текстах, которые были написаны до потопа, и о том, что эти тексты сохранились на Пиренейском полуострове. Друиды, кельтские жрецы, также ссылались на какие-то «книги Ферилта», которые были написаны еще до катастрофы. Это были своего рода анналы. Индийские священные книги «Бхавата-Пурана» и «Агни-Пурана» также сообщают о книгах знаний — «Ведах». «Веды» во время катастрофы удалось спасти. Вавилонский историк и жрец Берос, который жил в III веке до н. э. также рассказывал о том, что люди пытались сохранить записи о своих открытиях и достижениях во время приближения катастрофы. Берос писал, что когда царь Ксисутрос был предупрежден о предстоящем потопе, то он повелел написать «историю начала, течения и завершения всех вещей и зарыть эту историю в городе Солнца Сиппар». Эти записи не пропали во время катастрофы. После потопа царь и его придворные мудрецы «отрыли книги в Сиппаре, написали много новых книг, построили храмы и снова основали Вавилон». В клинописных текстах сообщается также, что и царь Ашшурбанипал любил читать тексты, «написанные в эпоху до потопа».

Естественно предположить, что сохранилась только часть знаний, которыми владела человеческая цивилизация до катастрофы. Незначительная часть. Об этом свидетельствуют и тексты мудрецов. Например, египетские жрецы говорили Солону: «Ах Солон, Солон! Вы, эллины, вечно остаетесь детьми, и нет среди эллинов старца». Они рассказывали Солону о происшедшей катастрофе, которая уничтожила население городов, расположенных на побережье морей и рек. Тогда остались в живых только пастухи-волопасы и скотоводы, которые со своими стадами находились в горах. Остались в живых только неграмотные и неученые. Жрецы говорили Солону: «Вы снова начинаете все сначала, словно только что родились, ничего не зная о том, что совершалось в древние времена».

Цивилизация, существовавшая до катастрофы, исчезла. Человечество начало свой путь снова практически с нуля. Те немногие знания, которые сохранились, не могли произрасти на неподготовленной почве, на почве дикости и варварства. Жизнь показывает, что цивилизация может затухнуть очень быстро, и знания оказываются за бортом жизни. Об этом, например, свидетельствуют поселения норманнов в Северной Америке в XIV–XV веках. Норманны располагали передовыми технологиями — например, умели выплавлять и обрабатывать металлы и тому подобное. Но обстоятельства климатического характера (похолодание и прекращение по этой причине мореплавания) оторвали их от родины. Им ничего не оставалось, как ассимилироваться с местными дикими племенами и опуститься до их уровня. Так их знания оказались невостребованными. Они были утрачены для них навсегда, и регресс вернул цивилизованных поселенцев-норманнов в каменный век. Подобных фактов достаточно много. Например, в Андах, в городе Тиауанако, проживала народность, которая хорошо знала астрономию.

Жрецы изучали движение небесных светил. Они владели искусством литья и многими другими технологиями. Когда сюда пришли испанские конкистадоры, то они были поражены — они нашли здесь на исполинских каменных статуях литые серебряные украшения, которые весили до полутоны. Правда, конкистадоры не встретили сопротивления жителей города. Город был мертв. Только вокруг города в тростниковых шалашах обитали племена, которые понятия не имели ни о выплавке металлов, ни о законах движения небесных светил. Они питались бесхитростной пищей — корневищами водорослей. Так высокая цивилизация погибла навсегда.

Подобное происходило в истории человечества достаточно часто. Маори в свое время были великим народом. Достаточно сказать, что они были искусными мореплавателями в пределах всего Тихого океана. Это предполагает высокий уровень технологий и вообще развития. Но когда этот народ осел в Новой Зеландии, то все реже и реже отправлялись его корабли в плавание, и они постепенно вообще потеряли искусство мореплавания и строительства кораблей. Потеряли они и искусство навигации, ориентации по звездам. Их внуки и правнуки полностью были лишены каких-либо знаний и навыков, связанных с мореплаванием, которыми владели их прародители. Можно сказать, что цивилизованный народ впал во «вторичную дикость». Таким термином ученые обозначают описанный регресс в развитии. Подобный регресс — дело не редкое. Племена в состоянии «вторичной дикости» известны в юго-восточной Азии. Что-то подобное можно сказать и о народах Анголы и Конго, которые в свое время обладали своей письменностью и весьма высоким уровнем знаний. Но затем они все это утратили. Подобное произошло и с инками.

Любопытны в этом плане сведения о майя. Считается, что майя не знали колеса. Об этом свидетельствуют достоверные факты. Но при раскопках были обнаружены игрушки, весьма странные с этой точки зрения. Они представляли собой тележки с четырьмя колесами, которые были сделаны из обожженной глины. Вывод ясен: когда-то здесь были все же известны и колесо и повозки. Иначе откуда взялась конструкция повозки с колесами? Значит, знания о колесе были утеряны.

Причиной регресса народов, народностей, групп людей и отдельных личностей чаще всего становятся изменившиеся в худшую сторону внешние условия. Регресс был вызван, бесспорно, и происшедшей катастрофой. Наш соотечественник-современник об этом пишет так: «Мы полагаем, что шумеро-вавилонское предание о потопе связано с реальными событиями. Потоп (или ряд наводнений) несомненно произвел страшные разрушения и привел к временной деградации общества».

О деградации свидетельствует и судьба населения острова Крит. Три с половиной тысячи лет он был центром минойской культуры. На Крите в то время процветали города, воздвигались храмы и дворцы. Но вдруг произошло страшное — на остров обрушилась стихия. Извергались вулканы, землетрясения сменяли одно другое. Это вызывало образование в море огромных волн, которые с яростью бросались на остров «со скоростью боевой колесницы» и сметали все на своем пути. Все это неизбежно привело к закату минойской культуры. Тут налицо проявился регресс.

О том, что люди до катастрофы обладали весьма обширными знаниями, сообщается в разных древних текстах. Так, в «Пополь-Вух» говорится о том, что первые люди «преуспели в знании всего, что имеется на свете. Когда они смотрели вокруг, они сразу же видели и созерцали от верха до низа свод небес и внутренности Земли. Они видели даже вещи, скрытые в глубокой темноте. Они сразу видели весь мир, не делая даже попытки двигаться; они видели его с того места, где находились. Велика была мудрость их…» Но боги возроптали: «Разве они тоже должны стать божествами?.. Разве они должны стать равными нам?» В тексте с сожалением сообщается, что ревнивые боги отняли у людей их способности и знания.

Большинство сведений о знаниях, которые существовали до катастрофы, дошли до нас в зашифрованном, символическом виде. Достаточно вспомнить текст из Библии, где говорится о первородном грехе человека. Он состоял в том, что Ева и Адам вкусили плоды с древа познания добра и зла. За то, что они вкусили знаний. Символ «вкусить знаний» встречается и в других древних текстах. В древнеегипетском тексте говорится: «Он сразил своих врагов и вкусил их знаний». По Библии, Бог был разгневан тем, что Адам и Ева вкусили плода с древа познания добра и зла. Об этом сказано буквально следующее: «Вот Адам стал как один из Нас, зная добро и зло; и теперь как бы не простер он руки своей, и не взял также от дерева жизни, и не вкусил и не стал жить вечно».

Древо познания — это символ, который встречается не только в Библии. Этот символ мы находим в текстах разных народов, в частности в Древнем Вавилоне, а также у ацтеков. Это показано на рис. 29. Так, в ирландском фольклоре говорится о некоем Томасе, который обрел дар ясновидения после того, как он вкусил плод от древа познания. Кстати, и Будда достиг просветления именно под деревом. Здесь ему внезапно открылись высшая мудрость и смысл бытия. Бога Вишну, по индийской традиции, также изображают под деревом, которое в данном случае называют «космическим деревом». Но, как и в других случаях, плоды этого дерева символизируют собой высшее знание, которое включает в себя знание не только прошлого, но и будущего. Это характерно практически для всех народов. Так, в Японии речь идет об апельсиновом дереве, в Китае — о дереве кассия, на Ближнем Востоке — о дереве сикомора, а у друидов — о дубе и т. д.

Рис. 29. Древо познания, изображенное в Древнем Вавилоне (вверху) и у ацтеков (внизу).

Проблема древа познания имеет много аспектов, но один из них весьма любопытен. Он состоит в том, что практически всегда с древом познания связан символ катастрофы. «Кто увеличивает знания, тот увеличивает печаль» — так говорил мудрый Соломон. Символом катастрофы везде выступает змея, дракон или вообще вода. Точнее, символом катастрофы является непременное сочетание змеи (дракона), воды и дерева. Это видно на рис. 30.

Рис. 30. Древо познания.

В кельтских преданиях говорится о священном дереве. Плоды этого дерева даруют вкусившему их сверхъестественные познания и высочайшую мудрость. Но там же сообщается, что путь к священному дереву преграждает дракон, который живет в озере (вода) (рис. 31). О том же говорится в греческих мифах. Здесь дерево Зевса охраняет змей Ладон. На этом дереве растут золотые плоды. Геракл достал эти плоды. Но для этого ему пришлось убить змея. То же самое делает и древнеегипетский Нанеферкаптах, который убивает «бессмертного змея», стерегущего книги магических знаний. Это изображение повторяется и в Шумере. Оно показано на рис. 32. Согласно буддийской традиции как в Индии, так и в Японии и Китае, змей Нага символизирует наводнение, «большую воду». Он непременно обитает в озере и преграждает путь к священному дереву, дереву знаний. Тот, кто вкусит плоды этого дерева, получит «сверхъестественное зрение, ему открывается все прошлое».

Рис. 31. Путь к дереву, плоды которого даруют сверхъестественные познания и мудрость, преграждает дракон, живущий в озере. Кельтские предания.

Рис. 32. Убийство стража книги магических знаний. Шумер.

Собственно, то же самое содержится и в текстах и преданиях славян. Так, на острове Буяне живет огненная змея Гарафена, которая охраняет анатырь-камень. Этот камень является сосредоточением мудрости и магических знаний, и лежит он под деревом — дубом. В Древней Мексике на берегу озера растет священное дерево — кактус. Путь к этому дереву преграждает бог вод и наводнения Тлалок, который обитает в этом озере. Это показано на рис. 33. Кстати, у ацтеков утраченная прародина Тамоанман обозначалась изображением сломанного дерева.

Рис. 33. Путь к священному кактусу, растущему на берегу озера, преграждает бог вод и наводнений Тлалок. Древняя Мексика.

Что касается тех знаний, которые в результате катастрофы не погибли, то они оказались в распоряжении отдельных групп людей, которых окружало варварство и дикость. Поэтому эти группы хранили знания в тайне. В наше время их называют эзотерическими (тайными) знаниями. Распространять эти знания среди людей, впавших в дикость, было небезопасно. Поэтому посвященные всячески охраняли эти знания от непосвященных. На Британских островах такими знаниями обладали друиды, в Индии — брамины, в Египте — жрецы. Пользуясь монополией на эти тайные знания, указанные сословия держали в своих руках власть, господствовали над народами. Так было не только в Египте.

Тайные, эзотерические знания в продолжение целых тысячелетий передавались из поколения в поколение. При этом старались круг посвященных не расширять. Знания передавались только в касте жрецов. Геродоту в одном из святилищ египетские жрецы показали 341 статую верховных жрецов, которые последовательно сменяли друг друга и правили народом в продолжение 11 340 лет. Любопытно то, что преемственная жреческая каста восходила к временам, далеко отстоящим от глобальной катастрофы. Другими словами, эти жрецы правили еще задолго до катастрофы. Они сумели сохранить знания в период катаклизма, и тем самым они сохранили свою власть.

Можно не сомневаться, что обладатели эзотерических знаний, по крайней мере некоторые из них, предпринимали попытки преодолеть всеобщую дикость и регресс. Они передавали некоторые из этих знаний окружавшим их дикарям. Конечно, речь идет о тех знаниях, которые эти дикари могли бы применить в собственной практической жизни, ускоряя тем самым свою эволюцию, свое развитие. Приходилось считаться с тем, что «ученики» были способны воспринять далеко не все знания, поскольку их интеллектуальное развитие находилось на убогом уровне. У разных народов в преданиях, мифах, древних текстах содержатся воспоминания о просветителях, которые появлялись откуда-то и приносили им необходимые для практической жизни знания.

Тут надо вспомнить Прометея, который научил людей пользоваться огнем. В Южной Америке действовал другой просветитель — легендарный Манко Капак. Он прибыл из-за моря и научил окрестные племена ремеслам и земледелию. С востока появился бог Боника. Он принес людям календарь. Саме в Южной Америке и Ицамна на Юкатане также прибыли с востока, из-за океана. Они научили население вести сельское хозяйство и заниматься скотоводством, а также рубить деревья и строить мосты. Они принесли жителям и письменность. Просветитель мексиканского эпоса Кецалькоатль также пришел с востока. Он научил жителей не только сельскому хозяйству, но и секретам металлургии.

Подобные просветители были и в Южной и Передней Азии. Вавилонский историк Берос, о котором мы уже говорили, описал, как некое существо, обладающее фантастическими чертами, которое звалось Оаннес, периодически являлось к людям и учило их многим полезным вещам. Бе-рос писал, что Оаннес научил людей «понимать письменность и обучил их различным искусствам. Он научил их строить города и сооружать храмы, составлять законы и объяснял им законы геометрических знаний». Любопытно, что просветитель Оаннес, прибывший из-за моря, не мог есть ту пищу, которой питались аборигены — жители Вавилона. По этой причине после трудового дня на берегу каждую ночь он возвращался в глубины моря. Он мог дышать и под водой, так как был наполовину человеком, а наполовину — рыбой. Он изображен на рис. 34.

Рис. 34. Просветитель Древнего Вавилона Оаннес. День проводил на берегу, ночью возвращался в глубины моря, так как был получеловеком-полурыбой.

Ускорить процесс эволюции людей, впавших во «вторичную дикость», старались и просветители в Египте. Предание гласит, что однажды в долине Нила появился высокий и смуглый человек-бог Осирис. Он появился со своей женой Исидой. Осирис обучал аборигенов сельскому хозяйству и ирригации, а также строительству, календарю, музыке и врачеванию. Согласно этому преданию город Фивы и был основан в том месте, где появились Осирис и Исида.

В «Книга Еноха» — раннехристианском апокрифе — сообщается о неких существах, которые принесли людям знания. Там они названы ангелами. Сказано буквально следующее: «Азазел научил людей делать мечи, и ножи, и щиты, и панцири и научил их видеть, что было позади их. Барак-сил научил их наблюдению над звездами, а Кокабел — знамениям, и Темпел научил наблюдению над звездами, и Асрадел научил движению Луны».

Просветители — «сыны Неба» — трудились и в Китае. Об этом можно прочитать в древнекитайских текстах — в даосском каноне «Дао цзин» и в «Записях о поколениях владык и царей». Там говорится, что среди сынов Неба была женщина, которая вела наблюдение за Солнцем, «основываясь на длине тени»; другая женщина вела наблюдение «за Луной, нарождающейся и на исходе, за ее четвертями и полнолуниями. Один сын неба наблюдал за движениями звезд, а другой сводил все это воедино, составляя календарь».

На острове Пасхи действовал великий бог-просветитель Маке-Маке. Он был королем островов Моту-Марио-Хива, которые погрузились на дно океана.

Предание гласит, что и боги Самоа пришли из весьма отдаленных мест. Описывается, как в пути боги-просветители видели над собой небесный свод с расположением звезд иным, чем над Самоа. Это возможно только в том случае, если перейти из одного полушария в другое. Такая многозначительная деталь усиливает доверие к сказанному.

То, что просветители были возведены в ранг богов, не может удивлять: они слишком сильно отличались от аборигенов, прежде всего своими знаниями. А часто и внешним видом.

УНИКАЛЬНЫЕ ЗНАНИЯ ДРЕВНИХ

Имеется много свидетельств того, что древние жители разных районов Земли обладали различными знаниями, которые никак не вяжутся с их уровнем развития. Совершенно очевидно, что нельзя достичь высоких технологий, если общий уровень научно-технического развития низок. Естественно, что нельзя делать фундаментальные научные открытия, если нет соответствующей научно-технической среды, нет соответствующих приборов и т. п. Поэтому нас потрясает, откуда древние знали то, что мы при своем научно-техническом прогрессе узнали только сегодня или вчера. Можно не сомневаться, что они знали многое такое, о чем мы и понятия не имеем.

Поражают астрономические познания древних. Так, майя были известны периоды обращения небесных тел. При этом они вообще не использовали колеса, не изобрели гончарного круга и не были знакомы с железом. Сегодня нам известно, что время обращения Земли вокруг Солнца, согласно григорианскому календарю, составляет 365,242500 суток. Майя этот период считали равным 365,242129 суток. Откуда? Ведь только недавно это время было уточнено с помощью астрономических приборов. Оказалось, что длительность года равна 365,242198 суток. Это значит, что до недавнего времени цифра майя была самой точной. И это при том, что у них не было телескопов и вообще никаких других приспособлений и аппаратуры.

Майя знали продолжительность лунного месяца с точностью до 0,0004 дня. Это составляет 34 секунды. Майя знали длительность периода обращения Венеры с такой точностью, которой мы достигли только в конце прошлого века (ошибка в периоде по майя составляла всего 7 секунд за 50 лет).

Столь же высоки были и познания по астрономии шумеров. Они знали время обращения Луны с точностью до 0,4 секунды. Продолжительность года, известная им, составляла 365 дней 6 часов и 11 минут. На основании данных, полученных при использовании точнейших астрофизических приборов, мы сумели уточнить эту цифру всего на 3 минуты. Опять же возникает вопрос — откуда у них были такие уникальные данные? В этом плане не может не удивлять и греческий астроном Гиппарх, который две тысячи лет назад располагал сведениями об орбите Луны, которая была ему известна с точностью до 0,01°. Специалисты не дают ответа на возникающие при этом недоуменные вопросы — откуда и как?

Продолжим перечень фактов. Так, в Древнем Шумере знали о самой удаленной (последней) планете нашей Солнечной системы — Плутоне. Шумерам был известен период его обращения вокруг Солнца. Они считали его равным 90 720 земных суток. Мы внесли уточнение только в последний знак и считаем его равным 90 727 земных суток. Но и эта неточность не может быть воспринята как ошибка, поскольку известно, что период обращения планеты Плутон меняется во времени. Так что не исключено, что правы и они и мы. Кстати, надо сказать, что планету Плутон мы открыли для себя только в 1930 году. Дело в том, что только в самые большие телескопы (современные) можно заметить диск Плутона, и то при исключительно спокойной атмосфере.

Потрясают астрономические познания и в более близкое к нам время. Так, Джонатан Свифт, автор книги «Путешествия Гулливера», упоминает о двух спутниках Марса. Эти спутники были открыты астрономами только спустя 156 лет после того, как о них писал Свифт. В его время их обнаружить было невозможно в принципе — не было достаточно сильных телескопов. Но Свифт не просто слышал где-то о спутниках, но и знал примерную длительность периода обращения каждого из них. Для первого она составляла 10 часов (мы считаем 8 часов), а для второго 21,5 часа (мы считаем 30 часов 20 минут). Известно, что Свифт очень интересовался старыми книгами и рукописями. Видимо, в них он и нашел соответствующие сведения.

Кстати, о спутнике Марса упоминает и известный грузинский писатель и ученый Сулхан Саба Орбелиани, который жил в 1658–1727 годы. В его толковом словаре упоминается о спутнике Марса. Там же он приводит и конкретные данные. Радиус траектории спутника Марса по Орбелиани равен 24 019 км, тогда как мы считаем его равным 23 506 км.

В сохранившихся письменных источниках сообщается, что еще на заре истории человечества строились специальные сооружения. Об одной из последних таких построек рассказал арабский летописец XIV века Макризи. Он сообщил о храме Солнца в египетском городе Гелиополисе, привел и конкретные цифры: «Там воздвигнуты две колонны, прекрасней которых никто никогда не видел. Они возвышаются над землей примерно на 50 кубитов (26,2 м)… Вершины их сделаны из меди… Когда Солнце встает в созвездии Козерога, иначе говоря, в самый короткий день года, оно касается вершины южной колонны. Когда же Солнце встает в созвездии Рака, иными словами, в самый длинный день года, оно касается вершины северной колонны. Таким образом, эти два обелиска обозначают конечные пункты движения Солнца, а точка равноденствия расположена на равном расстоянии между ними».

В Кампучии сохранился храмовый комплекс Ангкор Ват. В этом сооружении башни, галереи и стены расположены так, что наблюдатель может определять положение Солнца и Луны в те моменты, когда они располагаются в критических точках. Постройка обеспечивает точность наблюдения до половины углового градуса. Этот астрономический комплекс был построен в XII веке. В нем работали астрономы — наблюдатели. Об этом китайский путешественник, который посетил измерительный астрономический комплекс через полтораста лет после его постройки, писал так: «Там есть люди, которые знают астрономию и могут рассчитывать периоды затмения Солнца и Луны».

К сожалению, со временем этот астрономический комплекс был заброшен и пришел в запустение.

Широко известна древнейшая обсерватория мира Стоунхендж. Она находится в Великобритании и представляет собой ряд огромных камней (мегалитов), которые установлены правильными концентрическими окружностями. Вес одной такой каменной глыбы достигает 50 тонн.

В хронике «История британских королей», которая была написана в XII веке, сказано и об этой каменной обсерватории. В ней сообщается, что мегалиты для обсерватории доставлялись из Ирландии. Любопытно, что, согласно хронике, обсерваторию строили специалисты, которые прибыли «из отдаленной африканской окраины». Эти сведения были проверены. Оказалось, что пятидесятитонные мегалиты действительно имеют ирландское происхождение. Поэтому можно полагать, что и второе утверждение, что строители прибыли из африканской провинции, правдиво.

Метод радиоуглеродного анализа позволил достаточно точно определить время, в течение которого велось строительство. Оказалось, что каменная обсерватория строилась в продолжение целого тысячелетия (с 2775 до 1700 года до н. э.). Такое возможно только в одном случае — если в течение целой тысячи лет была обеспечена преемственность в решении этой непростой задачи. Все это время при власти должны были оставаться те, кто это задумал. Речь идет не о конкретных личностях, а о некоей социальной организации, которая этот проект осуществляла. Надо добавить, что строительство было очень непростым. И могло осуществляться специалистами, которые обладали высоким уровнем знаний не только в строительстве, но и в геометрии, астрономии и т. д. Строители в продолжение тысячи лет, пока строилась обсерватория, пользовались одной и той же унифицированной системой измерений. По этой системе один мегалитический род равнялся двум с половиной мегалитическим ядрам и равнялся ста мегалитическим дюймам. Ясно, что строители владели письмом и искусством ведения расчетов и составления таблиц. Без этого проводить наблюдения за солнечными и лунными затмениями было бы невозможно.

Вокруг гигантской обсерватории обитали неграмотные племена, которые возделывали землю. Их нельзя подозревать в возведении этого сооружения. Кто же строил обсерваторию? И не только эту. В Великобритании насчитывают около 600 мегалитических обсерваторий. Для чего они предназначались и кто их строил — мы не знаем.

Любопытны возможности обсерватории. С помощью расположенных определенным образом мегалитов на обсерватории определялись крайние положения Луны. Это делалось в тридцать раз точнее, чем в Ангор Вате, который был построен спустя 3–4 тысячи лет. Значит, шло время и точность очень существенно уменьшалась. Знания терялись с течением времени. Об этом можно судить по одной только каменной обсерватории Стоунхендж. На основании проведенного анализа ученые установили, что именно в далеком прошлом это сооружение позволяло получить наиболее точные и детальные данные. Так, крайние положения Луны определялись с точностью до одной минуты. Специалисты, работающие в обсерватории, знали о лунном цикле продолжительностью 18,6 года. Более того, они учитывали даже те отклонения в движении Луны, которые вызваны гравитационным притяжением Солнца.

Ученые, изучающие этот уникальный памятник астрономии и архитектуры, однозначно заключили, что с течением времени качество работ, а значит, уровень мастерства строителей снижался. Об этом свидетельствует тот факт, что самый древний этап строительства отмечен наибольшим искусством.

Возникает вопрос — до какого момента при перемещении в прошлое знания и умения растут? Чтобы ответить на него, надо рассмотреть и другие факты. Так в первом веке до н. э. был изготовлен бронзовый глобус звездного неба. Он хранится в Китае в Нанкинской обсерватории. Особенность этого глобуса состоит в том, что на нем изображены не только те звезды и созвездия, которые видны из Южного полушария. Другой факт. Как известно, с течением времени расположение звезд и созвездий на небосводе меняется. Но на глиняных табличках Древнего Шумера рядом с Луной изображены две звезды — альфа и бета из созвездия Близнецов. И расположены они так, как это было 6000 лет тому назад (рис. 35).

Рис. 35. Рядом с Луной изображены две звезды — альфа и бета у созвездия Близнецов. По расположению изображенных звезд можно определить, что это было 6000 лет назад. Глиняная табличка Древнего Шумера.

Диоген Лаэртский сообщал, что у египтян сохранились записи о 373 солнечных затмениях и о 832 лунных. Когда наступают те и другие затмения, рассчитать не трудно. Оказалось, что 373 солнечных затмения могли наступать только в продолжение не менее 10 000 лет. Некоторые историки астрономии считают, что наблюдения начались на 5 000 лет раньше, то есть 15 000 лет до н. э. А это значит, что наблюдения начали вести до того, как произошла всемирная катастрофа. Следовательно, этими знаниями люди обладали до катастрофы. Катастрофа в существенной степени погубила эти знания. Правда, не сразу. Это происходило в течение многих столетий: качество строительства каменной обсерватории в Великобритании великолепно иллюстрирует явный регресс.

Приведем еще одну астрономическую цифру. Как мы уже говорили, звездный свод медленно движется, совершает полный цикл за 25 920 лет. Это можно наглядно проиллюстрировать так. Сейчас во время весеннего равноденствия Солнце мы можем наблюдать в созвездии Рыб. Но два тысячелетия назад во время весеннего равноденствия оно находилось в созвездии Овна. Еще раньше — в период раннего Шумера — оно в этот момент находилось в созвездии Близнецов. Так вот, продолжительность этого цикла в 25 920 лет была хорошо известна в Шумере. Эту цифру можно найти в целом ряде шумерских текстов храмовых библиотек Ниппура и Сиппара.

Археологические находки также подтверждают, что астрономические знания являются чрезвычайно древними.

Был найден обломок кости с насечками, которые изображали фазы Луны. Его возраст 8,5 тысячи лет, а место — верховье Нила. На Южной Украине был найден бивень мамонта с насечками, которые обозначают дни лунного месяца, включая день «невидимой Луны». Здесь речь идет о возрасте 30–35 тысяч лет. Имеются и свидетельства астрономического характера значительно большего возраста. Любопытно свидетельство, которое связано с «ковшом Большой Медведицы». Когда вы смотрите на звездное небо, то первым делом находите этот Ковш. Но он никак не похож на большую медведицу. Откуда взялось это название созвездия? Причем его так называли везде в северном полушарии — от Сахалина до Атлантики. Так его называли и в Америке, которая еще не была открыта Колумбом. Как это понять?

Разгадка состоит в том, что форма созвездия меняется во времени. Оно действительно было очень похоже на очертания зверя — большой медведицы. Но это было очень давно, 80 000 лет тому назад. Значит, люди с тех пор во всем северном полушарии называют созвездие Ковшом Большой Медведицы и не изменили этого названия, хотя оно десятки тысяч лет уже не напоминает очертания зверя.

Но древние обладали уникальными знаниями не только по астрономии. Их представления по космологии были весьма прогрессивными. Джордано Бруно за то, что он утверждал, что Вселенная бесконечная и что существует множество обитаемых миров, подобных нашему, сожгли 17 февраля 1600 года. Но на самом деле Бруно не сказал ничего нового. Еще за тысячи лет до него эту мысль как непреложную истину хранили тексты пирамид, а также священные книги Древней Индии и Тибета. Идея бесконечности космоса содержится в одном из самых ранних текстов египетских пирамид. А в древней санскритской книге «Вишну-Пурана» сказано весьма определенно, что Земля является только одной из тысяч миллионов подобных ей обитаемых миров, которые находятся во Вселенной. Сказано буквально следующее: «За Дхрувой (Полярная Звезда) на расстоянии десяти миллионов лиг находится область святых, или Махар-лока, обитатели которых живут целую кальпу, или день Брахмы (4 320 000 000 лет). На дважды великом расстоянии находится Джана-лока, где обитают блаженные и другие чистые умом дети Брахмы… На расстоянии в шесть раз большем находится Сатья-лока. Обитающие там причастны к истине и не знают смерти». В одном из тибетских текстов сказано, что «во Вселенной так много миров, что даже сам Будда не может сосчитать их». Согласно буддийской традиции «каждый из этих миров окружен оболочкой голубого воздуха, или эфира».

В древнем Перу также существовало представление о том, что существа, подобные людям, живут и на далеких звездах. Это было еще в доинкский период.

Эти познания по космологии тогдашние жители Земли не могли установить сами. Они получили их от более ранних цивилизаций, о которых мы не знаем абсолютно ничего.

Древние имели представления не только о дальних мирах, но и о собственной планете. Галилей был обвинен в 1633 году в ереси за то, что утверждал, что Земля представляет собой шар и вращается вокруг Солнца. И во времена Колумба существовал трибунал, который состоял из светил университета в Саламанке, и преследовал всякого, кто осмеливался утверждать, что Земля круглая. Но круглая форма Земли отнюдь не смущала древних. Наоборот. Они считали, что это упрощает понимание ее создания — круглая Земля могла быть создана на гончарном круге. Так говорится в некоторых древнеегипетских текстах. Египтяне задолго до греков знали доподлинно, что Земля круглая. В «Лейденском демотическом папирусе» приведены слова богини Солнца: «Смотри, Земля передо мной, как коробка. Это значит, что Земля бога передо мной, как круглый мяч». Более того, египтяне считали, что Земля в своем движении подчиняется тем же законам, что и другие планеты — Юпитер, Сатурн, Марс, Меркурий и Венера. Европейская наука более поздних времен считала Солнце неподвижным. Правы были древние египтяне, которые согласно древнеегипетским текстам считали, что Солнце также движется в пространстве. Они называли Солнце «шаром, плывущим в недрах богини Ну» (то есть в небе). Напомним, что у древних египтян не было ни астрономических инструментов, ни каких-либо познаний, которые послужили бы основой таких выводов.

Об этом же в «Каббале» («Книге Зохар») сказано буквально следующее: «Вся обитаемая Земля вращается подобно кругу. Одни ее жители находятся внизу, другие — вверху. В то время как в одних районах Земли ночь, в других день, а когда в одних местах люди видят рассвет, в других опускаются сумерки». Любопытно, что «Каббала» при этом ссылается на другие ранние источники, которые нам неизвестны. Возможно, из этих источников черпал сведения и Платон. Он говорил о Земле, как о круглом теле, и о том, что смена дня и ночи происходит потому, что Земля вращается. Плутарх считал так же, когда цитировал Аристарха (III век до н. э.): «Земля движется по наклонному кругу, одновременно вращаясь вокруг собственной оси». В Библии также сказано, что Земля висит в пустоте «ни на чем» (книга Иова, 26,7).

Христианские теологи не сразу утратили правильные представления о Земле. Известно, что Беда Достопочтенный и Гийом Коншский говорили о Земле, как о шаре. Известный христианский философ и святой Григорий Нисский писал о «шаровидности земного тела». Он утверждал, что Солнце во много раз превосходит величиною Землю. В Индии существовали подобные же представления о Земле. Тантристская система «калачакра» утверждала, что Земля вращается вокруг своей оси и имеет форму шара.

О шарообразности Земли и законах движения планет знали и ацтеки. Они изображали планеты в форме круглых предметов или мячей, которыми боги играли. Да что говорить об ацтеках, когда даже жители островов Океании, которые разбросаны на огромном пространстве, знали о движении небесных тел, об их шарообразности и о шарообразности самой Земли. Исследователи не без основания полагают, что эти познания являются «осколками некоей цивилизации более высокого уровня».

Все сказанное выше приводит к выводу, что европейской культуре гордиться нечем — основополагающие космологические представления существовали значительно раньше и вовсе не в Европе. Надо помнить, что многие открытия европейские ученые и мыслители делали с помощью древних текстов. Например, Коперник говорил в предисловии к своему основополагающему труду, что идею о движении Земли он почерпнул у древних авторов. По-видимому, эти же древние источники использовал и известный армянский ученый VII века А. Ширакаци. Он писал о шарообразности Земли, сравнивая ее с яйцом, в котором желток — сама Земля, которая имеет форму шара, а белок — окружающая Землю атмосфера.

Ученые считают, что представление о шарообразности Земли существовало уже 4 000 лет назад. Но кто может поручиться, что к этой цифре не надо добавить один или даже несколько нулей.

Размеры Земли также занимали древних. Так, Аристотель и Эратосфен в своих трудах приводят длину окружности Земли, которая очень близка к действительной. В Древней Греции существовала единица длины — стадий, которая восходит к окружности Земли. Один стадий равнялся 1/60^3 окружности земного шара, или 1/216000 этой протяженности. В Древнем Египте использовалась единица длины, которая называлась ремен. Один ремен составлял 1/108000000 окружности земного шара. Не надо удивляться различию этих единиц длины. Обратите внимание, что 216 равно удвоенному 108. Не вызывает сомнения, что обе единицы длины — египетская и греческая — происходят из единого более древнего источника.

В Древнем Египте использовалась также священная единица длины. Она называлась «фут пирамид» и равнялась 0,63566 нашего метра. Древние египтяне знали длину радиуса Земли, проведенного из центра Земли к полюсу. «Фут пирамид» составлял одну десятимиллионную часть этого радиуса. При этом неточность древних составляет всего 0,003 мм. Кстати, в прошлом веке, когда выбиралась международная единица длины, то об описанных выше фактах не было известно. Тем не менее за метр была выбрана одна сорокамиллионная часть окружности Земли. Можно утверждать, что греки узнали длину окружности Земли от древних египтян или из Вавилона. Но остается вопрос — откуда знали столь точно длину окружности Земли в Древнем Египте и в Вавилоне?

Древние имели достаточно верное представление о состоянии Земли до зарождения на ней жизни. Так, древние шумеры полагали, что земля (суша) поднялась из моря. Это же утверждали и финикийцы. Практически во всех древнеегипетских текстах говорится о первичном едином океане. Он покрывал весь мир. Из него и возникала жизнь. В древнеиндийском источнике «Ригведа» говорится, что мир произошел «из великой воды, которая заполняла Вселенную». Сказано следующее: «Вначале был мрак, заключенный в мрак. Все было — неразделимый поток воды». В древнекитайских текстах также утверждается, что в начале начал вся Земля была покрыта водой. В преданиях народов, которые живут на островах Океании, также считается, что вначале не было ничего. Была только «глубокая тьма над пеной волн перед ликом бездны». В Библии сказано: «И сказал Бог: да будет твердь посреди воды». Такие же представления прослеживаются и у языческих славян, у бурят, а также у других народов Сибири. Индейцы обеих Америк полностью разделяли это представление. В священной книге «Пополь-Вух» сказано: «Не было ни человека, ни животного, ни птиц, рыб, крабов, деревьев, камней, пещер, ущелий, трав; не было лесов; существовало только небо. Поверхность земли тогда еще не появлялась. Было только холодное море и великое пространство небес».

Практически такое же представление о начальном состоянии Земли, пока на ней не возникла жизнь, существовало у всех народов: у шумеров, ассирийцев, майя, полинезийцев, хеттов, у африканских племен, а также в древнем Перу. Как это надо понимать? Предположить, что буквально все народы, племена и народности додумались до этого независимо, не приходится. Это маловероятно. Более вероятно, что эти представления пришли ко всем древним народам из единого источника. То, что такой источник существовал, подтверждают и многозначительные и даже кажущиеся странными совпадения, которые связаны с календарем.

Деление года на 12 месяцев существовало на Ближнем Востоке, в Древнем Египте и в Индии. Но такое же деление было и по другую сторону Атлантики и даже в Южной Америке. Что это, случайность? Общность календарей разных народов этим не ограничивается. Год у майя состоял из 360 дней. К ним прибавляли 5 безымянных (несчастных) дней. В эти дни позволялось абсолютно все, поскольку законы не действовали. Можно было обманывать, не отдавать долги и т. п. Но поражает то, что точно такой же обычай существовал и в Вавилоне, и в Древнем Египте, и в Индии. Совпадения прослеживаются и во многом другом. Так, и в Европе и в Перу новый год начинался в сентябре.

По обе стороны Атлантики мифы и священные писания делили время существования человечества на четыре эпохи. Все утверждают, что человечество сейчас вступило в последнюю, четвертую эпоху.

Общими для всех являются и знаки зодиака. Это один из древнейших астральных символов. Они были известны в Индии, Шумере, Китае и в Америке. Поражает, что евроазиатский и американский варианты почти совпадают (совпадает 9 знаков из 12).

На те же мысли о единой цивилизации наводят и данные о языках. В Библии сказано, что когда-то на Земле язык был один и одно наречие. Но люди задумали построить башню высотою до небес. Бог решил помешать этому и сделал так, чтобы один не понимал другого. Так при строительстве вавилонской башни произошло деление языков. Из Вавилона люди рассеялись по всей Земле.

Но вавилонский жрец и историк Берос (еще до создания Библии) об этом писал так: «Рассказывают, что первые люди, возгордившись своей силой и величием, стали презирать богов и считать себя выше их. Они построили высокую башню на том месте, где теперь находится Вавилон. Башня эта уже почти касалась небес, как вдруг ветры пришли на помощь богам и опрокинули сооружение на строителей его. Развалины получили название «Бабель». До того времени люди говорили на одном языке, но боги заставили их говорить на разных наречиях». Но любопытно, что подобные мифы имеются и у народов Америки. Одна из толь-текских легенд (Мексика) так трактует это предание: «Когда после потопа немногие люди уцелели и после того, как они успели размножиться, они построили высокую башню… Но языки их вдруг смешались, они не смогли больше понимать друг друга и отправились жить в разные части Земли». В одном из индийских мифов, «Ассамс», также повествуется о древних людях, которые задумали построить высокую башню, для того чтобы достичь неба. Но разгневанные боги заставили их говорить на разных языках, и они рассеялись по всем странам света. О едином, общем для древнейшего человечества языке говорится в древнеегипетских, ранних индуистских и буддийских текстах. Специалисты-языковеды в наше время считают, что три языковые семьи Евразии (индоевропейская, уральская и алтайская) действительно восходят к неким протоязыкам, которые еще раньше произошли от одного, единого праязыка. Это был язык некоего единого пронарода, который является предком всех современных народов и языков Евразии. В прошлом веке знаменитый Александр Гумбольт об этой проблеме высказался так: «Мне представляется ясным, что памятники, методы подсчета времени, системы космогонии и многие мифы Америки, представляющие собой поразительные аналогии с идеями, имеющимися в Восточной Азии, указывают на древние связи, а не являются просто результатом общих условий, в которых находятся все нации на заре цивилизаций». В наше время ученые высказываются так: «Археология и этнография последнего полувека выяснили, что древние цивилизации Старого Света — Египет, Месопотамия, Крит и Греция, Индия и Китай — берут начало в единой основе и что это единство происхождения объясняет единство их мифологической и ритуальной структур».

Древние владели уникальными знаниями не только по астрономии. В других областях их познания были не менее глубокими. В частности, это относится к философским проблемам. Современная наука наконец установила, что материя является вечной и что она не может вообще быть уничтоженной. Для этого потребовались столетия теоретических и экспериментальных исследований, открытий и заблуждений, споров и обобщений. Как этот вопрос решали древние? Еще до начала нашей эры у них это положение не вызывало какого-либо сомнения. У Диодора Сицилийского сказано следующее: «Халдеи утверждают, что материя мира вечна и что она никогда не подвергается уничтожению». Халдеи — это жители Вавилона. Они имели превосходные представления и об атомах. Идея о том, что материя состоит из атомов, обнаруживается в Древней Индии и в Греции. Эти две цивилизации разделены тысячами километров. Тем не менее идеи там и тут практически полностью сходны. И в Индии и в Греции считали, что атом — мельчайшая частица материи — является принципиально неделимым. При его делении он теряет свойства этой материи. Философы как в Греции, так и в Индии утверждали, что в силу своих очень малых размеров отдельные атомы нашими чувствами не воспринимаются. Те и другие совершенно одинаково полагали, что именно атомы составляют материальную причину всех миров и предметов, которые возникают и погибают в беспредельном космосе.

Обращает на себя внимание тот факт, что такие глубокие философские представления, касающиеся фундаментальных вопросов нашего бытия, существовали в то время, когда ни о какой экспериментальной атомной и ядерной физике не могло быть и речи. Откуда древние об этом знали? Просто догадались? Это невозможно. Установили экспериментально или теоретически — тоже исключается. Значит, они узнали это от кого-то, кто их добыл. От этого «кого-то» эти знания перешли как к жителям Греции, так и к жителям Древней Индии. Поэтому они и похожи, как однояйцовые близнецы.

Древние заглянули не только в глубь материи и обнаружили там атомы. Они заглянули внутрь времени и расчленили его на годы, месяцы и дни, а сутки — на день, ночь, утро и вечер. Но когда обыватель говорит об одной трехсотмиллионной доле секунды — это поражает. Где в ежедневной жизни он сталкивался с таким отрезком времени? Он вообще не располагал аппаратурой, которая позволила бы ему измерить десятую или сотую доли секунды. А тут он заговорил об одной трехсотмиллионной доле секунды. Зачем эта мизерная доля оказалась этому обывателю нужной? Как он до нее додумался, раз он ни разу ее не использовал? Объяснение может быть только одно — эти сведения были получены от предшествующей цивилизации. Именно от прежней цивилизации заимствована эта информация. Так, в санскритском тексте Сиддханта — Сиромани говорится о единице времени «трути», которая равна 0,3375 секунды. В другом тексте Врихатх Сатхака говорится о другой единице времени — «кашта», которая равна одной трехсотмиллионной доле секунды. Наши ядерщики стали оперировать такими временными отрезками совсем недавно. У жителей Древней Индии, у которых не было ни ускорителей, ни реакторов, проблем с таким малым отрезком времени не было. Любопытно, что «кашта» — это и есть время жизни некоторых мезонов и гиперонов. Можно не сомневаться, что древние не фантазировали, а знали, что говорят. Знали от тех, кто жил до них и обладал полным арсеналом для экспериментального и теоретического исследования внутриядерных процессов. С их голоса и говорили древние жители Греции и Индии.

Не могут не поражать и познания древних в области географии. И на этот счет мы располагаем обширным количеством фактов, приведем только некоторые из них. В средние века широко использовались мореходные карты. Обращает на себя внимание тот факт, что все эти карты, кто бы их ни составлял, очень похожи друг на друга. Понять причину такого сходства помогли сами составители этих карт. Они сами отмечали, что чертили эти карты, копируя древние карты, которые хранились в Александрийской библиотеке. Вот и весь секрет. Но при этом случались и казусы. На картах оказались нанесенными (скопированными) такие земли и острова, которые еще не были открыты. Некоторые из них открывали спустя сто — двести лет после того, как ее очертания появились на карте. Это случилось и с Австралией. Ее открывали и наносили на карты в течение XVII–XVIII веков. Зато на картах ее очертания были нанесены еще в 1510 году. Это за сто лет до того, как первый европеец вступил на ее землю.

Последние годы во многих популярных изданиях обсуждались турецкие карты, принадлежавшие Хаджи Ахмеду. Они датированы 1559 годом. На одной из них имеются очертания и береговая линия как Северной, так и Южной Америки. Только спустя два века на этих континентах побывали путешественники и картографы. Но оказалось, что задолго до них здесь побывали римские корабли. Неподалеку от Рио-де-Жанейро были-таки обнаружены остатки римского корабля, римская и финикийская керамика и две амфоры. Их датируют II веком до н. э. Значит, все уже было. Найденные предметы в свое время были изготовлены в Карфагене.

Кроме этих находок в Америке были обнаружены и другие, например римские терракотовые статуэтки, норманнские монеты, а также изделия из балтийского янтаря.

В Канаду за 2000 лет до Колумба прибыли баски. Найдены их захоронения. В это время мир казался тесным. Выяснилось, что жрецы майя знали секреты погребения египетских фараонов. Это подтверждают данные анализа текстов, сохранившихся в Храме надписей в Мексике.

Примерно о том же сообщают и палеоботаники. Оказалось, что в бальзаме мумии Рамзеса II был обнаружен алкалоид листьев табака. Это за три тысячи лет до того, как после открытия Америки табак был завезен в Старый Свет! Значит, древние египтяне хорошо знали путь в Америку через Атлантику. Недаром за четыре тысячи лет до плавания Колумба появилась запретительная надпись, которая гласила: «Не стремитесь пересечь воды Западного океана! Те, кто отправились туда, не вернулись обратно!»

Из древнекитайских рукописей следует, что в Китае знали путь к Американскому континенту по крайней мере за 1000 лет до Колумба. В тибетских текстах, которые относятся к 1500 годам до н. э., имеются не только упоминания об Америке, но приводятся и различные сведения об этом континенте. Но эту дату можно сдвинуть вспять еще на 1500 лет. Так, на побережье нынешнего Эквадора была обнаружена глиняная японская посуда культуры Дземон, которая датируется 3000 г. до н. э.

Если было известно об Америке, то имелись и ее карты. Это подтверждается данными исследований. Исследователи детально изучали древние карты, в том числе и карты Эратосфена (276–194 г.г. до н. э.). Эти карты и копии с них содержали ошибки. Но в этих ошибках была своя система. Тщательный анализ этих ошибок показал, что региональные карты самого Эратосфена имели своим источником более древние карты, в которых центр проекции приходился на Вавилон или Тир. Исследователи при анализе привлекли и астрономические данные, которые использовались при составлении этих карт. Такой анализ позволил определить дату создания этих карт. Оказалось, что карты были составлены примерно в 3600 году до н. э. Но и этот временной рубеж не предел. Новые данные свидетельствуют, что и значительно раньше имелись весьма детальные карты различных континентов. В частности, в популярной литературе широко обсуждались карты Антарктиды, которая в наше время оказалась похороненной под толстой глыбой льда и снега.

Хорошо известна карта Антарктиды Оронтеуса Финиуса. Она была изготовлена в 1532 году. Она приведена на рис. 36. Для сопоставления на рис. 37 показана современная карта Антарктиды. Видно, что старая карта достаточно точно воспроизводит новую. Напомним, что Антарктида была открыта только в 1820 году. Только после этого постепенно наносились на карту ее береговые линии. Это заняло все прошлое столетие и даже часть нашего. Но раз была карта Антарктиды, то о ней не могли не знать современники карты. Так оно и было. Еще Цицерон, когда говорил о земле как о шаре, заметил, что обе крайние области Земли, где проходят «концы небесной оси», покрыты снегом. Это Арктика и Антарктика. Как известно, Цицерон писал это за 2000 лет до того, как Антарктику открыли.

Сравнивая карты Антарктиды, современную и карту Оронтеуса Финиуса, мы говорили, что они достаточно хорошо совпадают, соответствуют друг другу. Именно соответствуют, поскольку там, где на карте Финиуса видны изображения рек и глубоких фиордов, на современной карте должны были бы быть отмечены ледники, которые медленно сползают в океан. Значит, были реки, а стали ледники. Но совершенно ясно, что во время изготовления карты (1532 г. н. э.) рек и фиордов в Антарктиде быть не могло. Когда же это было? Это могло быть не позже чем 6000 лет тому назад. Именно в это время льды покрыли Антарктиду. Значит, карта Финиуса была не изготовлена, а скопирована с древнего оригинала, который по информативности оказался нисколько не хуже современной карты.

Рис. 36. Карта Антарктиды Оронтеуса Финиуса, изготовленная в 1532 году.

Рис. 37. Современная карта Антарктиды.

Сенсационной является и другая карта. Это карта Птолемея, на которой в северной Европе нанесены белые пятна. Мы сегодня достаточно хорошо знаем динамику последнего оледенения, то есть знаем, когда и где и как они двигались, распространялись, разрастались и исчезали. Сравним эти данные с положением белых пятен на карте Птолемея. При таком сравнении выясняется, что указанные белые пятна как раз совпадают с местонахождением ледников. Но это было 10 000 лет назад. Значит, карта Птолемея отражает положение именно в этот момент времени. Не удивительно ли, что уже в то время составлялись столь подробные и вполне современные карты.

Есть и другие данные, которые позволяют считать, что столь современные карты составлялись и значительно раньше, скажем, 20 000 лет тому назад. Как мы об этом узнали? По проделанной рекой (водой) работе. А именно: на одной из древних карт река Гвадалквивир не имеет устья. В наше же время она образует обширный эстуарий, ширина которого достигает 7 км. Гидрологи способны рассчитать время, которое понадобилось реке, чтобы выполнить эту громадную работу. Оно оказалось равным указанным 20 000 лет.

Мы уже говорили о турецкой карте Хаджи Ахмеда. Она датируется 1559 годом. Эта карта воспроизводит очень точно (поразительно точно) Тихоокеанское побережье нынешней Северной Америки, а также Аляску. Но на этой исключительной во всех отношениях карте нет Берингова пролива. Другими словами, между Америкой и Сибирью имеется сухопутный мост. По этому мосту человек палеолита перебрался из Азиатского континента на Американский. Но хорошо известно, что этот мост исчез по крайней мере 30 000 лет тому назад. Это значит, что и в это время составлялись карты, причем очень точные.

Закончим рассмотрение проблемы древних географических карт словами известного американского историка географии Ч. Х. Хапгуда, который этот вопрос исследовал весьма обстоятельно и результаты анализа изложил в книге «Карты древних мореплавателей». Ученый писал так: «Высокоразвитое искусство составления карт, носители которого использовали сферическую тригонометрию и инструменты, позволявшие им точно определить долготу и широту, это искусство уступило место весьма несовершенной греческой картографии, а позднее, в средние века, и эти географические познания были утеряны…» На основании изучения карт и их многочисленных копий, выполненных в разное время (мы говорили, что качество карт со временем ухудшилось), ученый заключил, что в очень отдаленные времена существовала «охватывающая весь мир цивилизация, картографы которой составили совершенные карты всего земного шара. Картам этим присущ общий уровень технического исполнения, общие методы, один и тот же уровень математических знаний, и возможно, для их составления использовались инструменты одного вида».

Рассмотрим кратко другие области знаний, в которых преуспели древние. Что касается математики, то их познания в этой области находились на необъяснимо высоком уровне. «Необъяснимо» потому, что этот высокий уровень не соответствовал потребностям практической жизни. Можно сказать и по-другому — высокие математические познания никак не стимулировались, не подстегивались потребностями практики. Это легко проиллюстрировать на нашей жизни. Миллион был введен в математике только в XIX веке. Раньше потребности в нем не было. А вот в Египте понятие «миллион» существовало. Более того, для его обозначения имелся даже специальный знак. Использовалось ли это понятие на практике — это другой вопрос, причем очень принципиальный. Дело в том, что эти понятия, без сомнения, достались египетской цивилизации от прежней, более развитой цивилизации.

Одним из реперов в математике является число «пи». Это отношение длины любой окружности к диаметру этой окружности. Оно равно 3,14. В истории математики оно известно как «число Лудольфа», голландского ученого, жившего в XVII веке. Считается, что он первым рассчитал это отношение. Но в Москве в музее изобразительных искусств имени Пушкина имеется египетский папирус. Из него однозначно следует, что египтяне давно знали число «пи». И не только египтяне. Знали это число и задолго до них, в частности в Шумере. И не только число «пи», но и теорему Пифагора (с той поправкой, что Пифагор открыл ее спустя 1000 лет). В Древнем Шумере жрецы и хранители знаний владели в совершенстве математикой. Они решали сложные алгебраические задачи, квадратные уравнения с несколькими неизвестными. Они справлялись и с задачами на сложные проценты и даже с теми задачами, которые выходили за рамки алгебры. Но опять же: поражает то обстоятельство, что эти ученые мужи предавались этим занятиям тогда, когда их окружала дикость и варварство той эпохи. Ясно, что эти знания были порождены не их эпохой. Потребности в этих знаниях практическая жизнь не выказывала. Шумерские математики писали деревянными палочками на влажной глине. Но это не мешало им заниматься «высокими материями». Разве не поражает, что среди глинописных текстов, которые были найдены в Шумере, имеется математический ряд, конечный итог которого выражается числом 195 955 200 000 000. Добавим, что такими числами европейская наука не умела оперировать даже во время великих математиков Декарта и Лейбница.

О математических познаниях древних можно рассказать многое. Но мы перейдем к их познаниям в металлургии. При этом мы непременно найдем следы того же просветительства, о котором мы уже говорили. Как известно, в Европе был бронзовый век, когда многие изделия изготовляли из бронзы. Что такое бронза? Это медь, в которую добавлена десятая часть олова. Естественно полагать, что прежде чем манипулировать с медью (добавлять к ней какую-то часть олова), человек должен был хорошо освоить медь, то есть делать из нее все, что позволяет этот металл. Другими словами, в Европе вначале должен был быть медный век, после которого мог наступить бронзовый век. Почему-то европейцам взбрело в голову сразу делать бронзу, практически не используя медь в чистом виде. Кто их этому научил — мы не знаем, но не сомневаемся, что именно научил. Такова логика вещей. Любопытно и то, что практически не видно следов ученичества. Другими словами, сразу появляются изделия из бронзы высокого качества. Ясно, что использовалась уже хорошо отработанная технология. Процесс постепенного совершенствования технологии, что было бы естественным, если бы европейцы дошли до бронзы своим умом, отсутствовал. Изделия из бронзы появились по всей Европе внезапно и распространились повсеместно.

Не менее любопытно и то, что то же самое происходило и в Америке, в частности на территории современной Мексики. Здесь производство бронзы началось сразу в совершенной сложной форме с множеством сложных технических приемов. Здесь периоды ученичества, совершенствования технологии также не обнаруживаются.

Примерно та же картина наблюдается и с выплавкой железа. На территории Европы это искусство совершенствовалось в продолжение 2000–2500 лет. Зато в юго-восточной Азии искусство отливки появляется внезапно, сразу, как будто оно было занесено извне. Можно не сомневаться, что в некоторых случаях люди получали рецепт в готовом виде. Это подтверждает и однотипность изделий (в частности из бронзы) на огромной территории Европы. Специалисты пишут, что «изделия являются до такой степени копиями друг друга, что можно было бы подумать, что все они вышли из одной мастерской».

Первопроходцами применения бронзы были наиболее развитые цивилизации — египетская и месопотамская. Но парадоксально, что на территориях этих стран не было необходимого сырья. За оловом ехали на Кавказ или на Пиренейский полуостров. Ближе его не было. Богатые оловом Британские острова финикийцы называли «Оловянными островами». Здесь логика такова — прежде чем ехать за оловом, ты должен четко знать, зачем оно тебе нужно. Другими словами, ты должен овладеть технологией получения бронзы. Но как ты мог ею овладеть без олова? Замкнутый круг. Он разрывается, если предположить, что технологию получения бронзы тебе подсказал кто-то другой. Тогда все встает на свои места. Факты говорят о том, что так оно и было. Недаром технология получения бронзы долгое время была монополией замкнутых групп посвященных. В Европе и на других территориях производство и обработка металлов на протяжении веков считались областью тайных знаний — магией. Это прослеживается и в старославянских представлениях, где кузнец обычно выступает в качестве колдуна, то есть человека, который обладает тайными знаниями.

Удивляет не только распространение технологии получения бронзы. На Перуанском нагорье археологами были обнаружены древние украшения, которые были отлиты из платины. А для этого нужно владеть технологией, которая не уступает современным.

Имеется сообщение, что в районе Великих озер (Онтарио, Мичиган) задолго до того, как сюда пришли европейцы, существовала цивилизация, которая знала секрет изготовления меди. Можно определить и временной отрезок — когда это было. Делается это достаточно точно с помощью радиоуглеродного метода. Получается, что эта цивилизация процветала между 7500 и 1000 годами до н. э. То, что в это время владели технологиями металлурги, подтверждает и открытие археолога А. Х. Маллери. Ему удалось обнаружить на территории Северной Америки следы металлургии, которая существовала 7000 лет назад. В нескольких источниках сообщается, что отдаленные предки индейских племен умели варить сталь при температуре 9000°. А их внуки и правнуки оказались в каменном веке. Это и есть зримое проявление регресса.

Гальванические элементы знают все. Их изобретение в 1786 году Луиджи Гальвани явилось началом эпохи электричества. Но возникает вопрос — знали ли о чем-то подобном раньше? Оказывается, знали. Археологи раскопали у берегов Тигра в развалинах античного города Селевкия небольшие глазурованные глиняные сосуды, высота которых составляла 15 см. В этих сосудах находились железные стержни и запаянные медные цилиндры. Внешний вид у них был такой, как будто они были разъедены кислотой. Естественно было предположить, что это своего рода гальванические элементы. И действительно, когда залили в сосуды электролит, то они дали ток. Каждый такой элемент давал напряжение примерно полвольта.

Если шумеры владели секретом электричества, то они могли использовать его в ювелирном деле. Известно высокое искусство шумерских ювелиров, которые умели покрывать серебряные изделия тончайшим слоем золота. Не применяли ли они для этого гальваностегию? Если так, то можно только удивляться, что на заре человеческой культуры были известны электричество и гальваностегия. Но была ли это заря? Скорее всего, это было начало сумерек.

Имеются факты, которые можно трактовать как свидетельство того, что в древности был известен и электролиз. Факты эти получены при исследовании гробницы полководца Западного Цзиня Чжоу-Чжу, который был убит в 297 году н. э. Орнамент этой гробницы исследовали с применением метода спектрального анализа. Этот метод позволяет с высокой достоверностью установить, какие химические элементы содержатся в исследуемом материале. Оказалось, что орнамент состоял из сплава, 10 % которого составляла медь, 5 % — магний и 85 % — алюминий. Нам известен только один способ получения алюминия — это технология с использованием электролиза. Напомним, что первый алюминий был получен только в 1808 году. Таким образом, можно предположить, что полторы тысячи лет назад уже был известен электролиз. Правда, нельзя исключить и второй возможный вариант, а именно, что древним был известен другой способ получения алюминия, которого мы не знаем. Специалисты склонны отдать предпочтение первой гипотезе — что был известен электролиз. Почему бы и нет, если в Шумере были известны гальванические элементы?

Свидетельств уникальных знаний древних множество. Имеются и весьма своеобразные. Так, французский автор XVII века писал о таких реалиях, которые существуют благодаря техническому прогрессу только в наше время. Он описывал лампы, свет которых имел ту же природу, что и молния. Это — «раскаленные лампы», «блестящие огненные шары», которые были заключены «в прозрачную оболочку». Автор описывал также ящик, внутри которого находился сложный, с трудом различимый глазом механизм. Если установить стрелку на то, что именно желает слышать человек, устройство это тотчас начнет издавать слова и музыку. Автор пояснял, что эти звуки и выходили как из уст человека или из музыкального инструмента». Откуда автор в XVII веке почерпнул эти сведения? Вряд ли он все это сочинил. Не без основания можно предположить, что такие сведения дошли до автора со времен некогда существовавшей развитой цивилизации.

ЭЗОТЕРИЧЕСКИЕ ЗНАНИЯ ДРЕВНИХ

Просветители распространяли знания среди нового варварского населения. Это были знания, относившиеся к практической жизни (земледелие, металлургия и др.). Но значительную часть знаний, особенно тех, которые касались нематериального мира, тщательно скрывали. Поэтому эти знания и называют эзотерическими, то есть скрытыми. Свидетельств того, что это действительно так, очень много. Приведем только некоторые из них.

В «Каббале» сообщается, что существует некая книга, в которой изложены высшие знания и она надежно спрятана в глубокой пещере. Спрятана для того, чтобы она не попала в руки недостойных. К таким недостойным относили также военачальников и даже правителей, которые с помощью этих знаний могли значительно усилить свою власть, а возможно, и больше — погубить весь народ. Последнее могло произойти в том случае, если было бы применено то оружие массового уничтожения, сведения о котором содержались в тайных знаниях.

Великий Ньютон в свое время писал следующее: «Существуют другие военные тайны помимо преобразования металлов, о которых не хвастают великие посвященные. Если правда то, о чем пишет Гермес, их нельзя постичь без того, чтобы мир не оказался в огромной опасности».

Александра Македонского посвящал в эти тайны Аристотель, учеником которого он был. Аристотель написал книгу об этих знаниях. Македонский относился к этому весьма неодобрительно и упрекал своего учителя в разглашении тайного учения: «Ты поступил неправильно, обнародовав учение, предназначенное только для устного преподавания», — писал ученик учителю.

Крупным центром эзотерических знаний был Египет. Туда отправлялись многие ученые Древней Греции и проводили при египетских храмах долгие годы. Конечно, жрецы им открывали далеко не все. Страбон писал по этому поводу: «Отличаясь по части знания небесных явлений, жрецы держали его в тайне…», «…большую часть сведений варвары скрывали». Греки называли варварами абсолютно всех, кроме себя. Варварами для них были и египтяне и индийцы. В древнеиндийском тексте «Сурья-Сидханта» содержится убедительное подтверждение того, что знания скрывались. В тексте изображены различные фазы солнечного затмения, которые сопровождает замечание: «Эту тайну богов не следует разглашать всем подряд». Кстати, в шумерских астрономических текстах также содержатся подобные предупреждения и оговорки. В древнеиндийском источнике «Ригведе» это выражено так: «Кто волшебные тайны слова постигнет, пусть хранит от всех и в учении скроет». Более эмоционально об этом же сказано в одном из магических египетских папирусов. Он начинается и кончается призывом: «Замкни уста! Огради свои уста!»

Сохранились сведения, что во времена Рамзеса III двух придворных библиотекарей обвинили в том, что они охраняли некий магический папирус недостаточно бдительно. Известно, что доступ к нему был разрешен только наиболее приближенным к правителю жрецам.

Накануне всемирной катастрофы Гермес (Тот) начертал тексты, содержащие знания, для того, чтобы спасти их от уничтожения. После катастрофы он перевел надписи с тайного священного языка. Не вызывает сомнения, что книги Гермеса оказали большое влияние на различные религиозно-философские учения. Этих книг было много. Видимо, существовало и немало подделок. Так, Климент Александрийский (II–III века н. э.) писал о 42 священных книгах Гермеса. Учение Гермеса было посвящено различным вопросам философии и магии. Это учение было «герметическим» — тайным, закрытым. Отсюда и произошел термин — герметический.

Мировые религии также содержали в себе некие тайные знания, которые охранялись очень тщательно. Не вызывает сомнения, что и Христос (о нем говорится в кумранских списках как об Учителе) сообщил своим ученикам-апостолам некое тайное учение. Он разрешил его открывать только избранным. Пророк Ездра в Апокалипсисе сообщает, что только 24 книги из «данных ему свыше» разрешено было ему сделать достоянием всех. Остальные 70 книг он обязан был скрывать от широкой публики, а дать их только избранным.

Как известно, в иудаизме скрытое учение содержится в «Каббале». Но это учение категорически запрещено излагать письменно. Излагать скрытое учение «Каббалы» разрешено только устно и только для избранных. Тайное учение не должно было попасть в случайные руки. Так же поступали и жрецы-друиды. Свое тайное учение они унесли с собой.

Ученик Платона Порфирий так писал об обществе учеников знаменитого Пифагора: «Когда последние члены этого общества ушли из жизни, их тайные знания, хранившиеся всегда в секрете, исчезли вместе с ними, кроме двух-трех туманных положений, которые, не будучи понятны, стали достоянием посторонних».

Сохранить тайну можно двумя путями. Во-первых, о ней не надо делать никаких записей. Во-вторых, если записи делать, то их надо зашифровать. Последнее применялось очень широко. Поэтому мы получили в наследство значительное количество различных символов, условных фраз, обозначений и тому подобное. Часть из них до сих пор не расшифрована и не понята. Так, рукописи по алхимии, которых известно множество (более 100 000), буквально начинены этими шифровками. Можно представить себе, что более 100 000 человек (авторов) стремились изложить суть и секреты алхимии, но не просто изложить, а изложить так замысловато, запутанно, зашифрованно, чтобы истинного смысла никто так и не понял. Им это удалось.

Посвященным, несомненно, был и Роджер Бэкон (1214–1292). Этот ученый предвосхитил (что остается необъяснимым, если не учитывать, что свои открытия он брал из прежних источников) многие открытия последующих веков. Он писал о телефоне, самодвижущихся повозках, летательных аппаратах и о многом другом в том же роде. Все это содержится в его опубликованных, не засекреченных (незагерметизированных) работах. Но кроме них была еще одна работа — трактат. Ее Бэкон полностью зашифровал (204 страницы). Зашифрованную рукопись знаменитого посвященного в 1585 году подарили самому императору Священной Римской империи Рудольфу II. Это был самый драгоценный дар. Мы, конечно, не узнаем, что содержалось в ней. Исключительное любопытство проявляли и современники императора. Так, алхимик Джон Ди, который и подарил рукопись императору, тщетно пытался ее расшифровать. Шли столетия, эти попытки предпринимали и другие — но безрезультатно. Сохранилось письмо ректора Пражского университета к одному из самых известных специалистов по тайнописи, в котором он просил заняться этой рукописью. Письмо датировано 1666 годом. На длительное время рукопись выпала из поля зрения специалистов. О ней заговорили в 1912 году, и попытки расшифровать ее продолжаются до сих пор. Создаются комплексные группы, состоящие из специалистов разного профиля — историков, математиков, астрономов, военных дешифровщиков, психологов. Но положительных результатов пока нет. Усложняет дело то, что текст написан не на латыни и не на английском. Да собственно, язык рукописи не имеет аналогов ни в одном из известных языков. Полагают, что Бэкон воспользовался искусственным языком, своего рода эсперанто. Но в то время такого языка еще не было. Первый искусственный язык был создан только в XVII веке. Но Бэкон мог создать такой язык сам и только для того, чтобы зашифровать свою рукопись. Так он и поступил.

Существует и более громоздкий способ шифровки тайных текстов. Шифровальные знаки могут весить сотни тонн. Речь идет о шифровании сведений, в частности астрономических знаний, с помощью определенных пропорций культурных сооружений и храмов.

Согласно древнеиндийской традиции космический цикл Вселенной состоит из четырех эпох. Это Крита Юга (длится 1 728 000 лет), Трета Юга (1 296 000 лет), Двапара Юга (864 000 лет) и Кали Юга (432 000 лет). Последняя эпоха, в которой, кстати, живем и мы, названа «черным веком». Возможно, не без оснований. Так вот, эти сведения зашифрованы в пропорциях храмового комплекса Ангкор Ват в Кампучии. При строительстве этого храма пользовались особой единицей длины «хат», которая равна 0,43545 метра. Исследователи изучили соотношение различных расстояний и размеров деталей и частей храма. Приведенные выше четыре числа — продолжительность четырех эпох космического цикла Вселенной они нашли, измеряя расстояния от ворот до стены храма, от первой ступени до первой ступени храма, от входа до центра храма и т. д. По этому поводу можно улыбнуться, решив, что так можно получить что угодно. Но измерения других расстояний также оказались привязанными к важным астрономическим параметрам. Так, оказалось, что расстояние между галереей и алтарем равно 29,53 хат. Это число с точностью до одной сотой совпадает с продолжительностью лунного месяца. Далее, сумма осей храма «север — юг», «восток — запад» равна 365,37 хат. Ясно, что это длительность года, то есть время обращения Земли вокруг Солнца. Здесь точность составляет 0,13. Эти сведения были опубликованы в 1976 году в журнале «Сайенс». Там сказано, что подобных совпадений исследователи знаменитого храма обнаружили не менее 300. Так строители храма шифровали астрономические данные. Вряд ли храм Ангкор Ват является единственным в этом роде. И действительно, некоторые ученые считают, что шифровка астрономических данных содержится и в египетских пирамидах. Периметр пирамиды Хеопса, например, соответствует длительности звездного года. Из измерения сторон пирамиды и других деталей определяется и время обращения Земли вокруг Солнца, с точностью до одной десятитысячной. Французский астроном Т. Моро полагает, что высота пирамиды (первоначальная), равная 148,208 метра символизирует расстояние от Земли до Солнца. Известно, что это расстояние из-за движения Земли по некруговой орбите меняется от 147 до 152 миллионов километров. Средняя величина составляет 149,5 миллиона километров.

Еще не доказано, что в пирамиде зашифрованы астрономические данные. Но такие предположения не лишены основания.

Показательны факты шифровки астрономических величин в Древнем Шумере. Мы уже говорили о том, что на одной из клинописных табличек было начертано число 195 955 200 000 000. Почему именно это число? Ответ на этот вопрос состоит в следующем. Шумеры использовали для определения времени часы, минуты и секунды. Кстати, эти единицы мы заимствовали у них. Но продолжительность суток они выражали не в часах (как мы), а в секундах. Сутки содержат 86 400 секунд. Теперь поделите найденное на табличке число 195 955 200 000 000 на продолжительность суток в секундах (86 400), и получите 2268 миллионов суток, дней. Обратите внимание, что найденное число поделилось без остатка, и это не случайно. Далее переведем полученные 2268 миллионов дней в годы. Весь этот временной промежуток разобьем на равные циклы, в каждом из которых содержится по 25 920 лет. Полученное число означает 240 временных циклов, в каждом из которых содержится по 25 920 лет.

Далее возникает вопрос — почему в каждом цикле содержится по 25 920 лет? Это время, за которое небесный свод совершает полный оборот, что вызвано медленным перемещением оси вращения Земли по круговому конусу. Это — не что иное, как прецессия. Можете ее наблюдать прямо на столе. Раскрутите детский волчок (юлу) и при этом немного наклоните ось вращения (так, чтобы она не была перпендикулярна плоскости стола). При этом вы можете наблюдать не только вращение юлы, но и ее прецессионное движение. Проделайте это, и вы получите представление о том, как звездный свод совершает полный оборот за 25 920 лет. В Древнем Шумере все это знали достоверно, и цифра 25 920 отнюдь не случайна.

Приведем и еще несколько примеров. В храмовых библиотеках Ниппура и Сиппара все таблицы, которые посвящены умножению и делению, основываются на числе 12 960. Это число получается делением длительности описанного выше цикла пополам, то есть 25 920: 2 = 12 960.

В Шумере существовала не только десятичная система счисления, которой пользуемся и мы, но и шестидесятеричная система. Мы ее используем, когда делим пространство на 360 градусов, а время на 60 секунд и т. д. Если космический цикл (полный период обращения небесной сферы) в 25 920 лет разделить на 60, то получится число 432. Без остатка. Что означает это число?

В древнейшем индийском эпосе «Махабхарата», а также в «Ведах» сказано о космической эпохе, которая длится 360 священных лет. Каждый священный год содержит 432 000 обычных лет. Умножим и получим, что в космической эпохе содержится всего 432 000 лет. Вот что означает цифра 432! Это последняя космическая эпоха — Кали Юга («черный век»), в который мы живем. Другие предыдущие три космические эпохи также включают в себя эту величину — 432 000. Это выглядит так. Крита Юга имеет длительность в четыре раза больше, чем 432 000 лет. Она длится 1 728 000 лет. Трета Юга длится три Кали Юги, то есть 1 296 000 лет. Известен и «Великий год» Платона. Он равен 36 000 лет. Это двенадцатая часть длительности Кали Юги, своего рода месяц, если всю Кали Югу считать за год. Как вы видите, число 432 000 буквально пронизывает различные величины, пронизывает величины пространства и времени, которые восходят к разным древним цивилизациям — к Индии, Греции, Египту, Шумеру и даже к нордическому и исландскому эпосу. Это число представляет собой своего рода ключ, знак единого источника, единого для всех цивилизаций и культур. Так, в буддийских храмах 108 колонн, в буддийских четках 108 бусинок и т. д. 108 — это четвертая часть числа 432.

Число 108 прослеживается и в Египте. Древние египтяне использовали единицу длины, которая является одной ста восьми миллионной частью окружности Земли. Греческий стадий также вытекает из числа 432, поделенного пополам, то есть из числа 216. Греческий стадий (единица длины) равен одной двестишестнадцати тысячной от окружности Земли. Вавилонский жрец Бероза писал, что период царствования вавилонских царей до потопа составлял 432 000 лет. Эта цифра прослеживается и в исландском эпосе. В нем говорится о космической битве богов и антибогов. При этом из каждой из 540 дверей выходит по 800 воинов. Сколько всего выходит воинов? Умножим и получим ровно 432 000!

Это число буквально заполоняло все в течение 20–25 веков. Причем одновременно на огромном пространстве от Индии до Исландии. Значит, на этом пространстве в продолжение тысячелетий существовала общественно-социальная структура, империя. Иначе как обеспечивалась однотипность и преемственность?

Исследователи данной проблемы считают, что и в Библии имеется большое количество шифровок. Здесь доминирует число 7. Так, во всех 66 библейских книгах имя Моисея упоминается 847 раз. Это 121 по 7. Имя пророка Давида упоминается 162 по 7 раз, а имя Иеремии в 7 книгах Великого Завета упомянуто 21 по 7 раз и т. д. Прослеживались и другие связи. Мы на них останавливаться не будем. С Библией вообще очень сложно. Она писалась разными авторами в продолжении полутора тысяч лет. Если там есть шифровки, которые рассматривают все книги Библии как единое целое, то непонятно, как эти авторы, не знавшие и не видевшие друг друга, знали, сколько раз каждый должен упомянуть имя того или другого пророка, чтобы общее число упоминаний было кратным семи. Но не будем категорически все отрицать. Это тоже не путь. Если нам что-то непонятно, то это не значит, что этого не может быть.

Сведения по космогонии зашифрованы в «Каббале» весьма своеобразно, в виде символического дворца. Говорится, что этот дворец имеет 50 дверей и все они открываются одним ключом. Чтобы понять тайны создания и развития мира, надо знать (иметь) этот ключ. Дворец устроен так. На каждую из четырех сторон света выходит по 10 дверей, а остальные 9 дверей ведут вверх, в небо. Но, кроме того, существует и еще одна дверь, о которой пока ничего не известно. Только открыв ее, можно установить, куда она ведет — вверх или вниз, в бездну. Кто вошел в эту дверь, тот никогда не возвращается обратно. Древние предостерегали об опасности доступа к тайным знаниям. Опасность они обозначали символом «невозвращения». Об опасности знаний говорится и в Книге Еноха, которая также входит в состав Библии. Там сказано, что некогда на Земле было много зла от тех людей, которым оказались открыты «небесные тайны мира».

Об опасности знаний говорят и сообщения о «греческом огне», который представлял собой некое «абсолютное оружие». С помощью этого оружия в битве с арабами в 716 году византийцы уничтожили практически весь их флот, который состоял из 800 кораблей. Византийцы очень тщательно охраняли свою тайну — их оружие могло повернуться против них же. А потом секрет «греческого огня» был утерян.

Тайна пороха охранялась столь же тщательно. Порох был известен в Китае еще в V веке до н. э. Позже он стал известен и в Индии. В Египте его применяли в VII веке нашей эры. Для нас же его открыл относительно недавно Бартольд Шварц.

Очень любопытно признание, которое сделал Леонардо да Винчи и сведение о котором содержится в Лейчестерском манускрипте. Леонардо да Винчи писал: «Как и почему и я не пишу о своем способе оставаться под водой столько времени, сколько можно оставаться без пищи? Этого не обнародую я и не оглашаю из-за злых людей, которые этот способ использовали бы для убийства на дне моря, проламывая дно кораблей и топя их вместе с находящимися в них людьми».

Что же касается страшного оружия (массового уничтожения), то о нем сообщается во многих древних источниках. В древнеиндийском эпосе «Махабхарате», который был составлен 3500 лет назад, это оружие описывается так: «Сверкающий снаряд, обладающий сиянием огня, лишенного дыма, был выпущен». «Все стороны горизонта покрыл мрак». «Пламя, лишенное дыма, расходилось во все стороны». «Все стихии пришли в возмущение. Казалось, Солнце покинуло свой путь. Вселенная, опаленная жаром, бьется как в лихорадке». Далее описывается, как бегут боевые слоны, пытаясь спастись от страшного испепеляющего жара. Но они, обожженные, падают на землю с оглушительным ревом. Боевые колесницы опалены этим бушующим пламенем. Они подобны верхушкам деревьев, которые сожжены лесным пожаром.

В другом источнике описывается оружие, «несущееся с бешеной силой, окутанное молниями». Взрыв «был ярок, как 10 00 °Cолнц в зените». Но «раздались раскаты грома, хотя небо было безоблачным. Содрогнулась земля… упал мрак, и затмилось Солнце». Так воспринималось оружие в момент его применения. Последствия применения этого грозного оружия были не менее загадочными. Здесь много имеется загадок. Сказано, что это оружие, «предназначенное для уничтожения всего народа», что оно превращает людей в прах. Применение его ведет к «гибели всего живого». А у тех, кто уцелел, выпадают ногти и волосы; пища приходит в негодность. «Несколько лет после этого Солнце, звезды и небо скрыты облаками и непогодой».

В одном из текстов описывается одна из таких боевых установок или устройств. Описание дано явно не специалистом-технарем. Вот оно: «…громадное и извергающее потоки пламени, с тремя глазами и четырьмя ликами, на одной ноге и с восьмью руками».

Это оружие в Индии называлось «Оружием Брахмы» или «Пламенем Индры». В Южной Америке его называли «Маш-мак». Описано оно и в мифологии кельтов. Там оно называется «Искусство Грома». В этих же преданиях говорится и об оружии, которое называется «Глаз Багора». Это сложное устройство могли приводить в действие только четыре человека.

Снаряд описывается следующим образом. Это был предмет, «походивший на огромную железную стрелу, которая выглядела, как гигантский посланец смерти». Для того, чтобы такой неиспользованный снаряд обезопасить, надо было (так приказывалось) его размельчить и измолоть в мелкий порошок. Но этого было мало. Инструкция гласила, что для полной безопасности этот измельченный порошок следовало утопить в море.

Описываемое оружие было очень мощным, оно порождало огонь, способный поглотить три «мира». В другом источнике говорится: «Это то пламя, которое пожирает Вселенную в час ее конца». Это сравнение любопытно само по себе. Откуда древние знали о гибели, распаде Вселенной? О том, что Вселенная периодически рождается и погибает, мы узнали только в этом столетии, благодаря открытию русского американца Гамова. В Древней Индии эта истина была азбучной.

В текстах «Махабхараты» (и в других древних источниках) говорится, что «оружие это никогда не применялось и не должно применяться против людей». Так для чего оно было сделано, против кого планировалось его применять?

Описывается и другой тип оружия. Его называют «молниями» или же его сравнивают с молниями. Наши современники предполагают, что речь идет о шаровых молниях; военные высказывали мысль о том, что искусственные шаровые молнии способны мгновенно поражать цель. Их можно использовать для борьбы с ракетами в полете. Шаровые молнии можно использовать как оружие и нападения и обороны.

В настоящее время мы находим не только словесные образы различных типов древнего страшного оружия, но и объекты, которые подвергались действию этого оружия. Так, в Ирландии стены крепостей Дундалк и Эктосс явно испытали на себе реальное воздействие огромной температуры, от которой глыбы гранита в стенах крепости расплавились. Гранит плавится при температуре 1000–1300 °C. Вероятно, именно здесь было приведено в действие это страшное оружие. Что это было — оборона или нападение? Похоже, что оборона, поскольку расплавленный гранит, превращенный в стекловидную массу, оказался не с наружной стороны стены крепости, а с ее внутренней стороны. Правда, возможен и другой вариант — нападающие забросили эти снаряды внутрь крепости, чтобы разрушить ее стены. Кто сейчас установит истину?

Но это не единственное место, где остались следы применения страшного оружия. В Малой Азии раскапывали столицу древних хеттов Хаттуса. Имеются свидетельства того, что город был уничтожен в результате воздействия очень высокой температуры. Кирпичная кладка домов расплавилась и превратилась в красную твердую массу. Камни же не только потрескались, но и оплавились. Во всем городе не осталось ни одного дома, стены или храма, которые уцелели бы в таком пекле. Такую температуру не мог создать ни один, даже самый сильный пожар. Это явно следы действия специальных устройств.

Следы разрушительного действия оружия обнаруживаются и в Вавилоне, в развалинах легендарной башни. Она до сих пор возвышается на 46 м.

По преданию, именно здесь Бог, «сойдя вниз», поразил строителей башни и рассеял их по всей земле. Археологи установили, что башня была разрушена от искусственно созданной высокой температуры. Все было так же, как и в Дундалке и в Хаттусе. Один из исследователей пишет так: «Нельзя найти объяснения тому, откуда взялся такой жар, который не просто раскалил, но и расплавил сотни обожженных кирпичей, опалив весь остов башни и все ее глиняные стены».

Пора вспомнить о Содоме и Гоморре, которые находились в районе Мертвого моря и были стерты с лица земли огнем, который был низведен с неба. При этом погибли и жители городов, и даже «все произрастания земли». В Библии сказано, что свидетель и современник этой трагедии на другой день утром посмотрел на бывшие города «и на пространство окрестности и увидел: вот дым поднимается с земли, как дым из печи». Страбон в своей книге «География» писал, что в районе Мертвого моря есть скалы, оплавленные неизвестным огнем. Найдены и клинописные таблицы с названиями городов Содом и Гоморра. Эти города упоминаются там рядом с городами Дамаском, Бейрутом, Библом.

В Индии также были найдены следы применения этого страшного оружия. Это произошло при раскопках развалин города, который погиб 3500 лет тому назад. Археологи находили расплавленные камни в радиусе километра. Было установлено, что многие здания были разрушены ударной волной, которая пришла сверху. Похоже было, что смерть настигла город внезапно. Исследователь заключает: «По положению скелетов видно было, что перед гибелью люди спокойно расхаживали по улицам города».

Читая об этом, вы не могли не думать о ядерном оружии. И действительно, в Индии нашли скелет древнего человека, радиоактивность которого в 50 раз превышала нормальный уровень. Этот человек погиб 4 тысячи лет назад. Исключается, что такое повышение радиоактивности обусловлено приемом пищи с повышенной радиоактивностью. Простой расчет показывает, что для этого он должен был долгое время принимать пищу, радиоактивность которой в сотни раз превышала бы предельно допустимые нормы.

ДРЕВНИЕ ЛЕТАЛИ

В Египте была обнаружена деревянная модель летающей птицы. Модель была изготовлена 2500 лет назад. Ее назвали «птица фараонов». Когда игрушку увеличили до нормальных размеров, то она превратилась в планер, способный летать. В ней выдержан аэродинамический профиль, она свободно парит и планирует в воздухе. Ясно, что модель была выполнена по летающему оригиналу.

Практически во всех древних источниках имеются подробные описания летательных аппаратов — небесных колесниц и т. п. В «Ведах» используется даже специальный термин, обозначающий летательные аппараты: «вимана» и «агнихотра». Напомним, что «агни» означает огонь. «Агнихотра» — это корабль, который поднимается в небо. В древнеиндийском эпосе «Рамаяна» дано следующее описание полета небесной колесницы: «Когда настало утро, Рама сел в небесную колесницу, которую Пушпака прислал ему с Вивпишандой, и приготовился к полету. Колесница эта передвигалась сама по себе. Она была большой и красиво раскрашенной. Она имела два этажа со многими комнатами и окнами… Когда колесница совершала свой путь в воздухе, она издавала однотонный звук». При взлете звук был иным. Об этом сказано так: «По команде Рамы эта прекрасная колесница с громким шумом поднялась в воздух». О другом полете сказано так: «Когда летающая колесница поднималась, грохот заполнял все четыре стороны горизонта». В древней санскритской книге говорится, что когда колесница отлетает, то колесница «ревет, как лев».

В одном китайском источнике сказано, что в шестой год правления эры Тянь-Шэн, «летом, в четвертой луне, звезда величиной с меру в 1 доу скатилась со звуком, похожим на гром, с севера на юго-запад, осветив всю Поднебесную».

При описании летательных аппаратов повсеместно подчеркивается, что полет сопровождает огонь. В древнеиндийском эпосе говорится, что небольшая колесница светилась, «как огонь в летнюю ночь», она была, «как комета в небе», «пламенела, как красный огонь». Так сказано в «Рамаяне». В «Махабхарате» сказано, что небесная колесница «была, как путеводный свет, движущийся в пространстве», что ее «приводила в движение крылатая молния» и при этом «все небо было освещено, когда она пролетала по нему», от колесницы исходили два потока пламени.

В преданиях викингов также сохранились сведения об «огненных кораблях». Эти корабли оставляли за собой «вихрь несущихся искр».

В древних источниках дается описание внутреннего устройства летательных аппаратов. В санскритском поэтическом источнике «Самарангана Сутрадхара» 230 строф посвящено описанию устройства летательных аппаратов и их применения. Приведем небольшой отрывок: «Сильным и прочным должно быть его тело, сделанное из легкого материала, подобное большой летающей птице. Внутри следует поместить устройства с ртутью и подогревающим приспособлением под ним. Посредством силы, которая таится в ртути и которая приводит в движение несущий вихрь, человек, находящийся внутри этой колесницы, может пролетать большие расстояния по небу самым удивительным образом. Войдя в нее, человек может, подобно двукрылой птице, подняться в синеву неба». В источнике говорится, что существуют летательные аппараты, виманы, которые огромны, «как храм». По четырем сторонам размещают большие резервуары, которые наполнены ртутью. Правда, надо иметь в виду, что слово, которое переводится как «ртуть», может иметь и другие значения. Это и квинтэссенция, и субстанция, и эликсир. Собственно, этот термин алхимический, и его следует воспринимать скорее как символ, за которым стоит нечто, что открыто только посвященным.

Поднявшийся летательный аппарат, вимана, воспринимается, как «жемчужина в небе». В тибетских священных текстах летательные аппараты также сравниваются с «жемчужинами в небе».

В санскритском источнике «Гхототрачабадма» летательный аппарат описывается следующим образом: «Это была огромная и ужасная воздушная колесница, сделанная из черного железа… Она была снабжена приспособлениями, расположенными в надлежащих местах. Ни кони, ни слоны не везли ее. Она была движима устройствами, которые были размерами со слонов». В другом древнем источнике сказано, что для создания такого аппарата использовали медь, железо и свинец.

В некоторых источниках описываются виманы черного цвета, а в других говорится, что летательные аппараты имели металлическую поверхность. «Небесная колесница, сияющая, как золото» — так сказано в «Рамаяне». Существовало несколько типов летательных устройств. В текстах, в частности, описывается летательное устройство округлой формы. Таким был воздушный корабль Махападма («Большой лотос»), который упоминается Сомадевабхаттой. В полинезийских мифах описывается «сияющий корабль», который по форме напоминал раковину. На этом корабле передвигался бог Канемилохаи. Говорится о том, что эти летательные устройства имели многочисленные помещения с окнами, что эти устройства могли парить, зависая в воздухе, передвигаться на огромные расстояния «в мгновение ока», «со скоростью мысли». Эти последние слова принадлежат Гомеру. Он говорит о народе, который жил на Севере и передвигался на этих удивительных кораблях. (Как мы уже говорили, в преданиях викингов действительно описываются огненные корабли, которые они встречали на северных широтах.) Другой греческий автор также писал о народе, который жил на Севере и умел летать: «Жил народ этот, гипербореи, на Севере, и солнце восходило над ними только раз в году». Кстати, и арии пришли 4 тысячи лет назад в Индию откуда-то с Севера, со своей прародины. Они вспоминали о Солнце, которое на их прародине восходило только раз в году. Возможно, упоминания в санскритских текстах о летательных аппаратах и связаны с воспоминаниями ариев, которые видели такие аппараты на Севере.

До нас дошли не только описания летательных аппаратов древних, но и их изображения. Сами аппараты, правда, изображены очень схематично. Рисунки скорее отражают саму идею полета, воздушного сообщения среди звезд. Одно из таких изображений показано на рис. 38. Мы видим небесный корабль (ладью), который летит над звездами и среди звезд. Этот рисунок найден в гробнице Монтемхет (VII век до н. э.). Человек, который находится в корабле, в одной руке держит символ жизни, в другой — символ смерти. На рис. 39 приведено нечто подобное. Это шумерский вариант. Здесь человек в такой же небесной ладье несется между звездой и Солнцем. На рис. 40 показано еще одно изображение летательного аппарата — небесной ладьи. Оно сохранилось на территории Перу в доколумбийской Америке. Пассажир или кормчий изображен в виде стилизованного двуногого существа. Оно украшено знаками «ступенчатого трона». Это часто встречающийся атрибут египетской богини Исиды.

Рис. 38. Небесный корабль (ладья), летящий над звездами и среди звезд.

Рис. 39. Человек в небесной ладье между звездой и Солнцем. Шумер.

Рис. 40. Двуногое существо. Перу, времена доколумбийской Америки.

Изображения воздушных колесниц мы находим и в китайских источниках. Как правило, колесница летит над облаками. Любопытно, что расположено по кругу спереди и сзади китайского летательного аппарата (рис. 41). Возникает вопрос — что это? Вряд ли колеса, ведь они должны были бы быть по сторонам слева и справа. Есть основания полагать, что это вращающиеся лопасти. Китайский алхимик и адепт тайных наук Ко Хунг в 320 году н. э. писал, что «некоторые изготавливали воздушные колесницы». Тут же он упоминал о вращающихся лопастях (клинках), «приводивших в движение это устройство».

Рис. 41. Китайский рисунок воздушной колесницы, летящей над облаками.

Хотя и говорится о том, что некоторые изготавливали воздушные колесницы, но это не значит, что это мог сделать любой. Как и другие знания, секреты создания воздушных колесниц строго оберегались и были известны только посвященным. Об этом красноречиво свидетельствует такой факт. В одном из древних источников сообщается, что во времена императора Ченг-Танга (XVIII век до н. э.) один из подданных без разрешения изготовил летающую колесницу. Когда он ее испытывал, то поднялся на ней в воздух. Но ему не повезло: попутный ветер отнес его в соседнюю провинцию. Так о его колеснице стало известно властям. Несчастного воздухоплавателя судили, строго судили, а по сообщению китайской хроники, воздушную колесницу император Ченг-Танга «приказал уничтожить, чтобы ее секрет не стал известен в народе». Императора вовсе не поразило то, что удалось создать летающую воздушную колесницу. Его гнев был вызван тем, что секрет ее изготовления мог стать известен многим. «Кто умножает познания, тот умножает печаль». Это ли имел в виду император? Кстати, в санскритском источнике содержится такое пояснение к вынесенному приговору: «Сооружение этих устройств подлежит хранить в тайне, чтобы эти знания не попали в руки невежд. По этой причине знания, приносящие такие плоды, не следует предавать огласке, распространяться о них не следует».

Воздушные колесницы использовались и в военных целях. В древнеиндийском эпосе «Махабхарате» описаны батальные сцены с участием воздушных колесниц:

«Мы заметили в небе нечто, что напоминало пламенеющее облако, подобное языкам огня. Из него вынырнула огромная черная вимана, которая обрушила вниз множество сверкающих (светящихся) снарядов. Грохот, изданный ими, был подобен грому от тысячи барабанов. Вимана приблизилась к земле с немыслимой скоростью и выпустила множество снарядов, сверкающих, как золото тысячи молний. За этим последовали яростные взрывы и сотни огненных вихрей. Войско охватила паника, на землю падали кони, боевые слоны и множество солдат, убитых взрывами. Войско обратилось в бегство, и страшная вимана преследовала его, пока не уничтожила». Этот текст написан примерно четыре тысячи лет тому назад!

Человек всегда опасался создания страшных аппаратов смерти и тем не менее каждый раз создавал их. В 1670 году европейский автор писал: «Господь никогда не допустит, чтобы такое устройство было создано: дабы отвратить многочисленные последствия, которые могут разрушить гражданское и политическое правление среди людей». Далее этот автор перечислял действия воздушного корабля. Он писал, что такой корабль может сбрасывать бомбы, низводить сверху «искусственный огонь», даже, говоря сегодняшним языком, «высаживать десант». К сожалению, Господь допустил создание такого чуда техники и позволил с него сбросить атомные бомбы на мирных жителей больших городов. На Бога надейся, а сам не плошай. Человек сам в ответе за все и, имея свободу воли, должен правильно ею распорядиться.

Имеется информация не только о летательных аппаратах, но и об аэродромах, взлетных полосах и т. п. В Андах некоторое время назад были обнаружены «дороги инков». Но когда их сняли с помощью аэрофотосъемки, то оказалось, что это не столько дороги, сколько некоторая система огромных, правильно образованных геометрических и других фигур, которые целиком просматриваются только на большом расстоянии — с определенной высоты, поскольку их размеры достигают 10–15 километров! Некоторые из этих фигур повторяются в четкой последовательности. Ученые склонны считать, что этот огромный узор в Андах является величайшим астрономическим календарем мира. Они полагают, что эти линии изображают различные астрономические закономерности, а также пути движения звезд.

Подобные огромные фигуры были обнаружены и в перуанских пустынях Де Майя и Де Сихуа. Эти изображения видны только с воздуха и представляют собой узор с определенным смыслом. Но каким? Исследователи считают, что созданы эти изображения были еще в доинкский период.

В священной книге индейцев киче «Пополь-Вух» рассказывается о четырех праотцах этого народа. Однажды они увидели в небе нечто, стали очень спешно прощаться со своими родичами и женами и поднялись на вершину горы. «Мы отправляемся назад к нашему народу. Мы выполнили нашу задачу, кончаются наши дни» — так говорили они. Эти люди «немедленно после этого исчезли там, на вершине горы Хакавиц. Они не были похоронены их женами или их детьми, потому что не было видно, когда они исчезли».

По преданиям Центральной Америки, могучая владычица «Летающая тигрица» принесла людям знания. Выполнив свою задачу, она приказала отнести себя на вершину горы, где «исчезла среди грома и молнии».

Нечто подобное произошло в Китае в III тысячелетии до н. э., в легендарный период его истории. Согласно древним китайским памятникам в этот период в бассейне реки Хуанхэ (Северный Китай) «сияние великой молнии опоясало звезду Цзи в созвездии Ковша» (то есть Большой Медведицы).

На Землю из созвездия Регул прилетел «сын неба» Хуанди. Так же появился его преемник Шаохао. Перед его появлением «звезда, словно радуга, полетела вниз». Об этом же в другом источнике написано, что «огромная звезда, словно ковш, опустилась на Цветущий остров». Следующий за Шаохао преемник появился на Земле примерно таким же образом. Перед его появлением «ослепительно сияющая звезда пересекла лунный диск, словно радуга».

Так же прилетали на Землю странные пришельцы и намного раньше. Об этом свидетельствуют сакральные тексты добуддийской религии Тибета («бон»). Появление «друга доброты и добродетели» описывается так:

…Яйцо, созданное Магической силой богов Са и Бал,

Вышло под действием собственной тяжести

Из божественного лона пустого неба.

Скорлупа стала защитным панцирем,

Оболочка защищала, как броня,

Белое стало источником силы для героев.

Внутренняя оболочка стала

Цитаделью тех, кто жил в ней…

Из самого центра Яйца вышел человек,

Обладатель магической силы…

Но вернемся в Хуанди. В течение ста лет он выполнял свою миссию на Земле. Последним годом власти «сына неба» Хуанди указываются 2592, 2598 и 2450 годы до н. э.

Хуанди работал на Земле не один. С ним работали его помощники. Обязанности их были четко разделены. Многие из них регулярно вели астрономические наблюдения. Например, Си Хэ «определяла предзнаменования по Солнцу, основываясь на его тени». Другой помощник, Хуанди Чан И, «определял предзнаменования по Луне, нарождающейся и на исходе, следуя за ее четвертями и полнолуниями». Третий помощник, Юй Оу, «определял предзнаменования по изменению яркости звезд, по их движению и метеорам». Один из помощников (Да Нао) занимался изучением цикличности, которая впоследствии легла в основу китайского календаря. Специальными вычислениями был занят еще один помощник Хуанди. Все наблюдения сводились вместе помощником Жун Чэном. Он составлял земной календарь. Кроме того, помощники Хуанди составляли «ту» — земные карты. Ведь здесь они были новичками, пришельцами. Об этих картах сказано так: «Рисованные образы разных предметов». «Имеются в виду рисованные образы Земли и разных предметов на ней, которые позволяют пришельцам с ними сверяться».

Пришельцы занимались изготовлением различных аппаратов и приспособлений. Подробные описания этих приборов отсутствуют. Но многократно подчеркивается, что пришельцы изготавливали какие-то огромные металлические зеркала (Хуанди «выплавил двенадцать великих зеркал и использовал их…», «На Озере Зеркала в народе передают, что Хуанди отливал свои зеркала именно там. Ныне сохранился камень, которым их шлифовали. Ползучие травы на этом камне не растут»).

Зеркала, которые изготавливали пришельцы, были с секретом (для нас — землян). «Когда на зеркало падали лучи Солнца, то все изображения и знаки его обратной стороны отчетливо выступали на тени, отбрасываемой зеркалом». Как можно понять, металлическое зеркало просвечивало насквозь. Тут возможны два варианта. Или металл, из которого изготовляли зеркала, был необычным и пропускал даже видимый свет (такого металла мы пока не имеем), либо зеркало имело щели, пропускающие свет.

Источники сообщают не только об изготовлении зеркал. Пришельцы были заняты изготовлением «чудесных треножников». Их делали из металла, который добывали на горе Шоушань. Этот металл внешне напоминал медь или что-то подобное. Высота треножника составляла 3–4 м. («Высота его была одна сажень и три шага»). Две третьих высоты треножника занимали три его опоры. На них размещалась емкость (котел), вмещающая не более 100 литров. Для чего предназначалась эта емкость, не очень ясно. Описывается, что «сотни духов, чудовищ и животных наполняли его внутри».

Свидетельства, которые мы цитируем, нам оставили земляне. Они не были полностью посвящены во все происходящее. Многое из виденного они просто не понимали.

Очень любопытно отношение пришельцев к землянам. Этот вопрос небезразличен никому. Ведь в наше время всех интересует, как инопланетяне, прилетев на Землю, будут относиться к нам, землянам. Пришельцы из созвездия Регул относились к землянам очень разумно. Они не проповедовали землянам свою веру, не навязывали им свой образ жизни и мыслей, не старались переустраивать мир по своему усмотрению, не требовали поклонения себе, хотя по нашему понятию и имели на это моральное право, поскольку уровень их развития был намного выше. Видимо, именно поэтому они так и поступали. Пришельцы помогали людям, чем могли. Они учили их многим нужным вещам: изготавливали упряжь для волов и лодки, учили копать колодцы, делать музыкальные инструменты. Пришельцы учили землян возводить оборонительные сооружения и даже лечиться (иглоукалыванием). Зла землянам пришельцы не принесли. Поэтому и осталась о них добрая слава. Их звали «сынами неба», а еще раньше «друзьями доброты и добродетели».

Но вернемся к треножникам. Земные наблюдатели понимали, что емкость треножника не была обычным котлом, в который наливают воду и под которым разводят костер. Предназначение треножников было иное. Он был «подобием Великого единого». Здесь имеется в виду скрытый двигатель Вселенной Дао.

Специалисты, анализирующие древние китайские летописи, пришли к выводу, что треножники могли использоваться для установления сверхдальней связи: треножник направляли на звезду, откуда пришельцы прилетали. Видимо, треножники были не только средством дальней связи, но и некоторым банком данных, как сейчас принято говорить. Более того, в нем проводилась некоторая работа по анализу этих данных и составлению прогнозов. («Этот треножник знал благоприятные и неблагоприятные признаки, знал ныне существующее и исчезающее»). Но этим свойства треножника пришельцев не исчерпываются. Треножник мог приводиться в движение, и его можно было остановить (треножник «мог покоиться и мог идти»). Самое потрясающее то, что «чудесный треножник» пришельцев мог воздействовать на силы гравитации («мог становиться легким и тяжелым»).

Несмотря на универсальность треножников, они были не единственными техническими средствами. Пришельцы использовали передвигающиеся по неровной местности установки на гусеничном ходу. (Это в XXVI в. до н. э.)

Сообщается, что во времена «совершенно мудрых» древних государей (пришельцев) «в горах появилась повозка-сосуд». «Сосуд этот, говорят, был словно серебряная глазурованная черепица, киноварно-красная керамика». В более позднем комментарии к текстам о повозке говорится, что «горная повозка — это естественная повозка. Свисают крючья; никто не гнет, не направляет, сами собой закручиваются, изгибаясь». Но это писал не очевидец, а комментатор, живший позже.

Кстати, древние тексты неоднократно сообщают, что горная повозка двигалась сама собой («естественно»), в нее не были запряжены какие-либо животные. Повозка имела обтекаемую форму сосуда и ярко окрашенное твердое покрытие, которое сверкало «серебром». Горных повозок у пришельцев было множество («горные повозки заполняли равнины»).

Хуанди и его помощники работали в Северном Китае. В Южном Китае работы выполнялись скорее всего роботами. Источники свидетельствуют, что их было восемьдесят или около того. Всю эту экспедицию летописцы называют «Чи Ю и его братья». Были ли это роботы, полуроботы или живые существа, определенно сказать невозможно. Но не без оснований можно полагать, что они были роботами. Все, за исключением одного, Чи Ю. Он представлял собой некое сочетание аппарата и живого существа, которое управляло этим аппаратом. Тело этого существа было не то человеческое, не то звериное. Но существо владело человеческой речью. Чи Ю именовали «древним сыном неба». Других роботов так не называли. Когда они умерли (вышли из строя, поломались), то их отправили «за восемь пустот» (то же самое, что и «восемь полюсов» и «восемь пределов»). Между этими восьмью пустотами (полюсами, пределами) находится Земля. Расстояние между этими пределами указано в китайских верстах. Но это расстояние не удается определить точно.

Можно определить только диапазон, в котором находится величина этого расстояния. Значит, роботы после того, как становились непригодными (умирали), отправлялись далеко за пределы Земли, видимо, в центральные мастерские на родину пришельцев.

Что же касается самого Чи Ю, который управлял роботами, то после смерти он был похоронен на Земле. Но, что очень странно и любопытно, голова Чи Ю, отделенная от его туловища после смерти, долгие годы продолжала излучать тепло. Из места ее захоронения выбивалось облачко пара, которое отсвечивало красным светом. Так продолжалось несколько лет. Надо ли после этого удивляться, что пищею Чи Ю служили металл («железо»), камни и песок. Они были источником энергии для этого монстра.

В источниках VI века написано: «Тот череп, словно бы из меди и железа, который ныне обнаружили жители области Цзычжоу, копая землю, — это и есть кости Чи Ю». Чи Ю был похоронен в уезде Чжоу, бывший провинции Чахар. Несмотря на то, что эта местность является малолюдной, можно не сомневаться, что «останки» Чи Ю исчезли.

Довольно странно, на первый взгляд, выглядели как сам Хуанди, так и Чи Ю. У каждого из них было по четыре глаза и по шесть рук. По-видимому, речь идет не о руках, а о манипуляторах. Наличие четырех глаз у одного существа, несомненно, говорит о том, что они были в шлемах и вообще в скафандрах.

И. Лисевич это сообщение о четырех глазах истолковывает так: «Представьте себе, например, такую сценку: некто стоит в скафандре, на голове у него шлем с прозрачными иллюминаторами. Осмелевший дикарь подходит ближе, он заглядывает в иллюминатор и замечает там лицо, подкрадывается с другой стороны и снова обнаруживает обращенное к нему лицо, смотрит в следующее окошечко — и там то же самое… Люди же, стоящие в отдалении, видят лишь блестящие прозрачные иллюминаторы, которые представляются им огромными глазами». Очень любопытно и очень логично, что по четыре глаза (или по некоторым источникам по четыре лица) было только у Хуанди. У тех, кто приземлялся после него, никаких особенностей в этом плане очевидец не отметил. Это и понятно, поскольку они уже знали, что шлемом на Земле можно не пользоваться (и скафандром тоже).

Здесь уместно вспомнить описание пришельцев, которое дано пророком Иезекиилом в Библии. Приведем это описание.

«И вид колес, и отделка их как вид топаза, и подобие их у всех четырех одно; по виду их и по устройству их казалось, как бы колесо находилось в колесе.

Все четыре во время хождения своего шли на четыре свои стороны; не оборачивались, когда шли.

А ободья у них были высоки и страшны; у всех четырех ободья были полны глаз кругом.

И когда шли живые существа сии, то шли и колеса подле них; и когда поднимались от земли существа сии, то поднимались и колеса при них.

Куда дух стремился идти, туда и шли они; куда бы ни шел дух, и колеса поднимались наравне с ним; ибо дух живых существ был в колесах.

Когда шли те, шли и сии; когда те стояли, стояли и сии; а когда те поднимались от земли, тогда поднимались и колеса наравне с ними; ибо дух живых существ был и в колесах.

Над головами живых существ было подобие свода, как блеск изумительного кристалла, простертого сверху над головами их.

А под сводом сим простирались крылья их прямо одно подле другого; и у каждого два крыла покрывали тело их с одной стороны, и два крыла покрывали с другой стороны.

Когда они шли, то я слышал шум от крыльев их, как шум множества вод, как глас Вседержителя, шум от толпы, как шум в воинском стане, а когда они останавливались, то опускались и крылья их.

И раздавался голос над сводом, который был над главами их; тогда они останавливались и опускали крылья свои.

Над сводом же, который над головами их, было подобие престола по виду как бы из камня сапфира; а вверху, над сим подобием престола, было видение подобия человека, сидящего на нем.

И видел я как бы пылающий металл, как вид огня внутри его и вокруг, от вида чресел его вверх, и от вида чресел его вниз я видел как видение огня и яркое сияние вокруг него.

В каком виде бывает явление радуги на облаках во время дождя, таков был вид этого сияния кругом».

Теперь вернемся к пришельцам в Китае. Не вызывает сомнения, что Чи Ю представлял собой единство живого существа и робота. Благодаря техническим устройствам он, как и горная повозка, мог не только преодолевать пересеченную местность, но и взлетать ненадолго в воздух. Внешний вид его это подтверждает. Это и металлическая голова с железным лбом (шлем?), и трезубцы вместо ушей. Любопытно, что трезубец — это тот же знак, которым радиолюбители (и вообще радиоспециалисты) обозначают ввод антенны в радиоприемных устройствах. Это ли не знаменательно! Такой же знак (ввод антенны) был изображен и над ходовой частью горной повозки на гусеничном ходу.

Специалисты при анализе иероглифов, обозначающих горную повозку и Чи Ю, установили, что эти иероглифы образно точно передают главное: их способ передвижения (на гусеничном ходу) — нижняя часть иероглифа, а также средство связи — приемник (верхняя часть иероглифа в виде ввода антенны).

Описания деятельности пришельцев очень скудны.

Причиной этого является тот факт, что значительная часть древних письменных свидетельств не сохранилась. Они не полны и потому, что земляне плохо себе представляли технологические процессы, применяемые пришельцами, и могли дать описание видимого ими только на уровне своего развития. Недаром весь сложный технологический процесс в треножнике, который способен был выполнять много функций (вроде нашей самоходной установки на Луне, только намного совершеннее), наблюдавший за его работой землянин описал так: «Сотни духов, чудовищ и животных наполняли его внутри». Им подмечено, что треножник «клокотал». Прямо скажем, небогатая информация. По ней трудно восстановить технологии, применяемые пришельцами.

О том, что уровень развития техники и вообще знаний у пришельцев был очень высокий (даже по сравнению с нашим в настоящее время), свидетельствуют и другие описания их деятельности, которые содержатся в древних текстах. Не поразительно ли, что пришельцы хорошо знали, что пространство и время взаимосвязаны, что при движении с очень большими скоростями меняется ход времени. Для нас эти истины установил А. Эйнштейн. Они не только знали это, но и учитывали (использовали) это при сверхдальних перелетах. В древних текстах сказано, что Хуанди овладел самой «субстанцией грома». На драконе (чэнхуане), который «происходит из страны, где рождаются солнца», он поднимался к Солнцу (на очень большой скорости). Этот аппарат (дракон — чэнхуан), как говорится в источнике, был очень стар — ему было три тысячи лет. В этом же источнике указывается, что чэнхуан «в один день покрывает мириады верст; севший на него человек достигает возраста двух тысяч лет». Об этом же наш современник, знакомый с теорией относительности А. Эйнштейна, сказал бы, что большая скорость движения, приближающаяся к скорости света, влияет на ход времени, как бы препятствует старению организма. В фантастических рассказах и романах путешествующий по Вселенной герой возвращался на свою планету молодым и полным сил, тогда как за время его путешествия на его планете произошли необратимые перемены. Время там сделало свое дело: его ровесники давно состарились и умерли.

Мы о такой возможности узнали, считайте, только что, менее ста лет назад. А пришельцы знали об этом хорошо и даже сообщили об этом землянам. Они успешно решали проблему длительных сверхдальних перелетов. Сообщается, что один из пришельцев «временно умер и возродится через двести лет». Сделать это он смог благодаря использованию некоего средства «фэйюй». Это средство применялось при организации продолжительных полетов. Оно предохраняло путешественников от разных вредных воздействий в полете и позволяло на нужное им время погрузиться в летаргический сон. Как видим, проблема была решена, по нашим теперешним понятиям, строго научно. Ведь ученые обсуждают сейчас возможность использования анабиоза при решении проблемы времени при сверхдальних космических перелетах.

Почему именно 200 лет временной смерти, а не больше и не меньше, потребовалось отбывающим с Земли?

Можно рассуждать так. Конечная цель путешествия — звезда Лев (Регул) — находится на удалении, равном приблизительно 78 световым годам. Если путешественники двигались со скоростью, равной половине скорости света, и если учесть, что с такой скоростью корабли двигались не все время своего полета, а только от конца разгона корабля и до начала его торможения, то срок в 200 лет для обратного возвращения на свою звезду является вполне разумным.

Что же касается средства «фэйюй», то оно также описано землянами-очевидцами не очень понятно. В текстах сказано, что «фэйюй» предохраняет от оружия и позволяет не опасаться грома. При описании этого средства очевидец недаром применил слово «фэйюй». Тщательный анализ этимологии этого слова позволил современным толкователям древних текстов заключить, что речь идет об аппарате «для полета». Сам же аппарат уподоблен очевидцем рыбе. Видимо, очевидец хотел этим подчеркнуть особую форму защитного костюма или аппарата путешественника. В этих костюмах (аппаратах) они совершали дальние путешествия. Так, сообщается, что «Фэнзы сжег себя в куче пламени, вместе с дымом поднялся и опустился, за одно утро долетел до зыбучих песков». Имеется в виду место, где находилось «Озеро Грома» с космодромом пришельцев. И вообще очевидцами гром описывается постоянно. Так, у Хуанди был специальный помощник по грому, «князь грома».

В описаниях гром отождествляется с очень длинными и узкими барабанами, на концах которых имелись небольшие срезы. Каждый из этих барабанов был поделен внутри на 4 отсека. На них натягивалась кожа. Форма их напоминала сигару, а точнее ракету.

Гром изображался и на картинах. Одно из описаний такой картины, составленное в I веке, выглядит так:

«Изображенный гром — по виду своему нечто громоздящееся одно на другое, напоминающее по форме переходящие друг в друга барабаны». Как можно звук и эфир изображать в виде соединенных между собой барабанов?!

Далее говорилось, что владыка грома «головою не висел в небесах, ногами не опирался на землю». Эта картина явно противоречила канонам иконографии. Можно было подумать, что на картине с изображением грома владыка грома не мог летать или же показан он неправильно. Но причина в другом. Очевидец изобразил владыку грома и сам гром так, как он это наблюдал.

Гром в описаниях имеет свое строго определенное «местонахождение». Это «Озеро Грома», которое находилось вдалеке от населенных регионов страны. Оно было отделено от обжитых мест «сыпучими песками» (пустыня Гоби).

Это место было во всех отношениях идеальным для создания космодрома, тем более, что аппараты могли совершать посадку не только на сушу, но и на озеро, то есть они могли и приземляться и приводняться.

В древних текстах указывается, что кроме космодрома на «Озере Грома» пришельцы в горах Куэнь в совершенстве оборудовали недоступный «дворец» — место их деятельности.

Сам же Хуанди, как уже говорилось, овладел самой «субстанцией грома». О громе пишет и пророк Иезекииль, но его описание летающего устройства напоминает скорее вертолет, чем ракету.

Как в древних текстах описывается сам космодром на северо-западе Китая, в пустыне Гоби? При знакомстве с текстами надо иметь в виду, что очевидцы не могли понимать все увиденное ими и дать адекватное описание.

Космодром находился на «Озере Грома». Почва здесь песчаная, гиблая. Если «поставить ногу — и она тонет, песок глубок — трудно измерить, подует буря — и песок словно туман. Но в тумане этом — множество чудесных драконов, рыб, черепах — и все они могут летать. Есть там каменная корзина, прочная, но чрезвычайно легкая, по ветру свободно плывет над песками».

Обращает на себя внимание то, что все «животные» из разряда «чешуйчатых и панцирных» имеют твердую непроницаемую оболочку. Говоря о каменной корзине, очевидец имел в виду не обязательно камень. Она могла быть сделана из любого неметаллического твердого материала. Эта корзина, согласно текстам, могла подниматься, но не очень высоко. Корзина — одно средство передвижения, а дракон — другое. Говоря о драконе в Древнем Китае, как можно не вспомнить наши «стальные птицы» (самолеты).

На космодроме, на «Озере Грома», у Хуанди имелся и особый дракон, «отвечающий». Только тот дракон, на котором летал сам Хуанди, отливал металлом и обладал крыльями. Полеты этого дракона зависели от погодных условий. В плохую погоду Хуанди не решался на полеты в этом драконе. Отмечается, что однажды Хуанди отменил полет даже после того, как дракон «набрал воду». Причиной этого были плохие погодные условия.

В древних текстах описывается очень реалистический отлет Хуанди и его сподвижников с Земли на свою звезду. Это происходило так: «Хуанди, добыв меди на горе Шоу-шань, отлил треножник у подножия горы Цзиншань. Когда треножник был готов, сверху на Хуанди спустился дракон со свисавшими вниз усами. Хуанди взошел на дракона, все его помощники и семьи последовали за ним. Взошедших было более семидесяти человек. Остальные подданные не могли взойти, и все скопом ухватились за усы. Усы оборвались, и они попадали на землю». После отбытия Хуанди и его сподвижников на Земле подданные остались в полном отчаянии. Они похоронили вещи Хуанди в кургане и долго оплакивали его отбытие.

Откуда же прилетели пришельцы и куда они в конце концов улетели? Из текстов явствует, что пришельцы прилетели из созвездия Сюаньюань. В это созвездие входит 17 звезд. Астрономам оно хорошо известно. Оно простирается от района эклиптики (то есть плоскости, в которой находятся планеты Солнечной системы и само Солнце) в сторону Полярной звезды. Точнее, оно расположено между 10 и 40о северного склонения, прямое восхождение его составляет от 9 часов до 10 часов 30 минут. Самым ярким светилом созвездия является звезда Регула, то есть звезда Сюаньюань. Эта звезда одновременно является звездой Альфа созвездия Льва.

В заключение надо сказать, что описание пришельцев содержится во многих древних источниках. Абсолютно исключаются какие-либо мистификации. Две тысячи лет назад «отец китайской историографии» Сыма Цяня писал: «Я бывал в местах, где почетные старцы по отдельности и вместе постоянно рассказывали еще о Хуанди… Хотя поверья и поучения, конечно, были различными, но вообще-то они недалеки от древних записей и близки к истине. Я читал Чуньцю и Гоюй, в них ярко раскрыты добродетели пяти владык (имеется в виду сам Хуанди и его помощники) и их родословные, и пусть я еще не глубоко изучил их, но все, что в них выражено и показано, отнюдь не пустая выдумка».

Что касается описания, которое сделали земляне, наблюдавшие за высокоразвитой цивилизацией, то И. Лисевич высказался об этом так: «…не следует думать, что современная наука была бы в состоянии понять и объяснить все стороны высокой цивилизации, преодолевшей межзвездное пространство».

Из сказанного выше можно заключить, что просветители вернулись домой, на какую-то другую планету. То, что было общение между земными и небесными жителями, — следует и из санскритских текстов. Там сказано: «Посредством этих аппаратов (приспособлений, устройств) жители Земли могут подниматься в воздух, а небесные жители — спускаться на Землю». На таких устройствах, как сказано, можно было передвигаться в пределах «Сурьяман-дала» — солнечной области и «Накшатраман-дала» — звездной области. Расшифровки этих терминов нет. Возможно, что солнечная область означает Солнечную систему. А может, и нет.

В преданиях кельтов говорится о том, что их воздушные колесницы могли подниматься в небо и достигать тех мест, где находились удивительные земли и «дворцы богов». Мало того, в древних текстах сообщается, что некоторые люди посещали эти «дворцы богов», которые расположены вне пределов Земли. Так, даосисты (последователи китайского философско-религиозного учения Лао Цзы) в своих трактатах упоминают о каком-то «совершенном человеке» Чем Джане, который посетил другие планеты и почерпнул там мудрости и знаний.

В «Книге Еноха», о которой уже говорилось, также говорится о том, как Енох был взят на какое-то время на некие земли, лежащие в небе. Там он получил астрономические знания, а именно: порядок движения Солнца, причины сокращения дня и удлинения ночи, лунный календарь, а также фазы Луны. Об этом Енох в своей книге писал так: «И Вретиль обучал меня 30 дней и 30 ночей, и уста его не переставали говорить. И я за 30 дней и 30 ночей не переставал писать замечания». Просветители рассматривали Еноха как посредника, переносчика знаний к людям. Дальше появляется удивительная деталь — когда Енох вернулся, то его дети стали старше его. Так и должно быть согласно теории относительности. Дело в том, что если космический путешественник передвигается со скоростью, близкой к скорости света, то для него время течет во много раз медленнее, чем для оставшихся на Земле. Если бы все было выдумкой, то такую деталь рассказчик придумать не смог бы. Никак не смог бы. Эта деталь означает, что рассказанное — реальность.

Имеются и другие сообщения о космических полетах древних. Так, в древнеегипетской рукописи, написанной полторы тысячи лет до нашей эры, которая представляет собой официальную хронику царствования фараона Тутмоса III, сказано, что ко всеобщему ужасу «на 22-м году, в третьем месяце зимы, в шесть часов дня на небе появился огромный предмет правильной формы, который медленно двигался на юг». Примерно к этому же времени относится и древнеперсидское сообщение о человеке, который соорудил сложный летательный аппарат и на этом аппарате передвигался по воздуху.

Подобные сообщения встречались и в нашем тысячелетии. Так, в латинской рукописи одного из английских монастырей в 1290 году нашей эры говорилось о том, что над головами испуганных иноков, которые гнали по дороге монастырское стадо, однажды «появилось огромное, овальное серебристое тело, похожее на диск, которое медленно пролетело над ними, вызвав великий ужас». Роджер Бэкон (1214–1294), о котором уже говорилось, также писал о подобных аппаратах. К сожалению, за приверженность к «тайным знаниям» он был заключен в тюрьму. Бэкон писал так: «Наука дает возможность создавать аппараты, могущие развивать огромные скорости, без мачт и требующие не более одного человека для управления». Он утверждал, что такие аппараты передвигаются без помощи животных. Он писал, что «может быть создан аппарат, способный передвигаться в воздухе, с человеком, находящимся внутри него». Он утверждал, что «летальные аппараты, которые были у древних, изготавливают и в наше время. Он имел в виду XIII век н. э. Любопытно! Если это так, то, возможно, не лишена серьезного смысла и такая история, о которой в 1670 году рассказала французская хроника. Суть истории состоит в следующем. Однажды в Лионе «трое мужчин и одна женщина спустились на Землю с летающего корабля. Вокруг них собрался весь город, крича, что это колдуны, подосланные Гримальди, герцогом Беневенто, врачом Карла Великого, с тем, чтобы уничтожить во Франции урожай. Тщательно пытались четверо невинных оправдаться, говоря, что они здешние, что они были унесены незадолго перед этим удивительными людьми, показавшими им небывалые чудеса и опустившими их обратно, чтобы они рассказали о том, что видели».

Известный итальянский скульптор эпохи Возрождения Бенвенуто Челлини рассказал о своей книге следующее. Он и его спутник во время путешествия взглянули в сторону Флоренции. «И оба мы издали великий крик изумления, говоря: «О Боже небесный, что же за великое тело так видно над Флоренцией?» Это было как бы огненное бревно, каковое искрилось и издавало превеликий блеск».

ЧЕЛОВЕК «РАЗУМНЫЙ»

УНИЧТОЖАЕТ ЗНАНИЯ

Знания помогают человеку. Но, тем не менее, он всю свою историю уничтожал их. Приведем только некоторые свидетельства этого.

В 1549 году молодой испанский монах Диего де-Ланда прибыл в Мексику, которая только что была завоевана испанцами, с целью искоренить язычество. Огромная библиотека древних рукописей майя была обнаружена в одном из храмов. Исполненный рвения монах приказал все содержимое библиотеки вынести на площадь перед храмом. Солдатам потребовался целый день, чтобы выполнить приказ. Когда все это было выполнено, молодой миссионер собственноручно поднес факел к драгоценным книгам и сжег их. В своих воспоминаниях он писал так: «Книги эти не содержали ничего, кроме суеверия и вымыслов дьявола. Мы сожгли их все». Неудивительно, что из всех библиотек и летописей высокоразвитой цивилизации майя до нас дошли только три (!) рукописи.

Свою письменность инки уничтожили сами. Когда началась эпидемия, правитель обратился к оракулу с вопросом: «Что делать?» Не долго думая, оракул ответил: «Нужно запретить письменность». И это было исполнено в точности. Тут же по приказу верховного книги и все письменные памятники были уничтожены, а пользование письмом надолго было запрещено. Было только одно-единственное исключение. В Храме Солнца сохранили несколько полотен, на которых была описана история инков. Вход в это помещение разрешался только царствующим инкам, а также нескольким жрецам-хранителям. Через много лет один из жрецов решился изобрести алфавит, и за это его сожгли заживо. В 1572 году в Мадрид королю Испании Филиппу II отправили четыре рукописных полотнища, захваченных у инков. Корабль с бесценным грузом затонул вместе с полотнищами.

Такая же судьба постигла и библиотеки Карфагена, которые насчитывали полмиллиона томов. Римляне уничтожили все, что было связано с Карфагеном. Одна из книг была переведена на латинский язык, поэтому уцелела.

Мусульманские завоеватели поступали точно так же (человек везде человек). Они сами уничтожали древние книги и назначали большое вознаграждение тем, кто отдавал их добровольно. Сжигали все.

Еще в V веке до н. э. были сожжены все сочинения греческого философа Протагора. В III веке до н. э. жгли книги в Китае. Сжигали сочинения Конфуция, которому Китай обязан тем, что является Китаем. Сирийский царь Антиох Епифан жег книги, написанные на еврейском языке. В 272 году до н. э. горели книжные костры в Риме. А позднее римский император Август распорядился сжечь все книги по астрологии и даже по астрономии.

Из прошлых знаний почти все было уничтожено. Нам остались только крохи, по которым мы пытаемся воссоздать лицо прежних цивилизаций. Так, Софокл написал около 120 драм. Мы знаем только 7 из них. Другие погибли. Еврипид написал 100 драм, из которых до нас дошли только 19. Практически все сочинения Аристотеля погибли. Сохранилось только одно-единственное из них. Мы судим о философии Аристотеля по записям его учеников и современников. Один из крупнейших историков древности Тит Ливий, живший и творивший в начале новой эры, написал «Историю Рима», состоявшую из 142 книг. Сохранились только 35 книг. И то хорошо. Из 40 книг Полибия сохранилось 5. А из 30 книг Тацита дошло до нас 4. Все 20 книг Плиния Старшего утеряны.

В Малой Азии был город Пергама. Его библиотека насчитывала 200 000 томов сочинений и свитков. Антоний, пылая любовью к Клеопатре, вывез эту библиотеку целиком и подарил ее своей возлюбленной. От этой бесценной библиотеки не осталось, как пишут исследователи, даже пепла. Погибла безвозвратно и библиотека храма Пта в Мемфисе. Та же участь постигла и книгохранилище Иерусалимского храма.

У Птолемеев были две уникальные библиотеки. Одна из них содержала 40 000 свитков, а друга 500 000 или даже 700 000 свитков. Все они были уникальными. Судьба этих библиотек сложилась следующим образом. Когда в 47 году до н. э. Юлий Цезарь поджег египетский флот в гавани Александрии и огонь перекинулся на город, то меньшая из двух библиотек сгорела. Вторую, большую библиотеку, сгубили сами египтяне. В правление Диоклетиана, а также в последующие годы громили библиотеку невежественные толпы. Они находили удовольствие в том, что устраивали из книг костры. Когда мусульмане-арабы захватили Александрию, то библиотека окончательно была разгромлена.

Факты уничтожения знаний в более позднее время хорошо известны, и мы приводить их не будем.

Обширный материал о всемирной катастрофе собран и опубликован А. Горбовским.

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ

НАШ ДОМ В КОСМОСЕ

ВВЕДЕНИЕ

Космос бесконечен. Но тот космос, о котором чаще всего мы говорим, — это околосолнечное пространство. Ученые его называют гелиосферой («гелио» — Солнце). Это пространство принадлежит Солнцу потому, что оно его заполняет своей плазмой — потоками заряженных и нейтральных частиц. Собственно, это корона Солнца. Мы — дети Солнца и живем в короне Солнца. Все в нашей жизни зависит от Солнца.

Но Солнце является не только источником жизни, но и источником смерти. Собственно, жизнь в околосолнечном пространстве (гелиосфере) возможна только там, где магнитное поле защищает живые существа от солнечной радиации. Земля имеет магнитное поле, магнитную защиту, поэтому на ней и возникла жизнь. Луна магнитного поля не имеет и там нет жизни.

Магнитное поле защищает от одного вида солнечной радиации — заряженных частиц. Их движение направляется магнитным полем. Но имеется и другая солнечная радиация, губительная для жизни, — ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. От них нас защищает атмосфера, в частности озонный слой. Разрушая его, мы подставляем себя под эту радиацию. А это причина раковых заболеваний, катаракт и многого другого. Таким образом, жизнь на Земле, в нашем земном доме, возможна потому, что он устроен по-особому, и, конечно, потому, что есть Солнце. Рассмотрим это подробнее.

СОЛНЦЕ ГЛАЗАМИ НАШИХ ПРЕДКОВ

Биологическая жизнь на Земле возникла примерно 0,5 миллиарда лет назад. Это стало возможным прежде всего благодаря солнечному излучению. За все это время энергия излучения Солнца изменялась незначительно, не более чем в два раза. Если бы эти изменения были более существенными, они отразились бы на земных процессах настолько сильно, что последствия мы обнаружили бы даже в наше время по ископаемым остаткам.

Человек не мог не оценить роль Солнца в его жизни. Он поклонялся Солнцу, понимая, что от него зависит не только его благополучие, но и сама жизнь. И, конечно, он с тревогой ждал нового появления Солнца после его заката. Но древнего человека успокаивала мысль, что Солнце непременно появится снова, что в свое время Солнце поймали в ловушку и заставили исправно исполнять свои обязанности на небе. Так, в многочисленных легендах первобытных народов говорится о том, что до этого Солнце двигалось на небе произвольно, то торопясь, то останавливаясь, то одним, то другим путем.

Особенно тревожило исчезновение Солнца, которое, как мы понимаем, могло происходить во время солнечных затмений, плохой погоды или появления облаков пыли и вулканического пепла. Не понимая истинных причин исчезновения Солнца, наши предки связывали его с разными мотивами. В одних легендах Солнце похищают и заточают в тюрьму, в других — Солнце само исчезает умышленно, чтобы наказать людей за зло, которое они творят на Земле. В египетских легендах ночной путь Солнца представлялся очень драматичным — оно должно каждую ночь проплывать через пещеры внутри Земли, сражаясь с демонами и дикими чудовищами, которые каждый раз пытаются его задержать.

Люди, жившие вблизи полярного круга или за ним (например, эскимосы), наблюдали Солнце или в течение целых суток, или большую их часть. Это было в полярный день. В полярную ночь Солнце надолго скрывалось от них. Они считали, что Солнце в полярный день просто плавает вокруг северного горизонта, и даже тогда, когда его не видно, находится не очень далеко. Об этом говорили северные сияния, которые, по мнению эскимосов, представляли собой отражение солнечных лучей.

Но Солнцу не только поклонялись, за ним наблюдали, пытались понять законы, которым оно подчиняется. Так, древние вавилоняне и халдеи производили многочисленные наблюдения, определяли положение звезд, движение Солнца и планет. Уже с 747 года до н. э. они составляли таблицы лунных и солнечных затмений. Возможно, они даже могли предсказывать время наступления затмений.

Позднее древние греки пошли значительно дальше, около 434 года до н. э. Анаксагор высказал мысль, что Солнце представляло собой массу раскаленного камня. За это он был изгнан из. Афин. Фалес Милетский предсказал солнечное затмение еще в VI веке до н. э. Он знал, что Луна имеет шарообразную форму, а лунный свет не что иное, как отраженный солнечный свет. Продолжатель Фалеса — Пифагор и его ученики разработали модель Солнечной системы, в которой Земля и другие планеты двигались вокруг некоторого центрального тела, которое, правда, отождествлялось не с Солнцем (как это есть на самом деле), а с неким «центральным огнем», который остается невидимым. Но уже в III веке до н. э. Аристарх четко сформулировал, что все планеты, в том числе и Земля, движутся именно вокруг Солнца. Поразительно, что эта истина была повторно возвращена людям Коперником в 1543 году. Аристарх решил также вопрос, почему день сменяется ночью. Он понял, что это происходит вследствие вращения шарообразной Земли вокруг своей оси. Но отцом современной астрономии считают не Аристарха, а Гиппарха, жившего во II веке до н. э. Он измерил (естественно, приближенно) диаметр земного шара, расстояние до Луны и ее объем. Гиппарх объяснил истинную причину солнечных затмений. Он разработал метод определения расстояния до Солнца. Метод сам по себе был правильным, но достижимая точность измерений в то время была недостаточной, чтобы получить правильные величины. Расстояние от Земли до Солнца, определенное Гиппархом, оставалось без изменений вплоть до 1620 года. Последующие изменения этой величины были фактически произвольными. Так, Кеплер в 1620 году увеличил данные Гиппархом величины размеров Солнца и расстояния от Земли до Солнца в три раза. Никаких явных оснований для этого не было. После этого эти величины увеличивались столь же произвольно еще несколько раз. И только в 1672 году астроном Кассини установил минимальное расстояние от Земли до Солнца. Эта величина была правильной. Она отличается от современной всего на 10 %. Это было подтверждено наблюдениями за Венерой, когда она проходила по диску Солнца. Смысл этих наблюдений состоит в следующем.

Речь идет именно о Венере не случайно. Наблюдениями было установлено, что угол между лучом зрения на Солнце и на Венеру не превышает 45о. Из равнобедренного треугольника Земля — Венера — Солнце можно без труда установить, что его боковая сторона (то есть расстояние Земля — Венера или Венера — Солнце) равна 0,7 расстояния от Земли до Солнца. Значит, если измерить расстояние от Земли до Венеры, то можно определить и расстояние от Земли до Солнца. Расстояние от Земли до Венеры можно определить так. Когда Венера находится точно между Землей и Солнцем, то мы ее «видим» на диске Солнца. В этом случае определить расстояние до Венеры можно точно так же, как определяют расстояние до объекта, находящегося на земле за каким-то непреодолимым препятствием (озером, рекой). Для этого из двух пунктов проводят измерения углов между лучом зрения на объект и линией, соединяющей точки наблюдения. Зная три элемента треугольника (основание и два прилегающих к нему угла), можно определить все другие его элементы, а значит, и истинное расстояние до объекта. Значит, чтобы определить расстояние до Венеры, надо вести наблюдения за ней из двух по возможности сильно удаленных пунктов. Чем больше эта удаленность, тем выше точность в измерении расстояния.

Зная точно одно расстояние (например, от Земли до Венеры), можно определить все остальные размеры Солнечной системы. Дело в том, что наблюдение углов позволяет составить точную схему системы. Остается только установить ее масштаб. А для этого достаточно знать точно одно расстояние. Удобное положение Венера занимает не часто. Это имело место в последнее время в 1874 и 1882 годы, и в ближайшем будущем это снова произойдет 8 июня 2004 года и 6 июня 2012 года. Но в принципе, кроме Венеры, можно использовать и положение других планет, например Марса или астероида Эроса.

СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

Строение Солнца определяется составом вещества, из которого оно состоит, и теми процессами, которые внутри него протекают. Основным элементом солнечного вещества является водород. В центре Солнца он находится под огромным давлением, которое достигает 250 × 10^9 атм. При столь высоком давлении плотность вещества огромна, она достигает 160 г/см^3. Ядра атомов здесь упакованы в 1000 раз плотнее, чем в металле. Тем не менее вещество в центральной части Солнца находится в газообразном состоянии. Это обусловлено очень высокой температурой. В центре Солнца она достигает 15 миллионов градусов. При такой температуре атомы водорода (и других химических элементов) разрушены полностью, то есть ядра и орбитальные электроны движутся сами по себе, как свободные частицы газа. Поэтому не создается кристаллическая структура, которая свойственна твердому телу.

Высокая температура в центре Солнца поддерживается не только высоким давлением, но и реакциями термоядерного синтеза, которые здесь протекают. Эти процессы идут только при очень высокой температуре.

Ядро водорода представляет собой элементарную частицу — протон. Ядро гелия содержит четыре протона. Его еще называют альфа-частицей. Таким образом, четыре ядра водорода образуют одно ядро гелия. В процессе этой реакции выделяется энергия. Так, из каждого грамма водорода, который превращается в гелий, 0,007 г преобразуется в энергию. Это и есть источник солнечной энергии. Чтобы обеспечить теперешнюю светимость Солнца, необходимо в ядерную печь в центральной части Солнца каждую секунду подбрасывать примерно 5 т водорода. Эти реакции внутри Солнца идут уже в течение примерно 5 миллиардов лет. Поэтому часть водорода в самом центре Солнца успела «выгореть», превратиться в гелий, который в данном случае можно назвать «золой». Благодаря этому в центре Солнца имеется зона, где водорода меньше. Но чем дальше от центра, тем его становится больше. На удалении от центра на одну четверть солнечного радиуса водород составляет 96 % всего солнечного вещества (по массе). Собственно, на этом расстоянии заканчивается центральная часть Солнца, называемая ядром. На внешней части солнечного ядра температура уже составляет только 8 миллионов градусов, плотность вещества примерно в 20 раз меньше, чем в центре. В солнечном ядре, где генерируется 99 % солнечной энергии, заключена половина всей массы Солнца (хотя по объему ядро занимает только 1/64 всего объема Солнца).

Ядро окружено солнечным веществом, в котором термоядерные реакции не идут. Эта сферическая область Солнца была названа промежуточной. Она простирается от внешней границы солнечного ядра до 0,86 радиуса Солнца. Вещество в промежуточной области представляет собой однородную смесь, состоящую из водорода, гелия и тяжелых элементов. На каждые 10 атомов водорода приходится примерно 1 атом гелия. Атомы тяжелых элементов (C, N, O, Ne, Mg, Si, Ar, Ca, Fe, Ni) составляют примерно 1 % по массе. Они содержатся в таких же относительных количествах, что и в земной коре. Это естественно, поскольку и Земля, и Солнце образованы из одного первоначального «теста». Этим тестом был межзвездный газ, в который тяжелые элементы попали после взрывов сверхновых звезд первого поколения.

Энергия, освобождаемая в солнечном ядре, пробирается наружу через промежуточную область путем излучения. В природе известны различные способы передачи энергии через вещество, эффективность которых зависит от физических условий (плотность, температура, давление). В промежуточной области передача энергии осуществляется с помощью излучения.

Электромагнитное излучение, каким является видимый свет, рентгеновские, инфракрасные, ультрафиолетовые и гамма-лучи, а также радиоволны, быстрее всего распространяется в вакууме. Здесь скорость его распространения достигает 300 000 км/с. Но если на пути излучения имеется какое-либо вещество, то происходит задержка излучения. Оно при этом может или поглощаться (полностью или частично), или же отражаться в определенном направлении. При определенных условиях излучение может взаимодействовать с атомами или молекулами, вызывая их изменение.

В промежуточной области Солнца плотность вещества еще очень высока, а энергия электромагнитного излучения, пробивающегося от солнечного ядра наружу, велика. Поэтому энергичные фотоны (гамма-кванты) поглощаются атомами, встречающимися в изобилии на их пути. Атом, поглотивший фотон, через определенное время переизлучает, но переизлученный фотон имеет меньшую энергию, чем поглощенный атомом фотон. Так, если первоначальное излучение представляло собой гамма-лучи, то с уменьшением частоты оно становится рентгеновским излучением, затем ультрафиолетовым. При дальнейшем уменьшении частоты оно становится видимым, а затем инфракрасным.

Перенос энергии в виде излучения является основным только в пределах переходной области. На расстоянии от центра Солнца, равном 0,86 его радиуса, физические условия (температура, плотность) уменьшаются настолько сильно, что механизм лучистого переноса энергии становится неэффективным. Температура здесь составляет «всего» полмиллиона градусов, а плотность в 2000 раз меньше, чем у основания переходной области. Здесь начинается область Солнца, обладающая принципиально отличными физическими свойствами. Главное среди этих свойств — турбулентность. Турбулентное движение вещества, например, воздуха в атмосфере Земли, характеризуется вихревыми движениями. В третьей области Солнца возникают турбулентные движения вещества, или турбулентные конвекции. Поэтому эту область назвали конвективной зоной. Нижняя часть конвективной зоны имеет температуру, равную 0,5 миллиона градусов. Температура в верхней ее части составляет всего примерно 6,6 тысячи градусов. Такой резкий перепад температур по высоте и обусловливает возникновение турбулентного движения вещества.

В конвективной зоне в результате значительного уменьшения температуры (по сравнению с переходной областью) количество атомов увеличивается. Поэтому солнечное вещество сильнее, чем в переходной области, поглощает солнечное излучение. В конвективной зоне энергия распространяется к наружной части Солнца не путем переизлучений, а непосредственно самим веществом при его турбулентной конвекции.

Все описанные три области Солнца — ядро, переходная область и конвективная зона — находятся под поверхностью Солнца, являются недоступными какому-либо экспериментальному исследованию. Выше конвективной зоны располагается область солнечного шара, которая становится видимой, так как из нее исходит видимый свет.

Излучение вырывается наружу на верхней границе конвективной зоны потому, что здесь плотность вещества становится малой. Поэтому путь фотонам оказывается открытым, они больше не поглощаются и не рассеиваются. Точнее, это происходит с очень малой вероятностью. Так, свет, который мы видим, глядя на Солнце, исходит из очень тонкого слоя, который покрывает снаружи конвективную зону. Он, как и все рассмотренные ранее области Солнца, имеет сферическую форму. Называется он просто — сферой света или, точнее, фотосферой. Толщина фотосферы составляет примерно 100 км.

На этом Солнце не кончается. Выше фотосферы находятся другие области, в которых также содержится солнечное вещество (рис. 42). Но традиционно сложилось так, что Солнцем мы называем то, что видим, то есть видимый солнечный шар. Поэтому видимую фотосферу Солнца часто называют поверхностью Солнца. Все, что находится выше видимого слоя Солнца, называют солнечной атмосферой. Когда мы говорим о Земле, то границей между атмосферой и собственно Землей является поверхность Земли. Здесь деление основано на том, что сама Земля является твердым телом, местами покрытым жидкостью — водой, а атмосфера — газ. В случае Солнца это не так, поскольку как само Солнце, так и его атмосфера состоят из газа. Деление на различные области, в том числе на само Солнце и его атмосферу, проводится по физическим условиям в разных областях, по различию тех процессов, которые там протекают.

Рис. 42. Схема строения Солнца.

Радиус Солнца (на уровне фотосферы) составляет 0,696 х 10^6 км. Он в 109 раз больше радиуса Земли. Если наблюдать Солнце с Земли, то солнечный диск будет виден под углом 31′59″, то есть примерно полградуса. Ускорение силы тяжести на поверхности Солнца в 28 раз больше, чем на поверхности Земли, а давление здесь составляет только 1 % от давления на поверхности Земли. Температура в фотосфере с увеличением высоты резко падает. В верхней части фотосферы она уменьшается до 4300о. В излучающей части фотосферы она равнялась примерно 5780о. Здесь речь идет об эффективной температуре излучающего слоя, который определяется согласно закону Стефана-Больцмана.

Практически вся энергия, которую излучает Солнце в межпланетное пространство, исходит из фотосферы, причем большая часть излучения является видимой. Что это — удачное совпадение, случай, дающий нам возможность невооруженным глазом наблюдать не только Солнце, но и все, что освещено его лучами? Конечно нет! Это закономерно. Наши глаза развились так, чтобы быть чувствительными именно к тому участку спектра солнечного излучения, которого больше поступает в нашу среду обитания — на поверхность Земли. Ведь примерно половина солнечной энергии, которая достигает поверхности Земли, приходится на видимый участок спектра.

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

Солнце выбрасывает в межпланетное пространство не только облака заряженных высокоэнергичных частиц, скорости которых могут достигать 1000 км/с, но также и заряженные частицы, которые движутся с меньшими скоростями (200–400 км/с). Собственно, они представляют собой как бы продолжение солнечной короны. Поэтому поток заряженных частиц, движущихся от Солнца, был назван солнечным ветром.

Еще до того, как поток солнечного ветра был измерен приборами, установленными на космических аппаратах, о его существовании ученые догадались по результатам его действия. Так, в 1896 году норвежский физик О. К. Бирке-ланд высказал мысль, что именно потоки заряженных частиц, выбрасываемые из Солнца, действуют на магнитное поле Земли и вызывают возмущение в околоземном пространстве.

В конце 50-х годов нашего века гипотеза о существовании солнечного ветра была высказана американским физиком-теоретиком Е. Паркером. Его доводы основывались на результатах наблюдений движения хвостов комет: под действием давления солнечного ветра хвосты комет всегда располагаются относительно ядра кометы в направлении, противоположном Солнцу. В начале 60-х годов были выполнены прямые измерения заряженных частиц в межпланетном пространстве. Измерения подтвердили существование солнечного ветра.

Солнечный ветер состоит главным образом из электронов и ядер водорода — протонов. Примерно 5 % в нем составляют ионы гелия. Но когда скорость ветра и концентрация его частиц максимальны, количество гелия может составлять до 25 %.

Все характеристики солнечного ветра, то есть корпускулярного излучения Солнца, могут изменяться в 10 — 100 раз, в зависимости от процессов, происходящих в солнечной атмосфере, фотосфере и конвективной зоне.

Так же как солнечная плазма в различных образованиях (солнечных пятнах, факелах, факельных площадках, волокнах и протуберанцах, корональных конденсациях), солнечный ветер находится в магнитном поле, пронизывающем межпланетное пространство и представляющем собой продолжение магнитного поля Солнца.

Кроме локальных магнитных полей активных областей Солнца у него, как и у Земли, имеется общее магнитное поле. Это поле в сотни и тысячи раз меньше локальных полей солнечных пятен и составляет всего около 1 гаусса (Гс), что лишь в 2 раза больше магнитного поля Земли. Тем не менее общим магнитным полем Солнца нельзя пренебрегать: оно играет важную роль в процессах, посредством которых солнечное корпускулярное излучение действует на Землю и околоземное пространство.

Силовые линии солнечного магнитного диполя выходят из северного полушария и входят в южное, как это показано на рис. 43. В экваториальной плоскости силовые линии очень сильно вытянуты в направлении от Солнца. Здесь образуется экваториальный нейтральный (в смысле магнитного поля) токовый слой. Он располагается не строго в экваториальной плоскости, а так, как это показано на рис. 43. Земля при своем движении вокруг Солнца проходит то выше, то ниже нейтрального токового слоя.

Рис. 43. Силовые линии магнитного поля и нейтральный слой.

Когда она находится выше, на ее орбите силовые линии направлены от Солнца к Земле. Когда же она проходит ниже токового слоя, они направлены к Солнцу. Следовательно, орбита Земли проходит участки, в которых межпланетное магнитное поле направлено попеременно то от Солнца, то к нему, иначе говоря, имеет секторную структуру. Те сектора, в пределах которых магнитное поле направлено к Солнцу, называются отрицательными и обозначаются знаком «-». Сектора с магнитным полем, направленным от Солнца, называют положительными и обозначают знаком «+».

За счет того, что Солнце вращается вокруг собственной оси, силовые линии его магнитного поля закручиваются и принимают форму спиралей Архимеда. Поэтому кроме радиальной составляющей межпланетного магнитного поля имеется и азимутальная составляющая. На рис. 44 показана секторная структура межпланетного магнитного поля по данным измерений на ИСЗ. Естественно, имеется и третья компонента вектора напряженности магнитного поля. Она направлена или вверх, или вниз относительно нейтрального токового слоя. Секторная структура межпланетного магнитного поля сохраняется практически неизменной продолжительное время. Она «жестко» связана с Солнцем. Может наблюдаться от 3 до 6 секторов.

Рис. 44. Секторная структура межпланетного магнитного поля по данным измерений на ИСЗ.

В межпланетном пространстве кроме частиц солнечного ветра постоянно присутствуют галактические космические лучи. Эти заряженные частицы имеют энергии на много порядков больше, чем энергия частиц солнечного ветра. Правда, частиц, из которых состоят галактические космические лучи, очень немного, в десятки миллионов раз меньше, чем частиц солнечного ветра. Галактические космические лучи значительно слабее влияют на процессы в околоземном пространстве, чем потоки заряженных частиц от Солнца. Тем не менее в определенных случаях учитывать их влияние необходимо.

Высокоэнергичные протоны, выбрасываемые из Солнца во время вспышек, называемые солнечными космическими лучами, существуют в течение нескольких часов. Но их энергия на орбите Земли в десять тысяч раз больше энергии галактических космических лучей. Хотя солнечные космические лучи не оказывают влияния на свойства межпланетной среды, они вызывают определенные изменения в свойствах околоземного пространства, в частности, под их действием нарушается коротковолновая связь в полярных областях и уменьшается плотность озонного слоя в атмосфере Земли.

МЕЖПЛАНЕТНАЯ СРЕДА

Солнечная корона простирается на большое расстояние от Солнца. Ее температура достигает миллионов градусов. Поэтому газ, составляющий ее, непрерывно расширяется и заполняет межпланетное пространство. Иногда этот процесс сравнивают с испарением кипящей воды, хотя аналогия здесь далеко не полная. Разница прежде всего в том, что частицы, движущиеся из солнечной короны в межпланетное пространство, являются электрически заряженными (в большинстве своем). Кроме того, они движутся в магнитном поле, силовые линии прикреплены к определенным областям Солнца и пронизывают практически все межпланетное пространство. Таким образом, покидающие солнечную корону заряженные частицы (электроны, протоны, ядра гелия и ионы других химических элементов) представляют собой плазму, помещенную в магнитное поле.

Мы уже убедились в том, что Солнце очень неспокойно. Поэтому и частицы, которые выбрасываются из него, имеют разные скорости. Солнечный ветер меняется по своей силе не только во времени. Он неоднороден и в пространстве. В определенных направлениях бьют струи заряженных частиц, скорости которых намного больше скоростей частиц солнечного ветра. Эти струи-потоки называют высокоскоростными потоками солнечных заряженных частиц. Частицы этих потоков, имея очень высокие энергии, переносят значительную энергию от Солнца в межпланетное пространство.

Эти потоки-струи высокоскоростных частиц можно по их форме сравнить со струей воды из вращающегося поливального устройства. Аналогия оправдывается тем, что Солнце, из которого бьет струя, вращается наподобие поливального устройства. Естественно, что струя при этом закручивается, как это показано на рис. 45. При этом силовые линии магнитного поля, которые вытягиваются от Солнца потоком заряженных частиц, также вытягиваются и приобретают форму спиралей Архимеда. На орбите Земли угол между их направлением и радиусом, который соединяет Солнце и Землю, равен примерно 45о.

Рис. 45. Схема, показывающая закручивание магнитных силовых линий в виде спиралей Архимеда. Показаны только силовые линии на границах секторов.

Магнитное поле Солнца в экваториальной плоскости и вблизи нее весьма своеобразно. Поскольку оно является продолжением магнитного поля Солнца, то в одних секторах оно направлено от Солнца, а в других — к нему. Это можно видеть на рис. 44, где приведена секторная структура межпланетного магнитного поля, измеренная на ИСЗ еще в 1964 году. Видно, что в это время межпланетное магнитное поле делилось естественным путем на четыре сектора, в двух из которых магнитное поле было направлено от Солнца (сектор с таким направлением межпланетного магнитного поля принято называть положительным и обозначать знаком «+»), а в остальных двух секторах — к Солнцу. Эти сектора называют отрицательными («-»). Количество секторов может меняться от двух до шести. Ясно, что это определяется магнитными полями Солнца.

Как видно из рис. 46, высокоскоростной поток по мере удаления от Солнца расширяется. Уже на орбите Земли его угловой размер может составлять 60о. Скорость частиц в потоке — 800 км/с. Поток не только достигает орбиты Земли, но и уходит по крайней мере в пять раз дальше.

Рис. 46. Схема строения высокоскоростного потока солнечных частиц;

1 — более плотная часть потока;

2 — менее плотная его часть.

Любопытна структура высокоскоростного потока, которая формируется за счет его взаимодействия с солнечным ветром. В результате этого взаимодействия на ведущем крае высокоскоростного потока сильно (быстро) увеличиваются основные характеристики потока (его скорость, плотность и температура плазмы), а также напряженность магнитного поля.

Высокоскоростные потоки солнечных частиц пронизывают межпланетное пространство далеко не всегда. В среднем их наблюдается примерно около 50 в течение года. Но каждый из потоков, один раз возникнув, может просуществовать в течение нескольких оборотов Солнца. Это значит, что Земля может почувствовать наличие такого потока несколько раз, то есть каждый раз, когда он проходит мимо Земли. Что при этом происходит на Земле и в окружающем Землю пространстве, мы рассмотрим позднее. Здесь только укажем, что высокоскоростные потоки чаще всего наблюдаются в периоды спада солнечной активности и в эпохи минимумов. Любопытно, что неодинаково вероятен выброс высокоскоростного потока из разных областей Солнца. В короне имеются области, простирающиеся с севера на юг вдоль всего солнечного меридиана, в которых солнечное излучение меньше, чем в соседних областях. Поэтому их изображение воспринимается как дыры. Эти области так и были названы «корональными» дырами.

Высокоскоростные заряженные частицы успешно вырываются из короны Солнца именно в области корональных дыр потому, что здесь этому не препятствуют магнитные поля. Как известно, силовые линии магнитного поля в области корональных дыр направлены практически радиально, поэтому они не оказывают никакого влияния на радиальное движение заряженных частиц. Заряженные частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля беспрепятственно.

Но межпланетную среду пронизывают и другие потоки заряженных частиц, в частности те, которые выбрасываются из атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Поэтому их называют «вспышечными» выбросами. Скорости этих потоков могут превышать 1000 км/с. Они шире рассмотренных выше потоков, их угловой размер может превышать 120о. Чаще всего такие потоки выбрасываются из атмосферы Солнца при высокой солнечной активности, то есть, когда образуется больше вспышек, порождающих эти потоки. Таким образом, те и другие потоки в определенном смысле дополняют друг друга во времени: вспышечные потоки чаще наблюдаются в эпоху максимума солнечной активности, а потоки из корональных дыр — в эпоху минимума.

Структура вспышечных выбросов также формируется их динамикой и взаимодействием с более медленным солнечным ветром. Поперечное сечение потока определяется также структурой магнитных полей солнечных пятен, в которых произошла вспышка, выбросившая данный поток.

Межпланетная среда содержит и потоки заряженных частиц, которые имеют скорости значительно большие, чем в описанных выше потоках. Правда, этих частиц значительно меньше. Их концентрация составляет всего 10-8 см^3 или и того меньше. Они также выбрасываются из солнечной атмосферы во время вспышек. Эти потоки недолговечны. Они существуют в продолжение всего нескольких часов после вспышки.

Частицы с такими огромными скоростями принято называть космическими «лучами». Те, которые приходят от Солнца, называют солнечными космическими лучами. Но имеются и космические лучи, источником которых является не Солнце. Они рождаются в Галактике. Поэтому их называют галактическими космическими лучами. Плотность галактических космических лучей на орбите Земли значительно меньше, чем солнечных космических лучей. Плотность их энергии в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем у вторых. Они также оказывают влияние как на Землю, так и на ее биосферу и атмосферу.

СОЛНЕЧНЫЕ ПЯТНА

При наблюдениях солнечной поверхности в телескопы видно ее «кипение». Оно в отдельных местах вдруг приобретает необычные черты: ярко светящиеся «зерна риса» раздвигаются, и между ними образуется небольшая, более темная область. Очень быстро она также исчезает. Такие темные области между гранулами были названы порами. Иногда некоторые из образовавшихся вдруг без каких-либо видимых причин пор не исчезают, а постепенно увеличиваются. При существенном их увеличении они превращаются в солнечные пятна.

Солнечные пятна — образования на Солнце, которые были замечены людьми тысячи лет назад. Описания солнечных пятен содержатся в очень древних источниках разных народов. Так, в Никоновской летописи описывается период засух во второй половине XIV века. За 1364 год там записано: «Солнце бысть аки кров, и по нем места черны…» В 1371–1372 годы: «Бысть знамение на Солнце, места черны на Солнце, аки гвозди…».

С помощью телескопа первым, видимо, начал наблюдать солнечные пятна Галилео Галилей в 1610 году. Имеются сведения, что в то же время наблюдения за Солнцем в телескоп вели Фабрициус и Шейнер. Галилей не сразу опубликовал свое открытие, что на Солнце есть пятна, — уж очень сильно оно шло вразрез с господствовавшим в то время мировоззрением. Но вскоре он это сделал. Итог наблюдений был таким: «Повторные наблюдения наконец убедили меня, что эти пятна — реальные образования на поверхности самого Солнца, где они непрерывно возникают, а затем исчезают, одни за более короткий, иные за более длинный промежуток времени. А вследствие вращения Солнца, которое происходит с периодом около одного лунного месяца, они увлекаются вокруг Солнца; это явление важно само по себе, а еще более в силу своей значительности».

То, что солнечные пятна темнее, чем окружающая их поверхность, говорит о том, что вещество в них холодное. Здесь движение вещества чем-то сдерживается. Поскольку это вещество является ионизованным газом (плазмой), то сдерживать его движение весьма эффективно может магнитное поле. Естественно, на заре наблюдений солнечных пятен было неизвестно ни о температуре вещества в солнечном пятне, ни о структуре и величине магнитного поля в области пятна и в его окрестностях. Поэтому ученые шли очень нелегким путем к пониманию причин образования пятен.

Конечно, сейчас кажутся наивными, чтобы не сказать смешными, представления о причинах темных пятен на Солнце. Предполагалось все — и то, что пятна являются тенью, отбрасываемой солнечными горами на светящиеся облака, и то, что они являются результатом вулканической деятельности на Солнце, и то, что они могут быть облаками в атмосфере Солнца. Наблюдая за вихреобразной структурой внешней, более светлой части пятна (это полутени), некоторые наблюдатели пришли к заключению, что пятна — это области, где разыгрываются солнечные бури. На самом деле все оказалось как раз наоборот. Пятна оказались островами спокойствия, где движения ионизованного газа сдерживаются сильным магнитным полем.

Пятна на Солнце не «штампуются» по единому стандарту, их размеры, форма и время существования самые различные. Так, пятно может существовать от нескольких часов до нескольких месяцев. Самые маленькие пятна, называемые порами, имеют диаметр, равный всего нескольким сотням километров. А самая большая группа солнечных пятен, зарегистрированная на Солнце в апреле 1977 года, занимала площадь, равную 1500 миллиардов км^2! В такую область можно было бы поместить не менее 100 земных шаров. Те пятна, которые наблюдали наши предки невооруженным глазом, должны были занимать в поперечнике не менее 40 тысяч км.

Что собой представляет типичное солнечное пятно? Это углубление в фотосфере, которое иногда сравнивают с воронкой от снаряда. Глубина воронки составляет 700 — 1000 км. Температура вещества в области пятна на 1500–2000о меньше, чем вокруг него. Пятно, как правило состоит из более темного (более глубокого и более холодного) ядра и отражающей его полутени. Если пятно не имеет полутени, то оно просуществует не более суток, то есть оно не сформировалось, не стало устойчивым. Но такое бывает только с очень маленькими пятнами. Современные исследования показали, что как тень (ядро), так и полутень пятна не являются однородными, они обладают тонкой структурой, свидетельствующей о сложности протекающих там процессов. Магнитное поле в солнечном пятне больше 1500 Гс. Оно может достигать 2000–3000 Гс, а в отдельных случаях и 5000 Гс. Магнитное поле ядра пятна неоднородно. Об этом свидетельствуют наблюдаемые там очень маленькие яркие точки диаметром всего 100–150 км. Они намного горячее остального вещества пятна. Их число в одном пятне может достигать 20.

Полутень (склоны воронки) солнечного пятна также неоднородна. Почти половину ее площади занимают яркие зерна длиной 350 — 1500 км и шириной 100–350 км. Они с большой скоростью стекаются по направлению к ядру. Несомненно, это означает, что значительно более горячие порции солнечного газа стекаются в холодное ядро пятна.

Магнитное поле в области полутени пятна меньше, чем в его ядре. Магнитные силовые линии в самом ядре практически направлены вертикально, то есть перпендикулярно поверхности фотосферы. В верхней части они расходятся, напоминая веер. Поэтому на внешней границе полутени силовые линии уже идут практически горизонтально. Направление силовых линий магнитного поля различно: или сверху вниз, или наоборот.

Чаще всего пятна появляются группами или по крайней мере парами. Бывают большие группы пятен, которые содержат, кроме больших, и много мелких пятен. Но основными в группе являются два пятна, которые имеют общее магнитное поле: силовые линии выходят из одного пятна и входят в парное ему пятно. В зависимости от направления силовых линий в ядре пятна (вниз или вверх) пятну можно присвоить соответствующий магнитный полюс (южный или северный). Известно, что северным магнитным полюсом считается тот, из которого силовые линии магнитного поля выходят. В южный магнитный полюс они входят. Таким образом, каждое солнечное пятно имеет определенную полярность. Далее мы должны рассмотреть движение пятен солнечной поверхности. Это связано также с вращением Солнца. Поэтому кратко охарактеризуем это вращение.

Если бы Солнце представляло собой идеальный светящийся шар, то невозможно было бы установить сам факт его вращения вокруг своей оси. Но наблюдения за отдельными солнечными пятнами позволили установить, что такое вращение имеется. Оказалось, что характер вращения Солнца весьма своеобразен: на разных удалениях от экватора (к северу и югу) скорость вращения различная. Чем ближе к полюсу, тем она меньше. Так может вращаться только газообразное тело.

Было установлено, что на экваторе период одного оборота Солнца равен 26 суткам, а на полюсах он достигает почти 37 суток. Если мы этот период измеряем с Земли, то он удлиняется, поскольку Солнце вращается в ту же сторону, в которую движется Земля по своей орбите вокруг Солнца. Поэтому, наблюдая с Земли, мы фиксируем период обращения Солнца более длинным, чем он есть на самом деле: пока Солнце совершает свой оборот, мы вместе с Землей несколько уйдем вперед, и Солнцу приходится повернуться на дополнительный угол для того, чтобы мы помеченное нами солнечное пятно вновь увидели на том же месте. Истинный период вращения Солнца вокруг своей оси называют сидерическим, а кажущийся, описанный выше, — синодическим. Последний на экваторе равен 27 суткам, а на полюсах — 41 суткам. Надо сказать, что эти периоды определены не по положению пятен (они тоже не остаются строго на одном месте), а другим, более точным способом.

Говоря о паре солнечных пятен, различают головное и хвостовое пятна. Головное находится в «голове» движения, то есть является ведущим. Более устойчивым, как правило, является головное пятно. Если наблюдается одно пятно, то это значит, что парное ему пятно (хвостовое) уже успело разрушиться. Оно всегда более короткоживущее.

Солнечные пятна образуются не по всему солнечному диску. В редких случаях они появлялись на широтах +-52о, и то эти пятна были очень мелкими и неустойчивыми. Вблизи солнечного экватора в пределах 10-градусной полосы пятна также практически не появляются. Зоны, в которых появляется пятно на Солнце, были названы «королевскими». Отдельные пятна и группы пятен ориентируются определенным образом на поверхности Солнца. Так, группы пятен обычно вытянуты вдоль направления восток — запад (то есть вдоль параллели). Причем головное пятно располагается несколько ближе к экватору, чем хвостовое. Чем дальше от экватора, тем этот разворот пары пятен становится больше.

Пятна возникают и исчезают. Это происходит так. Рождению солнечного пятна предшествует усиление в данном месте магнитного поля. Затем постепенно появляется пятно, увеличивается, появляется парное пятно, а также другие пятна группы. Напряженность магнитного поля продолжает расти. С течением времени основные пятна группы постепенно удаляются друг от друга. В какой-то момент стадия роста заканчивается — группа пятен достигает максимальных размеров. После этого начинается распад всей группы и отдельных пятен. Эта стадия всегда более продолжительна, чем стадия роста. Дольше всего противостоит распаду головное пятно. Оно сохраняет правильную форму даже после исчезновения хвостового и других пятен группы. Магнитное поле постепенно уменьшается, но полностью оно исчезает только через некоторое время после полного распада пятен.

Наблюдателям за солнечными пятнами было ясно, что количество пятен на диске Солнца и их площадь изменяются во времени. Но долго оставалось неясным, как именно, по какому закону и, главное, почему. Один из астрономов-любителей, цюрихский аптекарь Генрих Швабе, в 1843 году опубликовал результат своих наблюдений солнечных пятен, которые он проводил ежедневно в течение 17 лет. Оказалось, что количество пятен на Солнце изменяется периодически. Впоследствии данные Швабе проанализировал астроном Рудольф Вольф. Он приобщил к ним и все другие данные наблюдений, которые проводились нерегулярно, с перерывами. Так Вольфу удалось в той или иной мере проследить по различным источникам изменение солнечных пятен вплоть до 1610 года, когда их наблюдал Галилео Галилей. Но наиболее полные данные наблюдений имелись начиная с 1749 года.

Анализировалось не просто количество солнечных пятен, а определялось число, которое учитывало также количество групп пятен.

Рис. 47. Изменение чисел Вольфа начиная с 1749 года.

Когда рассчитанные числа Вольфа w были представлены графически, то оказалось, что они меняют свою величину с периодом, который в среднем равен 11,1 года. То есть было показано, что время между двумя ближайшими максимумами чисел Вольфа в среднем равно 11,1 года. Но это только «в среднем». Отдельные периоды имели продолжительность 7, а некоторые даже 17 лет. Числа Вольфа в одних максимумах были больше, чем в других. На рис. 47 показано изменение чисел Вольфа начиная с 1749 года и до наших дней. Здесь хорошо видны как периодичность в изменении числа солнечных пятен, так и изменение величины самих максимумов. Так, в максимумы 1870 и 1974 годы солнечных пятен было в три раза больше, чем в 1816 году, когда имел место самый низкий максимум. В 1957–1958 годы максимум числа солнечных пятен был еще больше, чем в 1870 и 1974 годы.

Рассмотрим более конкретно, в каких местах на солнечном диске чаще всего появляются пятна. Мы наблюдаем за ними с Земли. За счет вращения Солнца пятна все время меняют свое положение. Тот факт, что Солнце вращается на разных широтах с разной скоростью, приводит и к своеобразному характеру в продвижении пятен. За счет более медленного вращения Солнца в высоких широтах находящиеся там гипотетические пятна отстают от экваториальных.

Подавляющее большинство пятен появляется в полосе широт между 5 и 30о. На широтах больше 35о они появляются очень редко. Было показано, что в продолжение 11-летнего солнечного цикла положение солнечных пятен меняется закономерно: в начале нового солнечного цикла, который отсчитывается от минимума солнечных пятен, солнечные пятна появляются на самых больших широтах. Затем с течением времени широты их появления постепенно уменьшаются, приближаясь к широтам 5–8о. Таким образом, с началом нового солнечного цикла появляются пятна этого цикла на широтах около 30о и продолжают быть видны пятна старого цикла на широтах около 5–8о. Такое изменение положения солнечных пятен в продолжение 11-летнего солнечного цикла было замечено впервые известным английским исследователем Солнца Р. Кэррингтоном еще в 1859 году. Позднее немецкий ученый Г. Шперер обосновал эту закономерность более полно. Эта закономерность получила название закона Шперера.

Чем больше на Солнце пятен, тем более активным считается Солнце. Поэтому количество солнечных пятен является мерой солнечной активности. Закон Шперера вместе с законом Швабе-Вольфа о периодическом изменении числа солнечных пятен являются основными законами, описывающими изменение солнечной активности.

У читателя мог возникнуть вопрос, как можно отличить солнечные пятна одного 11-летнего цикла от другого. Оказывается, это делается с большой долей уверенности. Дело в том, что направление магнитного поля в пятнах от данного солнечного цикла к последующему меняется на противоположное. Поэтому, измеряя направление магнитного поля пятна, можно определить принадлежность его к определенному циклу. Точнее, эта закономерность выглядит так. В течение одного 11-летнего солнечного цикла в северном полушарии Солнца головное пятно имеет южную полярность, а хвостовое — северную. Это относится ко всем пятнам в данном полушарии. Когда через 11 лет начнется новый цикл солнечной активности, то направление магнитных полей пятен изменится на противоположное. То есть в северном полушарии головные пятна будут иметь магнитное поле северной полярности, а хвостовые — южной. Мы говорили все время только о северном полушарии. В южном полушарии Солнца все направления магнитных полей солнечных пятен являются противоположными тем, которые имеют место в северном полушарии. Это показано на рис. 48. Полярности магнитного поля обозначены S (южная полярность) и N (северная). Таким образом, направление магнитных полей солнечных пятен повторяется не через 11 лет, как повторяется их положение на солнечном диске, а через два 11-летних цикла, то есть примерно через 22 года. Так что имеются основания говорить о двух циклах продолжительностью 11 и 22 года.

Рис. 48. Изменение широты солнечных пятен в продолжение одиннадцатилетнего солнечного цикла. Показана полярность парных пятен (N — северный магнитный полюс, S — южный).

Все приведенные закономерности изменения солнечных пятен и их магнитных полей не могут не удивлять. Создается впечатление, что внутри Солнца содержится некоторый «часовой механизм», обеспечивающий перемену направления всех магнитных полей через определенный срок. Нельзя сказать, что устройство этого механизма уже разгадано полностью, сейчас нет даже уверенности в том, что он находится целиком внутри Солнца. Очень известный немецкий астроном В. Глайсберг писал: «Сколько раз исследователям солнечной активности казалось, что наконец-то им удалось установить все основные закономерности 11-летнего цикла. Но вот наступал новый цикл, и уже первые его шаги начисто отбрасывали всю их уверенность и заставляли заново пересматривать то, что они считали окончательно установленным».

ЦИКЛЫ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Процессы солнечной активности охватывают всю атмосферу Солнца, а также конвективную зону, которая не видна. Энергия в конвективную зону поступает из солнечного ядра через переходную зону. Поэтому можно уверенно сказать, что понять эти процессы — значит понять само Солнце. С изменением солнечной активности меняется и количество энергии, которую оно излучает в межпланетное пространство, а значит, и той ее доли, которую получает Земля. В сущности, меняется не только количество, но и качество этой энергии, поскольку Солнце в зависимости от его активности излучает разную энергию в разных диапазонах электромагнитных волн. При усилении активности излучение в некоторых участках солнечного спектра усиливается в десятки и даже сотни раз. Но этого мало. При усилении солнечной активности усиливаются и потоки заряженных частиц, выбрасываемых из солнечной атмосферы. Этими частицами являются электроны, протоны, ядра легких химических элементов.

В разных процессах, которые составляют сложный комплекс солнечной активности, выбрасывается разный состав частиц, энергии которых также существенно различаются. Это особенно хорошо прослеживается в процессах, которые протекают в солнечной атмосфере в периоды солнечных вспышек. Большинство из вспышек приводит к выбросу в межпланетное пространство потоков высокоэнергичных электронов. Такие вспышки, поскольку они составляют большинство, называют обычными или электронными. Во время другого типа вспышек выбрасываются в межпланетное пространство потоки высокоэнергичных протонов, которые были названы солнечными космическими лучами. Сами вспышки были названы протонными. Время от времени в период протонных вспышек протоны ускоряются до чрезвычайно высоких энергий, при этом их скорости становятся сравнимыми со скоростью света.

Таким образом, важно не только изменение суммарной, общей энергии, которую излучает Солнце при разной активности, но и то, в каком виде эта энергия излучается.

Большинство процессов, которые являются разными звеньями солнечной активности, сосредоточено, локализовано в определенной области как в солнечной атмосфере, так и под ней, в солнечных недрах. Но очертание этой области еще не дает всей информации об активности. Важно знать, как возникли эти процессы, где они зародились и затем как они развивались во времени на разных этажах активной области. Среди этих процессов имеются как медленные, так и развивающиеся в виде взрывов, то есть импульсивно. Чтобы как-то все это подчеркнуть, специалисты наряду с понятием активной области используют и понятие «импульс активности». Мы наблюдаем за активными областями только из одной точки — с Земли. Поэтому видим (с помощью глаза или инструментов) только проекцию всей объемной конструкции на плоскость, перпендикулярную лучу зрения. Когда активная область, которую мы наблюдаем, находится на центральном меридиане (и близко к экватору), то мы наблюдаем ее строго сверху. Поскольку светящиеся образования проектируются на солнечную поверхность, то вместо протуберанцев мы видим яркие волокна, вместо объемных, весьма протяженных по высоте образований — факельные площадки и т. д. Если же активная область находится ближе к краю видимого диск, то ее можно наблюдать с Земли только наискосок. При этом по наблюдаемой проекции ее на плоскость, перпендикулярную лучу зрения, мы должны сделать правильные заключения о ее объемной конструкции. В том случае, когда активная область находится на самом ребре видимого диска (на лимбе), мы можем непродолжительное время наблюдать ее сбоку. Тогда-то мы и видим протуберанцы, а не волокна и т. д.

Несомненно, большие сложности возникают и из-за того, что мы можем наблюдать процессы в атмосфере Солнца только на видимой его полусфере. Поскольку процессы во всей атмосфере Солнца (как видимой, так и невидимой полусфере) составляют единый комплекс, то понять их по его одной только половине дело не простое.

Мы сделали только некоторые замечания о проблемах, связанных с исследованием солнечной активности, для того, чтобы у читателя сформировалось правильное представление как о сложности проблемы, так и о возможных путях ее решения. Один из таких путей — установление измерительных приборов на летательных аппаратах, которые облетели бы Солнце со всех сторон. Кроме того, надо развивать методы наблюдений, которые позволяли бы нам четко и уверенно определять те высоты в атмосфере Солнца, откуда мы получаем информацию. Имеются и другие возможности, которые впоследствии будут, конечно, реализованы.

Но если мы хотим установить, как изменяется солнечная активность во времени, то нам придется проявить чрезвычайное терпение. Дело в том, что эти изменения происходят с разными временными интервалами, среди которых есть не только 11-летний цикл солнечной активности, но и циклы продолжительностью в десятки, сотни и даже тысячи лет. Конечно, мы не можем ждать сотни и тысячи лет, чтобы установить изменение солнечной активности с помощью совершенных современных измерений. Для таких исследований приходится использовать те данные (прямые и косвенные), которые уже накоплены людьми за их историю. Естественно, мы не можем надеяться найти среди этих данных результаты измерения излучений Солнца в отдельных спектральных линиях или результаты измерения магнитных полей, температуры, скорости движения солнечного газа в разных слоях солнечной атмосферы и т. д. На что же мы можем рассчитывать? На то, что было видно на солнечной поверхности как невооруженным глазом, так и с помощью простых, бесхитростных телескопов.

ОДИННАДЦАТИЛЕТНИЙ ЦИКЛ

Тот факт, что солнечная активность изменяется во времени, был впервые установлен в 70-е годы XVIII века датским астрономом Р. Горребовом, который проводил наблюдения за поверхностью Солнца в Копенгагене в 1761–1769 годах. Но его современники-ученые не признали это, а в 1805 году при артиллерийском обстреле Копенгагена эскадрой адмирала Нельсона данные наблюдений погибли. Потребовались десятилетия, чтобы вновь открыть уже открытое. Это произошло в 1843 году, когда аптекарь и одновременно астроном-любитель Генрих Швабе опубликовал данные своих ежедневных наблюдений Солнца в течение 17 лет. Он и считается признанным первооткрывателем периодичности (цикличности) изменения солнечной активности. Впоследствии Рудольф Вольф организовал наблюдения Солнца на профессиональном уровне. Он же ввел индекс относительных чисел солнечных пятен, о котором уже говорилось выше.

Регулярные данные наблюдений, проводимых в Цюрихе, имеются с 1749 года. 11-летние циклы солнечной активности принято отсчитывать от минимума солнечной активности. Наблюдаемый минимум имел место в 1755 году. От него и начали отсчет первого 11-летнего цикла. За ним последовали второй, третий и т. д. Сейчас идет 22-й цикл солнечной активности. Он начался в 1986 году. До 1755 года наблюдался еще один цикл, но не полностью (всего 6 лет). Он был назван нулевым. Еще более ранние наблюдения не были регулярными. Тем не менее по ним (с меньшей достоверностью) были установлены еще 22 11-летних цикла. Их нумерация идет в обратную сторону, и прибавляется знак минус. Таким образом, 22-й цикл начался в 1501 году. Несмотря на отсутствие данных регулярных наблюдений, восстановить изменение солнечной активности с 1501 года удалось на основании тех последствий, которые они вызывают в земной атмосфере и биосфере. Об этих последствиях будет рассказано позднее. Здесь только укажем, что при усилении солнечной активности в атмосфере Земли (в высоких широтах) возникают полярные сияния. Они вызываются заряженными частицами, которые выбрасываются из Солнца при усилении солнечной активности. Эти данные о полярных сияниях и были использованы для того, чтобы установить, какова была в это время солнечная активность.

В 11-летнем цикле солнечная активность нарастает от минимума к максимуму (ветвь роста) быстрее, чем спадает от максимума к минимуму (ветвь спада). Специалисты говорят не о периодических, а о циклических изменениях солнечной активности потому, что продолжительность периода этих изменений меняется в определенных пределах, то есть период не является постоянным. Такие изменения называют циклическими.

Мы уже упоминали, что можно говорить об изменении во времени многих величин, характеризующих солнечную активность. Общепринятой величиной является число Вольфа, то есть относительное число солнечных пятен. Вторым, эквивалентным индексом солнечной активности является суммарная площадь солнечных пятен. Она измеряется в миллионных долях солнечного диска.

Было показано, что циклические изменения солнечной активности с продолжительностью цикла примерно в 11,1 года происходили неизменно в продолжение по крайней мере сотен миллионов лет. Этот факт был установлен конечно же не по данным наблюдений самого Солнца. Таких данных просто нет. Мы уже говорили, что с изменением солнечной активности меняются и условия роста растений, а также меняется количество полярных сияний. Но не только эти явления зависят от уровня солнечной активности. От него зависят практически все явления в окружающем Землю пространстве и в ее биосфере. Атмосферные осадки также выявляют зависимость от уровня солнечной активности. Поэтому при исследовании осадочных отложений очень отдаленных геологических эпох (сотни миллионов лет) и было показано, что они также отражают 11-летнюю цикличность. 11-летний солнечный цикл характеризуется не только продолжительностью цикла, которая в среднем равна 11–13 годам. Каждый такой цикл характеризуется и той максимальной солнечной активностью (то есть максимальным относительным числом солнечных пятен), которая достигается в данном цикле. А эти значения отличаются от цикла к циклу очень существенно. Так, за период с 1700 по 1980 год максимальные среднегодичные числа Вольфа менялись в пределах от 45,8 до 236 (в конце 1957 года).

Было установлено по данным за этот период, что чем выше максимум солнечной активности в данном 11-летнем цикле, тем он быстрее достигается, то есть тем ветвь роста данного 11-летнего цикла короче. Но с другой стороны, спадает солнечная активность «правильно», то есть чем она выше в максимуме, тем она дольше затухает и, таким образом, тем продолжительнее ветвь спада данного 11-летнего цикла.

Представляют интерес не только и не столько эти и подобные закономерности, сколько их физический смысл. Ведь важно прежде всего понять, что происходит в недрах и атмосфере Солнца. Было высказано мнение, что каждый 11-летний цикл изменения солнечной активности представляет собой отдельный независимый взрыв.

ДВАДЦАТИДВУХЛЕТНИЙ ЦИКЛ

Этот цикл солнечной активности часто называют качественным, поскольку он связан прежде всего с качественным изменением магнитного поля солнечных пятен — меняется на противоположную их полярность. Как уже было сказано, каждый солнечный 11-летний цикл имеет свой номер. Если он нечетный, то в северном полушарии магнитное поле головных пятен имеет северную полярность, а в южном полушарии — южную. В четных циклах направления магнитных полей меняются на противоположные. Меняются направления не только магнитных полей пятен, но и фонового магнитного поля Солнца. При максимальной солнечной активности (в эпоху максимума) магнитное поле в северной полярной шапке Солнца имеет такую же полярность, как и магнитное поле головных солнечных пятен этого же полушария. Распределение полярностей меняется через два 11-летних цикла, то есть через 22 года.

Имеется и более продолжительный цикл солнечной активности, который называют по-разному: длинный, долгий, вековой, 80 — 90-летний. Наиболее часто его называют вековым. Он был обнаружен еще в середине прошлого столетия. Сейчас его существование подтверждается как по данным за последние 2000 лет, так и косвенными данными о земных процессах. Проявление векового цикла за период с 1720 по 1950 год показано на рис. 49.

Рис. 49. Вековой цикл солнечной активности.

Вековой цикл солнечной активности меняется в очень больших пределах, от 30 до 120 лет. Наиболее вероятная его продолжительность составляет 79 лет. Был выявлен также солнечный цикл продолжительностью 44 года. Проявляется этот цикл весьма своеобразно. Так, чем больше сумма относительных чисел солнечных пятен в данном 22-летнем цикле, тем больше и продолжительность следующего 22-летнего цикла.

Были обнаружены также циклы продолжительностью от 168 до 190 лет, а также более продолжительные циклы (280, 400 и 600 лет).

Обнаружен был также цикл продолжительностью около 900 лет. По геологическим, геофизическим и физико-географическим данным был обнаружен цикл продолжительностью 1700–1800 лет.

В истории были такие периоды, когда солнечная активность длительное время находилась на очень низком уровне. Один из таких периодов охватывает годы с 1645-го по 1716-й. Сейчас он известен как минимум Маундера, ученого, который в начале нашего века очень много сделал, чтобы доказать существование этого минимума солнечной активности.

Что касается явлений в атмосфере, то можно использовать сведения о полярных сияниях, которые связаны с активностью Солнца и содержатся в разных хрониках и других материалах.

Английский исследователь Дж. Шове собрал такие сведения о солнечных пятнах и полярных сияниях за период от 200 года до н. э. до наших дней. За это время прошло 198 одиннадцатилетних циклов. Этот самый продолжительный ряд наблюдений называют рядом Шове. Он показан на рис. 50. Ряд Шове также выявляет наличие векового цикла солнечной активности. Было показано, что с периодом в 80–90 лет изменяется средняя продолжительность существования групп солнечных пятен. Другими словами, с периодом 80–90 лет изменяется мощность солнечной активности, о которой свидетельствует эта продолжительность.

Было установлено также существование 600-летнего цикла солнечной активности. Это подтверждают и данные ряда Шове. Интересно, что именно примерно 600 лет назад на Земле произошло сильное похолодание. С того времени зеленая (об этом говорит и ее название) страна Гренландия стала страной, покрытой льдами.

Следует указать, что для исследования солнечной активности используют также данные об изменении толщины годовых колец на срезе деревьев. Известно, что имеются деревья, которые живут многие сотни лет.

Рис. 50. Изменение солнечной активности от начала нашей эры до наших дней.

Эти данные очень информативны, они обрабатываются с помощью самых современных математических методов и ЭВМ и позволяют установить изменения уровня солнечной активности не только от года к году, но и за более короткие интервалы времени, например сезонный ход. Если данная древесина датирована, то уровень солнечной активности можно определить уверенно по анализу концентрации в ней радиоуглерода.

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И ПОЛОЖЕНИЕ ПЛАНЕТ

Все тела Солнечной системы очень тесно взаимосвязаны (недаром они составляют «систему»). Их движения взаимообусловлены, так как каждое из них оказывает влияние на все остальные. Это люди начали понимать очень давно.

Так, еще в IV веке до н. э. вавилонский историк и жрец Берос попытался определить те периоды, когда диски всех планет выстраиваются вдоль одной прямой. Такую ситуацию называют «великим» годом. Она повторяется только через 179 лет, и не каждое поколение людей может быть свидетелем великого года. Скажем сразу, что ни разу в истории великий год, если на него было обращено внимание населения, не вызывал оптимизма. Совсем наоборот, часто предсказывали, что в такой год наступит «конец света».

Проблема связи положения планет с Солнцем, а точнее — с солнечной активностью, — была поставлена на научную основу только в прошлом веке. Многие астрономы, в том числе и сам Р. Вольф, обратили внимание на то, что Юпитер обращается вокруг Солнца практически с таким же периодом (11,86 года), с каким изменяется солнечная активность (11,13 года). Тут было над чем подумать. Тем более оказалось, что имеется также определенная связь между числом солнечных пятен и изменением расстояния от Солнца до Юпитера. Ученые приступили к детальной проработке этого вопроса. Надо было определить, к каким изменениям на Солнце приведет различное расположение планет.

Надо сказать, что не все ученые связывали изменения солнечной активности с расположением планет. Многие отдавали предпочтение другой возможной причине изменения солнечной активности — процессам внутри самого Солнца. Скажем сразу, что в настоящее время нельзя отвергнуть как неверный ни один из этих двух взглядов. Видимо, на солнечную активность оказывают влияние и процессы внутри Солнца, и действие разного расположения планет.

Еще в начале нашего века Э. Браун обосновывал циклические изменения солнечной активности приливами, вызванными планетами. Приливы в свою очередь вызывают вихревые движения в атмосфере Солнца.

Что же происходит с Солнцем под действием планет? Несмотря на то, что в Солнце сосредоточена почти вся масса Солнечной системы (99,87 %), момент количества движения его небольшой, поскольку оно находится в центре системы. На долю Солнца приходится только 2 % момента количества движения всей Солнечной системы. Остальные 98 % приходятся на долю планет. Но это соотношение не остается неизменным. Когда все или несколько планет выстраиваются в одну линию, проходящую через Солнце, центр тяжести Солнечной системы смещается относительно центра Солнца. Это удаление изменяется существенно: от 0,01 до 2,19 радиуса Солнца. Когда это смещение максимально, центр тяжести Солнечной системы оказывается за пределами Солнца. По законам физики Солнце обязано вращаться вокруг этого центра (это кроме того, что оно вращается вокруг своей оси). Уже один этот факт говорит о том, что положение планет должно сказываться на процессах, протекающих на Солнце и в его недрах.

В расположении планет возможны такие ситуации. Напомним, что все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца почти по круговым орбитам — эллипсам — в одном направлении — против часовой стрелки. Орбиты всех планет расположены вблизи экваториальной плоскости Солнца. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) имеют значительно большую массу, чем планеты земной группы (Меркурий, Венера, Марс).

Когда две планеты-гиганта примерно одинаковой массы выстраиваются на одной линии с Солнцем по одну сторону (как это показано на рис. 51), то центр тяжести Солнечной системы смещается по направлению этих планет. При этом угловой момент Солнца становится максимальным. Поскольку угловой момент Солнечной системы все время сохраняется неизменным, то при увеличении момента Солнца уменьшается угловой момент планет.

Рис. 51. Схема, иллюстрирующая три (I, II, III) различных взаимных положения планет А и В и Солнца (пустой кружок) и соответствующие им три положения центра тяжести Солнечной системы (ЦТСС)

Через определенное время эти же две планеты окажутся снова на одной линии с Солнцем. Но по разные стороны от него. При таком их расположении центр тяжести всей Солнечной системы не должен смещаться относительно центра Солнца. Поэтому угловой момент планет в это время будет максимальным, а Солнца — минимальным. В обоих этих положениях угловой момент Солнца не меняется во времени. А возмущающая сила на Солнце связана именно с величиной изменения его углового момента во времени. Если принять, что солнечная активность прямо связана с этой возмущающей силой, то в обоих описанных выше положениях планет солнечная активность должна быть минимальной.

При каком же положении планет возмущающая сила на Солнце будет максимальна? Было показано, что максимальное изменение во времени углового момента Солнца имеет место в том случае, когда две планеты смещены друг относительно друга на угол в 60о.

Таким образом, если бы Солнечная система состояла только из Солнца и рассматриваемых двух планет, а солнечная активность определялась бы только возмущающей силой, связанной с изменением во времени углового момента Солнца, то солнечная активность изменялась бы так: в некоторый момент времени, когда обе планеты находятся справа на одной линии с Солнцем, солнечная активность должна быть минимальной. Через некоторый интервал времени, когда между планетами образуется угол в 60о, солнечная активность должна стать максимальной. Затем должен пройти вдвое более длинный период (угол 120о) для того, чтобы планеты оказались на одной линии с Солнцем, но по разные стороны от него. Тогда солнечная активность должна снова быть минимальной.

Мы рассмотрели эту ситуацию для примера. Ясно, что ограничиваться рассмотрением только двух планет нельзя. Надо обязательно учитывать влияние на Солнце всех планет. Тем не менее анализ влияния отдельных пар планет дает возможность выявить, какие периоды в изменении солнечной активности возможны.

Было рассчитано, что время между соединениями планет (когда они выстраиваются в одну линию с Солнцем) Сатурна и Юпитера составляет 19,858 года, Сатурна и Урана — 43,365 года, Нептуна и Урана — 171,428 года, Нептуна и Плутона — 481,233 года.

Влияние расположения планет на солнечную активность может проявляться не только из-за изменения во времени углового момента Солнца. Планеты своим притяжением будут оказывать на вещество Солнца приливное действие. Всем известны приливы в морях и океанах, вызванные действием Солнца и Луны. В принципе можно ожидать, что под действием притяжения планет приливы должны иметь место и на Солнце. Несмотря на то, что вещество, из которого состоит Солнце, находится в газообразном состоянии, оно имеет среднюю плотность в 1,4 раза большую, чем плотность воды.

Оценки показали, что уровень фотосферы под действием приливных сил планет смещается только на 1 мм. В более высоких слоях атмосферы Солнца приливные колебания имеют значительно большую амплитуду.

Конечно, может показаться, что такие мизерные изменения пренебрежимо малы. Но в данном случае это не так. Энергия выбрасываемых из Солнца частиц, связанных с солнечной активностью, конечно же не черпается из энергии приливов. Но периодическое действие приливов выполняет такую же роль, как и нажатие на курок при выстреле. Поэтому такой физический механизм ученые назвали спусковым. Действие спускового механизма проявляется во многих процессах как на Земле, так и во Вселенной. Не вызывает сомнения, что он может «работать» и в этом случае, поскольку в конвективной зоне Солнца, где формируются солнечные пятна, вещество находится в очень неустойчивом состоянии.

Хотя в настоящее время и нет законченной теории влияния расположения планет на солнечную активность, не вызывает сомнения, что как изменение во времени углового момента Солнца, так и приливные силы планет влияют на нее.

В последние годы учеными разрабатывается и более полная теория, позволяющая понять динамический ритм всей Солнечной системы как единого целого. Последнее ни у кого не вызывает сомнения. Но не все знают, что планеты обращаются вокруг Солнца не просто каждая со своим собственным периодом. Эти периоды для разных планет взаимосвязаны. Естественно, такая же связь существует и между частотами обращения планет вокруг Солнца.

Если частоты обращения планет равны w_1,w_2, w_3 и т. д., то всегда можно подобрать такие простые целые числа n1, n2, n3 и т. д., что n1w1 + n2w2 + nkwk = 0.

Это не случайно. Такая взаимосвязь частот возможна только в системе, которая находится в резонансном состоянии. Для достижения такого состояния любой системе, в том числе и Солнечной, требуется достаточно продолжительное время. Ясно, что продолжительность этого периода определяется свойствами системы. Расчеты показали, что Солнечная система действительно к настоящему времени почти полностью пришла в резонансное состояние или, точнее, очень близка к нему, если учесть астрономические масштабы времени. Солнце входит в Солнечную систему «на таких же правах», как и планеты, то есть процессы на Солнце — центральном газообразном теле системы — синхронизацией планетных частот также вовлечены в общий синхронный режим. Другими словами, на солнечную активность оказывают влияние основные характеристики синхронного режима планетной системы.

При определенных положениях планет, то есть при определенных долготах (измеряемых в гелиоцентрической системе координат), создаются благоприятные условия солнечной активности в направлениях этих долгот. Поскольку состояние Солнечной системы не строго резонансное, указанные долготы не постоянны, а периодически меняются в некоторых небольших пределах. Среди этих периодов имеются равные 90, 178 годам и т. д.

Наличие резонансных долгот приводит к тому, что солнечные вспышки наиболее часто происходят в определенных направлениях. Имеются и такие долготы, на которых частота вспышек минимальна.

Максимальное число вспышек наблюдается на гелиоцентрических долготах, которые соответствуют периодам равноденствия (март и сентябрь). Минимумы солнечных вспышек приходятся на январь и апрель. Именно в равноденствие больше всего приходит к Земле потоков протонов, выброшенных из Солнца во время протонных солнечных вспышек.

МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ

Характер процессов, протекающих в околоземном космическом пространстве и в погодном слое атмосферы, зависит от свойств двух взаимодействующих объектов: солнечного корпускулярного потока и магнитосферы Земли.

Выброс плазмы от Солнца происходит потому, что температура в его короне над областью хромосферной вспышки внезапно возрастает. Это увеличение температуры приводит к образованию взрывной волны, распространяющейся сферически от точечного источника в неподвижном межпланетном газе, плотность которого по мере удаления от источника уменьшается. Структура ударной волны зависит от того, каким образом энергия солнечной бури передается в межпланетную плазму. Облако солнечной плазмы действует на вещество в межпланетном поле как поршень.

Проводились неоднократные исследования солнечного ветра с помощью ИСЗ. Были определены характеристики солнечной плазмы, которая находится за фронтом ударной волны. Установлено, что состав солнечной плазмы через несколько часов после прохождения ударной волны существенно изменяется, отношения Не+++/Н+ увеличиваются.

По мере своего продвижения в межпланетном пространстве солнечная плазма наталкивается на магнитное поле Земли. Давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля планеты. А поскольку давление солнечного ветра в условиях солнечных бурь увеличивается, то и деформация магнитного поля Земли становится больше. Граница земного магнитного поля со стороны Солнца приближается к Земле, магнитное поле уплотняется, его давление возрастает. В результате устанавливается новая граница между солнечным ветром и магнитосферой Земли.

Теперь рассмотрим природу магнитосферы Земли, с тем чтобы проследить, как солнечные корпускулярные потоки, усиливающиеся во время солнечных бурь, при взаимодействии с магнитосферой планеты вызывают бури в околоземном космическом пространстве. Энергия этих бурь затем передается в нижнюю атмосферу, где и формируется погода.

Известно, что Земля имеет собственное магнитное поле, в принципе очень простое по форме. Это поле диполя. Магнитные полюса расположены в районах географических полюсов: северный магнитный у Южного географического, а южный — у Северного географического. Точнее, магнитная ось Земли составляет угол около 11,5о с осью вращения планеты. Геомагнитный полюс в северном полушарии расположен около г. Туле в Исландии. В принципе положение геомагнитных полюсов с течением времени «гуляет». Изменяется также величина и направление магнитного поля Земли. Но все эти изменения происходят за очень длинные отрезки времени (по сравнению с длительностью солнечных и геомагнитных бурь и других процессов, определяющих солнечную активность). Сам факт, что геомагнитные полюса сдвинуты относительно географических, имеет принципиально важное значение для всех процессов, связанных с действием солнечных корпускулярных потоков.

Идеальный магнитный диполь симметричен относительно магнитной оси. Поэтому применение термина «магнитосфера» к магнитному полю Земли в идеальном случае можно было бы считать оправданным. Однако реальное магнитное поле Земли не является только полем магнитных зарядов, находящихся внутри планеты. Оно состоит также из магнитного поля, создаваемого электрическими токами, которые под действием солнечных корпускулярных потоков и солнечного ветра текут по внешней границе магнитосферы, а также внутри магнитосферы. Поэтому реальное суммарное магнитное поле Земли уже не представляет собой сферу. Чем ближе к внутриземным источникам магнитного поля, тем больше его форма напоминает поле диполя. Можно сказать, магнитное поле Земли является дипольным на расстояниях до трех земных радиусов от ее поверхности. По мере удаления от поверхности Земли и приближения к электрическим токам, текущим по внешней границе магнитосферы, магнитное поле планеты все меньше и меньше напоминает поле магнитного диполя (рис. 52).

Рис. 52. Меридиальное сечение магнитосферы Земли, построенное по результатам измерений с помощью спутников: 1 — плазменный слой; 2 — полярная щель; 3 — радиационный пояс; 4 — плазмосфера; 5 — плазменная мантия.

Если взять меридиальную плоскость, проходящую через линию, соединяющую центры Солнца и Земли (то есть полуденно-полуночную плоскость), то на полуденной ее части в экваториальном направлении земная магнитосфера в спокойных условиях простирается на расстояние (в сторону Солнца), равное около 10 земных радиусов. Если же двигаться от поверхности Земли в противоположном (антисолнечном) направлении, то границу ее магнитосферы можно нащупать где-то на удалении около 100 земных радиусов. Да и то эта граница нечеткая: некоторые ИСЗ находили магнитное поле Земли даже на расстоянии около 1000 земных радиусов (это на полуночной стороне). Ясно, что форма магнитосферы, которая с полуденной стороны простирается на 10 земных радиусов, а с полуночной на все 100, очень мало напоминает сферу. Она больше похожа на грушу с хвостиком, сильно вытянутым в антисолнечном направлении.

От вращения Земли и наклона географической оси относительно плоскости эклиптики зависит освещенность земной атмосферы. Другими словами, с географическими координатами (они привязаны к географическим полюсам) связано поступление энергии волнового, электромагнитного излучения Солнца. Под действием этого излучения происходит нагрев атмосферного газа, его ионизация, диссоциация и т. д. Таким образом, волновое излучение Солнца определяет тепловой режим атмосферы, ее циркуляцию, состав и пр. Поскольку поступающее излучение меняется в течение суток, периодические изменения проявляются и в атмосферных процессах. Ясно, что характер этих атмосферных процессов зависит не только от времени суток (то есть от долготы), но и от широты данного места, поскольку она влияет на количество поступающей энергии волнового излучения.

От геомагнитных координат зависят нагрев атмосферного газа, его циркуляция, диссоциация и ионизация атмосферных составляющих. Но в данном случае это результат действия на атмосферу Земли той энергии, которая приносится от Солнца не волновым его излучением, а солнечными корпускулярными потоками. Количество энергии, вносимой потоками заряженных частиц в атмосферу Земли, определяется геомагнитными, а не географическими координатами, причем зависимость значительно сложнее, чем в случае волнового излучения Солнца. Волновое излучение, в отличие от корпускулярного, весьма стабильно. Правда, наблюдаются экзотические случаи, такие как солнечные затмения и солнечные вспышки, а также изменения солнечного излучения в течение 11-летнего солнечного цикла. Но последние, во-первых, медленные, плавные, а во-вторых, далеко не столь значительные по величине, как изменения энергии потоков заряженных частиц, приносимых от Солнца.

Таким образом, на земную поверхность действуют одновременно два агента, которые вносят в нее определенную энергию и тем самым вызывают нагрев атмосферного газа, циркуляцию и другие процессы. На разных широтах и в разных условиях оба этих фактора действуют не одинаково, отличаются и удельные веса каждого из них. В тех областях, где вторжение заряженных частиц особенно эффективно, корпускулярный агент наиболее важен, причем именно в те периоды, когда действие волнового источника ослаблено. Так, в высоких широтах в периоды полярной ночи или солнечных бурь доминирующим источником энергии, вносимой в атмосферу Земли, являются заряженные частицы. Но их энергия определяется геомагнитными координатами, значит, от этих координат в данном примере зависят и процессы в атмосфере, а особенно в ее электрической составляющей — ионосфере. В общем же случае изменение параметров атмосферы и ионосферы зависит одновременно как от географических, так и от геомагнитных координат.

Важно отметить, что чем больше географическая широта, тем влияние волнового излучения Солнца меньше, а чем больше геомагнитная широта, тем влияние его корпускулярного излучения сильнее (по крайней мере до широты 70о). На разных географических долготах соотношение между волновым и корпускулярным источниками не одинаково, даже если другие географические или геомагнитные координаты заданных областей будут совпадать. В результате атмосферные процессы на одних долготах (скажем, сибирских) будут отличаться от процессов на других долготах (американских), хотя рассматриваемые районы имеют одну и ту же географическую широту.

Итак, реальная магнитосфера Земли весьма сложна, особенно если сравнивать с магнитным диполем. Изменения в ней особенно впечатляющи в периоды солнечных бурь, когда на магнитосферу планеты налетают потоки солнечных заряженных частиц и под их давлением дневная сторона магнитосферы поджимается ближе к Земле (в периоды очень интенсивных бурь граница магнитосферы в подсолнечной точке может приблизиться к Земле от 10 земных радиусов в спокойных условиях до 3 земных радиусов). В это время под давлением солнечного корпускулярного потока радикально изменяется форма на ночной стороне магнитосферы, в ее хвосте.

Солнечная буря сильнее влияет на более внешние части магнитосферы. Это, конечно, сказывается во всем околоземном пространстве вплоть до приземного атмосферного слоя, но не прямо, а опосредованно, в результате целой цепочки преобразования энергии солнечного корпускулярного потока, который сам непосредственно к поверхности Земли не проникает.

Магнитное поле Земли имеет определенное давление, которое направлено наружу. Плазма, заполняющая магнитосферу планеты, также обладает давлением, зависящим от ее плотности, температуры и др. Если бы вокруг Земли в межпланетном поле был вакуум, то ее магнитосфера распространялась бы бесконечно далеко. При этом напряженность магнитного поля, изменяясь обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли, уменьшалась бы и на бесконечном удалении становилась бесконечно малой.

Но магнитосфера Земли окружена не вакуумом, она обдувается солнечным ветром. Давление его на магнитосферы зависит от скорости и от плотности частиц, переносимых им. Достигая магнитосферы Земли, солнечный ветер давит на нее, но проникнуть внутрь высокопроводящей магнитосферы не может. Магнитосфера с дневной стороны поджимается до тех пор, пока сила ее давления не уравновесится силой давления солнечного ветра. Поскольку плотности и скорости частиц, выбрасываемых Солнцем, не одинаковы во времени, то и давление их на магнитосферу Земли в разное время различно. Это значит, что граница магнитосферы не остается на одном и том же месте, а меняет свое положение в соответствии с динамическим равновесием всей системы «солнечный ветер — магнитосфера Земли».

Полуденная часть магнитосферы (в районе подсолнечного меридиана) является, по-видимому, наиболее сложной. Внешние силовые линии магнитного поля Земли, прохождение через этот меридиан пронизывают ионосферу на геомагнитной широте около 80о. Более высокоширотные силовые линии, которые проходили бы также в этом полуденном меридиане при отсутствии солнечного ветра, выворачиваются им на ночную сторону. Значит, если в случае идеального магнитного диполя, находящегося в вакууме, силовые линии образуют две воронки точно на геомагнитных полюсах, то при наличии солнечного ветра эти воронки образуются на дневном меридиане на геомагнитных широтах 80о севера и юга. При этом полярные шапки закрыты дневными силовыми линиями, вывернутыми солнечным ветром на ночную сторону. Форма этих воронок (они были названы каспами, в переводе с английского — мешками) такая, что поперечное их сечение представляет собой сильно вытянутый эллипс. Воронка как будто сплющена в одном направлении и вытянута по геомагнитной долготе (вдоль дневной части овала полярных сияний).

То, что такие каспы должны образовываться в дневной магнитосфере под действием солнечного ветра, было предсказано теоретически. Измерения на спутниках не только подтвердили их существование, но и позволили установить зависимость их положения и формы от характера солнечной активности. При усилении солнечного ветра после хромосферных вспышек, когда магнитосфера прижимается им к Земле, положение каспов меняется. Они смещаются дальше от полюсов, чем в условиях спокойного Солнца. Это происходит потому, что большая часть дневных силовых линий выворачивается солнечным ветром на ночную сторону.

Кардинальным во всей проблеме взаимодействия Солнца и Земли является вопрос передачи энергии. И именно через воронки в магнитосфере Земли энергия Солнца, переносимая солнечными корпускулярными потоками, поступает непосредственно в земную атмосферу. Еще одними воротами из космоса является ночная часть магнитосферы (ее хвост), через которую солнечная плазма входит внутрь магнитосферы, а затем из хвоста направляется вдоль силовых линий магнитного поля в высокоширотные области и вторгается там в атмосферу Земли.

Солнечная буря вызывает в магнитосфере целый комплекс процессов, которые тоже носят взрывной (штормовой) характер. Он называется магнитосферной бурей. Буря проявляется в изменении магнитного поля Земли, в высыпании заряженных частиц в атмосферу высоких широт, в полярных сияниях и в увеличении концентрации электронов в ионосфере. Магнитосферная буря длится 1–1,5 суток и скорее напоминает целый ряд маленьких бурь (подбурь или суббурь), каждая из которых длится около 1 часа. Эти элементарные бури имеют очень много общего. Если они следуют друг за другом почти непрерывно (4–5 в течение одной ночи), то образуется мировая магнитосферная буря.

Процессы в околоземном пространстве рассматриваются нами в книгах: «Ионосфера Земли» (Наука, 1989), «Полярные сияния» (Наука, 1987), «Волны в космосе» (Наука, 1987), «Космос и биосфера» (Знание, 1990), «Процессы в геосфере» (Знание, 1989), «Наше здоровье и магнитные бури» (Знание, 1993), «Космос и здоровье» (Вече, 1997) и др.

Солнечная плазма, выброшенная из поверхности Солнца после хромосферной вспышки, приближается к орбите Земли примерно через 40–50 часов. Магнитное поле солнечного корпускулярного потока, то есть межпланетное магнитное поле, соединяется в магнитным полем Земли.

ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ

ОЗОН В АТМОСФЕРЕ

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в атмосфере, а считал только, что запах озона является признаком свежего воздуха. (Недаром озон в переводе с греческого означает «запах».) Этот интерес понятен — речь идет о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. Теперешняя тревога людей об изменении озонного слоя, к сожалению, небеспочвенна. Жаль, что в жизни не только отдельных людей, но и всего человечества справедлива поговорка «Гром не грянет — мужик не перекрестится». Ведь ученые начали бить тревогу об опасности, нависшей над озонным слоем Земли, еще в 70-е годы. За прошедшие с тех пор 20 лет уже можно было принять такие эффективные меры, что сегодня тревога людей была бы значительно менее обоснованна. К сожалению, ныне жители Земли оказались в положении человека, поджигающего свой дом для того, чтобы согреться, не особенно задумываясь о том, что этот дом сгорит и другого не будет. Конечно, обществу трудно поступиться интересами многих производств. Ведь разрушению озонного слоя способствуют различные вещества, выделяющиеся к атмосферу. Это не только фреоны, о которых сегодня говорят больше всего и политики и промышленники. К разрушению озонного слоя причастны и окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. К счастью, ядерные взрывы будут прекращены. Но окислы азота образуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей. Важно не только количество образованных при этом окис-лов азота, но и то, что это происходит высоко в атмосфере, поскольку эти двигатели установлены на сверхзвуковых высотных самолетах. На больших высотах образованные окислы азота живут долго. Ниже, в тропосфере, как окись, так и двуокись азота вымываются из атмосферы значительно быстрее. Применение большого количества минеральных удобрений также угрожает озонному слою. Ведь при денитрификации связанного азота бактериями почвы и микроорганизмами образуется закись азота, которая попадает в стратосферу. Закись азота была обнаружена и в дымовых газах электростанций. Количество образованной при этом в течение года закиси азота исчисляется миллионами тонн.

Таким образом мы воздействуем на озонный слой различными способами, и каждый связан с важной стороной нашей хозяйственной деятельности. Это и производство нашей сельскохозяйственной продукции, и ядерные взрывы, мирные электростанции и высотные военные самолеты, холодильная промышленность и бытовые аэрозоли. Поэтому изменить ситуацию в один день невозможно. Многие высказывают сомнения в том, сумеет ли человечество вообще ее изменить. Не будет ли поздно, если опасность не будет осознана своевременно. По-видимому, легче всего отказаться от фреонов. Притом надо только изменить технологию производства холодильных установок. И то раньше, чем через 10 лет, это не будет сделано. А как быть с минеральными удобрениями? Ведь мы не готовы отказаться от них. И будем ли готовы когда-либо? Как быть с другими веществами, создаваемыми человеком, которые разрушают озонный слой? Эти вещества выбрасываются в атмосферу в поистине огромных количествах (миллионы тонн в год) и остаются там очень долго.

Иногда довольно трудно представить себе, что даже очень малые количества определенного вещества в атмосфере могут играть исключительно важную роль. Собственно, очень наглядным примером того является сам озон, абсолютное количество которого в атмосфере пренебрежимо мало, а роль в атмосферных процессах огромна.

В настоящее время назрела необходимость принять определенные обязательные для всех решения, которые позволили бы сохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли, а также о свойствах озона, о том, как именно он реагирует на эти факторы.

О том, что с озоном происходит неладное, говорят озонные дыры, появляющиеся каждую весну над Антарктикой. Там происходит особая циркуляция воздуха в зимние и весенние месяцы — он оказывается изолированным от воздушных масс средних широт. С другой стороны, здесь зимой очень низкие температуры в стратосфере (ниже, чем в Арктике), что способствует образованию полярных стратосферных облаков.

Присутствие в стратосфере химических веществ в виде твердых частиц (льда в облаках) способствует разрушению озона. Выбрасываемые в атмосферу вещества, содержащие хлор, фтор, азот, метан и др., могут длительное время находиться там в пассивных формах и не разрушать озон. В особых условиях зимой и весной над Антарктикой происходит эффективное преобразование пассивных хлорных соединений в активные, которые интенсивно разрушают озон. Измерения с помощью спутников, ракет, шаров-зондов и самолетных лабораторий показали, что в этот сезон опасность для озона окиси хлора ClO в 100–500 раз больше, чем в средних широтах на этих же высотах. Прежде всего ClO и «поедает» озон в стратосфере Антарктики. На некоторых высотах его остается только 5 % прежнего количества! Если брать озон на всех высотах, то его количество в месте озонной дыры весной в Антарктике уменьшается наполовину. Таким образом, выбрасываемые людьми в атмосферу вещества переносятся движением воздуха на все широты и долготы. В Антарктике в конце зимы и весной они оказываются в особых природных условиях, которые позволяют им активизироваться и эффективно разрушать стратосферный озон.

Из этого можно сделать вывод, что поскольку такие особые условия в стратосфере имеются только в Антарктике (да и то не круглый год), то проблема озонной антарктической дыры является местной, региональной, а не глобальной. Но, к сожалению, это не так. Дело в том, что весь озон в атмосфере Земли, включая приземный слой воздуха, тропосферу, стратосферу и выше (мезосферу и термосферу), на всех долготах и широтах един. В одних местах он образуется эффективно и регулярно, в других — неэффективно и только от случая к случаю, в одних местах образованный озон живет годы, а в других — только секунды, но тем не менее весь озон вокруг Земли находится как бы в сообщающихся сосудах. Поэтому, если он исчезнет без компенсации в одном месте (в данном случае в Антарктике), то это изменит баланс озона в глобальном масштабе. Другое дело, если имеется компенсация. Так, если бы весеннее разрушение озона в Антарктике компенсировалось его увеличением в последующие сезоны, то годовой баланс был бы сохранен. Дыра была бы не опасна в смысле поглощения глобального озона. Полной компенсации разрушенного весной в Антарктике озона не происходит, и в общем балансе всего земного озона каждый год имеется нехватка, которая растет от года к году. Вот этим-то и опасна для всей Земли озонная дыра над Антарктикой.

Для того, чтобы узнать, где, сколько имеется озона, надо проанализировать источники его поступления и места исчезновения. Озон образуется разными путями. Это и химические процессы (объединение молекулярного и атомного кислорода), и физико-химические процессы (образование озона у земной поверхности во время гроз и в результате действия тлеющих электрических разрядов). Исчезает озон на разных высотах также по разным причинам. На одних высотах его разрушают одни химические соединения, на других — другие. Кроме того, озон перемещается в атмосфере. Поэтому для того, чтобы понять, как распределен озон вокруг Земли и как меняется во времени это распределение, надо проанализировать все указанные процессы, от которых зависит количество озона.

Общая схема выглядит так. В стратосфере озон образуется из кислорода под действием солнечного излучения. Исчезает здесь озон в различных реакциях с химическими соединениями. Поскольку в атмосфере от 100 км и до поверхности Земли происходит интенсивное перемешивание, то вступать в реакцию с озоном в стратосфере могут химические соединения, которые образовались на Земле, в ее приземном слое, и затем из-за перемешивания были подняты в стратосферу. Для того, чтобы слой оставался неизменным (конечно, он должен меняться в зависимости от времени суток, сезона, солнечной активности и т. д., но эти изменения происходят с определенными периодами, и из-за них слой озона исчезнуть не может), должен существовать баланс между количеством озона, который образуется, и количеством озона, который исчезает, разрушается.

Поскольку происходят не только горизонтальные движения атмосферного газа (а вместе с ним и озона), то часть того озона, который образовался в стратосфере, переносится вниз, в тропосферу, а также достигает земной поверхности. Но озон, который находится в тропосфере, менее уязвим, чем стратосферный озон. Почему? Прежде всего потому, что в тропосфере значительно ниже температура, нежели в стратосфере. А чем выше температура озона, тем быстрее он разрушается. Если температуру озона повысить до 200оС, то он весь разрушится. Так освобождаются от озона в лабораторных условиях и в различных приборах, которые предназначены для измерения озона.

Таким образом, тот озон, который образовался в стратосфере и не успел опуститься вниз, в тропосферу, может там прожить значительно дольше, чем он прожил бы в стратосфере. В тропосфере озон также разлагается значительно медленнее, чем в стратосфере. Это происходит под действием видимого солнечного излучения. Поэтому специалисты говорят, что в тропосфере озон более консервативен, чем в стратосфере.

Образованный в стратосфере озон проникает вниз вплоть до поверхности Земли. Он здесь смешивается с тем озоном, который образовался непосредственно в приземном слое воздуха. Во время гроз озон образуется в результате тлеющих электрических разрядов (еще до молниевых разрядов). Кроме того, в больших городах активно проходят реакции фотохимического окисления ненасыщенных углеводородов и спиртов перекисью азота. Перекись азота поступает в приземный воздух больших городов в составе автомобильных выхлопных газов. Чем больше образуется перекиси азота в воздухе, тем эффективнее она при ультрафиолетовом облучении реагирует с ненасыщенным углеводородом, тем больше образуется озона. Образующийся таким путем озон в больших городах формирует озонный смог. Он ядовит, действует раздражающе на глаза и повреждает такие сельскохозяйственные культуры, как табак, виноград и др. В качестве печального примера чаще всего приводят озонный смог в Лос-Анджелесе. Но за последние годы ситуация изменилась не в лучшую сторону, и Лос-Анджелес в этом плане уже давно не одинок. В приземном слое воздуха озон не только образуется, но и разлагается. Разложение его происходит под действием растений, животных и промышленных выбросов. В этом плане различные регионы земного шара не равноправны. Так, где нет соответствующих источников разложения озона (например, в Сахаре, в Антарктике, на Кергеленских островах), озон в приземном слое разрушается мало.

Таким образом, проблему стратосферного озона, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения Солнца, нельзя рассматривать саму по себе, отдельно от всей атмосферы, ее динамики. Благодаря этой динамике многие промышленные выбросы в атмосферу достигают стратосферы и вызывают там разрушение озонного слоя.

Из вышесказанного следует, что для того, чтобы понять, что и в какой мере угрожает слою озона в стратосфере, надо рассмотреть достаточно подробно все указанные вопросы. Только выяснив, за счет чего образуется озон и за счет чего он разрушается (и с какой скоростью), можно понять причины изменения озонного слоя и пути его стабилизации. Особенно тщательно надо остановиться на реакциях, в которых стратосферный озон разрушается, поскольку сейчас уже не вызывает сомнения, что они и угрожают слою полным исчезновением. Имеется очень существенное различие в условиях жизни озона (эффективности его образования и продолжительности жизни и т. д.) не только на разных высотах в атмосфере, но и на разных широтах. Собственно, это неудивительно, поскольку вся околоземная оболочка по своим свойствам различается на разных широтах. Это отличие вызвано не только разной освещенностью атмосферы солнечным излучением. Оно обусловлено также конфигурацией магнитной оболочки Земли — магнитосферы. Магнитное поле Земли не влияет на проникновение к Земле и ее атмосфере солнечного волнового излучения (видимого света, рентгеновского, ультрафиолетового и инфракрасного излучения). Но оно принципиально влияет на движение к Земле солнечных заряженных частиц. Наиболее доступными для этого излучения оказываются те области на Земле, где магнитное поле направлено вертикально или почти вертикально. Известно, что это реализуется в высоких широтах северного и южного полушарий. Именно поэтому в этих областях наблюдаются полярные (северные и южные) сияния. Корпускулярная радиация Солнца зависит от солнечной активности, которая непрерывно меняется. Поэтому условия в атмосфере меняются с изменением солнечной активности. Ясно, что меняется и количество озона.

Таким образом, озон (его концентрация, движение, распределение по высоте и т. д.) зависит не только от земных факторов (естественных и связанных с деятельностью человека — антропогенных), но и от космических. Например, при вторжении в атмосферу высоких широт (в зоне полярных сияний) солнечных заряженных частиц концентрация озона может меняться на десятки процентов. В дальнейшем в результате динамики атмосферы это изменение распространится и на средние и низкие широты.

Из сказанного выше ясно, что слой озона вокруг Земли не является чем-то постоянным, неизменным, одинаковым. Отнюдь нет! Его характеристики очень сильно меняются в зависимости от большого числа факторов. Это и солнечная активность, которая определяет интенсивность потоков солнечных заряженных частиц, и региональные особенности, и свойства подстилающей поверхности, и т. д.

За время измерений озона наблюдались весьма значительные его изменения. Всегда наибольшие изменения общего содержания озона наблюдались в высоких широтах. Так, среднесуточные значения общего содержания в высоких широтах северного полушария (а точнее, в зоне полярных сияний) в весеннее равноденствие могут меняться на 150 %! В низкоширотной зоне (от экватора до 30о северной широты) эти изменения несущественны.

Мы привели только некоторые свойства атмосферного озона, но и из сказанного ясно, насколько важно разделить изменения в озонном слое, вызванные антропогенным влиянием, и изменения, являющиеся последствиями воздействия естественных факторов.

Поэтому в данной книге ставится задача рассказать в доступной любому читателю форме о всех механизмах изменения озонного слоя. Тщательно описываются все возможные последствия антропогенного воздействия на озонный слой. Мы считаем, что эти знания нужны каждому человеку. Если все люди (от рядовых граждан до руководителей государств) будут располагать этими знаниями, то всем нам легче будет осознать истинное положение дел, сложившееся вследствие изменения озонного слоя, и принять своевременные меры для того, чтобы выжить самим и оставить нашим потомкам земной дом пригодным для проживания. Будем стараться быть объективными и излагать факты такими, каковы они есть на самом деле, не преувеличивая их значения. Ведь только так мы добьемся более глубокого осознания этих фактов всеми. Сейчас же пока в научной литературе и прессе преобладают крайности при значительном сужении самой проблемы.

ОЗОН — АТМОСФЕРНЫЙ ГАЗ

Озон по существу является разновидностью кислорода. Имеется атомный кислород — О, молекулярный кислород, каждая молекула которого О_2 состоит из двух атомов. Молекула озона О_3 состоит из трех атомов кислорода. Но здесь количество переходит в качество — свойства трехатомной молекулы озона принципиально отличаются от свойств двухатомной молекулы О_2.

Озон как таковой был открыт в 1839 году немецким химиком Шейнбейном. В приземной атмосфере он был обнаружен в 1873 году, и с тех пор проводятся регулярно его измерения. Наличие озона в верхней атмосфере было установлено восемь лет спустя английским химиком Гартли (в отечественной литературе чаще писали раньше Хартли). Ясно, что в то время прямые измерения в верхней атмосфере были еще недоступны. Наличие там озона было установлено путем анализа характеристик ультрафиолетового излучения Солнца, приходящего к земной поверхности. Принцип этого метода очень прост. Часть излучения задерживается каким-то определенным веществом, в данном случае озоном. По тому, какое именно излучение задержалось (то есть отсутствует), можно сказать, какое вещество его задержало. Если говорить конкретнее, то весь процесс выглядит так.

Атом каждого химического элемента может поглощать излучение только определенных частот. Запасенную таким путем дополнительную энергию атом через какое-то время излучает и переходит вновь в свое основное состояние. Таким образом, имеются частоты поглощения, характерные для данного химического элемента, и частоты излучения. Но вместо термина «частота поглощения» атома употребляют другой, эквивалентный — «линия поглощения». Этот термин родился вместе с рождением приборов для измерения частот поглощения — спектрографов. В этом приборе каждая частота вырисована в виде линии. Отсюда и такой термин. Прибор назван спектрографом, поскольку он вырисовывает спектр (набор) всех частот поглощения. С помощью спектрографа можно получить спектр поглощения любого химического вещества. А затем можно по спектрам поглощения устанавливать, какому веществу принадлежит этот спектр. Спектр поглощения вещества мы можем получать на любом расстоянии, которое способно преодолеть излучение. Естественно, что можно регистрировать и спектры веществ, находящихся в верхней атмосфере Земли. Таким путем и было открыто наличие в верхней атмосфере озона.

До сих пор мы говорили о линиях поглощения и излучения. Это справедливо, когда речь идет об отдельных атомах.

Если же атомы объединены в сложные молекулы, то картина усложняется. Молекула в отличие от атома способна поглощать (и излучать) не только излучение с дискретными длинами волн, но и излучение, длины волн которого занимают определенный диапазон, от одной длины волны до другой. Спектрограф в этом случае будет регистрировать не линии, а целые полосы. Потому, имея дело с веществами в молекулярной форме, говорят не только о линиях, но и полосах поглощения и излучения.

Озон, озонный слой в стратосфере Земли, затрагивает каждого из нас именно потому, что его полосы поглощения приходятся на очень важный диапазон волн солнечного излучения. Известно, что озон поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца с длинами волн, которые меньше 300 нм (нанометр равен одной миллиардной доле метра). Наиболее сильно озон поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение с длиной 253,65 нм. Это значит, что слой озона толщиной 3 мм (при нормальном давлении и температуре 0оС) способен уменьшить интенсивность излучения на этой длине волны в число раз, равное единице с 40 нулями!

Собственно, озон поглощает не только в этой линии. Он поглощает, хотя и значительно слабее, в целом полосе длин волн, простирающейся от 200 до 300 нм. В честь ее первооткрывателя она была названа полосой Гартли. Но вся эта полоса не является однородной. На нее накладывается много слабых дополнительных полос, которые очень близко примыкают друг к другу. Поэтому для того, чтобы получить полную, не смазанную картину поглощения, надо располагать не любым спектрографом, а очень хорошим спектрографом, который позволил бы уверенно различать излучение с очень близкими длинами волн (ближе 1 нм). Такой прибор позволит отделить (разрешить) излучение на одной длине волны от излучения на другой, очень близкой длине волны. Приборы, которые способны на это, называют приборами с высоким разрешением.

Но озон поглощает и излучение с большими длинами волн. Имеются полосы поглощения (более слабые) в диапазоне длин волн от 300 до 360 нм. Это полоса Хюггинса. Она также сложная. На единую слабую полосу накладываются резкие максимумы и минимумы. Если излучение с этими длинами волн приходит в земную атмосферу от звезд, Солнца, Луны и т. д., то по характеру его поглощения озоном можно определить то количество озона, которое было на пути этого излучения. Это количество озона в столбе атмосферы вдоль луча поглощаемого излучения называют содержанием озона. Этим методом и измеряют содержание озона в атмосфере.

Озон поглощает и более длинные волны, от 440 до 850 нм. Это уже видимый свет. Здесь расположена полоса поглощения Шапюи.

Как известно, Земля испускает инфракрасное излучение. Озон же поглощает не только часть солнечного ультрафиолетового излучения, но и часть инфракрасного излучения Земли. Тем самым энергия, излучаемая Землей в инфракрасном диапазоне, задерживается озоном и остается в пределах земной атмосферы. В противном случае Земля охлаждалась бы. Когда говорят об озонном слое, то об этой его функции часто умалчивают. Наиболее сильно озон поглощает инфракрасное излучение с длиной волны 9570 нм, или 9,57 мкм (мкм — микрометры, то есть миллионные доли метра).

Коэффициентом поглощения определяется степень поглощения излучения озоном на данном длине волны. Поглощение определяется не только коэффициентом поглощения, но и количеством озона, которое находится на пути этого излучения. Это количество называется содержанием озона в вертикальном столбе воздуха над наблюдателем. Оно определяется толщиной того слоя, который образовал бы весь озон в этом столбе, если его привести к нормальным условиям: давление 1013 мбар, температура 273,16 К. Поскольку содержание озона определяется толщиной слоя, то оно измеряется единицей длины — сантиметрами или долями сантиметра. Чтобы подчеркнуть, что речь идет о толщине слоя при давлении в одну атмосферу, к единице прибавляют слово «атмосфера». При этом получаются атмосферо-сантиметры (атм-см) или единицы в 1000 раз меньшие, то есть милли-атмосферо-сантиметры (м-атм-см). Эти единицы называют еще единицами Добсона (Д.Е.) в честь английского ученого Г. М. Добсона, который сделал очень много для решения проблемы измерения атмосферного озона.

Измерение поглощения инфракрасного излучения озоном также может дать информацию о количестве озона вдоль пути этого излучения. Измерения надо проводить так, чтобы излучение проходило на просвет. Поскольку оно исходит из самой Земли, то измерения следует проводить выше озонного слоя. Так и делается. Для этого измерительную аппаратуру устанавливают на спутниках. Такие измерения позволяют определить не только общее содержание озона (вдоль луча), но и его распределение с высотой.

Главная функция озона в предохранении человека, да и всей биосферы Земли от жесткого ультрафиолетового излучения с длинами волн от 250 до 320 нм. Это как раз то излучение (ниже 280 нм), которое способно эффективно поглощаться нуклеиновыми кислотами. Если бы это излучение не задерживалось озонным слоем и доходило до Земли, то основа жизни — нуклеиновые кислоты — под действием этого излучения разрушалась бы. Озонный слой в смысле поглощения этого наиболее опасного излучения страхуют белки. Они поглощают примерно то же излучение, включая несколько большие длины волн, что и озон. Поэтому на длине волны 280 нм, где озон частично пропускает излучение, белки его поглощают, берут огонь на себя, защищая нуклеиновые кислоты.

Область ультрафиолетового излучения Солнца в диапазоне 280–315 нм является наиболее биологически активной. Специалисты ее обозначают УФ-В. Имеется и другая, менее активная область, занимающая диапазон 315–400 нм (область УФ-А).

Количество озона, как уже было сказано, зависит от многих факторов, в том числе и от широты. Поэтому не надо думать, что защита от ультрафиолетового излучения Солнца в биологически активных зонах одинаково надежна. Ее надежность, эффективность при перемещении от полюса к экватору меняется в 10 раз. Речь идет о среднегодовых величинах, дозах этого излучения. В тропиках эта доза по сравнению с Арктикой выше примерно в 10 раз.

Мы привели основные свойства озона, которые для нас важнее всего. Следует указать и на еще одно, для многих, может быть, неожиданное свойство озона: он является сильнодействующим ядом. Токсичность его больше, чем синильной кислоты. Особенно опасными для здоровья в больших городах являются озонные смоги, которые жителям могут стоить жизни.

Озон остается газом до температуры — 111,9оС. Если температура понижается еще больше, то озон превращается в жидкость темно-синего цвета. Если же температура опустится ниже — 192,7оС, жидкость превратится в темно-фиолетовые кристаллы.

Наиболее нежелательное для нас свойство озона состоит в том, что он является нестойким химическим соединением. Если в воздухе присутствуют такие соединения, как двуокись азота, хлор или окислы тяжелых металлов (меди, железа, марганца), то озон быстро разлагается на молекулярный и атомный кислород. Особенно активно идет этот распад при температуре 100оС и выше. Озон, поглощая ультрафиолетовое излучение Солнца и инфракрасное излучение Земли, повышает температуру стратосферы и тем самым создает более благоприятные условия для собственной гибели. Стратосферный озон сам регулирует свою концентрацию. Если его больше, то он эффективнее поглощает инфракрасное излучение Земли, повышает температуру стратосферы и тем самым создает более благоприятные условия для собственной гибели. Надо сказать, что при отсутствии указанных примесей озон разлагается медленно. Это тем более справедливо, если температура значительно ниже 100оС.

Когда озон разлагается, образуются атомы кислорода, которые обладают высокой активностью. Поэтому озон обладает сильными окислительными свойствами (посредством образуемого озоном атомного кислорода). Озон окисляет любые металлы, за исключением металлов платиновой группы и золота. Когда под действием озона идет процесс окисления органических красителей, то он вызывает свечение (хемилюминесценцию) этих красителей. Это свечение можно регистрировать и по нему определять количество озона. На этом принципе работают хемилюминесцентные озоно-зонды. Органическими красителями могут быть родамин В, родамин С, эйхрозия, рибофлавин, люминол и др.

Мы уже говорили о запахе озона. Он чувствуется даже в том случае, если в воздухе его содержится только 0,01 %.

Смесь озона с кислородом взрывоопасна. Правда, для этого озона должна быть не менее 1/5 всей смеси. По этой причине исследование озона в лабораториях несколько десятилетий развивалось слабо. Оно стимулировалось только в 50-х годах в результате попыток использовать его (в концентрированном виде) как активный окислитель в ракетах.

Озон является сильным окислителем. Это свойство используется для того, чтобы его обнаружить и измерить количество. Но активность озона выступает против него же. В реакциях с соединениями, попадающими в стратосферу, он разрушается. Достаточно большая часть озона исчезает и у поверхности Земли. Так, показано, что каждую секунду на площадке в 1 см^2 кустов можжевельника исчезает примерно 10^12 молекул озона. Это очень существенный сток озона, в результате которого часть тропосферного озона исчезает. Над морской водой сток озона в сто раз меньше. Он составляет 10 миллиардов частиц в секунду через площадку в 1 см^2. Дело в том, что озон хорошо растворяется в воде. Чем ниже температура воды, тем растворимость больше. В 1 л воды может раствориться 1 г озона.

Если концентрация озона большая, то он хорошо растворяется в фреонах (фторхлорметанах). В таком растворе озон безопасен в обращении, если его сохраняют в специальных баллонах. В таком виде его транспортируют и хранят.

Тщательно изучались реакции озона с поверхностями из различных материалов. Необходимо учитывать очень большую активность озона. Он способен разрушать изделия из резины, пластиков и других материалов, которые используются в электротехнике, авиации и других отраслях. Надо учитывать эти свойства озона и при работе с ним в лабораторных условиях, так как озон разлагает очень многие соединения. Это активированный уголь, металлы переменной валентности (Mn, Co, Fe), фосфорный ангидрид, смесь окислов марганца и др. Для борьбы с сильным разрушающим действием озона используют катализаторы, которые способны эффективно разрушать озон как в газовых промышленных отходах, так и в других случаях.

Озон окисляет большинство металлов, включая серебро, которое чернеет при контакте с озоном. Вступая в реакции с ртутью, он образует окись HgO. Он эффективно взаимодействует со щелочными металлами, образуя озониды щелочных металлов. Озониды имеют красный цвет. Они обладают парамагнитными свойствами, поскольку содержат отрицательные ионы О_3.

Озон разрушает натуральный каучук. Разновидности синтетического каучука по-разному взаимодействуют с озоном. Одни из них подвержены действию озона, а другие не поддаются этому действию. Свойство озона разрушать каучук используется в приборах для определения его количества в атмосфере.

АТМОСФЕРА

Озон находится в атмосфере Земли. Он взаимодействует с составляющими атмосферы и образует химические соединения. От состава атмосферы зависит судьба озона. Атмосферный воздух находится в непрерывном движении. Оно охватывает всю планету, то есть является глобальным. На Земле мы считаем ветры в десятки метров в секунду очень сильными. В атмосфере на высоте в десятки километров скорости ветра в десятки раз больше. Поэтому идет непрерывный перенос воздушных масс из одних мест в другие.

В атмосфере имеются ветры не только горизонтальные. Воздух весьма интенсивно перемешивается в результате вертикальных движений. Большую роль играет турбулентность атмосферного газа, его вихревые движения. Благодаря таким движениям, которыми охвачена вся атмосфера от поверхности Земли до высоты примерно 100 км, состав атмосферы сохраняется постоянным. Это очень важно, поскольку происходит перенос образованных вверху веществ вниз, а образованных внизу — вверх. Турбосфера заканчивается на высоте 100–110 км турбопаузой. Выше этого уровня полного перемешивания воздуха нет. Здесь роль турбулентных движений значительно меньше.

Частицы (молекулы) атмосферного озона «зажаты» частицами атмосферного газа и вынуждены совершать движения в глобальном масштабе вместе с ними. Поэтому, наблюдая за движением озона, можно судить о движении всей воздушной массы. То есть озон является своего рода трассером, который позволяет наблюдать за динамикой атмосферы и изучать ее. Почему именно озон? Кроме озона в атмосфере имеются и другие малые составляющие атмосферы. Почему для этих целей не использовать их? Озон используется потому, что он является очень активным и своей активностью легко себя выдает. Другими словами, за ним легко вести наблюдения, определять его количество и перемещения.

Поэтому нельзя понять жизнь озона, его образование, перемещения за время жизни и, наконец, смерть (исчезновение в реакциях с другими веществами или излучениями) без того, чтобы понять, в каких условиях озон находится, с каким газом ему приходится двигаться и взаимодействовать, действию какого излучения он подвержен. Необходимо рассмотреть, что собой представляет атмосферный газ и солнечное излучение. Начнем с первого.

Воздух у поверхности Земли состоит в основном из азота (78,084 % по объему) и кислорода (20,94 %). Углекислый газ составляет 0,033 %, аргон — 0,934 %. Неон, гелий, метан, криптон, водород, окислы азота и ксенон являются малыми составляющими. В количественном отношении ими можно пренебречь. Но в качественном отношении некоторые из них играют очень важную роль. Что касается озона, то и он является малой (очень малой) составляющей. Если весь озон собрать у поверхности Земли при нормальных давлении (1013 мбар) и температуре (0оС, что эквивалентно 273,16 К по шкале Кельвина), то получится слой толщиной всего 3 мм. Кстати, из-за такого малого количества озона пришлось ввести очень своеобразные величины для характеристики его количества в данном объеме. Если определять количество частиц в кубическом сантиметре или даже метре, то получится очень малая величина. Поэтому, когда говорят о количестве озона или других малых составляющих атмосферы, то выбирают объем в 1 или даже 100 м^3. В таком объеме уже набирается заметное количество этих составляющих. Их измеряют в граммах или миллиграммах. Используют и другие единицы, которые в этом смысле очень показательны. Одна из них, например, записывается как 1/миллиард, или млрд-1, или 10-9. Она означает, что количество озона по объему составляет одну миллиардную часть всего объема газа. Используют и другую единицу, в тысячу раз большую. Она обозначается 10-6, или 1 млн-1. Она соответствует такому количеству озона, когда занимаемый им объем составляет одну миллионную часть всего объема, занимаемого газом. Используют и меньшие величины (одну триллионную и одну биллионную часть объема). Эти единицы называются отношением смеси.

Но вернемся к атмосферному газу. Воздух содержит также целый ряд аэрозолей — примесей, находящихся в твердом и жидком состоянии. Они могут быть как естественного, так и искусственного происхождения и отличаются по химическому составу, размерам и физико-химическим свойствам. Таковы, например, водяные пары, кристаллы льда, частицы пыли и т. п. Большое количество аэрозолей промышленного происхождения содержится в атмосфере больших городов — тысячи и даже сотни тысяч частиц в 1 см^3.

Крупные частицы играют важную роль в атмосферных процессах и в формировании погоды, служат ядрами, на которых начинается конденсация водяного пара в атмосфере. Аэрозольные частицы малых размеров сохраняются в атмосфере очень долго, переносясь воздушными течениями на очень большие расстояния. В результате турбулентного перемешивания воздуха частицы аэрозоля заносятся в верхние слои атмосферы вплоть до турбопаузы. Они вступают в реакции с другими составляющими атмосферного газа. Имеется целый ряд аэрозолей, которые имеют антропогенное происхождение. Поднимаясь на уровень озонного стратосферного слоя, они вступают в реакции с озоном и уничтожают его. Собственно, аэрозоли уничтожают озон не только в озонном слое, но и ниже его, и даже у поверхности Земли. Эти аэрозоли мы рассмотрим особенно подробно, поскольку вопрос разрушения озонного слоя Земли является вопросом номер один. Мы должны хорошо знать источники тех веществ, которые разрушают озон, с тем чтобы принять энергичные меры для предотвращения их попадания в атмосферу.

Процесс перемешивания атмосферного газа зависит от освещенности атмосферы солнечными лучами, или, другими словами, от времени суток. Когда процесс перемешивания замедляется, аэрозоли опускаются ниже. Поэтому ночью, когда атмосферный газ перемешивается менее эффективно, слой аэрозолей находится ниже, чем днем.

Наряду с озоном особую роль в формировании условий на Земле играет углекислый газ, хотя он и является, как и озон, малой составляющей атмосферы. Это происходит потому, что углекислый газ поглощает и переизлучает часть инфракрасного излучения, испускаемого земной поверхностью. Поскольку стабильность земных условий поддерживается балансом поглощаемой и излучаемой Землей энергии, то увеличение содержания в атмосфере углекислого газа может этот баланс нарушить: Земля будет продолжать поглощать то же самое количество солнечного излучения, а излучать в окружающее космическое пространство станет меньше. Поэтому ее температура станет повышаться. Так, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере от 0,029 % в 1900 году до 0,0334 % в 1979 году привело к заметному увеличению средней температуры приземного слоя воздуха.

Пыль и другие частицы, которые попадают в атмосферу при извержении вулканов и от других, в частности антропогенных, источников, также влияют на температуру земной поверхности и приземного слоя воздуха. Чем их больше, тем сильнее они задерживают солнечное излучение и тем самым приводят к уменьшению температуры планеты. Но роль озона в тепловом режиме Земли и ее атмосферы определяющая.

Состав земной атмосферы существенно меняется с высотой. Более или менее однородным его можно считать в том слое, где турбулентное движение перемешивает воздух. Такое эффективное перемешивание, как уже говорилось, происходит до высоты 100–110 км.

Но однородность состава атмосферы от поверхности Земли до турбопаузы не абсолютна. Прежде всего, начиная примерно с высот 80–90 км, в заметном количестве появляются атомы кислорода. Они имеются и ниже, но в меньших количествах. Как мы увидим, там, благодаря их наличию, образуются молекулы озона. Атомы кислорода образуются при диссоциации молекул кислорода под действием солнечного ультрафиолетового излучения. Чем выше, тем атомов кислорода становится больше. На высоте турбопаузы их концентрация может составлять 10–20 % от концентрации молекулярного кислорода. Уже на высоте 120–130 км количества атомного и молекулярного кислорода сравниваются. На высотах 160–180 км концентрация атомов кислорода достигает даже концентрации молекулярного азота и, затем, до высот 600–700 км, атомный кислород является основной составляющей атмосферы.

Еще выше начинают преобладать атомы более легких элементов — вначале гелия, а затем водорода.

На уровне турбопаузы атомов гелия очень мало: всего один на десять тысяч окружающих его молекул. Но с ростом высоты относительная его концентрация увеличивается. Выше 600 км он становится основной составляющей атмосферы. Наконец, на высотах 1500–2000 км количество атомов гелия, уменьшаясь, сравнивается с количеством атомов водорода. Выше этого уровня преобладают атомы водорода. Водород, самый легкий химический элемент, остается доминирующим до самого верхнего предела атмосферы, где экзосфера переходит в межпланетный газ, который, кстати, также состоит из водорода.

Молекулы кислорода под действием солнечного ультрафиолетового излучения диссоциируют на атомы, которые затем объединяются с молекулами кислорода, образуя молекулы озона. Эта реакция обратима — озон диссоциирует под действием солнечного излучения и при соударениях с атомами кислорода.

Основная масса озона сосредоточена на высотах примерно 25 км. Над высокими широтами увеличение количества озона начинается на высоте 8–9 км, тогда как над низкими — на высоте 18 км. Плотность озона на определенной высоте достигает максимума, а выше этого уровня уменьшается. Высотные профили озона отличаются в низких и высоких широтах. Тот уровень, где количество озона начинает увеличиваться, назван озонопаузой.

Наличие слоя озона в стратосфере является причиной очень своеобразного изменения с высотой температуры атмосферы.

Как видно из рис. 53, от поверхности Земли до высоты 12–13 км температура уменьшается. От 12 до 20 км температура практически не меняется с высотой. Это так называемый изотермический слой. От 20 до 47 км температура с высотой увеличивается. Если в тропосфере, где температура с ростом высоты уменьшалась, перепад температуры был положительным, то на высотах 20–47 км он отрицательный. Выше 47 км (до 51 км) температура снова остается неизменной. Это второй изотермический слой. Вся область от 12 до 51 км заканчивается стратопаузой. Температура в стратопаузе составляет примерно 10–20оС.

Рис. 53. Высотное распределение температуры и концентрации озона.

Суммарная масса тропосферного и стратосферного воздуха составляет 99 % воздуха всей земной атмосферы. Оставшийся 1 % воздуха приходится на всю атмосферу выше 51 км.

Выше стратосферы, до высоты 86 км, располагается еще одна промежуточная сфера. Она названа мезосферой («мезос» — промежуточный). Здесь, на высоте 86–90 км, температура с ростом высоты снова уменьшается (как и в тропосфере) до 75–90оС.

Над мезопаузой высотный профиль температуры снова ломается. Начиная с этого уровня температура увеличивается с высотой (как и в стратосфере). Эта часть атмосферы названа термосферой. Здесь температура достигает многих сотен градусов. Выше термосферы имеется еще одна сфера — экзосфера («экзо» — внешняя), названная так потому, что находящиеся там частицы могут иметь скорости, превышающие первую космическую (11,2 км/с). При таких скоростях частицы преодолевают силу земного притяжения и уносятся за пределы земной атмосферы.

Как видно, высотный профиль температуры газа весьма сложный: на одних участках она с ростом высоты увеличивается, на других — уменьшается, а на третьих остается неизменной. Чем обусловлена такая сложность? Все, конечно, зависит от теплового баланса в данном слое атмосферы, то есть от того, сколько энергии атмосфера получает извне и сколько ее она отдает. В приземном слое воздух получает тепловую энергию от Земли, и так поддерживается его температура. Но чем выше, тем этой энергии меньше. Поэтому с ростом высоты температура воздуха должна падать. Так должно быть вплоть до высоты, на которой появляется другой, свой, атмосферный источник тепла. Такой источник действительно появляется в стратосфере. Он существует благодаря наличию в стратосфере озонного слоя. Озон поглощает солнечное излучение и преобразует его в тепло. Поэтому-то температура воздуха перестает уменьшаться с высотой. Она даже начинает увеличиваться с ростом высоты. Но поскольку этот источник тепла ограничен по высоте мощностью озонного слоя, то выше него температура атмосферного газа закономерно уменьшается.

В атмосфере на больших высотах имеется еще один источник тепла. Он связан с солнечными излучением и процессами в той части атмосферы, ионизованной солнечным излучением. Здесь располагается ионосфера. Наличие ионосферного источника тепла приводит к тому, что выше 100 км температура быстро растет и на 300–350 км достигает нескольких сот градусов. Данную область атмосферы назвали термосферой, то есть сферой тепла. Здесь температура зависит от уровня солнечной активности. Она меняется приблизительно от 750 до 1200о при изменении солнечной активности. В высоких широтах (в зоне полярных сияний), где от Солнца приходит большая часть энергии, переносимой заряженными частицами, температура термосферы в отдельные наиболее активные периоды может достигать 10–15 тысяч градусов.

Таким образом, высотный профиль температуры атмосферного газа отражает тот факт, что имеются три источника нагрева атмосферного газа. Один из них — это нагретая Земля. Второй связан со стратосферным слоем озона. Третий находится выше 90-100 км и связан с процессами в ионосфере под действием солнечного излучения.

Высотные профили температуры зависят от всех факторов, которые оказывают влияние на атмосферные процессы. Это главным образом связано с изменениями той солнечной энергии, которая проникает на разные уровни атмосферы и к самой ее поверхности. Ясно, что интенсивность и характеристики этого излучения зависят от времени суток, сезона, солнечной активности. Они зависят и от широты данной точки.

Часть солнечного излучения поглощается атомами и молекулами атмосферного газа. Другая часть отражается атмосферным газом обратно в космическое пространство. К земной поверхности проникает только излучение с определенными длинами волн. Те участки спектра, в которых атмосфера пропускает солнечное излучение к Земле, называют окнами прозрачности атмосферы.

Для того, чтобы проанализировать, какая часть солнечного излучения проникает на разные уровни атмосферы, надо уяснить, что собой представляет солнечное излучение.

СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Солнце излучает электромагнитные волны с самыми различными длинами — от гамма-лучей до радиоволн. Невооруженным глазом можно видеть только очень малый участок спектра солнечного излучения — от 400 до 750 нм. Соответствующие приборы позволяют расширить этот участок спектра и проводить с поверхности Земли измерения интенсивности солнечного излучения от 290 до 3000 нм. В этот диапазон входит ультрафиолетовое и инфракрасное излучение Солнца.

Специальными радиоприемниками можно регистрировать излучаемые Солнцем радиоволны с длинами волн от 1 см до 40 м. Солнечное излучение на других длинах волн, вне пределов этих двух участков, с поверхности Земли не регистрируется. Этому мешает земная атмосфера. Если же регистрирующую аппаратуру поднять на ракетах выше тех уровней в атмосфере, где солнечное излучение данной длины волны поглощается, то интенсивность его может быть измерена. Впервые такая возможность появилась во время второй мировой войны. Для этих целей были использованы соответствующие ракеты, поднявшие в верхнюю атмосферу спектрографы и фотоэлектрические детекторы.

Для того, чтобы выяснить, до каких глубин в атмосферу проникает солнечное излучение определенной длины волны, надо знать состав атмосферы, то есть количество атомов или молекул, которые могут поглотить это излучение на каждой высоте. Кроме того, надо знать коэффициенты поглощения солнечного излучения атмосферой, то есть эффективность этого поглощения. Таким путем были определены высоты проникновения солнечного излучения. Поглощение излучения с длинами волн больше 210 нм обязано озону. Несмотря на то, что суммарное количество озона очень незначительно, он уменьшает солнечное излучение с длиной волны 250 нм в 10^40 раз. Поэтому спектр солнечного излучения при его измерении с поверхности Земли обрывается на волне 290 нм.

В верхней атмосфере, где плотность газа невелика, молекулы кислорода и азота поглощают энергию коротковолновой (ультрафиолетовой) области солнечного излучения. Часть поглощаемой энергии расходуется на увеличение кинетической энергии частиц, или, другими словами, на нагрев атмосферы. До уровня 80 км доходит сверху очень малая часть ультрафиолетового излучения Солнца. Здесь его поглощение незначительно, а потому мал и обусловленный им нагрев атмосферы. Температура ее имеет здесь минимальное значение.

Но еще ниже длинноволновую часть ультрафиолетового излучения (до длины волны 300 нм) поглощает озон. Это вызывает сильный нагрев атмосферного газа, несмотря на малое количество озона. Эффективность нагрева велика потому, что плотность потока солнечного излучения в этом интервале длин волн больше, чем в коротковолновой части ультрафиолетового диапазона. Кроме того, излучение в этом интервале слабо поглощается в вышележащих областях атмосферы. Максимум нагрева атмосферы за счет поглощения озоном солнечного излучения приходится на высоту около 50 км.

Чем ближе к поверхности Земли, тем меньше становится ультрафиолетового излучения, которое могло бы быть поглощено озоном. Оно уже поглотилось ранее. Поэтому эффективность нагрева атмосферы уменьшается. Этому же способствует и рост плотности воздуха с уменьшением высоты: чем плотнее воздух, тем его труднее нагреть. Поэтому температура ниже 50 км с уменьшением высоты уменьшается (но только до определенного уровня — тропопаузы).

Видимый свет в земной атмосфере поглощается очень незначительно. В диапазоне ближнего инфракрасного излучения его поглощают углекислый газ и водяной пар. Это поглощение особенно эффективно в нижней области тропосферы, где водяного пара больше, нежели в любой другой части атмосферы.

Коротковолновое излучение Солнца поглощается поверхностным слоем Земли, нагревая его. Участки суши прогреваются на меньшую глубину, чем вода. Они же и теряют тепловую энергию быстрее. Часть этой энергии уходит в атмосферу в виде длинноволнового излучения. Максимальная плотность потока длинноволнового излучения Земли приходится на длины волн вблизи 10 000 нм (10 мкм). Земное излучение с длинами волн 5–7 мкм и более 12 мкм поглощается водяным паром, который находится в нижнем слое атмосферы. Углекислый газ поглощает земное излучение с длинами волн 4–5 мкм и более 14 мкм. Излучение с длинами волн 8 — 11 мкм мало поглощается атмосферой. Только вблизи длины волны 9,6 мкм излучение поглощает стратосферный озон.

Солнечное излучение в атмосфере не только поглощается, но и рассеивается: на атомах, молекулах и более крупных частицах. Рассеивается излучение равновероятно во все стороны. Поэтому в нижнюю полусферу попадает только половина рассеянного изучения. А до поверхности Земли доходит только часть этой половины. Далее, не вся энергия дошедшего до Земли коротковолнового излучения будет истрачена на нагрев почвы. Часть ее отразится обратно вверх. Так, поверхность, покрытая льдом, может отразить 75 % и более падающего на нее солнечного излучения. Песок отражает приблизительно 1/3, травяной покров — 0,1, а вода — всего 2 % падающего на нее солнечного излучения.

Нижние слои атмосферы в пределах тропосферы нагреваются при контакте с земной поверхностью и при последующем переносе теплого воздуха вверх в результате турбулентного движения. Этот нагрев зависит как от падающей на земную поверхность лучистой энергии, так и от характера земной поверхности.

В том месте, где воздух нагрет до более высокой температуры, его плотность меньше. Поэтому и давление воздуха в разных местах земного шара в данный момент времени будет различным. Ясно, что оно зависит от освещенности земной поверхности солнечным излучением и от характера подстилающей поверхности. С течением времени распределение давления меняется, так как меняются условия освещенности. Это приводит воздух в движение. Он устремляется от мест, где давление повышено, к тем областям, где оно понижено. Такие горизонтальные движения воздуха есть не что иное, как ветер. Чем больше перепад давления, тем сильнее ветер. Эти горизонтальные движения воздуха связаны с вертикальными (конвективными) движениями следующим образом. В области пониженного давления воздух сходится к центру области. Далее, нагреваясь, воздух поднимается вверх. Там, где давление повышено, воздух опускается вниз и растекается во все стороны от этой области.

С движениями воздуха очень тесно связан и озон. Он или вовлекается в эти движения, или оказывается изолирован от них. Поэтому движения воздуха в погодном слое и выше должны быть проанализированы.

Было показано, что наибольшие горизонтальные скорости движения воздуха (то есть ветры) имеют место в областях, где давление понижено, потому что перепад давления в горизонтальном направлении в этом случае больше, чем в областях повышенного давления.

Тепловая энергия, переданная воздуху, благодаря ветру переносится из одного места земного шара в другое. Такой перенос наряду с переносом энергии в результате циркуляции опасен, приводит к перераспределению энергии, получаемой Землей от Солнца. Так, холодные Антарктида и Арктика и горячие экваториальные области соединяются этой циркуляцией воздуха и воды. Благодаря этому избыточное тепло из области экватора переносится в полярные районы, где имеется значительный дефицит лучистой энергии. Дефицит вызван тем, что в этих районах теряется больше энергии, чем приходит от Солнца. Благодаря этому перераспределению энергии средние за ряд лет приход и расход энергии в масштабе всей Земли равны друг другу, то есть энергетический баланс сохраняется.

ОТКУДА БЕРЕТСЯ

И КАК РАЗРУШАЕТСЯ ОЗОН

Когда солнечное излучение проходит через атмосферу Земли, оно взаимодействует с атомами и молекулами различных химических элементов атмосферного газа. Что при этом происходит? Если кванты излучения имеют достаточную энергию, то они отрывают от атомов и молекул по одному орбитальному электрону. При этом атом расщепляется на два осколка. Одним из них является электрон, а другим — атом без одного орбитального электрона. Такой атом называют ионом, а процесс — ионизацией. Электрический заряд такого иона является положительным, поскольку один единичный положительный заряд ядра остается некомпенсированным, оторванным орбитальным электроном. Если от атома оторван один электрон, то атом ионизован однократно. Если два — то атом дважды ионизован. В земной атмосфере ионы образованы в результате однократной ионизации. Солнечное излучение успешно производит ионизацию атомов и молекул вещества. Поэтому выше 50 км образуются ионы и свободные электроны (в равных количествах). Чем выше, тем и концентрация больше. Если на высоте 100 км днем их примерно 10 тысяч в 1 см^3, то на высотах 300–350 км это число увеличивается в сотни раз и составляет миллионы частиц в том же объеме. На этих высотах достигается максимум концентрации ионов и свободных электронов. Вся ионизованная часть атмосферы Земли называется ионосферой. Ее с таким же успехом можно было назвать электроносферой.

Но солнечное излучение не только отрывает электроны от атомов и молекул. Оно также разрывает молекулы на отдельные части. Этот процесс называют диссоциацией. Одни соединения диссоциируют относительно легко, а другие — с трудом. Поэтому в атмосфере на одних и тех же высотах одни молекулы диссоциированы, а другие остаются нетронутыми. Достаточно легко под действием солнечного ультрафиолетового излучения диссоциирует молекулярный кислород. В результате образуется атомный кислород. Для диссоциации молекулярного кислорода требуется энергия излучения, равна 5,115 эВ (электрон-вольт). Такой энергией обладают фотоны (кванты) с длиной волны, равной 242,3 нм. Диссоциацию могут вызывать не только фотоны, но и заряженные частицы. Диссоциация, вызываемая светом (фото), называется фотодиссоциацией.

Далее атомы кислорода взаимодействуют друг с другом. В результате этого взаимодействия образуются молекулы кислорода. Этот процесс конкурирует с процессом диссоциации. Какой из этих двух процессов будет более эффективен в смысле образования молекул (озона или кислорода), будет зависеть от конкретных условий. Поскольку условия существенно меняются с высотой, то и соотношения между этими реакциями будут меняться с высотой.

Обе эти реакции особые. Они могут протекать только в присутствии активных свидетелей. Дело в том, что если на разрыв молекул надо затратить определенную энергию, то при обратном процессе объединения частиц в молекулу это количество энергии должно высвободиться и куда-то деться. Если нет агента (свидетеля), который бы забрал эту энергию, то реакции состояться не могут. Другими словами, эти реакции могут проходить в присутствии третьего тела. Вероятность присутствия третьих тел зависит от их концентрации, а значит, и от высоты. От высоты зависит и соотношение между концентрациями атомов и молекул кислорода: чем выше, тем атомов кислорода больше, а молекул меньше.

Выше 60 км большая часть молекулярного кислорода диссоциирована. Поэтому здесь преобладает реакция объединения (рекомбинации) атомов кислорода. Ниже этого уровня, где преобладают молекулы кислорода, преобладает реакция соединения молекул и атомов кислорода с образованием озона. Эта реакция (с участием третьего тела) является главным источником образования озона в стратосфере.

Озон не может только возникать. Он должен и исчезать, иначе через какое-то время весь кислород превратился бы в озон. А мы знаем, что это не так.

Исчезает озон в следующих реакциях. Молекула озона соединяется с атомом кислорода, и образуются две молекулы кислорода. Кроме того, озон разрушается (диссоциирует) также солнечным излучением. При этом образуется молекулярный и атомный кислород. Для фотодиссоциации молекул озона фотоны должны обладать достаточной для этого энергией. Длина волны фотонов должна быть не больше 1134 нм. Это значит, что диссоциацию озона способно производить солнечное излучение в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях.

Озон образуется эффективно из молекулярного и атомного кислорода на высотах 30–70 км. Выше, как уже было сказано, мало молекул кислорода. Ниже этой области не проникает ультрафиолетовое излучение Солнца, оно поглощается выше 300 км. Зато реакция с разрушением озона протекает на всех высотах, вплоть до поверхности Земли.

В описанных выше реакциях образования и исчезновения озона в стратосфере участвуют химические соединения и фотоны. Поэтому они названы фотохимическими реакциями. Сама теория этих реакций называется фотохимической теорией. И если в этих реакциях образуется столько же озона, сколько его за это же время исчезает в фотохимических реакциях, то говорят, что имеет место фотохимическое равновесие. Очень важно, что в фотохимической теории в чистом виде не учитывают движения озона и всего газа. Считается, что фотохимическое равновесие наступает при отсутствии движений (турбулентности, диффузии). Но движения, несомненно, очень важны, поскольку любое химическое соединение (в том числе и озон) может родиться в одном месте, а быть обнаруженным совсем в другом. Исчезает же он в третьем месте.

Фотохимическая теория озона была развита еще в 1930 году выдающимся английским геофизиком С. Чепменом, специалистом по солнечно-земной физике и околоземному пространству. Он плодотворно работал в этой области науки много десятков лет, не имея себе равных по результативности. Его называют геофизиком номер один. Именно на его примере успешно и очень наглядно было показано, что каждый максимум солнечной активности вызывает прилив творческих сил у исследователей. Поэтому число научных работ С. Чепмена неизменно следовало за числами Вольфа, которые характеризуют солнечную активность. Но вернемся к озону. Из схемы Чепмена следуют такие же свойства распределения озона и атомного кислорода в стратосфере и выше (в мезосфере и нижней части термосферы). Расчеты, выполненные на основании чепменовского цикла реакций, позволили получить следующие свойства этих распределений. Максимум содержания озона получается на высоте между 25 и 40 км. Концентрация атомного кислорода увеличивается с высотой и достигает максимума на высотах между 90 и 100 км. Согласно этой схеме, выше 60 км озон должен сильно измениться в течение суток из-за изменения интенсивности солнечного излучения. Наибольшие суточные изменения атомного кислорода должны по этой схеме иметь место ниже 80 км.

Расчеты, выполненные по данной схеме, позволили получить и другие характеристики озона, в частности продолжительность времени между его образованием и разрушением, или просто время его жизни. Было рассчитано время, которое необходимо для того, чтобы концентрация озона в стратосфере под действием ультрафиолетового солнечного излучения достигла половину того значения, при котором достигается фотохимическое равновесие (то есть сколько образуется озона, столько его и исчезает). Это время увеличивается, если увеличивается плотность воздуха, то есть озон более «медлителен» при большей плотности воздуха. Это происходит потому, что движения воздуха, приводящие к его перемешиванию, более эффективны в том смысле, что заносят в стратосферу большее количество озона из тропосферы и нижней части стратосферы.

Если отсутствует солнечная радиация, разрушающая озон, например, полярной ночью, он должен иметь весьма продолжительное время жизни (не менее месяца). Столь же долго существует атомный кислород на высотах 90-100 км.

На высотах 50–80 км концентрация как озона, так и атомного кислорода очень чутко реагирует на изменение солнечного излучения. В результате суточный ход этих концентраций на данных высотах очень сильно выражен. Но ниже 50 км озон меняется очень мало, всего на несколько процентов. Атомного кислорода здесь очень мало.

Из приведенных свойств озона, полученных на основании использования схемы цикла Чепмена, в котором учитывается только молекулярный и атомный кислород, отнюдь не следует, что проблема поведения озона в атмосфере разрешима в рамках этой схемы. Когда разрабатывалась сама схема Чепмена, об озоне было известно очень мало. Еще меньше было известно о других малых составляющих атмосферы. Измерения, выполненные после создания этой схемы, показали, что наблюдается не то, что предсказывает эта схема. Это не значит, что схема в принципе не верна. К счастью, она верна. Но она недостаточна.

Ученые это поняли по таким экспериментальным данным. Измерения показали, что озона в глобальном масштабе намного меньше, чем должно было быть, если бы он образовывался и исчезал только по этой схеме. Оказалось, что на самом деле озона должно разрушаться в пять раз больше, чем следует из схемы. Перенос озона сверху вниз через тропопаузу получается по этой схеме ничтожно малым. Следуя ей, только 1 % озона должен переноситься через тропопаузу вниз.

Все это не могло не навести на мысль, что имеются и другие реакции, в которых разрушается озон. Стало также ясным, что роль переноса озона в вертикальном направлении значительно более важна, чем это следует из схемы Чепмена. Чтобы привести в согласие расчетные и экспериментальные данные, были проанализированы все возможности. Устранить несоответствие привлечением других составляющих атмосферы невозможно, поскольку они в этих реакциях не участвуют. Пришлось обратить пристальное внимание на малые составляющие. Но здесь надо было искать такие реакции этих составляющих с озоном, при которых озон бы исчезал, а участвующая в реакции малая составляющая по-прежнему существовала бы. Но возможно ли это? Химики хорошо знают, что возможно. Они называют такие вещества, которые, пройдя цепь химических превращений, вновь восстанавливаются катализаторами (ускорителями). Ускорителями потому, что они ускоряют какой-либо процесс, например, разложение молекулы озона на молекулы и атомы кислорода. Оказалось, что газов-катализаторов, которые ускоряют разрушение озона, имеется достаточно много. Но ими могут быть только те, которые образовались в атмосфере под действием солнечного излучения. По специальной терминологии, они должны иметь фотохимическое происхождение. Во-первых, эффективность катализатора определяется его количеством или, как принято в этом случае говорить, содержанием. Во-вторых, важна скорость его взаимодействия с озоном и атомным кислородом. Если взаимодействие проходит медленно, то эффективность действия катализатора не может быть высокой. В-третьих, важно и другое время, а именно время жизни катализатора, а точнее, время, в продолжение которого катализатор может воздействовать на озон и атомный кислород. Он это может делать до тех пор, пока не выйдет из игры, то есть пока этот цикл по какой-то причине не оборвется. Он может оборваться, закончиться по двум причинам. Одна из них — химическая: в конце цикла образуется химическое вещество, которое дальше не может участвовать в химических реакциях. Вторая из причин обрыва цикла — физическая: катализатор в результате движений может просто успеть покинуть эту область.

Ясно, что эффективность катализатора будет определяться отношением всего времени его участия в цикле к скорости его взаимодействия с озоном и атомным кислородом. Здесь эффективность показывает, сколько молекул озона может разрушить один атом (или молекула) катализатора. В случае, если катализатором является атомный кислород, эффективность равна единице. Это значит, что один атом кислорода способен разрушить только одну молекулу озона. В случае других веществ, о которых речь пойдет дальше (соединений азота, хлора, водорода и др.), эффективность достигает миллионов. Эта величина безразмерная.

Очень важно, когда именно происходит обрыв цепи реакций разрушения озона, поскольку от этого зависит, сколько озона будет разрушено. Если этот обрыв происходит из-за движений, а именно турбулентной (вихревой) диффузии, то время обрыва можно определить. Для этого надо знать характеристики атмосферного газа (его температуру и средний молекулярный вес атмосферного газа на данной высоте), а также коэффициент турбулентной диффузии, который и характеризует ее скорость. Важно для таких и других реакций, в которых участвуют примеси, знать время, в продолжение которого они находятся в данном слое. Так, было показано, что в тропосфере это время составляет примерно один месяц. Чем выше, тем это время больше, поскольку уменьшается коэффициент турбулентной диффузии. Так, в стратосфере при спокойных условиях это время больше года. Это значит, что если мы забросили туда какие-либо примеси, которые разрушают озон, то они будут находиться там больше года. В реакциях с озоном они не уменьшаются, если реакции идут по каталитической схеме. Примесей в атмосфере много. Их количество в абсолютных величинах очень мало. На одну частицу примесей приходится от 100 тысяч до 10 миллиардов частиц атмосферного газа. Тем не менее их роль очень важна. Ведь одна частица катализатора способна разрушить 10 миллионов молекул озона и остаться живой и невредимой. В худшем случае она переходит в другой слой.

Было выделено несколько типов групп примесей, которые участвуют в разрушении озона. Каждая из этих групп участвует в цепи реакций, или, как принято применительно к данному случаю говорить, в каталитическом цикле. Здесь действительно имеется цикл (круг), так как в конце него появляется то же вещество-катализатор, с которого начался цикл. Это такие группы: 1) вещества, содержащие «нечетный» водород (OH, HO_2, H, H_2O_2 и т. д.); 2) вещества, содержащие «нечетный» азот (NO, HO_2, HNO_3, N, NO_3, HNO_2, N_2O_5 и др.); 3) вещества, содержащие «нечетный» хлор (их можно обозначить формулой ClOx, где x — нечетное число); и 4) вещества, содержащие бром (BrОх).

Все указанные вещества по-разному образуются в атмосфере. Они попадают в стратосферу в результате перемешивания атмосферного газа турбулентной диффузией. Они находятся в атмосфере не только в виде газа. Так, они входят в состав аэрозолей — твердых или жидких частиц, а также могут быть в виде пара. Если это аэрозоли, то на их поверхности и проходят реакции каталитического цикла. Эти вещества могут быть не только нейтральными, но и нести на себе положительный или отрицательный заряд, то есть быть ионами. Если это аэрозоли, то говорят об аэрозольных циклах разрушения озона. Если же эти вещества находятся в виде ионов, то говорят об ионном цикле. Надо добавить, что различные каталитические вещества могут быть наиболее эффективными на разных высотах. В этом мы убедимся при конкретном рассмотрении каждого из циклов.

ВОДОРОДНЫЙ ЦИКЛ

Пары воды H_2O разлагаются в атмосфере под действием солнечного излучения с длиной волны меньше 242 нм на атомы водорода и молекулы гидроксила ОН.

Тот факт, что в атмосфере имеются молекулы гидроксила ОН, был установлен по его инфракрасному излучению. Оно регистрируется в ночное время и входит в состав излучения ночного неба.

Образованные в реакциях Н и ОН служат катализаторами химических реакций, в которых разрушаются озон и атомный кислород. Было показано, что ниже 60 км атомы водорода и гидроксила могут образовываться и в реакциях атомного кислорода в возбужденном состоянии с метаном, водородом и водой.

Так, для стратосферного озона важным является каталитический цикл, в результате которого из каждых двух молекул озона образуются три молекулы кислорода.

На более высоких уровнях, выше 40 км, необходимо учитывать больше реакций, в которых разрушается озон.

Важным веществом, которое приводит к разрушению озона, является гидроксил ОН. В стратосфере гидроксил образуется из водяного пара, молекулярного водорода и метана. Все эти вещества заносятся в атмосферу снизу, от земной поверхности. Они переносятся вверх как в результате турбулентного перемешивания, так и путем просачивания (диффузии) их через атмосферный газ. Вода на поверхности Земли имеется в готовом виде. Метан образуется в озерах и болотах бактериями. Атомный водород участвует вместе с гидроксилом ОН и радикалом перекиси водорода пергидроксилом НО_2 в непрерывных взаимных превращениях. Это происходит, когда каждое из указанных веществ взаимодействует с атомным кислородом в возбужденном состоянии О (D). Этот кислород появляется в атмосфере при воздействии солнечного излучения с длиной волны вблизи 210 нм.

Образование атомного кислорода в возбужденном состоянии принципиально важно для жизни озона в атмосфере. Глобальное содержание озона в атмосфере ограничивается главным образом и прежде всего тем, что там имеются атомы кислорода в возбужденном состоянии. Они дают начало не только водородному, но и азотному каталитическому циклу, в которых исчезает озон. Поэтому было затрачено много усилий, чтобы количественно изучить реакцию образования атомного кислорода.

Образование гидроксила ОН происходит не только при взаимодействии молекулярного водорода, воды и метана с атомным кислородом. Оно имеет место и в реакциях атомного кислорода с Н_2О_2, NO_2 и HNO_3. Но эти реакции менее эффективны в смысле образования гидроксила ОН и НО.

Водородный каталитический цикл, в котором разрушается озон, на определенном этапе обрывается. Это происходит тогда, когда начинают образовываться молекулы воды. Образованная при этом вода может уходить из стратосферы вниз, в тропосферу, и ее участие в реакциях со стратосферным озоном прекращается.

Для того, чтобы достоверно знать, какая часть озона исчезает в реакциях водородного каталитического цикла, надо знать количество веществ, которые участвуют в этих реакциях, и их распределение с высотой. К сожалению, полных данных о таком распределении у нас нет. Поскольку это распределение должно меняться во времени, то единичные измерения этих веществ недостаточны. Они не могут дать полной картины. Нужны систематические и достаточно полные (во многих точках и на всех высотах) наблюдения за абсолютными количествами этих веществ и за их изменениями. Среди этих веществ главным является вода. Из нее образуется гидроксил ОН. Так вот, было показано, что на высотах 14–26 км количество водяного пара за пять лет увеличилось на 50 %. За последующие пять лет изменения количества водяного пара на этих высотах были незначительны, зато после 1974 года наблюдалось резкое уменьшение его количества. К сожалению, эти наблюдения проводились только в одной точке в США. Характерны ли указанные изменения водяного пара только для данного региона или точки, или же они отражают глобальную ситуацию — не ясно. Чтобы иметь глобальную, полную картину (на всех высотах), надо проводить соответствующие измерения во многих точках непрерывно в течение многих лет.

В настоящее время очень широко обсуждается проблема возможного разрушения озонного слоя веществами, поступающими с поверхности Земли и имеющими антропогенное происхождение. Но влияние веществ естественного происхождения пока что не может быть уверенно определено, так как нет необходимых для этого экспериментальных данных. Существует иллюзия, что все, что не зависит от деятельности человека, остается более или менее неизменным или же меняется незначительно. Но это на самом деле не так. Об этом говорят приведенные выше сведения о многолетних изменениях в атмосфере количества водяного пара.

Вся жизнь Земли и окружающего ее пространства связана с изменением условий вне ее, в космическом пространстве, и прежде всего на Солнце. Солнечные ритмы проявляются на Земле во всем. Они проявляются в животном и растительном мире, в гидросфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли. Конечно, они проявляются и в жизни озона и всех тех веществ естественного происхождения, которые влияют на озон. Но зависимости здесь далеко не всегда простые. Они усложняются тем, что в процессах имеется определенная инерционность. Она же проявляется и при передаче энергии от одних процессов к другим. Значительное усложнение всей картины происходит и потому, что солнечные ритмы (циклы) разной продолжительности накладываются друг на друга, что приводит часто к очень сложным изменениям во времени процессов на Земле и в околоземном пространстве (а значит, и в стратосфере). Это очень важно понимать для того, чтобы получить полную картину тех изменений, которые претерпевает озонный слой в силу изменения естественных условий. Чтобы получить такую полную картину, надо располагать намного большей информацией об атмосфере, чем мы располагаем сейчас.

Конечно, все сказанное относится не только к водяному пару. Это касается и других веществ, влияющих на разрушение озона. Мы каждый раз будем это подчеркивать, чтобы у читателя создавалось более полное представление о проблеме возможного разрушения озонного слоя Земли.

АЗОТНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

Наличие окислов азота в стратосфере было известно еще с 40-х годов, хотя прямые измерения основных соединений, таких как NO и NO_2, практически отсутствовали.

В почве и океане происходит денитрификация. Этот процесс обеспечивают микроорганизмы. При этом образуется закись азота. В приземном слое атмосферы и в тропосфере закись азота не разлагается. Она поднимается вверх в стратосферу и там принимает активное участие в разрушении озона. В стратосфере закись азота вступает в реакцию с атомным кислородом в возбужденном состоянии и образует окись азота NO.

Окись азота NO является весьма эффективным катализатором, разрушающим озон.

Для того, чтобы предвидеть последствия той или иной реакции, мало знать, какие вещества в ней участвуют. Надо знать, с какой скоростью эта реакция протекает. Скорость реакции определяется так называемой константой (постоянной) и физическими условиями. Константа реакции связана со свойствами внутреннего строения тех веществ, которые вступают в реакцию. Физические условия протекания реакции — это и температура, и концентрация вступающих в реакцию веществ.

Мы не приводим скоростей реакций, не указываем, какие из них более важны, а какие менее важны и на каких высотах. Нам кажется, что приведение скоростей реакций в тексте затруднит чтение книги неспециалистами.

Обрывается азотный цикл потому, что при взаимодействии радикала гидроксила и двуокиси азота образуется азотная кислота. Эта реакция проходит только в присутствии третьего тела. Скорость ее течения прямо пропорциональна концентрации.

Образованная таким путем азотная кислота будет переноситься путем диффузии и турбулентности в тропосферу. При этом она «выходит из строя». Из тропосферы азотная кислота вымывается очень быстро.

Азотная кислота не только образуется, но и разлагается. Во всяком установившемся процессе должен наступить баланс, равновесие. Иначе количество данного вещества в результате реакций или уменьшилось бы до нуля, или же увеличилось до бесконечности.

Таким образом, основными азотными соединениями, влияющими на озон в стратосфере, являются NO, NO_2, NO_3, N, HNO_3, HNO_2. Их называют «нечетным» азотом, поскольку каждое из этих соединений содержит нечетное число атомов азота. Самыми главными, определяющими являются три соединения: NO, NO_2 и HNO_3.

Проблема озона не ограничивается только какими-то определенными высотами (например, стратосферой). Важно рассматривать не только область атмосферы, находящуюся ниже озонного слоя в стратосфере, но и область, находящуюся выше — в мезосфере и термосфере. Так, на высоте 80 км имеется весьма заметный поток озона из термосферы вниз. Он может достигать величины 1 миллиарда частиц в одну секунду через горизонтальную площадку в 1 см^2. Такой поток не одинаков на всех широтах. Он максимален в высоких широтах (в зонах полярных сияний).

С учетом водородного и азотного каталитических циклов удалось получить более реальную картину глобального распределения озона, чем следовало из кислородного цикла Чепмена. На высотах 40 км и выше, где реализуются условия фотохимического равновесия, наблюдаемое количество озона ближе соответствует расчетному при учете водородного и азотного циклов. При этом значительно сокращается то время, в течение которого озон живет (характеристическое время). Если учитывать только кислородный цикл Чепмена, то это время нереально больше. На высоте 20 км оно достигает 20 лет! С учетом водородного и азотного циклов оно уменьшается в десять раз на этих высотах. Ниже этих высот, в тропосфере, характеристическое время озона уменьшается.

Окись азота образуется в атмосфере, если температура там достигает 2000 К. Такая ситуация возможна при ядерных взрывах. Она же реализуется в реактивных двигателях. При таких температурах происходит разрыв (диссоциация) молекул кислорода и азота. Следует еще указать на один источник закиси азота N_2O. Это сельскохозяйственные удобрения. Кроме того, и растения фиксируют азот. Образованная закись азота N_2O поднимается в стратосферу и оказывает влияние на озонный слой, принимая участие в азотном цикле, разрушающем озон. Конечно, это явление не локальное. Необходимо рассматривать глобальные движения (круговорот) азота. Такое рассмотрение имеет смысл, если учитывать все источники азота и все пути его исчезновения (все стоки). Это очень непростой вопрос. Слишком сложные превращения веществ происходят в атмосфере. Мы приводили выше по две-три реакции, в которых исчезает озон и происходят преобразования веществ. На самом деле все в десятки и сотни раз сложнее: реакций насчитывается десятки, а чаще сотни. Все они взаимосвязаны. Надо знать скорости всех этих реакций, которые зависят от многих факторов, например от температуры. Сегодня мы не в состоянии выполнить такие расчеты, которые отражали бы реальную сложность происходящего. Удается только выхватить самые важные звенья происходящего. Но где гарантии, что многие истоки и стоки важных для проблемы озона веществ не остаются для нас неизвестными?

Мы еще вернемся к проблеме возможного разрушения озонного слоя, когда рассмотрим все вопросы, необходимые для такого комплексного анализа.

Здесь только укажем, что важна проблема не только стратосферного озона, но и тропосферного озона, хотя здесь его меньше. Ведь при превращении NO в NO_2 количество озона в тропосфере может увеличиться.

ХЛОРНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

Изучение влияния хлорных соединений (галогенов) на разрушение озона началось в 1974 году, когда в канадском химическом журнале были опубликованы первые работы по этому вопросу.

Хлор является очень активным химическим элементом. Из океанической воды образуется хлористый метил CH_3Cl, который поднимается в стратосферу. Здесь под действием солнечного излучения он разлагается и образует, в частности, атомы хлора. Далее хлор участвует в разрушении озона. Хлор в данном случае является катализатором. С его помощью молекулы озона и атомного кислорода превращаются в молекулы кислорода. Образованный ClO разлагается. Хлор выходит из игры, когда, взаимодействуя с метаном и радикалом перекиси водорода, образует соляную кислоту HCl. В атмосфере идет реакция разложения соляной кислоты.

Что эффективнее разрушает озон: хлор или азот? Считается, что хлор это делает примерно в 6 раз активнее. Но несмотря на это, конечные результаты у хлора такие же, как и у азота. Нет ли тут противоречия? Дело в том, что одной активности химического элемента или соединения недостаточно. Важно также, как долго данный элемент участвует в каталитическом цикле. Оказалось, что хлор выходит из игры значительно быстрее, чем азот. Это имеет место потому, что образование соляной кислоты более эффективно, чем образование азотной кислоты.

Естественный хлор и его соединения мало влияют на количество озона. Но, к сожалению, за последние десятилетия появился хлор антропогенного происхождения. Он входит в состав различных фторхлорметанов (фреонов), таких как CFCl_3, CF_2Cl_2 и др. Эти два фреона наиболее широко применяются. Их обозначают индексами «фреон-11» и «фреон-12» соответственно. Фреоны широко используются в холодильной промышленности, а также в бытовых аэрозольных баллончиках.

Фреоны успешно проникают в стратосферу, так как являются по существу инертными газами. Но на высотах 30–40 км они диссоциируют под действием солнечного излучения и ультрафиолетовом окне между длинами волн 180 и 225 нм. Позднее мы этот вопрос рассмотрим детальнее. Ясно одно: то научное предсказание, к которому подошли в 1970-е годы ученые-специалисты по атмосферному озону, в наши дни начинает, к большому сожалению, сбываться.

Хлор в атмосфере может образовываться и из соединений, содержащих хлор, таких как CCl_4, CH_3Cl_3, CHClF_2 и др. Эти соединения также выбрасываются в атмосферу с промышленными выбросами. Но считается, что их (например, четыреххлористого углерода) значительно меньше. Поэтому и угроза озонному слою от них меньше. Исчезают эти соединения потому, что под действием солнечного излучения разлагаются (фотолиз).

Атомы хлора могут появляться в стратосфере в результате разложения здесь хлоруглеродных молекул, таких как CH_3Cl, CH_3CCl_3, CHClF_2. Эти молекулы очень эффективно разлагаются в тропосфере, взаимодействуя с молекулами гидроксила ОН. В этих реакциях образуется, в частности, вода. В тропосфере имеются и более сложные молекулы, которые содержат двойные углеродные связи. Некоторая небольшая их часть попадает в стратосферу, где они выделяют при разложении хлор. Основная же часть этих молекул разлагается непосредственно в тропосфере.

Что касается фреонов, то фреон-11 и фреон-12, которые адсорбированы селикагелями, под действием солнечного ультрафиолетового излучения разлагаются на водородный хлорид и углекислый газ. Любопытно, что многие разновидности песка и пыли, имеющиеся в тропосфере, должны так же взаимодействовать с фреонами, как и описанные выше селикагели, поскольку их характеристики похожи.

Пыль, выбрасываемая в атмосферу во время извержения вулканов, также попадает в конце концов в стратосферу. Считается, что облако вулканической пыли достигает высот 25–30 км.

Очень важной для проблемы разрушения озона в результате азотного и хлорного циклов является реакция, которая приводит к обрыву этих циклов.

АЭРОЗОЛЬНЫЙ ЦИКЛ

На озон оказывают влияние и аэрозоли, имеющиеся в стратосфере. На высоте около 20 км молекула озона сталкивается с аэрозолем примерно каждые 20 минут. Если молекула озона живет в среднем 1,5 года, то за это время она успеет примерно тысячу раз столкнуться с аэрозолем. Если считать, что при каждом десятитысячном столкновении частица погибает, то общая потеря озона таким путем оказывается ощутимой. Конечно, приведенные выше цифры не взяты с потолка. Они получены из проведенных оценок с учетом реальных условий.

Проблема гибели молекул при их столкновении с поверхностями тел для химиков не нова. Они с ней сталкиваются в лабораторных опытах очень часто. По существу это проблема стенок. Исследуется какой-либо газ, а этому мешают стенки сосудов, поскольку часть молекул газа гибнет при столкновении с ними. Эти процессы были названы гетерогенными.

Гетерогенные процессы важны не только в стратосфере, но и выше, в мезосфере, на высотах 80 — 100 км. Здесь вероятность столкновений активных атомов с мелкими частицами даже больше, чем в стратосфере, поскольку и тех и других здесь больше.

Решить вопрос о влиянии аэрозолей в стратосфере на озон очень даже не просто. Для этого надо знать практически все об аэрозолях: сколько их, каковы их размеры и сколько частиц каких размеров, какой состав этих частиц и другие свойства. В зависимости от этого будут по-разному протекать процессы на их поверхности, процессы на границе двух фаз. Аэрозольная частица — это твердое или жидкое вещество, озон — это газ. Чтобы правильно понять взаимодействие озона с аэрозолями, надо знать также условия в стратосфере, в частности температуру и динамические характеристики. Как видно, задача очень непростая, тем более что озон при взаимодействии с аэрозолем будет выходить из игры в результате не одного какого-нибудь процесса, а целого ряда процессов, таких как рекомбинация, коагуляция, сорбция и так далее.

Какой информацией, необходимой для решения этой задачи, мы располагаем сегодня? Известно, что аэрозоли в стратосфере имеют следующие источники. Прежде всего аэрозоли образуются непосредственно в стратосфере в результате выброса газов и пыли при мощных извержениях вулканов. Далее, как мы уже видели, аэрозоли могут переноситься снизу через тропопаузу благодаря вертикальным движениям атмосферного газа. Имеется и космический источник аэрозолей. Это метеориты и космическая пыль. Мелкая космическая пыль проникает в стратосферу практически без повреждения, поскольку она постепенно тормозится в верхней атмосфере. Частично или полностью плавятся только крупные частицы. Пар, находящийся на поверхности метеоритов при вхождении их в атмосферу, теряется и конденсируется в частицы. Много ли таких частиц?

Оценки показывают, что каждый год в атмосферу Земли из космоса поступает примерно 100 тысяч т космической пыли. Средний размер (радиус) метеоритов принимают равные 1 х 10-6 см. Средняя плотность равна примерно 9 г/см^3. Проведя простые арифметические расчеты, можно показать, что при этом в каждом кубическом сантиметре в стратосфере должно быть примерно 10 частиц. Это те частицы, которые здесь осели. А весь поток частиц сверху вниз равен тысячам частиц каждую секунду через горизонтальную площадку в 1 см^2.

Любопытно, что в результате вторжения метеоритов и образования капель в мезосфере образуются мезосферные облака. Этому процессу способствуют условия, когда относительная влажность воздуха в мезосфере большая, а аэрозольных частиц много.

Таким образом, определенную информацию о количестве аэрозолей и их размерах мы имеем. Попытаемся оценить скорость реакций атомов кислорода и водорода при их попадании на поверхность аэрозолей. Ведь именно от судьбы этих атомов зависит прежде всего разрушение озона. Метеориты содержат чистые металлы и их окислы. Попадая на поверхность аэрозолей, атомы кислорода и азота взаимодействуют с ними. Оценки показывают, что характерное время гетерогенных реакций атомов кислорода и водорода находится в пределах от 8 до 80 часов для кислорода и от 2 до 20 часов для водорода. Примерно с такими характерными временами развивается турбулентная диффузия на мезопаузе (2,7 часа — 270 часов).

С течением времени процесс образования частиц (капель) метеоритами меняет всю ситуацию. Число частиц постепенно уменьшается, поскольку они объединяются. Размеры их увеличиваются. Ясно, что реальные размеры частиц различны. Но все они как единый ансамбль характеризуются определенным распределением по размерам. Но с течением времени характер этого распределения по размерам меняется. При соответствующих условиях (достаточной температуре и влажности) образуются целые четко выраженные аэрозольные слои. В мезосфере образуются известные всем серебристые облака. На высотах 30–40 км образуются перламутровые облака.

Аэрозольные слои образуются на разных высотах, которые зависят от широты. Эти высоты по мере перемещения от экватора к полюсу на несколько километров уменьшаются. Было показано по экспериментальным данным, что в летней стратосфере преимущественными высотами образования аэрозольных слоев являются такие: 18, 24, 30 и 45 км. Чем ниже, тем больше вероятность заноса аэрозолей снизу, из тропосферы. Такой занос становится существенным уже ниже 25–30 км. В средней стратосфере имеется значительная часть аэрозолей, которые возникли при окислении сернистого газа, выброшенного при извержении вулканов, то есть образуются сульфатные аэрозоли.

Таким образом, извержение вулканов может весьма существенно повлиять на состав атмосферы. В результате меняется тепловой баланс Земли и околоземного пространства, ограниченного стратосферой. Это происходит по нескольким причинам. В атмосферу после извержения вулканов выбрасываются сотни миллионов тонн пепла. Тучи протяженностью в тысячи квадратных километров скрывают Землю от солнечного излучения. Меняется прозрачность атмосферы. Огромное количество сернистого газа попадает в верхние слои атмосферы. Под действием солнечного излучения и при взаимодействии с водяным паром из него образуется аэрозоль серной кислоты. Тем самым увеличивается отражательная способность (альбедо) стратосферы. Прежде всего плотные аэрозольные слои вулканического происхождения изменят концентрацию малых составляющих атмосферы, в том числе и озона. Это повлечет за собой изменение той части ультрафиолетового излучения Солнца, которая попадает к Земле. Одновременно изменится и та часть излучения, которая (в инфракрасной области спектра) покидает Землю. Значит, с неизбежностью изменится тепловой режим Земли, включая ее атмосферу. Большая запыленность атмосферы после мощных извержений вулканов существенно изменит как отражательную, так и пропускную способность атмосферы. Поэтому изменится поступление к Земле через атмосферу солнечного излучения не только в ультрафиолетовой, но и в других частях спектра.

Хотя такие мощные извержения вулканов бывают не часто, но они оставляют значительный след в истории Земли. В 1883 году произошло извержение вулкана Кракатау в Индонезии. Облака пыли поднялись на высоту 30 км. Другой вулкан Индонезии, Агунг, напомнил о себе мощным извержением 17 марта 1963 года. Выбросы пыли и газов были очень мощными. После таких мощных выбросов атмосфера в течение нескольких лет «не может прийти в себя»: ее замутненность сильно влияет на прохождение и отражение через атмосферу солнечного излучения и собственного излучения Земли. В результате этих процессов температура воздуха в стратосфере может подняться на несколько градусов. После извержения вулкана в 1963 году она увеличилась на 5о. Температура воздуха больше всего увеличилась там, где больше всего скопилось пыли и газов (17–19 км).

Информация о прошлом, оставленная природой, говорит о том, что после периодов с мощным усилением вулканической деятельности наступали периоды оледенения. Это не случайно. Умеренные извержения вулканов не вызывают оледенения. Но меняют погоду на годы. Так, в 1815 году в Индонезии было мощное извержение вулкана Тамбора. Высота самого вулкана уменьшилась на 140 метров. Сам взрыв был слышен на удалении до 2600 км, а пыль создала тьму в радиусе 660 км, которая не рассеивалась два дня. Следующий, 1816 год назвали «годом без Солнца». В этот год летом лютовали морозы и снегопады. Урожай в Европе и Северной Америке, естественно, погиб…

Еще более мощное извержение вулкана произошло около 546 года нашей эры (вулкан Рабаул, Индонезия). В течение полутора лет в Месопотамии Солнце было видно только по 4 часа в сутки. Об этом говорится в византийских хрониках. О взрыве вулкана поведали отложения пепла в кернах гренландского льда.

В период извержения вулкана Агунг (1963 год) количество озона на высоте 20–21 км уменьшилось примерно на 1/5. На этих же высотах наблюдался слой пыли. Озон разложился на частицах аэрозоля, которые представляли собой в основном капельки (кристаллы) серной кислоты и раствора сульфата аммония. Чем меньше радиус капли, тем больше процент кислоты. Соли металлов растворены в жидкости. Они значительно увеличивают каталитическую активность капель. Расчеты изменения озона, выполненные для условий в нижней стратосфере, показывают, что за счет контакта с аэрозолями озон в нижней стратосфере может уменьшаться примерно на 5 %.

Аэрозоли оказывают влияние на содержание О и О_3, а те в свою очередь приводят к изменению концентрации других малых составляющих. С уменьшением концентрации О и О_3 увеличивается концентрация NO и CO, а концентрация^3 NO_2, HNO_3, NO_2, N_2O_2 уменьшается.

Аэрозольные частицы длительное время сохраняются в атмосфере. Так, время их жизни на уровне тропопаузы составляет примерно 1 месяц. На 20 км оно уже достигает от 4 до 2 лет, а на 50 км может составлять все 20 лет! Кстати, это подтверждают наблюдения за осколочными продуктами ядерных взрывов. Было установлено, что требуется примерно 2 года для того, чтобы частица радиусом 0,3 мкм, имеющая плотность 2,5 г х см-3, упала с высоты 20 км до уровня 10 км.

ИОННЫЙ ЦИКЛ

До сих пор мы рассматривали влияние на озон нейтральных веществ. Но в стратосфере и тропосфере имеются и заряженные частицы — ионы. Ионы могут быть заряжены положительно или отрицательно. Создают ионы в стратосфере главным образом высокоэнергичные частицы, которые приходят сюда из космоса. Это в основном галактические космические лучи. Кроме того, высокоэнергичные заряженные частицы приходят в атмосферу от Солнца, после того, как там происходят взрывы гигантской мощности — солнечные вспышки. Некоторая доля ионов создается и под действием частиц, которые образуются в результате распада радиоактивных ядер атмосферных примесей.

Выше 100 км также идет весьма эффективное образование ионов под действием солнечного излучения. Но здесь имеются только положительные ионы, которые несут на себе единичный положительный заряд и электроны. Отрицательных ионов там нет. Ниже 80 км плотность атмосферы такова, что образованные при ионизации электроны не могут существовать самостоятельно, а прилипают к нейтральным атомам и молекулам. Так образуются отрицательно заряженные ионы.

Проблема влияния ионов на концентрацию озона в стратосфере очень сложна и далека от своего решения. Образование самих ионов в этой области атмосферы количественно не изучено. Все усложняется тем, что ионы взаимодействуют как между собой, так и с нейтральными атомами и молекулами. В этих ионно-молекулярных реакциях идет непрерывное превращение одних ионов в другие или в нейтральные молекулы, и наоборот. Для того, чтобы контролировать (предсказывать) результаты этих преобразований, надо знать слишком многое. Прежде всего надо знать, с какой скоростью протекают все возможные реакции. А это значит, что надо знать константы этих реакций (их определяют экспериментально в лабораториях и вычисляют теоретически), а также концентрации взаимодействующих реагентов. Надо знать и температуру, поскольку, как правило, скорости реакций зависят и от нее. Проблема слишком сложная. Если ее решать экспериментальным путем, то надо проводить одновременные измерения на разных высотах большого числа параметров. Если к этому добавить, что измерений в одном пункте недостаточно, то станет ясно, что задача в полном объеме очень сложная. Если измерения проводятся с помощью приборов, установленных на ракетах, то они дают высотные профили некоторых параметров. Если измерительные приборы установлены на спутниках, то получается информация вдоль траектории спутника. Поскольку ситуация в атмосфере непрерывно меняется, то получаемых таким путем данных явно недостаточно. Чтобы как-то выйти из этого положения, полученные во многих экспериментах данные группируют, приводят «к общему знаменателю» и используют для определения некоей средней наиболее вероятной картины, которая не противоречила бы всему набору экспериментальных данных.

Что же можно сказать о влиянии ионов на содержание озона?

В том и другом случае цепь химических реакций с озоном обрывается тогда, когда ионы исчезают. Это может происходить как в результате рекомбинации, когда отрицательный ион теряет лишний электрический заряд, так и путем преобразования данного отрицательного иона в какой-либо другой ион, который не может поддерживать продолжение этого цикла.

По проведенным оценкам, молекулы озона из-за действия на них ионов могут разлагаться с такой скоростью, что при концентрации озона, равной 10^6 см-3, его количество уменьшается на 10 %. Если концентрация озона в сто раз меньше, то в ионном цикле разрушается примерно 0,2 % озона.

Мы будем отдельно рассматривать все вопросы, относящиеся к проблеме озона, которые связаны с действием солнечного корпускулярного излучения. Это излучение связано с солнечной активностью. Под действием солнечных корпускулярных потоков на магнитосферу Земли происходят магнитные бури, а в атмосфере высоких широт северного и южного полушарий (в Арктике и Антарктике) возбуждается свечение атмосферного газа — так называемые полярные сияния. Здесь только укажем, что под действием высокоэнергичных частиц, которые в высоких широтах проникают в стратосферу и тропосферу, образуется значительно большее число ионов, чем в средних и низких широтах. Может достигаться пятикратное превышение по сравнению с экватором. Ясно, что влияние здесь ионов на содержание озона будет значительно больше. Это тем более справедливо для условий, когда в атмосферу не попадает солнечное излучение (полярная ночь). Тогда разрушение озона в каталитических циклах с участием соединений ClOx, HОx и Ox практически прекращается. Значит, должно доминировать разрушение ионами. Под действием космических лучей (и высокоэнергичных солнечных заряженных частиц) образуется NOx. Поэтому цикл с участием этого соединения и в затененной атмосфере сохраняется.

ПРИЗЕМНЫЙ ОЗОН

Проблема приземного озона очень важна для земных дел. Ведь если количество озона в городах увеличивается и приводит к заболеваниям и даже гибели людей, то важность проблемы доказывать не надо. Но дело этим не ограничивается. Не следует забывать, что весь озон, который находится в атмосфере на всех высотах вплоть до термосферы и на всех широтах от полюса до полюса, является единым образованием. Изменения озона в одном месте в той или иной мере скажутся на распределении озона во всех других местах. Таким образом, решить проблемы озона в любом отдельном месте можно только в том случае, если в поле зрения находится картина распределения озона в глобальном масштабе.

Приземный озон в этом смысле не является исключением. От того, сколько его образуется у поверхности Земли, зависит и его количество на более высоких уровнях. Столь же важно и то, что большое количество озона, который черпается из единого озонного резервуара, исчезает, разрушается у поверхности Земли. Поэтому, рассматривая приземный озон, будем все время помнить, что это только донышко единого озонного резервуара, глубина которого более 100 км.

Содержание приземного озона зависит от сезона, времени суток, географического положения, высоты над уровнем моря и др. Собственно, от указанных факторов зависит приток озона сверху, из тропосферы. Но озон не только приходит в приземный слой сверху, но и образуется непосредственно на месте. Это происходит при грозах (а точнее, еще до грозы), в результате действия выхлопных газов автомашин, некоторых других загрязнителей воздуха. Образование приземного озона детально рассмотрим немного позднее. А сейчас приведем данные о том, как меняется приземный озон в зависимости от времени года и суток, широты и т. д.

Количество озона на высоте 7 м меняется в продолжение суток значительно больше, нежели непосредственно у поверхности Земли. Наибольшие изменения плотности озона как у поверхности Земли, так и на высоте 7 м наблюдаются в летние месяцы (май — сентябрь). В зимнюю половину года изменения озона в продолжение суток значительно меньше, чем в летнюю.

То, что количество озона в приземном слое воздуха сильно зависит от высоты, далеко не всегда оценивается должным образом даже самими исследователями. Поэтому часто они публикуют данные своих измерений без указания высоты, на которой проводились эти измерения. В то же время разница в высотах, составляющая всего несколько метров, может изменить результаты вдвое или в несколько раз. Надо все время помнить, что по мере приближения к поверхности Земли как плотность озона, так и его парциальное давление очень сильно уменьшаются. Летом это уменьшение больше, чем зимой. Это особенно касается высот, измеряемых метрами. На первых метрах (1–3 м) над поверхностью Земли, особенно сильно по мере снижения, озон убывает ночью. Этому способствует большая устойчивость атмосферы ночью по сравнению с днем. Конечно, речь идет о высоте не просто над земной поверхностью, а над уровнем моря. Земная поверхность имеет возвышенности и низины. На возвышенностях плотность озона больше, чем в низинах. Поэтому данные наземных озонометрических станций надо анализировать с учетом информации о высоте самой станции над уровнем моря. Так, в Австрии имеется озонометрическая станция на вершине горы Цугшпиц, на высоте 3100 м над уровнем моря. Ясно, что она уже не находится в пограничном слое атмосферы, хотя и расположена на земле.

Приземный озон очень тесно связан с находящейся под ним водной поверхностью Земли — морем или океаном. Количество озона над водной поверхностью зависит, в частности, от температуры воды. Так, в области теплого Гольфстрима на 60о северной широты, вблизи Шетландских островов, плотность озона была высокая (48 мкг х м-3), а в проливе Бельт еще выше (67 мкг х м-3). Для сравнения укажем, что в Северной Атлантике на 60–63о северной широты на высоте 5,5 м была измерена плотность озона, равная всегда 19 мкг х м-3. В то же время плотность озона над водной поверхностью значительно больше, чем над близлежащей сушей (над континентальной частью Западной Европы). Измерения озона над Индийском океаном показали, что там озона больше, чем над его побережьем. Вода моря и океана является хорошим стабилизатором, термостатом. Поэтому плотность над ней практически не меняется в течение суток.

Прежде чем детально проанализировать, как меняется озон в течение суток и года, имеет смысл рассмотреть те процессы, в результате которых он меняется. Тогда мы сможем не только констатировать суточный и сезонный ход озона, но и понять, чем они обусловлены.

Ни у кого из специалистов сейчас не вызывает сомнения, что озон в приземном слое образуется под действием атмосферного электричества, которое усиливается у поверхности Земли в периоды гроз и накануне их. В это время в сильном электрическом поле происходит точечный тихий разряд. Именно эти разряды приводят к образованию озона. Это подтверждают многолетние измерения в разных точках земного шара. По многолетним измерениям озона во Франции (станция Валь-Жуайе вблизи Парижа) А. Васси установила, что плотность приземного озона быстро увеличивается за 3–5 часов до начала грозы. Условия летом и зимой различаются. Летом это время меньше, оно составляет в среднем 3 часа. Зимой оно удлиняется примерно в полтора раза. Когда приближается грозовое облако, электрическое поле у поверхности Земли увеличивается, и начинаются тихие (коронные) разряды с острий (верхушек деревьев, листьев, травы, кустов и других неровностей местности и построек). Когда происходит разряд молнии, то образование озона также усиливается. Ведь при этом излучается ультрафиолет (и не только он), который вызывает образование озона. Анализировались пробы воздуха с целью определения количества озона в условиях ясной, хорошей погоды, когда электрическое поле направлено из атмосферы в Землю, то есть вертикально вниз. В это время, пока электрическое поле оставалось таким, но гроза приближалась, разряды с острий (в том числе с травы, кустов и т. д.) были незначительные, и количество озона увеличивалось не более чем на 30 %. Когда грозовые облака подходили ближе и электрическое поле атмосферы меняло знак на противоположный (становилось направленным снизу вверх), то тихие (коронные) разряды сильно активизировались. Количество озона, образованного этими разрядами, было таким, что общее количество озона увеличивалось в несколько (примерно в 3) раз. Опыты показали, что количество озона в приземном слое воздуха увеличивалось и под самим грозовым облаком после разряда молний.

Имеется еще одна возможность образования озона, которая связана с грозой, но которую мы не рассматривали. Это не образование озона в собственном смысле этого слова, а его перенос с вышележащих слоев. Известно, что около грозового облака имеют место нисходящие движения воздуха из более высоких слоев атмосферы. Эти усиленные движения воздуха и заносят в приземный слой озон сверху. Эта возможность увеличения плотности озона в приземном слое воздуха реальная, и она, несомненно, реализуется и вносит свой вклад в образование озона.

Конечно, озон образуется в приземном слое воздуха не только за счет гроз. Имеются и другие источники его образования. Но какие? Было предложено рассмотреть применительно к приземному слою и тропосфере тот же механизм образования озона, который довольно детально был разработан для стратосферы. Это принципиально возможно потому, что речь идет о веществах, которые выделяются из почвы и затем постепенно заносятся в стратосферу. Одно из таких веществ — метан СН_4, который является продуктом почвенных процессов. Другими словами, это газ, который выделяется земной поверхностью. Другим таким веществом является окись азота NO.

Раз эти вещества могут образовывать озон в стратосфере, то почему же они не могут это делать в начале своего путешествия вверх — в приземном слое воздуха и в тропосфере? Специалисты считают, что могут. Мы не будем расписывать здесь всю цепочку возможных реакций, в которых участвует метан и окись азота. Укажем только, что в конце концов при окислении одной молекулы СН_4 образуются две — четыре молекулы озона (в зависимости от цикла реакций, который реализуется).

Описанная схема образования озона — это только возможность, только один из возможных вариантов. Поэтому не надо пытаться этой схемой объяснить все свойства наблюдаемого распределения озона в приземном слое. Кстати, если бы озон в приземном слое образовывался только по этой схеме, то его не должно было бы быть ночью, поскольку для того, чтобы схема «работала», обязательно должно присутствовать солнечное излучение. Ночью, а также в полярную ночь, которая длится месяцы, этого излучения в приземном слое нет, а озон имеется. Вместе с тем реальная скорость образования озона меньше, чем было рассчитано выше на основании этой схемы.

Кроме гроз и метана и окиси азота надо учесть и ветры. Их роль в распределении озона велика. Они не рождают молекулы озона, но они их приносят с других мест. Таким образом, при рассмотрении приземного озона надо учитывать ветры, которые здесь дуют. Ведь может происходить перераспределение приземного озона, когда меняются, например, долинные ветры на горные или же наоборот. Были проведены измерения озона одновременно на высотах 30, 70 и 115 м над почвой. Они показали, что от 12 часов местного времени до самого захода солнца озон меняется совершенно одинаково на всех указанных высотах. В ночные же часы озон намного быстрее разрушается на высоте 30 м, нежели выше (на высоте 115 м). От восхода солнца до 9 часов местного времени наблюдалось уменьшение озона на самом верхнем уровне (115 м), после чего он стал увеличиваться. Когда данные измерений озона на указанных высотах были сопоставлены с направлением и силой ветров в этой местности, то оказалось, что ветры приводят к сильному перераспределению озона. Измерялось также количество озона от поверхности Земли до высоты в 1000 м. Оказалось, что ночью озон уменьшается не во всей затененной части атмосферы, а только от поверхности Земли до высоты 500 м. Здесь имеется сильный сток озона. Выше 500 м озон в течение ночи не только не уменьшается, а даже несколько увеличивается, несмотря на то, что там нет солнечного излучения. Измерения были выполнены в Швейцарии. Озонозонды устанавливались на привязанных аэростатах. Конечно, результаты экспериментов нельзя распространять на весь земной шар. Они, несомненно, зависят от характера местности, ветрового режима и т. д. Но они показывают, что по крайней мере в том месте, где эти измерения проводились, роль движений воздуха в распределении озона в тропосфере велика, видимо, значительно больше, чем роль фотохимических реакций, при которых образуется озон.

В каких процессах у земной поверхности озон разрушается? Поток озона, направленный вниз, в нижней тропосфере определяется его плотностью. Точнее, он равен плотности озона, умноженной на некоторое число, которое характеризует скорость разрушения озона. Направленный вниз поток озона пропорционален перепаду отношения смеси озона по высоте. А этот перепад пропорционален плотности озона на нулевой высоте. Поэтому и получаем, что нисходящий поток озона пропорционален плотности озона на поверхности Земли. Коэффициент пропорциональности и есть скорость разрушения озона. Чему он равен? Точные его величины, конечно, неизвестны. Но при определенных упрощениях и предположениях его можно оценить. В одной из моделей принимались такие величины скорости разрушения озона: над континентом — 0,60 см × с-1, над океаном — 0,04 см × с-1, над снегом — 0,02 см × с-1. Если считать эти величины достоверными и учесть, какая часть земной поверхности покрыта льдом, какая свободна ото льда и является сушей, а какая морем, то можно получить, что полная скорость разрушения озона во всем северном полушарии составляет 3,9 × 10^29 молекул в одну секунду. Оценим, сколько таким путем должно исчезать озона в обоих полушариях за целый год. Получается внушительное количество — около 2 миллиардов тонн озона в год! Нисходящий поток озона у поверхности Земли зависит не только от плотности озона у поверхности Земли, но и от средней скорости ветра. Собственно, скорость ветра определяет скорость разрушения озона.

Величины скорости разрушения озона определялись на основании данных измерений, выполненных в разных частях земного шара при разной растительности на подстилающей поверхности. Так, например, измерения, выполненные в Австралии (ст. Хэй, 34о южной широты) летом в степи с сухой почвой, мертвой растительностью и пучками сухой травы, позволили оценить скорость разрушения озона величиной 1,18 см × с-1. С ростом температуры скорость разрушения озона по этим экспериментальным данным несколько увеличивалась.

Проводились также наблюдения за вертикальным профилем озона в Юго-Западной Африке вблизи Цумеба (высота 1250 м над уровнем моря, 19о южной широты). На основании данных этих наблюдений, которые проводились на мачте высотой 105 м днем, были рассчитаны скорости разрушения озона. Местность представляла собой степь с редкими деревьями и кустарниками. Расчеты показали, что в дневные часы (от 9 до 21 часа) скорость разрушения озона находилась в пределах от 1,61 до 0,53 см × с-1. Если брать среднюю величину скорости разрушения, то получим, что через каждую площадку в 1 см^2 в 1 с проходит сверху вниз 200 миллиардов молекул озона! При условиях хорошего перемешивания количество озона вблизи 10 и 100 м менялось со временем одинаково. Но если перемешивание было недостаточным или вообще отсутствовало, то количество озона на разных уровнях менялось произвольно.

На основании измерений над лугами Голландии (50 км от моря) при сильном и холодном ветре с моря и при значительном перемешивании были получены очень малые скорости разрушения озона (всего 0,13 см × с-1). Для условий ночи эта величина в пять раз больше, любопытно, что, несмотря на перемешивание, плотность озона днем изменялась на высоте 5 м почти так же, как и на высоте 214 м. Ночью это соответствие нарушалось. Предполагается, что нисходящий поток озона на разных высотах был различен.

Столь же малую величину скорости разрушения озона (0,13 см × с-1) получили исследователи на основании наблюдений высотных перепадов отношения смеси озона в двух пунктах Индии. Измерения проводились в тропической зоне (Тривандрам, 8о северной широты) и в субтропической зоне (Дели, 28,5о северной широты). При такой скорости разрушения озона направленный вниз поток составляет 100 миллиардов молекул через площадку в 1 см^2 в 1 с. Почему-то измерения и в Индии, и в Голландии дают скорости разрушения озона в 10 раз меньшие, чем соответствующие измерения в Австралии, что пока не получило удовлетворительного объяснения. Этот вопрос принципиален, поскольку при большой скорости разрушения озона у поверхности Земли следует искать механизмы восполнения этих потерь. Если скорость исчезновения озона в 10 раз меньше, то и мощность механизмов его рождения должна быть в 10 раз меньше.

Чтобы установить, сколько разрушается озона у всей земной поверхности, надо знать скорость его разрушения на каждом клочке земной поверхности. Поскольку скорость разрушения озона зависит от характера местности, растительности, ветров, температуры и т. д., то ясно, что она в разных местах может сильно отличаться. Надо еще добавить, что зимой значительная часть континентов и замерзшего океана покрыта снегом. Но мы мало знаем о скорости разрушения озона над снежной поверхностью, как и надо льдом. Поэтому провести достоверные оценки того количества озона, которое разрушается у поверхности Земли, пока не представляется возможным.

По-видимому, говоря о скорости разрушения озона, надо учитывать не только его разрушение при его соприкосновении с поверхностью Земли, но и разрушение в других процессах. Об этом косвенно говорит и тот факт, что хотя скорость разрушения озона над водной поверхностью значительно меньше, чем над сушей, все же не наблюдается столь огромного различия в концентрации озона, которое можно было бы ожидать, если бы играла роль только подстилающая поверхность. К исчезновению озона причастно и что-то другое. Это может быть влияние повышенной температуры, какие-либо фотохимические реакции или же взаимодействие озона с частицами аэрозоля и другими газами. В этом плане очень интересны наблюдения, которые показывают, что плотность озона в приземном слое воздуха изменяется так же, как и радиоактивность приземного воздуха. Радиоактивность приземного воздуха создается эксхаляцией почвенного воздуха, который содержит торон, радон и др. Любопытно, что плотность озона меняется обратно пропорционально запыленности воздуха. Чем больше запыленность воздуха, тем меньше его электропроводность, а значит, и меньше скорость образования озона. Все это говорит о том, что необходимо учитывать все факторы, которые могут оказывать влияние на образование и разрушение озона. При этом само собой должны учитываться загрязненность воздуха, обмен воздуха между почвой и атмосферой, а также изменчивость приземного слоя воздуха, которая происходит по той или иной причине, в частности вследствие местных ветров.

Все знают, что хвойные леса на удалении воспринимаются как голубые. Голубая дымка образуется не без участия озона. Ставились различные эксперименты, подтверждающие это. Например, в камеру помещали измельченные сосновые иглы и немного озона. При этом наблюдалось образование голубой дымки.

Дымка сосновых лесов содержит частицы с радиусом, равным примерно 0,2 мкм. Хвойные растения выделяют пары органических веществ, которые называют терпенами. В растительном мире эти вещества очень распространены. Больше всего их содержится в хвойных растениях разных видов. Наиболее распространен пинен. Плотность его равна 0,86, точка кипения равна 156оС. Пинен легко взаимодействует с кислородом воздуха, а также с водяным паром, галогенами, активной глиной, соединениями серы и т. д. Терпены, выделяемые хвойными растениями, окисляются и образуют частицы твердого аэрозоля. Эти частицы по-разному рассеивают свет с различными длинами волн, а значит, и различным цветом. Фиолетовые лучи они рассеивают примерно в пять раз более эффективно, чем красные. Поэтому мы видим преимущественно рассеянный свет почти такого же голубого цвета, как и само небо. Кстати, наблюдения подтверждают, что при образовании голубой дымки количество озона в приземном слое воздуха уменьшается — часть озона расходуется на образование аэрозолей, которые и создают голубую дымку.

Заканчивая обсуждение этого вопроса, можно указать еще и на то, что в больших городах озон образуется из выхлопных автомобильных газов, а точнее, содержащейся в них перекиси азота. Если перекиси азота не очень мало (больше, чем 10-7, но не больше, чем 10-11), то она при облучении солнечным ультрафиолетом вступает в реакции с ненасыщенным углеводородом и образует озон. В этом смысле печально известным раньше всех городов стал Лос-Анджелес. Здесь еще до 1950 года образованный таким образом озонный смог приводил в негодность провода городской сети электропередач. Особенно высокое содержание озона наблюдается во время туманов. Озонный смог действует раздражающе на глаза. Он повреждает сельскохозяйственные культуры (виноград, табак и др.).

В тех городах, где выхлопных автомобильных газов меньше, меньше и озонного смога. Примером благополучного в этом отношении города может служить Париж. В нем воздух пока что беден озоном, поскольку перекись азота здесь имеется в количествах, меньших тех, которые необходимы для протекания указанных выше реакций с образованием озонного смога.

Распределение приземного озона по высоте зависит от высотного профиля температуры. Обычно с ростом высоты температура уменьшается. Но наблюдаются и такие условия, когда с ростом высоты температура увеличивается. При этом высотный профиль температуры по своей форме обращается (становится инверсным). Такое высотное распределение температуры предшествует притоку воздуха с вышележащих слоев. При этом притока озона сверху нет. В таких условиях (они в больших городах возникают довольно часто) усиливается загрязненность воздуха, а значит, и эффективнее образуется озонный смог. Инверсные профили температуры чаще всего наблюдаются ночью. Но увеличенная за ночь загрязненность воздуха с восходом Солнца приводит к усиленному образованию озонного смога. В таких условиях за 1 час может образоваться 20–30 мкг × м-3 озона.

Мы получили некоторое (пусть и не полное) представление о том, в результате каких процессов озон образуется и разрушается. Кроме того, мы знаем, что в зависимости от условий в атмосфере озон с той или иной скоростью переносится вниз, в тропосферу, и в приземный слой сверху, из стратосферы. Зная все это, нам будет легче понять, почему озон меняется в течение суток, в продолжение года, в зависимости от широты и т. д.

Когда были привлечены данные измерений озона, полученные на станциях, находящихся на разной высоте над уровнем моря, то оказалось, что суточные изменения озона на возвышенных станциях меньше, чем на равнинных. В приморском климате суточный ход плотности озона в приземном воздухе также небольшой. На равнинных станциях зимой максимум плотности озона наступает вскоре после полудня. Летом он наступает позднее, примерно около 16–17 часов местного времени. Минимум плотности озона как летом, так и зимой наблюдается перед восходом солнца. С восходом солнца озон начинает эффективно образовываться. С заходом солнца озон быстрее всего разрушается ближе к Земле. Если имеется инверсный слой, то приток воздуха (а значит, и озона) сверху затруднен. Это чаще бывает зимой. Тогда из-за затрудненного притока сверху в приземном слое озона остается мало еще в продолжение первой половины дня. Летом ситуация иная: после восхода солнца количество озона очень быстро увеличивается. Обращает на себя внимание четкая стратификация озона летней ночью. С восходом Солнца ситуация меняется — около 8 часов вторгаются долинные ветры и перемешивают приземный воздух. На всех указанных высотах (30, 70 и 115 км) парциальное давление озона сравнивается. Днем воздух на этих высотах оказывается включенным в толщу атмосферы, которая хорошо перемешана.

Существуют и такие наблюдения, которые показывают, что на некоторых обсерваториях максимум плотности озона имеется ранним утром. Что это за обсерватория? Одна из них находится на высоте 3389 м над уровнем моря, это станция Мауна-Лоа на Гавайских островах. Другая обсерватория, Литл-Америка, находится в Антарктиде. Такой особый суточный ход плотности озона связан с местными ветрами. Ранним утром ветер наиболее силен, он течет вниз по склону. Он и заносит большую порцию озона в приземный слой в окрестности обсерватории и тем самым образует утренний максимум плотности озона.

Изменение плотности приземного озона в продолжение года можно проиллюстрировать на основании измерений озона на станции Валь-Жуайе (Франция).

Станция Валь-Жуайе находится в средних широтах. Чем характерен годовой ход? Плотность озона в летние месяцы больше, чем в зимние. Однако в годовом изменении плотности озона наблюдаются кратковременные, очень сильные увеличения плотности озона. Плотность озона может превышать 150 мкг × м-3, тогда как обычно она не превышает 40 мкг × м-3. Существование этих выбросов можно объяснить только одним — резко усилившимся переносом озона сверху вниз. Любопытными представляются наблюдения таких выбросов на станции ФРГ Хоэнпейс-сенберг 26 февраля 1971 года. Первое кратковременное повышение плотности озона до 150 мкг × м-3 наблюдалось во время сильного ветра (до 20 м × с-1) и снегопада. В то время проходил над станцией первый холодный фронт. Со вторым холодным фронтом (главным), который сопровождался сильным ветром и даже ливневым снегом, было связано второе огромное увеличение плотности озона (до 830 мкг × м-3!). За вторым холодным фронтом последовал третий, несколько более слабый. Он также сопровождался значительным увеличением плотности озона (до 500 мкг × м-3). В этих случаях грозовые механизмы не работали: не было ни грозы, ни молнии, и градиент электрического поля оставался нормальным. Очень важно отметить, что в тропосфере количество озона не менялось или, точнее, не отличалось от нормального. Это не очень понятно, поскольку происходило вторжение холодного воздуха из верхней тропосферы в нижнюю.

Летний максимум плотности приземного озона также обусловлен усиленным движением озона (со всем воздухом) из стратосферы в тропосферу и приземный слой. Эта волна озона наиболее медленно пробирается из стратосферы в верхнюю тропосферу. Об этом можно судить по сдвигу максимума озона в верхней тропосфере относительно стратосферного максимума. Тропосфера хорошо перемешана (особенно летом). Поэтому здесь эта стратосферная волна озона проходит вниз быстро. Зимой тропосфера чаще всего перемешана плохо. В ней наблюдается устойчивая стратификация (слоистость) воздуха. Такие условия не способствуют поступлению озона из стратосферы в тропосферу и приземный слой. Поэтому зимой плотность озона в приземном слое воздуха намного меньше, чем летом.

Годовой ход плотности приземного озона в высоких и низких широтах отличается. Оба полушария в смысле озона не одинаковы. Это вызвано тем, что в южном полушарии значительно меньше материков и больше водной поверхности. Напомним, что в стратосфере годовой ход обратный тому, который имеет место в нижней части тропосферы. Там максимум озона наблюдается зимой, а минимум — летом. Этот сдвиг в 6 месяцев и является задержкой нижнего максимума относительно верхнего. В высоких широтах северного полушария это запаздывание несколько меньше, чем в умеренных широтах. В высоких широтах, как и в умеренных, наблюдаются большие кратковременные увеличения плотности озона. Причина их та же, что и в умеренных широтах. Что касается южного полушария, то здесь эта задержка вообще отсутствует: максимумы в приземном озоне практически соответствуют по времени максимумам стратосферного озона. То же самое относится и к минимумам.

В изменении плотности озона в течение года проявляется пока что непонятная закономерность: плотность приземного озона в четные годы выше, чем в нечетные. На острове Кергелен это проявилось сильнее, чем в континентальной Европе (точнее, во Франции). Кстати, в стратосфере также наблюдается двухлетняя квазипериодичность озона. В стратосфере разных полушарий эта периодичность имеет разные знаки — положительный в одном и отрицательный в другом. Объяснить эту двухгодичную периодичность пока что трудно. Нелишне заметить, что она выявляется во многих земных процессах, а главное, в солнечной активности. Не вызывает сомнения, что именно солнечная активность является главным дирижером атмосферных периодичностей.

ОЗОН В ТРОПОСФЕРЕ

Тропосфера занимает промежуточное положение между стратосферой и приземным слоем воздуха. Образующийся в стратосфере под действием солнечного излучения озон опускается вниз, в тропосферу, и затем в приземный слой воздуха вплоть до самой земной поверхности и там активно разрушается. Такая схема очень проста и наглядна. Она правильна, но отражает весь процесс образования и динамики озона не полностью. В самой тропосфере имеются собственные источники и стоки озона. В приземном слое воздуха также образуется и собственный озон. Поэтому общая картина движения и распределения озона значительно усложняется.

Между стратосферой и нижележащей тропосферой озон должен преодолевать барьер — тропопаузу. Любопытно, что тропопауза представляет собой барьер далеко не для всех составляющих атмосферного газа. Так, СО_2 тропопауза практически не мешает. Он распределен по высоте так, что какой-либо привязки этого распределения к тропопаузе не проявляется. В атмосферу из почвы попадает закись азота N_2O. Она, как и метан СН_4, который образуется в самой тропосфере, также меняется с высотой довольно плавно, как ниже тропопаузы, так и выше нее. Мы уже видели, что совсем по-другому реагирует на тропопаузу озон; на тропопаузе имеется четкий разрыв в высотном распределении озона. Еще более четкая связь проявляется между тропопаузой и водяным паром. В этом случае тропопауза является не просто барьером, а непроницаемой стенкой. Чем дольше живут молекулы данного вещества, тем больше у них шансов преодолеть тропопаузу. Время жизни молекул воды очень мало.

Вообще возникает правомочный вопрос, что такое в физическом плане представляет собой тропопауза. Несмотря на то, что некоторые вещества (как вода, озон) изменяются на тропопаузе скачком, нельзя считать, что это уровень, который представляет некоторую материальную поверхность, определяемую распределением частиц атмосферного газа. Тропопауза — это прежде всего граница, разделяющая две области, в каждой из которых имеются разные условия перемешивания и неустойчивости. Ну и, естественно, тропопауза разделяет области атмосферы, в которых условия лучистого баланса отличаются. По этим причинам тропопауза в тропических широтах значительно выше, чем в полярных.

Известно, что тропопауза не является неподвижной. Она меняет свое положение в незначительных пределах («дышит») или же значительно смещается по высоте. Если воздух медленно, но продолжительное время опускается вниз, то условия на высоте тропопаузы меняются, и постепенно вырисовывается новая тропопауза, которая расположена ниже прежней. Поэтому продолжительные вертикальные движения воздушных масс меняют и положение тропопаузы. Естественно, что при продолжительном медленном восходящем движении воздушной массы тропопауза через определенное время повышается. Таким образом, над холодным воздушным фронтом, в циклоне, происходит смещение тропопаузы вниз. Над теплым воздушным фронтом тропопауза поднимается вверх.

Кстати, циклонические движения воздуха (естественно, вместе с озоном) приводят к тому, что в тропосферу из стратосферы переносится примерно 8 × 10^13 т воздуха (на всем земном шаре). Много это или мало? Это 5 % всего воздуха, который содержится в глобальной стратосфере.

Деление атмосферы на тропосферу и стратосферу проведено прежде всего по температурному принципу. Поэтому температурное различие (связанное с различием в излучательном режиме) является главным. Но при разных физических условиях (в частности, температуры) мелкомасштабная турбулентность развивается с разной эффективностью. Значит, турбулентность с разной эффективностью перемешивает атмосферный воздух. А роль перемешивания исключительно велика. Например, образовавшийся тонкий слой озона из-за перемешивания долго существовать не может. Он вскоре рассасывается, и высотное распределение озона выравнивается.

Таким образом, тропопауза является продуктом одновременного действия всех указанных факторов. Так, при нисходящем или восходящем движении воздушных масс положение тропопаузы меняется не только потому, что она сносится вверх или вниз. Одновременно действуют и другие процессы, которые всегда стремятся восстановить нарушенное равновесное состояние. При смещении тропопаузы меняется высотный профиль температуры, который до движения воздушных масс был равновесно установившимся. Лучистое равновесие этими движениями нарушается, поэтому радиационный процесс старается восстановить это равновесие. Это возможно только путем радиационного охлаждения атмосферного газа в этой части тропосферы. Но вышележащий воздух стратосферы также вынужден охлаждаться постепенно (непроницаемой тепловой границы между ними нет). Так и формируется новая структура (стратификация). Скорость указанных процессов такова, что заметное смещение тропопаузы может происходить только за несколько дней.

Наиболее выраженные упорядоченные нисходящие движения имеют место в субтропиках (на широте примерно 30о) в условиях антициклона. Это значит, что воздух стратосферы увлекается вниз. Но стратосферный воздух вторгается в тропосферу не только в субтропиках. Это происходит и на широтах 40–45о, а также 60о северной широты.

Особую роль в обмене воздухом (а значит, и озоном) между стратосферой и тропосферой играют струйные течения в атмосфере. Двигаясь наклонно из стратосферы в тропосферу с огромными ускорениями и скоростями, сравнимыми со скоростью звука, они «разрывают» тропопаузу. В результате в этом месте значительно облегчается обмен воздухом между тропической и полярной стратосферой. Естественно, что при этом озон из полярной стратосферы успешно переносится в тропосферу более низких широт. В самой тропической тропосфере преобладают восходящие воздушные движения, поэтому ожидать, что здесь тропосферный озон будет переноситься вниз, в тропосферу, не приходится.

Как движения воздушных масс (циклоны, антициклоны, струйные течения и т. д.) связаны с озоном, мы детально рассмотрим позднее. Вначале рассмотрим, как распределен по высоте озон в тропосфере.

От распределения озона зависит, куда он будет двигаться. В каждом случае он (как и любой другой газ) будет двигаться так, чтобы распределение стало равновесным. Если бы силы везде действовали одинаково, то это равновесие достигалось бы при однородном, равномерном распределении озона (газа). Если силы действуют неравномерно (одна из сил — сила притяжения — направлена вниз, к Земле), то равновесное распределение не будет однородным. Кроме силы притяжения к Земле на озон (как и на любой газ в атмосфере Земли) будут действовать и другие силы. Главная сила связана с неоднородностью давления. Чем больше частиц газа (в данном объеме), тем больше их давление. Кроме того, чем больше температура газа в данном объеме, тем больше давление газа. Естественно, что газ будет устремляться от того места, где давление больше, к тому месту, где оно меньше. Этот процесс идет до тех пор, пока не наступит равновесие.

Поток озона в вертикальном направлении тем больше, чем более резко с высотой меняется плотность озона, или, другими словами, чем больше перепад плотности озона по высоте.

В средних широтах сезонные изменения тропосферного озона выглядят так. В июне — июле (летом) в северном полушарии наблюдается максимум как парциального давления озона, так и отношения его смеси. Но наступление этого максимума зависит от высоты в тропосфере, где он наблюдается. Чем выше, тем годичный максимум указанных характеристик озона наблюдается раньше. Это логично, поскольку первопричина этих изменений находится вверху и требуется определенное время для того, чтобы последствия ее действия сказались на определенном уровне. Чем ниже этот уровень, тем это время, естественно, дольше. Минимальные величины парциального давления озона и отношения смеси в году в нижней части тропосферы и в приземном слое воздуха наблюдаются в декабре — январе. В верхней тропосфере они наблюдаются раньше — в октябре — ноябре. Минимум в общем запасе озона в стратосфере наблюдается еще раньше. Так прослеживается причинно-следственная связь этих минимумов, которая имеет свое начало вверху, в стратосфере. Ясно, что запаздывание изменений озона внизу по отношению ко времени его изменения вверху зависит от времени жизни озона на этих уровнях. Если бы озон поступал сверху вниз моментально и очень быстро внизу исчезал (так же быстро, как и вверху), то никакого временного запаздывания в изменениях озона внизу по отношению к изменениям его вверху не было бы. Таким образом, чем медленнее разрушается озон в тропосфере, тем больше запаздывание. Время жизни озона (время его релаксации) зависит от физических условий. Поэтому оно различно на разных широтах. Например, в высоких широтах северного полушария это время равно примерно 40 суткам. По мере удаления от высоких широт к низким это время удлиняется. Этот рост времени жизни озона резко увеличивается, когда мы переходим из средних широт в приэкваториальную зону (30о северной широты — 0о северной широты). При переходе через экватор по направлению к Южному полюсу эти изменения времени жизни озона продолжаются. Выделяется полоса в южном полушарии между 30 и 60о южной широты. Здесь время жизни озона растет по сравнению с таковым в высоких широтах медленнее, чем в экваториальной зоне. Оно достигает 90 суток, то есть более чем в 2 раза превышает время жизни в северных высоких широтах.

Сезонные изменения озона в тропосфере зависят от поступления озона сверху, из стратосферы, а также от того, как этот уже тропосферный озон перераспределяется горизонтальными движениями. Тут работают два фактора. Во-первых, в продолжение года меняется количество озона в стратосферном резервуаре. Если его там больше, то больше его поступит и в тропосферу. Во-вторых, канал стратосфера — тропосфера работает не одинаково эффективно в разные сезоны. Так, летом обмен воздухом (а значит, и озоном) между стратосферой и тропосферой усиливается. Зимой он меньше.

Сами сезонные изменения озона наиболее ощутимы в самой нижней части тропосферы. С ростом высоты (примерно до уровня 700 мбар) сезонное различие уменьшается. Но еще выше оно увеличивается.

Если учесть указанные выше факторы, от которых зависит сезонное изменение количества озона на разных высотах в тропосфере, и воспользоваться экспериментальными данными в годовых изменениях озона на этих высотах, то можно оценить, сколько озона приходит сверху. Оказалось, что поток приходящего сверху озона имеет наибольшую величину примерно около 40–50о северной широты. Он составляет около 9 × 10^10 молекул/см^2. По мере продвижения к экватору, а затем и к высоким широтам южного полушария этот поток уменьшается. Так, на широтах 60–70о южной широты он почти в 4 раза меньше. Но это только оценка. Точно определить этот поток не просто. Тем более, что он не является постоянным.

Озон в тропосфере распределяется не только в результате указанных выше движений сверху вниз и снизу вверх. На его распределение оказывают влияние и местные, локальные условия. Свидетельством этого является слоистая структура озона в тропосфере. Сильное убывание озона наблюдается под слоями инверсии температуры. Такие наблюдения проводились с помощью аппаратуры, установленной на самолетах. Аппаратура регистрировала в области обширного антициклона на высоте 500 м очень плотный слой озона. Плотность озона в слое составляла 440 мкг × м-3. Такая стратификация в нижней тропосфере регистрировалась довольно часто. В самолетных измерениях были обнаружены не просто тонкие слои, а пятна озона.

В настоящее время имеются различные мнения относительно стоков и истоков озона непосредственно в тропосфере. Что касается приземного озона, то тут такой вопрос не возникает. Здесь имеются как явные и весьма эффективные источники озона, так и ловушки для него, в результате существования которых он разрушается и выходит из игры. Рассмотрим это подробнее.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ОЗОНА

Этот термин не очень удачный. Неискушенный читатель может подумать, что речь идет об общем содержании озона во всей атмосфере Земли. Но это не так. Речь идет о содержании озона от поверхности Земли до верхней границы, но не во всей атмосфере, а только в цилиндрическом столбе, сечение которого равно всего 1 см^2. Поэтому лучше было бы это количество озона назвать не общим, а суммарным по высоте. Но термин есть термин. Его менять нельзя. Самое главное — знать и не забывать, что он обозначает.

Чтобы иметь все же представление о количестве молекул озона в столбе сечением 1 см^2, укажем, что для средних широт высота столба (при нормальных условиях) составляет 3,45 мм, или 345 мсм. Это значит, что общее содержание озона равно 345 Д.Е. (единиц Добсона). В этом столбе содержится 7,39 г озона, или 9,27 × 10^22 молекул озона. Несложно определить (оценить) и общее количество озона во всей атмосфере Земли. Эта оценка дает величину 3,267 миллиарда тонн озона. Для наглядности скажем, что это приблизительно соответствует массе 3,2 км^3 воды океана. Водяного пара в атмосфере содержится по массе в 3800 раз больше, чем озона. Правда, в самой стратосфере озона на 60 % больше, чем водяного пара.

На каждой высоте в атмосфере имеются свои источники озона и свои стоки. Молекулы озона живут на разных высотах разное время. Кроме того, идет непрерывный обмен озоном между разными уровнями (стратосферный озон опускается даже к поверхности Земли, и, наоборот, приземный озон поднимается в стратосферу и выше) и между разными широтами. Зная такую сложную мозаику жизни озона, можно спросить: что полезного в такой обезличенной величине, как общее содержание озона? Вопрос в определенной мере законный. Но многолетний опыт исследований показывает, что знание общего содержания озона вместе со знанием его вертикального распределения дает очень много для понимания природы атмосферного озона.

Общее содержание озона измеряется давно во многих точках земного шара. Измерения проводятся с помощью приборов, установленных на земных обсерваториях, на судах, на самолетах, ракетах и спутниках. По-видимому, наиболее уверенно можно будет говорить об антропогенном влиянии на атмосферный озон по результатам измерения его общего содержания в разных регионах земного шара.

Наибольшее общее содержание озона наблюдается в высоких широтах северного полушария. По мере приближения к экватору оно уменьшается. В первую половину лета (с марта по июнь) в северном полушарии наивысшее значение общего содержания наблюдается в полярной области. Оно больше 400 Д. Е. Во второй половине лета (май — сентябрь) наблюдается вторичный относительный максимум общего содержания озона на широтах 50–55о северной широты. В период от августа до февраля в полярной области имеет место минимум общего содержания. Правда, в «темное» время измерений значительно меньше. Между тропической зоной и умеренными широтами наблюдается разрыв данных. Он возникает потому, что в тропической зоне слой озона расположен высоко, а в умеренных широтах — низко. В тропической зоне слой озона тонкий, а в умеренных широтах толстый. Эти два слоя на границе между указанными зонами должны сшиться, но эта сшивка не происходит плавно, незаметно. Часто, особенно весной, озон из максимумов умеренной зоны заносится в тропическую зону. Тогда будут наблюдаться два максимума: один свой, тропический (он выше), и второй за счет озона, занесенного из умеренных широт (он ниже). Это и воспринимается как разрыв. Разрыв расположен на 25о северной широты в октябре и 28о северной широты в мае.

В экваториальной зоне имеются линии сходимости воздушных течений. К северу и югу от экватора находятся северная и южная ветви внутритропической зоны конвергенции. Обе эти ветви сказываются на величине общего содержания озона в экваториальном поясе. Благодаря им здесь имеется тонкая структура, поскольку в месте прохождения каждой из ветвей общее содержание озона уменьшено. Естественно, что между этими областями, где расположены местные минимумы общего содержания озона, то есть на экваторе, общее содержание больше. На экваторе находится его наибольший максимум.

Тропическая зона южного полушария, так же как и тропическая зона северного полушария, характеризуется равномерным распределением общего содержания озона. Сама величина его в тропической зоне не велика (вдвое меньше, чем в полярной северной области). По мере удаления от тропической зоны по направлению к Южному полюсу общее содержание озона увеличивается. Оно достигает максимальной величины на широтах 50–60о южной широты. По мере дальнейшего продвижения к Южному полюсу общее содержание уменьшается. Пользуясь современной журналистской терминологией, в Антарктиде имеется озонная дыра. Наличие провала в общем содержании озона в Антарктиде достоверно подтверждается многолетними данными измерений озона, проводимыми на станции Амундсен-Скотт на Южном полюсе.

Широтное распределение общего содержания озона зависит от сезона. Это очень любопытно — происходит как бы перекачивание озона из одного полушария в другое в зависимости от сезона. В предлетнее равноденствие (март в северном полушарии) общее содержание озона больше, чем в предзимнее равноденствие (октябрь в северном полушарии). Соотношение в абсолютных единицах измерения такое: 331 и 278 Д. Е. Ясно, что общее содержание озона в обоих полушариях меняется так же, как меняются сезоны. Это значит, что когда (в марте) в северном полушарии имеется максимум в общем содержании озона, то в южном полушарии имеется минимум, и, наоборот, в октябре в северном полушарии имеется минимум общего содержания озона, а в южном полушарии в это время имеется его максимум. Соотношение между минимумом и максимумом в южном полушарии следующее: 274,9 Д.Е. в марте и 312,8 Д.Е. в октябре. Но несмотря на эту «перекачку» между полушариями, южное полушарие беднее озоном, чем северное. Его среднее общее содержание оценивается в 292,1 Д.Е., тогда как в северном полушарии эта величина равна 301,6 Д.Е.

Говоря о «перекачивании», мы должны отдавать себе отчет в том, что это только кажущийся эффект. На самом деле в зимней стратосфере больше озона. Мы видели, что максимум озона зависит от высоты. По мере понижения он смещается на какое-то время от зимы к лету. Чем ниже, тем больше это смещение (запаздывание). Когда измеряется общее содержание озона, то информация о распределении максимума озона с высотой теряется. Все суммируется. Поэтому и выясняется нечто среднее, срединное — март и октябрь. Таким образом, речь не идет об истинном «перекачивании» озона из одного полушария в другое в марте и октябре.

Общее содержание озона от случая к случаю может меняться очень значительно. Надо представлять себе, какими по величине могут быть эти изменения, как часто могут они появляться и где. В наше время очень много обсуждений значительного уменьшения озона в некоторых районах земного шара. Укажем, что и раньше не так уж редко наблюдались очень низкие величины общего содержания озона. Так, в 1942–1944 годах в Тромсе (Скандинавия) наблюдалось общее содержание озона, равное 68 Д. Е. Это примерно всего 10 % общего содержания, которое наблюдалось 15 марта 1974 года в Нагаево (Якутия).

Еще в 1965 году И. М. Долгин и Г. У. Каримова обсуждали проблему очень низких величин (180 Д.Е.) общего содержания озона в Арктике и Антарктике. Анализировались данные, полученные не только на озонометрах М-83, но и на более надежных приборах. Анализировались, в частности, и данные озонометрической станции Дюмон-Дюрвиль в Антарктике. Так что еще тогда были все основания говорить об озонных дырах (провалах) в Антарктиде и Арктике.

Мы уже упоминали о том, что озонометры иногда регистрируют выбросы, то есть величины общего содержания озона, которые намного больше обычных значений. Являются ли эти выбросы чем-то случайным или же отражают определенные физические процессы в атмосфере, которые приводят к столь значительным изменениям общего содержания озона? Конечно, выбросы не являются случайными. Когда холодная воздушная масса, в которой озона много, встречается с теплой воздушной массой, в которой озона мало, то измерения общего содержания озона могут показать как нормальные величины, так и очень высокие (за счет озона холодной воздушной массы). Иногда в течение нескольких дней подряд регистрируются очень высокие значения общего содержания озона.

В умеренных широтах зимой и весной теплые и холодные воздушные массы появляются примерно одинаково часто. Летом же холодные воздушные массы появляются здесь очень редко. Наблюдения действительно показывают, что зимой и весной (с ноября по апрель) в умеренных широтах изменчивость общего содержания озона небольшая. В это время условия для горизонтального переноса (адвекции) озона наиболее благоприятны, так как возникают наибольшие перепады общего содержания озона по широте. Динамические процессы в зимне-весенний период охватывают даже часть тропического пояса. Только вблизи самого экватора они не сказываются на общем содержании озона.

В тропическом поясе обнаружены периодические изменения общего содержания озона с периодом, равным примерно 26 месяцам. Поэтому эти периодические изменения озона назвали квазидвухлетней вариацией. Причиной этих изменений являются такие же периодические изменения в циркуляции атмосферы в этом широтном поясе. Стратосферный ветер на этих широтах меняет свое направление на противоположное с таким же периодом (примерно 26 месяцев).

Наибольшие значения общего содержания озона в экваториальных широтах наблюдаются тогда, когда западная фаза стратосферных ветров меняется на восточную. Смысл происходящего состоит в следующем. Фаза стратосферной циркуляции в тропическом поясе определяется степенью развитости субтропических стратосферных антициклонов, их наличием или отсутствием. При западной фазе циркуляции атмосферы в экваториальном поясе субтропические антициклоны более размыты и циклоническая циркуляция распространяется на все северное полушарие. Это способствует выносу озона из тропической стратосферы. Когда западная фаза меняется на восточную, усиливается зональная (направленная с запада на восток) циркуляция в последующем году. При этом вынос озона из тропиков уменьшается, поэтому его общее содержание увеличивается.

Описанные изменения как циркуляции в стратосфере, так и количества озона не являются строго периодическими. Собственно, это можно сказать и обо всех других процессах в околоземном пространстве и на Солнце. Поэтому такие изменения называют не периодическими, а циклическими. Цикличность в данном случае вопреки самому термину разрешает периоду изменять свою продолжительность (в некоторых пределах).

Анализ данных одной из самых долго работающих озонометрических станций — Ароза (Швейцария) показывает, что каждый год, начиная с 1980 года, среднегодовые значения общего содержания озона меньше, чем были за 60-летний период до этого. Это понижение в среднем составляет 4 Д. Е. Основное уменьшение озона происходит на высотах 18–22 км. Об этом свидетельствуют измерения над Пайерне. Одновременно содержание озона в тропосфере и на тропопаузе увеличивалось.

ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ И ОЗОН

Прежде чем рассмотреть, как движется воздух в земной атмосфере, полезно рассмотреть такой опыт. Наполним комнату или какую-нибудь камеру дымом для того, чтобы можно было наблюдать за движением воздуха (дым будет двигаться вместе с воздухом). Затем в одной части комнаты создадим вихри воздуха (дыма), закрученные в одну сторону, а в другой части комнаты — вихри дыма, закрученные в противоположную сторону. Известно, что движение воздуха (или другого газа), которое состоит из вихрей (вихри могут иметь разные размеры), является турбулентным. Имеется и другой тип движения газа — когда он движется ровной струйкой, без каких-либо завихрений. Такое движение называют ламинарным. Если скорость ламинарного движения увеличивается, то оно может превратиться в турбулентное. При этом ровная струйка дыма будет распадаться на отдельные колечки, завихрения. Установлен точный критерий тех условий, при которых совершается такой переход. Этот критерий записывают или так называемым числом Рэлея, или числом Ричардсона. Если число Рэлея превышает определенное критическое значение, то ламинарное течение превратится в турбулентное. Это критическое состояние перехода ламинарного течения в турбулентное определяется не только скоростью движения газа, но и его вязкостью. Если вязкость газа велика, то, естественно, образование вихрей происходит при меньших скоростях движения, нежели в тех случаях, когда вязкость газа мала.

Теперь вернемся к рассмотрению опыта с турбулентными движениями в комнате. Создадим посередине между двумя областями вихревых (турбулентных) движений движение воздуха в виде струи. Это струйное ламинарное течение воздуха будет разделять части комнаты, в которых имеется вихревое движение воздуха с противоположно закрученными вихрями. Затем будем поддерживать такую ситуацию как можно дольше, изменяя в возможных пределах скорости турбулентных движений и скорость воздушного струйного течения (но она все время должна быть меньше некоторого критического значения, чтобы не распасться и не образовать вихри).

Что дадут нам такие наблюдения? Главное из того, что мы увидим, — никогда воздушные вихри не пересекают ламинарного струйного течения воздуха. Эти течения являются своего рода неприкосновенными барьерами для турбулентных движений воздуха (или другого газа).

Какое это имеет отношение к озону? Самое прямое, поскольку он переносится в глобальном масштабе воздушными массами. Если где-либо в атмосфере существуют ламинарные струйные течения, то они ограничивают турбулентное движение воздушных масс, а значит, они ограничивают и перенос озона.

Ламинарные потоки воздуха в атмосфере создаются в том случае, если скорость воздушного потока не меняется (или очень мало меняется) поперек самого потока. Если вы находитесь в центре воздушного ламинарного потока и смотрите точно вслед уходящему от вас воздуху, то и слева и справа от вас скорость такая же (или почти такая же), как и в том месте, где вы находитесь. То, что такие струйные потоки воздуха в атмосфере имеются, метеорологи знают давно. На любой синоптической карте они прежде всего ищут, где проходят струйные течения воздуха. По обе стороны от этих течений (мы рассматриваем картину в плоскости карты, то есть в горизонтальной плоскости) ситуация в атмосфере принципиально отличается. В области струйного течения (по оси) скорость ветра максимальна и мало меняется по мере удаления от оси струйного течения (то есть перпендикулярно оси).

Но за его пределами скорость ветра по мере удаления от струйного течения падает. Это значит, что если течение направлено с востока на запад или наоборот, то в направлении север — юг перепад скорости ветра по направлению к югу от течения будет иметь один знак (она будет уменьшаться), а севернее течения в том же южном направлении перепад скорости будет иметь противоположный знак. Эта разница в перепадах (градиентах) скорости ветра севернее и южнее струйного течения является определяющей для воздушных масс в этих регионах. Фактически именно из-за нее образуются две очень отличающиеся по свойствам воздушные массы.

Рассматривая картину только в горизонтальной плоскости, мы всю ситуацию значительно упростили (ради более четкого выделения ее особенностей). Но синоптики располагают не одной картой для всей атмосферы. У них имеются синоптические карты, показывающие ситуацию на разных уровнях в атмосфере. Эти уровни более логично определять не высотой над поверхностью Земли, а величиной атмосферного давления, которое определенным образом зависит от высоты. Просматривая такие карты для уровней, которые соответствуют атмосферному давлению, равному 500, 300 и 200 гПа (гектапаскаль), можно видеть, что никогда горизонтальные воздушные течения, скорость которых максимальна, не пересекают атмосферные вихри. Эти течения разделяют области атмосферы с вихрями, как это мы наблюдали в комнате с вихрями из дыма.

Карты (специалист сказал бы: «карты барической топографии поверхностей 500, 300 и 200 гПа») свидетельствуют о том, что ламинарное воздушное течение существует не только на определенной широте, но и на разных высотах. С изменением долготы может меняться и широта, то есть течение отнюдь не обязательно проходит вдоль линии постоянной широты, то есть вдоль параллели. Но это ламинарное течение воздуха имеет определенную структуру и по высоте: на разных высотах оно имеет разные характеристики. Для того, чтобы представить себе трехмерную, пространственную структуру ламинарных потоков в атмосфере, проследим, как изменяется скорость воздушных потоков с высотой. Если двигаться вверх от поверхности Земли, то скорость ветра растет. Максимальной величины скорости ветра достигают там, где кончается тропосфера и начинается стратосфера, то есть на границе тропосферы — в тропопаузе. Напомним, что этот уровень — это не просто игра в термины, а высота, ниже которой температура с ростом высоты уменьшается, а выше которой она с ростом высоты увеличивается. Кстати, этот перелом в высотном ходе температуры обусловлен только наличием озона выше этого уровня, то есть в стратосфере. Озон ловит солнечное излучение и превращает его в тепло, нагревая атмосферу на этих высотах.

Таким образом, факты говорят за то, что на этом переломном уровне в атмосфере (на тропопаузе) скорость ветра, направленного горизонтально, наибольшая, максимальная. Здесь, на тропопаузе, скорость поперек воздушного потока (в направлении вверх-вниз) меняется очень мало или вообще не меняется. Значит, условие образования ламинарного воздушного потока выполняется, поэтому на высоте тропопаузы должен существовать ламинарный воздушный поток, который препятствует турбулентному движению поперек себя, то есть через тропопаузу, или, другими словами, турбулентному обмену между стратосферой и тропосферой.

Метеорологи различают в каждом полушарии три различные воздушные массы: тропическую, умеренную (то есть умеренных, средних широт) и полярную (арктическую или антарктическую). На первый взгляд, это логично, поскольку в разных широтных поясах атмосфера по-разному нагревается солнечным излучением, поэтому должны быть разными и ее свойства, в том числе и характер движения. Но из этого факта отнюдь не следует, что должны быть резкие границы между воздушными массами на указанных широтах (низких, средних и высоких). Правда, по наблюдениям, эти границы почти непрерывно смещаются туда и обратно от некоторого среднего значения. Что это за границы, чем они создаются и чем регулируются? Они образуются ламинарными потоками воздуха (струйными течениями), о которых говорилось выше. Таким образом, в каждом полушарии имеются три «сосуда» с воздухом, которые отделены друг от друга подвижными перегородками — ламинарными потоками. Эти «перегородки» почти непроницаемы для турбулентных вихрей различных размеров (от сотен до тысяч километров). Эти сосуды (широтные воздушные массы) имеют определенную автономию. Не показательно ли, что пыль (аэрозоли), выброшенная в стратосферу после извержения вулкана Святая Елена (Сент-Хеленс) 18 мая 1980 года, в продолжение нескольких месяцев находилась в пределах своего широтного пояса (между 25 и 55о северной широты). Она не могла выйти за пределы ламинарных потоков, которые ограничивали этот пояс с юга и севера. Кстати, ламинарные потоки не пропускают через себя не только турбулентные потоки, но и диффузионные, то есть перемещение вещества (той же вулканической пыли) путем диффузии. То же самое продемонстрировало и взрывное облако пыли, выброшенное в стратосферу вулканом Эль-Чичон (Мексика) 4 апреля 1982 года. Это облако, в отличие от описанного выше, находилось в тропической воздушной массе, за пределы которой пыль этого облака так и не вышла, хотя за три недели облако обошло весь земной шар.

Таким образом, на крупномасштабные турбулентные движения воздуха в земной атмосфере в глобальном масштабе наложены весьма существенные ограничения. Этими ограничениями служат ламинарные слои. Ламинарные слои практически совпадают со струйными течениями. В каждом полушарии имеются субтропические струйные течения, отделяющие низкоширотную атмосферу от высокоширотной, и полярно-фронтовые струйные течения, которые являются вторым барьером, отделяющим фронт полярных воздушных масс от воздушных масс средних (умеренных) широт. Кроме того, имеется глобальный ламинарный слой, который разделяет стратосферу и нижележащую тропосферу и также затрудняет переход турбулентных движений через него, то есть через тропопаузу.

Для нас прежде всего интересно, как наличие всех этих барьеров — ламинарных слоев — скажется на распределении озона в атмосфере. О чем говорят экспериментальные данные? В пределах тропического пояса озона меньше всего. В высоких широтах — больше всего. Но увеличивается количество озона по мере продвижения от экватора к полюсу (полюсам) не постепенно, а скачками. В пределах тропического пояса количество озона практически не зависит от широты. Затем на некоторой широте его количество скачков увеличивается. Что это за широта? Это та широта, на которой находится ламинарный слой, отделяющий тропическую воздушную массу от воздушной массы умеренных широт. Эта широта не постоянна, она смещается к югу и к северу относительно некоторого среднего значения. Так пульсирует положение этого ламинарного слоя.

В северном полушарии к северу от него озона значительно больше, чем к югу. Поэтому этот слой по его действию на озон проявляется как плотина. Легко сообразить, что имеется вторая такая же плотина в северном полушарии. Это второй ламинарный слой, который отделяет умеренную воздушную массу от полярной. Севернее этой плотины (порога) озона еще больше. Таким образом, именно крупномасштабные ламинарные слои являются причиной того, что количество озона при движении от полюса к экватору (и, конечно, наоборот) меняется ступенями. Ширина этих ступеней непрерывно меняется, но не произвольно, а в соответствии с глобальной динамикой атмосферы. Высота этих ступеней, то есть перепад в количестве озона по обе стороны ламинарного потока, также меняется, но всегда остается достаточной большой. Так, например, по данным за период 1974–1976 годов, этот перепад в общем содержании озона достигает примерно 40 Д.Е. А это очень даже немало, если учесть, что это составляет десятки процентов от общего количества озона (в столбе атмосферы). В зависимости от сезонов года меняется и глобальная циркуляция атмосферы, меняются и ламинарные слои. Причем меняется не только прочность этих барьеров, перегородок, но и их положение. Так, весной ступенчатость широтного распределения общего содержания озона в несколько раз более ярко выражена, чем осенью. Осенью общее количество озона во всех трех широтных поясах меньше, чем весной. Практически пояс значительно расширяется, поскольку ламинарный слой смещается значительно к северу (по сравнению с его положением весной). Но при этом и перепады (ступени) при переходе из одного пояса в другой значительно (в несколько раз) ниже, чем весной. Такие изменения наблюдались на широтах вдоль меридиана 60о восточной долготы. На других долготах широтное распределение общего содержания озона может отличаться от описанного выше, но принципиальные черты будут такими же.

Что касается ламинарного слоя на уровне тропопаузы, который делит воздушные массы в вертикальном направлении, то он также зависит от сезона года. Это происходит по той же причине: меняется динамика атмосферы. Так, зимой на высоте тропопаузы скорость горизонтальных ветров в несколько раз больше, чем летом. Поэтому зимой ламинарный слой на тропопаузе сильнее, чем летом. Поскольку зимой ветры на тропопаузе сильнее, чем летом, и, кроме того, занимают большие площади, то и ламинарный слой зимой более мощный и более устойчивый, чем летом. Как это скажется на распределении озона, на его общем содержании? Сильный ламинарный слой на высоте тропопаузы затрудняет поступление озона из стратосферы, где он образуется, в нижележащую тропосферу, где он может жить очень долго. Поэтому барьер в тропопаузе зимой не может не сказаться на общем содержании озона. Из-за того, что зимой ламинарный слой на тропопаузе сильнее затрудняет поступление озона в тропосферу из стратосферы путем турбулентного переноса и диффузии, общее содержание озона в тропосфере зимой в полтора раза меньше, чем летом. В жизни озона важную роль играет водяной пар. Он поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Ламинарный слой на тропопаузе задерживает и его, только не вниз, как озон, а вверх. Поэтому зимой в стратосфере водяного пара меньше, чем летом. Это же относится и к другим малым составляющим атмосферы, например к окиси углерода СО. Конечно, это не значит, что озон и другие малые составляющие вообще не проникают из стратосферы в тропосферу, и наоборот. Ламинарный слой затрудняет проникновение через тропопаузу мелких турбулентных вихрей. Измерение вертикального распределения озона действительно показывает, что на высоте ламинарного слоя озона очень мало. Поэтому этот уровень (область) назвали озонопаузой. Выше озонопаузы, то есть выше ламинарного слоя, количество озона резко увеличивается. Это та же ступень в распределении озона, которую мы уже встречали, только в данном случае она наблюдается не в широтном, а в высотном распределении озона. Наличие ламинарного слоя в любом месте в атмосфере обязательно сопровождается ступенью (скачком) в количестве озона. Это относится не только к крупномасштабным ламинарным слоям, которые мы уже рассмотрели выше, но и к меньшим по размерам, которые связаны, например, с тропическими циклонами.

Тропический циклон представляет собой своеобразную большую воронку, в которой воздух вращается вокруг некоторой центральной части, которую называют «глаз бури». На некотором удалении от глаза бури скорость движения воздуха (по кругу) достигает максимальной величины. При этом очень важно, что в этой области скорость ветра не меняется поперек этого конусообразного слоя. А это и есть условие образования ламинарного слоя. Значит, тропические циклоны (ураганы, тайфуны) приводят к образованию слоя конусообразной формы. Центральная часть циклона, совпадающая с глазом бури и окруженная ламинарным слоем, называется ламинарным столбом. Высота его достигает 10–15 км, а диаметр в верхней части — 50-200 км. Он ведет себя так же, как описанные выше ламинарные слои: не пропускает через себя турбулентные вихри и поэтому служит барьером для озона. О чем говорят наблюдения? Давно известно, что в центральной части тропического циклона, по нашей терминологии в ламинарном столбе, температура на несколько градусов (примерно на 5-12о) выше, чем на его периферии. Область повышенной температуры совпадает по всей высоте с ламинарным столбом, то есть простирается до 10–11 км и даже больше.

Ламинарный конусообразный слой вокруг глаза бури выполняет такую же роль, что и пленка (или стекло) в теплице, — он не позволяет переносить тепло посредством турбулентного движения. Кстати, парник является парником не потому, что его пленка (или стекло) пропускает одни лучи и не пропускает другие, как это принято считать, а именно потому, что стенки теплицы запрещают передачу тепла путем турбулентности. Таким образом, повышенная температура в центральной части тропического циклона имеет естественное объяснение: она обусловлена наличием там ламинарного столба. Что же касается распределения озона в центре тропического циклона и на его периферии, то наблюдения полностью подтверждают ту картину, которая должна быть вследствие ограничения, которое накладывает на движение воздуха ламинарный столб. Это значит, что в самом центре циклона, то есть в ламинарном столбе, озона мало — из периферии он сюда не заносится. Не поступает и сверху, из стратосферы. Измерения, выполненные приборами, установленными на самолетах непосредственно в глазу бури (ламинарном столбе), показывают, что там озона в несколько раз меньше, чем его имеется на этих высотах (9-16 км), когда нет ураганов. Кстати, водяного пара здесь очень мало по той же причине (дефицит влажности). Поэтому в глазу бури нет облаков, им не из чего образовываться.

Говоря о ламинарных слоях в атмосфере, нельзя оставить в стороне и полярный стратосферный вихрь, о котором, правда, уже говорилось во введении. Иногда его называют циркумполярным, видимо, для того, чтобы подчеркнуть его почти круговую форму. Во введении мы говорили, что в этот вихрь в Антарктике в зимне-осенний сезон не проникают воздушные массы из средних широт. Это происходит потому, что вихрь также окружен ламинарным слоем со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Связь количества озона с погодой была обнаружена очень давно. Но только сейчас мы в состоянии связать динамику атмосферы с распределением озона и получить единую, глобальную картину циркуляции. В этой картине основные фронтовые поверхности воздушных масс образуются и развиваются в свободной атмосфере в результате образования ламинарных слоев. Но узкие полосы максимального ветра (то есть ламинарные слои) возникают не беспричинно, а потому, что температура атмосферы меняется определенным образом. Образование различных воздушных масс (тропической, умеренной и арктической, или полярной) связано с образованием ламинарных слоев. Конкретнее, оно связано с процессом макротурбулентного перемешивания в свободной атмосфере, которое возникает по обе стороны от линии с максимальной скоростью ветра (в ламинарном слое). Вдоль ламинарного слоя, или, что то же самое, вдоль фронтальной поверхности данной воздушной массы, происходит очень эффективное перемешивание воздуха. Это, естественно, имеет место по обе стороны от оси ламинарного слоя.

Из всего вышесказанного следует один очень важный для исследователей озона вывод: по метеорологической ситуации можно сказать, какое количество озона в данном месте должно быть. Точнее, для этого надо знать, какая именно воздушная масса (тропическая, умеренная или полярная) находится под этим пунктом, где проходит фронт воздушной массы — ламинарный слой. Знание синоптической картины позволяет судить о распределении озона, и, наоборот, распределение озона позволяет представить распределение воздушных масс и даже циклонов. Если в данном пункте наблюдения озона его содержание меняется, то это, без сомнения, происходит потому, что над этим пунктом одна воздушная масса сменилась другой. В тропическом поясе смена воздушной массы другой практически исключается (умеренная и полярная воздушные массы сюда не проникают), поэтому количество озона и его распределение здесь очень стабильны.

Границы данной воздушной массы, а значит, и область озона, которые характеризуются определенным его количеством, соответствующим этой воздушной массе, меняются не произвольно, а так, что площадь, занятая этой воздушной массой (а значит, и областью озона), остается неизменной. То есть воздушная масса (и соответствующая ей область озона) является единым образованием, которое устойчиво в пространстве и во времени.

Если использовать среднюю по полушарию широту границы воздушной массы, то можно прогнозировать среднее количество озона в данном месте. Такие прогнозы достаточно хорошо оправдываются. Собственно, можно прогнозировать не только среднемесячное значение озона, но и мгновенные его значения в данном пункте или регионе. Для этого надо располагать информацией об атмосфере на уровнях 300 и 200 гПа. По этим синоптическим картам можно восстановить распределение общего содержания озона в тропосфере в данном регионе.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ

Теперь мы подошли к главному вопросу, который нас волнует, — как распределен озон в атмосфере Земли и в каких пределах меняется это распределение в разные часы суток, в разные сезоны года и т. д. Этот вопрос очень непростой. Сложность его возникает по нескольким причинам. Во-первых, озон имеется в разных слоях атмосферы — приземном слое, тропосфере, стратосфере, мезосфере. В каждом из этих слоев он рождается и погибает по своим законам. Так, в стратосфере он погибает быстро, а ниже, в тропосфере, он живет долго. Другими словами, в стратосферном озонном слое озон образуется эффективнее всего, но здесь же он и исчезает быстро. Тропосферный озон называют консервативным. Он существует значительно дольше. Озон в приземном слое воздуха имеет свои стоки и истоки. Образование его зависит как от подстилающей поверхности Земли, характера местности, так и от деятельности человека. То же относится и к скорости исчезновения озона в приземном слое воздуха. Положение усложняется еще и тем, что озон непрерывно перебегает от одного слоя к другому (как вниз, так и вверх). В результате озон, образовавшийся в стратосфере, достигает земной поверхности. С другой стороны, приземный озон поднимается вверх, в стратосферу. Конечно, не весь стратосферный озон попадает к Земле и не весь озон, образованный в приземном слое воздуха, поднимается вверх, в стратосферу и мезосферу. Часть его на различных этапах этого путешествия погибает.

Значит, нельзя рассматривать отдельно вертикальное распределение озона в каждом отдельном слое атмосферы. Надо всю атмосферу с озоном рассматривать как единое целое, единую систему, в которой отдельные слои и прослойки являются своего рода сообщающимися сосудами.

Необходимо рассматривать сразу всю атмосферу, поскольку озон (как и весь атмосферный газ) движется не только вверх-вниз, но и горизонтально и, что еще более важно, наклонно вверх и наклонно вниз. В разных местах на земном шаре атмосферный газ находится в различных физических условиях. Метеорологи говорят, что имеются различные воздушные массы (тропические, арктические и т. д.). Поэтому ни в коем случае нельзя не учитывать глобальное движение воздушных масс. Без этого мы не сможем получить глобальное распределение озона.

Тут же может возникнуть вопрос, как же могут образовываться области, в которых озона меньше, чем в соседних областях, или, другими словами, как при непрерывном движении озона и всего воздуха могут образовываться озонные дыры, как сейчас стали называть эти области. Могут. Одно другому здесь не противоречит. Но это будет рассмотрено позднее. Сейчас же рассмотрим, что нам известно о распределении озона в атмосфере.

Измерения озона проводятся уже около ста лет. Правда, для этого использовались приборы, позволяющие проводить измерения с разными точностями. Тем не менее уже сейчас можно нарисовать определенную картину распределения озона в атмосфере.

На первый взгляд кажется, что естественно анализировать распределение озона снизу, от земной поверхности, вверх, до стратосферы, мезосферы и термосферы. Но физически более обоснованно начинать рассмотрение с того места, где рождается основная часть озона, — со стратосферы. Отсюда озон поступает в другие области, как вверх, так и вниз. Конечно, в каждой области имеются и собственные источники озона.

Одновременно с вертикальным распределением озона имеет смысл рассматривать и общее содержание озона в вертикальном столбе.

Из анализа экспериментальных данных А. Х. Хргиан установил, что в низких и высоких широтах распределение озона с высотой различное. В низких широтах (между 30о северной и южной широты), в так называемой тропической зоне, общее содержание озона мало и меняется незначительно. В полярной области общее содержание озона велико. Здесь имеют место очень существенные его изменения. Водораздел между этими двумя областями проходит примерно по 30о. Ясно, что здесь характеристики озона, как и всего атмосферного газа, не меняются скачком от тропических величин к полярным. Этот переход постепенный. Поэтому можно говорить и о третьей, переходной области, которая соединяет тропическую и полярную. Вся атмосфера в этих областях ведет себя по-разному. Далеко не случайно, что в тропической зоне тропосфера простирается значительно выше, чем в полярной области. Имеются различия в общем содержании озона в областях, разделяемых струйными течениями. У воздушных фронтов также меняется количество озона. Это и естественно, поскольку озон участвует в динамике воздушных масс. Поэтому и можно использовать озон в качестве трассера при изучении движения атмосферного газа.

Что характерно для высотного распределения озона в различных зонах? В тропической зоне стратосферный слой озона находится на сравнительно большой высоте. Его максимум по парциальному давлению, равный примерно 130–160 нбар, приходится на высоты между 24 и 27 км. Общее количество озона в этой зоне небольшое — всего около 260–270 Д. Е. Здесь также нет существенных изменений озона с сезоном.

В полярной области слой озона в стратосфере расположен значительно ниже, его максимум приходится на 13–18 км. Общее содержание озона здесь значительно больше, оно может достигать или даже превышать 600 Д. Е. Имеется еще одна особенность озонного слоя в полярной области: он часто очень изрезан, то есть как будто состоит из отдельных тонких подслоев. Об этом свидетельствуют резкие изломы на высотном профиле парциального давления озона, тогда как слой озона в тропической зоне является однородным образованием. Максимальное парциальное давление озона составляет примерно 200 нбар.

Тропосфера в высоких широтах сильно прижимается. Она может оказаться ограниченной сверху уровнем 5–6 км. Парциальное давление озона в тропосфере при этом повышается.

Высотные профили парциального давления в умеренных широтах характеризуются меньшими высотами максимума слоя, чем в тропиках. Иногда появляется изрезанность слоя, то есть он становится стратифицированным, как и в полярной области. Иногда четко наблюдается второй максимум парциального давления озона, который расположен ниже основного, сразу выше тропопаузы, то есть в нижней части стратосферы. Общее содержание озона в промежуточной зоне, то есть в умеренных широтах, больше, чем в тропиках, и меньше, чем в полярных областях. Оно составляет примерно 340 Д.Е. В промежуточной зоне заметны сезонные изменения озона: к весне общее содержание озона увеличивается, а к осени — убывает.

Противоборство двух главных воздушных масс (полярной и тропической) и определяет, какие именно характеристики озона наблюдаются в данном месте. Ясно, что это противоборство скажется прежде в местах, где эти воздушные массы соприкасаются, то есть в промежуточной зоне. Здесь в моменты смены тропической массы воздуха полярной или наоборот наблюдаются очень существенные изменения озона. Они намного больше, нежели изменения, которые обусловлены изменением условий в продолжение суток, но при неизменной воздушной массе.

Положение слоя озона зависит от сезона. Ниже всего слой озона опускается в феврале. Высота максимального значения парциального давления озона в это время в Европе составляет 20,8 км, а в Северной Америке — 22,0 км. Средняя максимальная величина парциального давления на обеих станциях была равна 189 нбар. Эта величина может быть и значительно больше. Например, она составила 277 нбар на высоте 21 км над Флоридой в январе 1965 года. В это же время (спустя сутки) на другой станции США (Бедфорд) парциальное давление озона в максимуме достигло даже 298 нм. Высота максимума была значительно ниже, чем над Флоридой. Она наблюдалась на 13 км.

С приближением лета в северном полушарии высота максимума парциального давления озона постепенно увеличивается. Величина давления в максимуме при этом уменьшается. Этот подъем заканчивается к осени. Слой озона оказывается на высоте около 24 км, а парциальное давление в максимуме составляет всего 137 нбар. Это по данным европейской станции Хоэнпейссенберг. Судя по такому характеру высотных профилей парциального давления озона, можно считать, что летом преобладают тропические профили с высоко поднятым максимумом озона, но с малой абсолютной величиной парциального давления в максимуме. Зимой в промежуточной зоне часто преобладают высотные распределения озона, больше характерные для арктических воздушных масс, то есть с низким расположением максимума, но с большим абсолютным значением парциального давления в самом максимуме.

Станции, расположенные в тропической зоне, регистрируют высотные профили с высоко поднятыми максимумами и малыми величинами парциального давления в них. Так, на панамской озонометрической станции Бальбоа высота максимума почти всегда приходилась на высоту около 26 км, а парциальное давление в максимуме составляло всего 136–139 нбар. То, что здесь в характере высотного распределения озона не проявляется сезонный ход, не должно удивлять. Ведь в течение года практически не меняется циркуляция всей атмосферы. Не меняется и высота тропопаузы. Поэтому остается в продолжение года неизменным и озон. Конечно, это не значит, что высота максимума всегда равна непременно 26 км. Она может быть несколько меньше или больше этой величины. Само парциальное давление озона в максимуме, как правило, остается небольшим. Но регистрировались (правда, редко) и величины, которые превышали обычную среднюю величину.

Чем дальше от экватора, тем больше ощущается сезонное различие обоих полушарий. Наибольшим оно является в полярных областях. Это отличие касается всего. В зависимости от сезона меняется в полярной атмосфере и динамический режим, и в определенной мере состав, и температура и т. д. Естественно, что меняется и распределение озона с высотой. Летом высота максимума озонного слоя больше, чем зимой, а величина парциального давления озона в максимуме уменьшается. Такие изменения озона с сезоном характерны только для высот ниже 25–26 км. Выше этого уровня в результате движения атмосферного газа озон переносится из низких широт в высокие. Поэтому выше этого уровня (который был назван «высотой обращения») сезонный ход озона обращен относительно сезонного хода озона ниже этого уровня. Это значит, что в высоких широтах выше этого уровня зимой парциальное давление озона уменьшается, а летом увеличивается.

Большой массив экспериментальных данных в высотном распределении озона (сотни подъемов озонозондов) привел Хргиана к мысли, что уровень, где резко меняется перепад парциального давления озона с высотой, имеет особый физический смысл. Впоследствии выяснилось, что это действительно так — этот уровень очень хорошо соответствует высоте, на которой кончается тропосфера. Как известно, эта высота называется тропопаузой. Чаще всего абсолютное совпадение тропопаузы с озонопаузой (так был назван этот уровень) отсутствует. Один уровень может отличаться от другого в пределах 1 км.

Было показано, что более чем в половине случаев (56,5 %) в умеренных широтах озонопауза находится ниже тропопаузы. В тропической зоне она всегда ниже тропопаузы. В высоких же широтах чаще реализуется обратная ситуация: озонопауза выше тропопаузы.

Какой же это имеет физический смысл? Тропопауза поддерживается на постоянной высоте благодаря лучистому равновесию на этом уровне. Через этот уровень (плоскость) могут просачиваться как вверх, так и вниз воздух, а значит, и озон. В тропической зоне воздух нагревается и медленно движется вверх, в том числе и через уровень тропопаузы. Озон более консервативен и чуть-чуть отстает в этом движении. Поэтому в низких широтах тропопауза оказывается чуть-чуть (примерно на 1 км) выше озонопаузы. В высоких широтах охлажденный вверху воздух опускается медленно вниз, проходя также уровень турбопаузы. Поскольку озон в этом движении чуть-чуть отстает, то озонопауза оказывается несколько выше, чем тропопауза.

Наблюдения показывают, что в летний сезон меньше всего различие между тропопаузой и озонопаузой. Это можно понять так, что летом вертикальная циркуляция озона значительно меньше, чем зимой и весной.

Слой озона далеко не всегда характеризуется одним максимумом. Довольно часто кроме основного максимума на высоте 22–25 км имеется и второй, немного меньший, на высоте 12–13 км. Это расслоение слоя озона наиболее характерно для промежуточных широт в сезоны наибольшей изменчивости озонного слоя (зимой и весной). В экваториальных широтах такое расслоение практически наблюдается очень редко. В высоких широтах основной максимум озонного слоя, как и тропопауза, значительно прижат вниз, и второй максимум озона не наблюдается (формально можно считать, что оба максимума сливаются).

По-видимому, наибольший интерес представляет установленный факт, что расслоение озонного слоя связано определенным образом с динамикой воздушных масс. По данным измерений озона в Европе, было установлено, что образование второго, нижнего максимума озонного слоя связано с антициклоном. Причем второй максимум возникал за 3–4 дня до прихода в эту область циклона. Например, данные за 15 месяцев, полученные во Франции, показали, что второй максимум в озонном слое возникал тогда, когда в Центральной Европе находился мощный антициклон. Как известно, антициклон связан с нисходящими движениями воздуха, которые охватывают не только тропосферу, но и стратосферу. Такие движения могут приводить к наполнению озоном ниже главного максимума.

Связь озона с движениями воздушных масс, а значит, и с погодой, мы рассмотрим позднее. Здесь только укажем, что, вероятно, по изменениям в вертикальном распределении озона можно будет предсказывать погоду. Но в настоящее время этот вопрос еще далек от своего решения.

В низких широтах тонкая структура озонного слоя практически отсутствует, то есть слой озона однороден. По мере удаления от экватора за пределами тропической зоны ситуация меняется. Приборы начинают регистрировать неоднородности озона в виде тонких слоев. Если рисовать зависимость количества озона от высоты кривой, то эти слои будут видны как отдельные зубцы. Чаще всего такие зубцы, свидетельствующие о стратификации озона, наблюдаются в нижней части озонного стратосферного слоя.

Неоднородная (тонкая) структура озонного слоя проявляется не только в умеренных, но и в высоких широтах. Здесь высотные профили озона в большинстве случаев изрезаны зубцами.

Жизнь озона в стратосфере наиболее тесно связана с температурой. От нее зависит скорость гибели озона. Каждый излом в высотном ходе температуры обязательно проявляется в количестве озона. Чем больше перепад температур по высоте, тем больше озона имеется. Причем перепад должен быть таким, чтобы в данном месте имелось условие инверсии: температура выше должна быть больше, чем на нижележащем уровне. Под инверсионными слоями температуры парциальное давление озона уменьшается.

Когда инверсия температуры наблюдается в приземном слое воздуха, то это затрудняет движение воздуха вверх (вверху температура выше, чем внизу, и воздуху не резон туда двигаться). Примерно такая же ситуация создается и в стратосфере, где имеются инверсионные слои. Но этим не исчерпываются все возможные влияния инверсионных слоев на распределение озона. Инверсионный слой, видимо, задерживает поступление озона сверху, поэтому ниже инверсионного слоя количество озона меньше. Конечно, не следует ограничиваться только вертикальными движениями озона (вверх-вниз). В реальных условиях эти движения являются наклонными, в том числе и наклонно-нисходящими. Тогда можно ожидать, что озон на определенный уровень может заноситься с вышележащего слоя, который находится не точно сверху, а сбоку. Такие движения озона (и вообще воздуха) называют адвективными. То, что в результате наклонно-нисходящих движений воздуха (а значит, и озона) может происходить смещение вниз максимумов (главного и более нижнего — второстепенного) озонного слоя, было показано экспериментально при одновременных измерениях на разных станциях.

Ясно видно, что образование тонких слоев в пределах озонного стратосферного слоя связано именно с различными движениями. Объяснить распад озона между слоями действием фотохимических реакций или слоев аэрозолей довольно трудно. Во всяком случае, при нормальных аэрозольных слоях распад озона составит не более 2 %. Но ситуация может измениться в корне, если аэрозоли будут иметь соответствующие состав и концентрацию. При этом может разрушаться значительное количество озона.

Тонкие слои озона очень быстро разрушаются, то есть неоднородности в распределении озона с высотой через какое-то время исчезают. Так, если толщина слоя составляет, например, 400 м, то он разрушится (рассосется) уже через 6 часов. Это разрушение происходит в результате перемешивания. Скорость его определяется коэффициентом турбулентной диффузии. Для того, чтобы слой озона при обычных величинах коэффициента турбулентной диффузии существовал в продолжение нескольких суток, он должен иметь толщину, равную не менее 0,5 км. Если он не поддерживается адвективными движениями, то в конце концов он рассосется.

Таким образом, образование тонкой структуры озонного слоя связано с различными типами движений атмосферного газа вместе с озоном. Это и адвективные движения, в результате которых озон заносится в данное место из других мест, которые богаты озоном. Но когда таким путем образовался тонкий слой (прослойка) озона, то его дальнейшая судьба зависит от того, насколько эффективно перемешивание там, где находится слой. Если перемешивание в результате турбулентной диффузии эффективно, то границы слоя постепенно размываются и сам слой через какое-то время рассасывается. Понятно, что чем тоньше слой, тем быстрее это произойдет.

Различные движения атмосферного газа с озоном (адвекция, конвекция, турбулентная диффузия) зависят от конкретных физических условий. Поэтому естественно, что они должны зависеть от сезона. Где сезонные различия больше, там и более значительные изменения должны происходить в процессах, которые формируют тонкую структуру озонного слоя. Тут имеется еще один момент: по сезонным изменениям структуры и характеристик озонного слоя можно делать вывод, в результате каких процессов эти изменения происходят. Другими словами, в структуре озонного слоя содержится информация о процессах, протекающих в различных его частях.

Если рассматривать весь озон от поверхности Земли до мезосферы, то вырисовывается такая картина его распределения в зависимости от сезона. В самой нижней части атмосферы от поверхности Земли до высоты, примерно равной 8–9 км (на этом уровне атмосферное давление равно примерно 400 мбар), сезонный ход озона прост и логичен. Здесь озона больше летом, чем зимой. Это потому, что в летнее время озон поступает вниз из стратосферы наиболее интенсивно, поскольку обмен воздухом между стратосферой и тропосферой летом наиболее эффективен. Сезонный ход характеризуют не просто количеством озона от месяца к месяцу, а берут разницу между максимальным и минимальным значениями парциального давления озона за год и делят ее на сумму этих величин. Умножив полученное число на 2, получают относительное число годовых различий парциального давления озона. Это число и меняется в приземной части тропосферы на 100 % и более. Наиболее сильно меняется количество озона в течение года в самой нижней части тропосферы. Здесь изменения могут достигать 100 %. Выше (но до высоты 8–9 км) эти изменения постепенно ослабевают и при приближении к этой высоте составляют только 50–60 %.

Сезонный ход количества озона (его парциального давления) выше 9 км более сложен. Это связано с движениями озона выше этого уровня. Эти движения выглядят так. В верхней стратосфере воздушные массы вместе с озоном двигаются от экватора в умеренные широты. Затем происходит постепенное их движение вниз. При этом озон оседает с верхней стратосферы в нижнюю. Такое оседание озона происходит в течение всей зимы. Результат этого оседания (повышенное количество озона), естественно, зависит от высоты. Наиболее отчетливо зимний максимум количества озона проявляется на высоте, где атмосферное давление равно приблизительно 200 мбар. Этот уровень находится значительно ниже максимума озонного слоя.

На более низких уровнях озон сверху доходит в результате оседания позднее. Поэтому его максимум смещается с середины зимы на ее конец и даже на весну. Чем ниже, тем это смещение больше. Так, чуть выше 9 км максимум уже приходится на апрель. Естественно, что соответствующим образом смещается и время минимума количества озона. Так, если максимум его на высоте около 12 км приходится на март-февраль, то минимум имеет место в сентябре или октябре. Поэтому, говоря о сезонных изменениях озона, всегда надо помнить, о какой высоте идет речь, поскольку в нижней части стратосферы они полностью противоположны сезонным изменениям в нижней тропосфере: внизу максимум озона имеет место летом, а вверху — зимой. На промежуточных высотах наблюдается главный переход от одной сезонной зависимости к другой.

Чем выше уровень, где сезонный ход с зимним максимумом наибольший, тем годовое изменение становится менее выраженным. Уже выше примерно 25 км снова наблюдается такой же сезонный ход, что и у Земли, с максимумом озона летом (июль). Если зимний максимум в нижней части стратосферы обязан своим существованием движениям воздуха с озоном, то летний максимум выше 25 км обусловлен фотохимическими процессами. Динамические процессы медленные. Они меняют количество озона на этих высотах за 2–3 месяца. А изменения, связанные с образованием озона под действием солнечного излучения, — быстрые. Поэтому определяющей на этих высотах является интенсивность солнечного излучения. Летом она больше, поэтому больше и количество озона. Но динамические процессы сбрасывать со счетов нельзя. Так, кроме основного летнего максимума озона, который совпадает с максимумом интенсивности солнечного излучения и вызван им, имеется и весенний максимум. Этот весенний максимум связан с движениями атмосферного газа.

О том, что динамика важна и выше 25 км, говорит и тот факт, что минимум озона наступает еще в ноябре, то есть до того, как солнечное излучение станет минимальным. Это еще раз подтверждает, что мало учитывать только интенсивность солнечного излучения. В то же время точный учет динамических процессов очень непрост: слишком быстро может меняться ситуация из-за различных движений атмосферного воздуха (вместе с озоном).

Ситуация меняется существенно ото дня ко дню, хотя такие изменения в количестве озона не могут быть объяснены изменениями солнечного излучения. Обычно отклонения какой-либо величины от среднего значения характеризуют различными показателями. Часто для этого используют среднее квадратичное отклонение. Чем больше разброс данных измерений озона на одной и той же высоте, но в разные дни, тем больше среднее квадратичное отклонение.

Данные измерений озона за десятки лет обрабатывались, и при этом и по разным станциям для разных высот рассчитывались средние квадратичные отклонения. Такие расчеты были выполнены. Расчеты показали, что наибольшие изменения озона ото дня ко дню наблюдаются на высотах 12–15 км. Чем ниже от этой высоты, тем средние квадратичные отклонения парциального давления озона меньше. Около 5 км они минимальны. Еще ниже отклонения несколько увеличиваются.

Состояние атмосферы, и прежде всего ее динамика, зависит от сезона. Ясно, что и изменчивость озона в разное время года должна быть различной. По измерениям в Потсдаме (вблизи Берлина) получено, что наибольшая изменчивость высотных профилей озона наблюдается в январе-марте. Это естественно, поскольку в эти месяцы происходят многие возмущения западной стратосферной циркуляции. Эти возмущения и вызывают соответствующие возмущения озона. При восточной стратосферной циркуляции таких возмущений намного меньше. Поэтому летом (в мае — сентябре) при восточной циркуляции изменчивость озона меньше.

Выше 15–16 км положение значительно стабильнее. Чем выше этого уровня, тем изменчивость меньше. Так, около 21 км среднее квадратичное отклонение в несколько (2–3) раз меньше, чем в нижней стратосфере. Летние восточные движения атмосферного воздуха в стратосфере способствуют стабилизации в распределении озона. Чем ниже, тем эта стабилизация наступает позднее. То есть она распространяется сверху вниз, а на это нужно некоторое время. Это же относится и к усиленной изменчивости озона, которая связана с западной стратосферной циркуляцией. Она возникает на высоте примерно 16 км в октябре и затем постепенно распространяется вниз. Зимний тип циркуляции (западная стратосферная циркуляция) связан с развитием длинных волн, циклонов и т. д. В средней стратосфере в это время происходят изменения озона, которые связаны с этими волнами, циклонами, то есть с крупномасштабными формами циркуляции, в результате которых происходят большие переносы воздушных масс в горизонтальных направлениях. Эти крупномасштабные движения вызывают также стратосферные потепления.

Как уже говорилось, озон во всей атмосфере очень тесно взаимосвязан. Поэтому необходимо знать и о том озоне, который находится выше слоя озона в стратосфере. Здесь, в мезосфере, ситуация с озоном (с его возникновением и исчезновением) в корне отлична от таковой в стратосфере. Это отличие связано прежде всего с тем, что условия в мезосфере отличаются от условий в стратосфере.

Озон образуется с участием атомного кислорода. В стратосфере атомного кислорода очень мало по сравнению с озоном. Атомный кислород образуется под действием солнечного излучения. Как только с заходом солнца солнечное излучение «выключается», образование атомного кислорода прекращается. Тот атомный кислород, который был образован до этого момента, быстро идет на создание озона (путем соединения с молекулами кислорода). В течение ночи, пока нет солнечного излучения, не идут процессы образования озона и его разрушения. Основное разрушение озона происходит под действием солнечного излучения. Поэтому можно считать, что ночью озонный слой в стратосфере не меняется (или меняется очень мало).

Совсем другая ситуация имеется выше, в мезосфере. Известно, что чем выше, тем больше под действием солнечного излучения образуется атомного кислорода. Уже на высоте 55 км его больше, чем озона. Еще выше его еще больше. Поэтому с заходом солнца атомный кислород исчезает не мгновенно, а постепенно, в течение всей ночи. Чем выше, тем это исчезновение атомного кислорода происходит медленнее. Атомный кислород исчезает не только в реакциях с молекулярным кислородом, в результате которых образуется озон. Если атомного кислорода достаточно много, то атомы его могут часто сталкиваться друг с другом и при этом образовывать молекулы кислорода. Но при этом столкновения должны быть тройными: третье тело должно взять на себя избыток энергии, которая выделяется при объединении двух атомов кислорода в молекулу. Если такого третьего участника столкновения нет, то образование молекулы кислорода не состоится.

В мезосфере условия таковы (прежде всего количество атомного кислорода таково), что образование молекулярного кислорода из атомного проходит достаточно эффективно. Анализ указанных реакций с учетом реальных условий в мезосфере показал, что события, происходящие ночью и связанные с изменением количества атомного кислорода, сказываются и в продолжение всего последующего дня. Это происходит потому, что в ночных реакциях настолько меняются условия в мезосфере, что они восстанавливаются все светлое время суток. Поэтому равновесие, при котором количество образованного в единицу времени озона и атомного кислорода точно равно их количеству, которое разрушается за это же время, не наступает. То есть в продолжение всех суток как озон, так и атомный кислород являются существенно неравновесными. Именно поэтому озона и атомного кислорода днем выше 70 км намного меньше, нежели их было бы, если бы днем выполнялись для них условия равновесности.

Распределение озона с высотой в продолжение всей ночи непрерывно меняется. Сразу же после захода солнца озон образуется из атомного кислорода особенно эффективно. Во-первых, там есть достаточное для этого количество атомного кислорода, а во-вторых, озон после захода солнца не разлагается солнечным излучением. Второе обстоятельство определяющее. Поэтому на высоте 80 км после захода солнца количество озона увеличивается в десятки раз. По теоретическим оценкам, на высоте около 75 км концентрация озона может достигать 100 миллиардов молекул в кубическом сантиметре зимой и в три раза больше летом. Выше этого уровня концентрация озона довольно быстро убывает.

СОЛНЕЧНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ОЗОН

Как уже отмечалось, озон — активный участник формирования погоды, поскольку служит своего рода аккумулятором и преобразователем энергии, которая вносится в атмосферу волновым излучением Солнца и потоками заряженных частиц. Под их действием в атмосфере значительно изменяется количество озона, вызывая нарушение теплового режима стратосферы и, как следствие, условий в погодном слое.

Влияние заряженных частиц на атмосферу лучше всего прослеживается на фоне ослабленного действия волнового излучения Солнца. Наиболее четко такие условия реализуются в высоких широтах в полярную ночь, когда атмосфера затенена от солнечного излучения. Поэтому связь между корпускулярным излучением Солнца, погодой и климатом особенно заметно проявляется в высоких широтах в условиях местной зимы. Но это не значит, что эта связь характерна только для высоких широт: она охватывает всю планету, а высокие широты служат тем окном, через которое энергия солнечного корпускулярного излучения поступает в атмосферу и затем, распределяясь в различных направлениях, достигает ее погодного слоя.

Чтобы проникнуть в атмосферу и стратосферу, заряженные частицы должны обладать достаточной для этого энергией. Чем меньше высота атмосферы, тем плотнее атмосферный газ и больше нейтральных частиц, которые встречает на своем пути заряженная частица. При каждом столкновении с ними заряженная частица теряет часть своей энергии, которая идет на ионизацию атомов и молекул атмосферных газов, на нагрев атмосферы, на диссоциацию молекул, на возбуждение атомов, молекул и ионов. Растратив всю свою энергию, высокоэнергичная частица становится низкоэнергичной (тепловой). Это значит, что ее скорость сравнялась со скоростью всех других окружающих ее частиц, совершающих тепловые движения. Но теперь уже заряженной частице не хватает энергии для продолжения ионизации и поступательного движения в более глубокие слои атмосферы. Исходя из этого можно достаточно уверенно указать тот уровень в атмосфере, до которого способна проникнуть заряженная частица с данной массой и данной энергией.

В мезосферу и стратосферу могут проникнуть только заряженные частицы с энергиями больше определенного значения. Такими частицами являются галактические космические лучи. Скорость этих частиц, представляющих собой ядра легких химических элементов, и прежде всего водорода, достаточно и для того, чтобы попасть не только в стратосферу, но и в тропосферу. Именно галактические космические лучи производят ионизацию атмосферных газов на высотах от 5 до 30 км. Интенсивность этих частиц, как уже говорилось, косвенно связана с солнечной активностью: чем она выше, тем меньше галактических космических лучей, достигающих атмосферы.

Выше говорилось о космических лучах, которые нерегулярно исходят из активных областей Солнца и связаны с его хромосферными вспышками. Эти лучи состоят преимущественно из протонов, поэтому вспышки, которые сопровождаются их выбросом, называются протонными вспышками. Солнечные космические лучи, приходящие в атмосферу высоких широт после протонных вспышек, способны увеличить концентрацию ионов в стратосфере в десять и более раз.

Кроме галактических и солнечных космических лучей в среднюю атмосферу проникают и высокоэнергичные (релятивистские) электроны из радиационного пояса Земли, а также электроны из более далеких областей магнитосферы. Электроны вторгаются в атмосферу значительно чаще, чем протоны. Взаимодействуя с плотной атмосферой, они порождают рентгеновские лучи, способные прорываться в нее глубже, чем сами электроны. При торможении электронов атмосферой возникает тормозное рентгеновское излучение, увеличивающее количество озона на высоте примерно 50 км. В свою очередь высокоэнергичные протоны уменьшают его содержание на высотах ниже 60 км. Все это вызывает изменение нагрева стратосферы, а значит, и погоды — ведь нарушается картина циркуляции атмосферы.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом ведутся широкие исследования явлений, возникающих в высоких широтах и связанных с вторжением заряженных частиц и изменением количества озона в мезосфере и стратосфере. При этом используется целый арсенал экспериментальных средств, включая ИСЗ, исследовательские ракеты, самолетные лаборатории и наземные измерительные комплексы.

В программу этих исследований входят и наблюдения за высотным распределением концентрации озона. Высотный профиль озона определяется посредством измерения рассеянного атмосферой ультрафиолетового излучения Солнца. А так как излучение с разными длинами волн поглощается на разных высотах, то его замеры с помощью сканирования спектрометрами ведут на нескольких, например, двенадцати, длинах волн.

Один из таких экспериментов по измерению полного содержания озона в столбе атмосферы единичного сечения (1 см^2) был проведен американскими учеными с помощью спутника «Нимбус-IV» в июле-августе 1972 года. 4 августа 1972 года в атмосферу высоких широт произошло вторжение высокоэнергичных протонов, вызвавшее там уменьшение количества озона на 20 %. Пониженная концентрация озона сохранялась в высоких широтах свыше трех недель. В атмосфере средних широт процент озона также заметно упал. Спустя двое суток содержание озона после резкого, но кратковременного снижения восстанавливалось до невозмущенной величины и затем в течение недели вновь постепенно падало. В это время над тропиками изменений в содержании озона не наблюдалось.

Все эти результаты относятся к летним условиям. Аналогичные измерения были тогда же проведены в южном полушарии, где была зима. Оказалось, что в момент вторжения высокоэнергичных протонов в высокие широты этого полушария количество озона снижалось еще более значительно.

Данные о высокоширотном содержании озона, полученные спутником «Нимбус-IV», потребовали дополнения сведениями об изменении других физических величин, например энергии, поступающей в стратосферу в результате вторжения заряженных частиц. Новые сведения могли дать только одновременные наблюдения с помощью ракет, спутников и приборов, установленных на Земле.

На Аляске была осуществлена большая серия измерений с запуском большого количества ракет и аэростатов и использованием всевозможных наземных приборов. Так, специальная аппаратура, установленная на больших аэростатах, фиксировала рентгеновское тормозное излучение и интенсивность космических лучей на расстоянии примерно 40 км от поверхности Земли. На этих же высотах измерялась величина проводимости атмосферы. О высотном распределении озона информировали приборы на шарах-зондах. С помощью мощного радиолокатора измерялись параметры ионосферы и вторгающихся потоков заряженных частиц. Одновременно замерялись температура, плотность и скорость движения атмосферы (ветер), определялись параметры атмосферы, ионосферы и магнитного поля, а также полярных сияний.

В проведении этих сложных экспериментов участвовали представители более десяти крупных научно-исследовательских организаций. Исследования подтвердили необходимость комплексного подхода к изучению влияния солнечного корпускулярного излучения на характер атмосферных процессов. Было установлено, что количество озона, увеличивающееся в высоких широтах (на высотах свыше 50 км) после захода солнца, в отсутствие высыпания заряженных частиц, уменьшается на 25 % с вторжением в атмосферу этих широт высокоэнергичных электронов и приблизительно соответствует дневной норме. Эксперименты показали влияние заряженных частиц на электрические свойства атмосферы. Оказалось, что ионы в атмосфере (ниже 50 км) образуются под действием рентгеновских лучей и энергичных электронов, причем увеличение их количества ведет к росту электропроводности. Электрические параметры атмосферы изменяются очень быстро и по-разному в разных точках пространства. Это отражает неоднородность потоков заряженных частиц и временную зависимость их характеристик.

Итак, заряженные солнечные частицы, вторгаясь в атмосферу высоких широт, значительно уменьшают там количество озона. Это в свою очередь вызывает изменение теплового баланса и динамического режима атмосферы, которое захватывает и тропосферу и, таким образом, влияет на погоду.

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И ОЗОН

Если озон столь чувствителен к состоянию атмосферы и определяется во многом ее динамикой, то вполне естественно, что в его изменениях должны просматриваться те первичные факторы, которые влияют на состояние и динамику атмосферы. Главным таким фактором является солнечная активность. Ее влияние на атмосферу Земли проявляется следующим образом.

Состояние атмосферы не обязательно характеризовать строго физическими величинами, такими как температура, влажность, давление, скорость и направление ветров и т. д. О нем можно судить по косвенным признакам, например, по наличию засух, по толщине колец деревьев и т. д. Почему это приходится делать — очевидно. Ведь мы не располагаем многолетними и многовековыми рядами физических характеристик атмосферы, тем более в глобальном масштабе. А сведения о засухах и урожайных годах сохранились за очень продолжительное время. Что касается связи толщины годичных колец и засушливостью или влажностью, то она должна быть очевидной, поскольку годичный прирост дерева определяется количеством усвоенного питательного вещества, а последнее зависит преимущественно от влажности почвы. Поэтому изменение толщины годичных колец деревьев связано с чередованием сухих и влажных лет.

Зачем нам нужны столь длительные периоды? Для того, чтобы установить влияние на атмосферу Земли (и на все земные процессы) колебаний солнечной активности, необходимо исследовать данные за сотни и тысячи лет. Что же дают такие исследования? Вначале приведем некоторые факты.

В районе Великой равнины на территории США существует засушливая зона, периодически сдвигающаяся то к северу, то к югу. Длительность периода подвижек равна 22 годам, то есть соответствует 22-летнему циклу солнечной активности. На основании этих фактов было предсказано наступление засушливого лета на Среднем Западе США в 1974 году.

Засухи предсказывал еще в конце прошлого века профессор Одесского университета Ф. Н. Шведов. Он это делал на основании анализа хода ширины годичных колец акации. Его прогноз на 1882 и 1891 годы оправдался, что подтверждает реальность проявления солнечных ритмов в атмосферных процессах, в том числе и в количестве осадков.

Когда были проанализированы данные о засушливости в России за период с 1800 по 1915 год, то оказалось, что особенно неблагоприятные для сельского хозяйства годы повторялись примерно каждые 11 лет и совпадали с периодами солнечной активности. Наиболее ярко выраженные засухи приходились на 1810, 1823, 1833, 1853 годы.

Анализ большого числа данных наблюдений и других источников показал, что имеются более продолжительные группы чередования влажных и засушливых лет. Их продолжительность равна примерно 30–40 годам. Это значит, что каждая третья-четвертая засуха является особенно жестокой. М. А. Боголепов по данным о засухах в России показал, что примерно «трижды в столетие Русская равнина поражается жестокой засухой». Этот период продолжительностью 30–40 лет исследовался Брикнером и поэтому назван брикнеровским.

Имеются и более продолжительные циклы, соответствующие аналогичным циклам солнечной активности, но мы их описывать не будем.

Было показано, что состояние атмосферы (о нем судили по изменению климата) зависит не только от величины солнечной активности в данном 11-летнем солнечной цикле, но и от других характеристик изменения солнечной активности в целой серии циклов. Когда были вычислены необычные (аномальные) изменения чисел Вольфа, характеризующих солнечную активность за более чем 200 лет, то оказалось, что эти отклонения от «нормы» не появляются произвольно, случайно, а подчиняются определенному закону. Этот закон гласит, что в целом ряде 11-летних солнечных циклов отклонение чисел Вольфа от «нормы» происходит в одну и ту же сторону — или уменьшения или увеличения. Сколь продолжительны эти периоды с однотипным отклонением чисел Вольфа от «нормы»? По данным за 200 лет, они составляют примерно 42 года. Видимо, это и есть продолжительность брикнеровского цикла. А это значит, что имеются сменяющие друг друга климатические эпохи указанной продолжительности. Климат, а значит, атмосферная циркуляция такой эпохи, отличается от климата предшествующей и последующей эпох, но он похож на климат той эпохи, которая была еще до предшествующей. И если мы хотим его успешно предсказать, нам надо анализировать не только что минувшую 42-летнюю эпоху, а ту, которая была до нее. Как все эти факты связать с изменением распределения озона в земной атмосфере? Во-первых, связь озона (его количества и глобального распределения) с циркуляцией атмосферы и ее состоянием абсолютно доказана, хотя и за более короткие периоды. Во-вторых, те данные о количестве озона, которые имеются, например, на швейцарской озонометрической станции «Ароза» (они имеются с 1932 года), показывают, что количество озона меняется с периодом, примерно равным 11 годам. Но характер связи количества озона с солнечной активностью в разные эпохи разный. В течение нескольких 11-летних солнечных циклов эта связь положительная, то есть большой солнечной активности соответствует большое количество озона, а в течение других, следующих за ними циклов, эта связь отрицательная (высокой солнечной активности соответствует низкое количество озона). Не является ли это проявлением брикнеровского цикла в количестве озона? Собственно, так и должно быть, поскольку изменение состояния атмосферы и ее циркуляция не могут не сказаться на количестве озона. Для того, чтобы вышесказанное строго доказать, надо располагать данными о количестве озона не за 50–60 лет, а за несколько брикнеровских периодов, то есть за 100–150 лет. Возможно, по этой причине исследователи озона этот вопрос обходят молчанием.

Имеются и такие изменения солнечной активности, которые длятся недолго, и их влияние на количество озона можно установить. Одним из таких изменений являются переломы в ходе солнечной активности. Солнечная активность меняется с течением времени не одинаково быстро. В одних случаях эти изменения имеют плавный, постепенный характер, а в других происходят скачком. Например, если в 1970 году солнечная активность уменьшилась по сравнению с 1969 годом всего на 0,8 числа Вольфа, то в следующем, 1971 году, она упала по сравнению с 1970 годом, на 40,6 числа Вольфа. Здесь мы вправе сказать, что солнечная активность с 1970 по 1971 год изменилась (уменьшилась) скачком. Точно так же известны годы, когда солнечная активность скачком увеличилась. Иногда этот скачок в 100 раз более резкий, чем в случае нормальных изменений, которые составляют единицы чисел Вольфа.

Различные процессы на Земле и в ее атмосфере реагируют на эти резкие изменения солнечной активности. Ведь резкое усиление солнечной активности означает резкое увеличение плотности потоков заряженных частиц, исходящих из Солнца, увеличение плотности межпланетной среды. Значит, при этом должно активизироваться воздействие солнечных заряженных частиц на магнитосферу Земли. В результате вся магнитная оболочка Земли — магнитосфера — приходит в колебательный режим (это называется магнитосферной бурей), о чем свидетельствуют колебания магнитного поля Земли, которые регистрируются в разных точках на земном шаре. Анализ данных за много лет показал, что каждое увеличение скачком солнечной активности неизбежно приводит (в 100 % всех случаев) к развитию бури в магнитосфере Земли, а значит, и магнитной бури. В эти периоды возмущенность магнитного поля Земли так же (как и солнечная активность) резко увеличивается. Можно сказать, что в эти периоды происходит перелом в обычном, нормальном изменении магнитного поля Земли. В это время в атмосферу высоких широт вторгаются заряженные частицы. К чему это приводит и как это отразится на распределении и количестве озона — уже говорилось. Здесь мы рассмотрим другие стороны этого сложного процесса — бури в околоземном пространстве под действием усилившейся солнечной активности. Она охватывает не только магнитосферу, но и атмосферу. Поэтому она приводит и к изменению озона.

Изменение циркуляции атмосферы во время магнитных бурь исследовалось на очень большом числе данных наблюдений. Изучались данные за период с 1890 по 1967 год. Всего было проанализировано развитие процессов в атмосфере за время 834 магнитных бурь.

Эти анализы показали, что спустя некоторое время после начала магнитной бури атмосферное давление меняется: в одних регионах оно увеличивается, а в других уменьшается. Были выделены шесть регионов, в каждом из которых наблюдались однотипные изменения атмосферного давления. Это Восточная Сибирь, Западная Сибирь, Европа, окрестности Карского моря, Северная Атлантика.

Анализ показал, что на востоке СССР, в Северной Атлантике и на Канадском архипелаге после начала магнитной бури атмосферное давление уменьшается. Одновременно в Европе, Западной Сибири и в окрестностях Карского моря атмосферное давление увеличивается. Наиболее эффективно и быстро энергия солнечных заряженных частиц вносится в атмосферу в овалах полярных сияний на широтах вблизи 70о. Поэтому уже через двое суток после начала магнитной бури в районах высоких широт меняется атмосферное давление. Чем дальше от овалов полярных сияний в сторону экватора, тем больше времени надо, чтобы энергия заряженных частиц попала там в атмосферу и вызвала изменение атмосферного давления. Так, в восточной части СССР атмосферное давление меняется только спустя четверо суток после начала магнитной бури. При этом с увеличением широты уменьшается амплитуда изменения атмосферного давления.

Эффективность воздействия солнечных заряженных частиц на магнитосферу зависит от направления межпланетного магнитного поля в том месте, где находится Земля. Оно сказывается и на атмосферных процессах (а значит, оно должно сказаться и на количестве и распределении озона в атмосфере): при изменении его знака существенно изменяется зональная циркуляция атмосферы.

Но резкое усиление (скачок) солнечной активности воздействует на циркуляцию атмосферы, а значит, и на количество озона не только посредством заряженных частиц, которые вторгаются в атмосферу высоких широт. Имеются и другие возможности для такого воздействия, например, изменение скорости вращения Земли.

Известно, что скорость вращения Земли вокруг своей оси зависит от действия космических факторов, в частности от изменения солнечной активности. Поэтому для нее характерны вековые замедления изменения в течение года, которые имеют скачкообразный, нерегулярный характер. Итак, оказалось, что 88,9 % случаев всех резких изменений солнечной активности сопровождались скачкообразными изменениями скорости вращения Земли. Отсюда можно сделать два вывода. Во-первых, эти данные достоверно подтверждают заключение, что резкие изменения солнечной активности действительно меняют глобальные процессы (движения Земли). Во-вторых, изменение скорости вращения Земли вокруг своей оси вызывает изменение характера циркуляции атмосферного газа, что приводит к изменению количества озона и его глобального распределения.

Одним из примеров изменения атмосферной циркуляции при изменении скачком скорости вращения Земли может служить положение области пониженного атмосферного давления, наблюдаемой во все сезоны года над Исландией и называемой Исландской депрессией. Положение центра этой области изменяется в течение десятков лет в пределах 66–58о северной широты. Сопоставление изменений широты области пониженного атмосферного давления с солнечной активностью показало, что в большинстве случаев оно совпадает по времени с резким, скачкообразным изменением солнечной активности.

На резкие изменения солнечной активности реагируют не только скорость вращения Земли вокруг своей оси и характеристики атмосферы (циркуляция, давление, температура, атмосферные осадки), но и гидросфера (уровни океанов и морей, их ледовитость, температура воды и т. д.). Это значит, что меняются условия образования и исчезновения озона, дополнительно к тем, которые обусловлены изменениями условий в атмосфере.

Ветровой режим атмосферы на высотах 6 — 120 км также зависит от солнечной активности. По данным ракетного и аэрологического зондирования атмосферы, за период 1962–1970 годов над Тихим океаном и Северной Америкой было показано, что при увеличении солнечной активности ослабляется циркуляция атмосферы в поясе с широтами меньше 40о северной широты. Ранее, по данным о торможении искусственных спутников в атмосфере Земли, было установлено, что с ростом солнечной активности увеличивается плотность атмосферного газа в верхней атмосфере.

Процессы, развивающиеся в атмосфере при воздействии внешних факторов, связанных с солнечной активностью, зависят от того, в каком состоянии в момент воздействия находится атмосферный газ. Поэтому зависимость атмосферной циркуляции, а значит, и количества озона от солнечной активности будет различна в разные сезоны, на разных широтах и долготах.

Составление данных о зональной атмосферной циркуляции с уровнем солнечной активности за период с 1910 по 1960 год показало, что в периоды максимальной солнечной активности уменьшается повторяемость зональных атмосферных процессов. Дело в том, что для повторяемости необходима стабильность, а при частых вторжениях в атмосферу зоны полярных сияний заряженных частиц (то есть при высокой солнечной активности) ни о какой стабильности атмосферы не может быть и речи. В минимумах солнечной активности, напротив, нагрев атмосферы заряженными частицами в зонах полярных сияний минимален. Поэтому зональные процессы более стабильны: устанавливается преимущественно широтное направление ветров (с запада на восток).

Такая же зависимость зональной циркуляции атмосферы от уровня солнечной активности прослеживается и в течение векового цикла солнечной активности. Этот цикл в начале нашего столетия имел минимум, то есть солнечная активность в максимумах 11-летних циклов была минимальной. Поэтому в начале нашего века повторяемость зональной циркуляции была высокая. В 1930-е годы уровень солнечной активности в вековом цикле солнечной активности возрос. При этом резко упала повторяемость зональных циркуляций и стал меняться климат: началось потепление Арктики. Это произошло потому, что ветры стали преимущественно меридиональными. Поэтому усилился обмен между нагретой экваториальной и холодной приполярной областями.

Атмосферная циркуляция определяется вращением Земли, неравномерным нагревом всей атмосферы Земли (непосредственно под Солнцем атмосфера нагревается больше всего), циклонической деятельностью, характером подстилающей поверхности и ее температурой, в частности наличием гор.

Сопоставление интенсивности меридиональной и зональной (вдоль постоянной долготы) циркуляций атмосферы с солнечной активностью за продолжительный отрезок времени показало, что колебания зональной составляющей атмосферной циркуляции, то есть колебания ветров в направлении восток — запад, увеличиваются каждый раз (без исключения!) при увеличении солнечной активности. Данные были взяты по различным долготным секторам (Сибирский, Тихоокеанский, Американский, Атлантический секторы, а также суммарные показатели по всему северному полушарию). Оказалось, что практически во всех долготных секторах происходят однотипные (с одинаковой фазой) изменения атмосферной циркуляции при увеличении солнечной активности. Другими словами, отклик атмосферной циркуляции на увеличение солнечной активности носит глобальный характер.

Колебания меридиональной циркуляции связаны с солнечной активностью менее тесно, чем с зональной. В одних случаях во время высокой солнечной активности наблюдаются наибольшие колебания меридиональной атмосферной циркуляции. В других случаях они приходятся на время максимальной солнечной активности. Но это не является проявлением какой-либо случайности. Многие переходы от одной формы зависимости к другой (фазовые переходы) происходят тогда, когда происходит изменение (перелом) тенденции от затухания показателей атмосферной циркуляции к их росту (а также наоборот). Такие переломы хода атмосферных процессов всегда происходят при аномальных изменениях солнечной активности.

За счет вращения Солнца вокруг своей оси в среднем с периодом 27 суток (вещество Солнца на разных солнечных широтах обращается вокруг солнечной оси с разной скоростью) к Земле все время в течение 27 суток Солнце будет повернуто разными частями своей поверхности. Для Земли важна не вся видимая поверхность Солнца, а только та ее часть (близкая к центральному меридиану), из которой заряженные частицы смогут попасть к Земле. Поскольку активные области на Солнце, из которых выбрасываются преимущественно эти частицы, живут в продолжение нескольких оборотов Солнца, то одна и та же активная область Солнца может обстреливать Землю электронами, протонами, другими заряженными частицами (например, ядрами гелия и т. д.) несколько раз с перерывами, которые длятся 27 суток, то есть один раз за время одного оборота Солнца. Поэтому и периодичность наблюдаемой с Земли солнечной активности равна 27 суткам. Если бы наблюдатель находился не на Земле, а на самом Солнце, то этой 27-дневной периодичности активности Солнца он, естественно, не обнаружил бы. На Солнце ее как таковой нет. Что же касается изменения солнечной активности с периодами 11, 22, 33, 90, 180, 1800 лет, то она меняется независимо от того, откуда мы ведем наблюдения. Это изменение с разными периодами обусловлено как процессами внутри самого Солнца, так и влиянием всей Солнечной системы как единой колебательной системы.

Была выделена та часть изменения озона, которая обусловлена 27-дневными изменениями солнечной активности. Как и следовало ожидать, она оказалась зависящей от тех условий, от которых зависят процессы в атмосфере, — от сезона, широты, долготы, характера подстилающей поверхности. Но в среднем эти изменения озона весьма приличные. Их размах (амплитуда) достигает примерно 7 %. Укажем, что средние изменения количества озона, вызванные 11-летним циклом солнечной активности, составляют примерно 3 % от среднего значения. Полные изменения достигают 6–3 % в сторону превышения средней величины и 3 % вниз, в сторону меньших величин, чем средняя.

27-дневная вариация озона примерно в 1,5 раза больше зимой, чем летом. Это связано с особенностями циркуляции зимней атмосферы по сравнению с летней. О них уже говорилось. Важно знать не только величину изменения вариации озона, которое вызвано 27-дневной периодичностью солнечной активности, но и время, когда произойдут эти изменения после изменения солнечной активности. Специалисты говорят, что важно знать не только амплитуду, но и фазу этих изменений. Так вот, в районах Западной Европы и восточной части Северной Америки (в районах, прилегающих к Атлантическому океану) фазы 27-суточных колебаний в количестве озона одинаковые. Это значит, что отклик всего этого региона на изменение солнечной активности с 27-суточным периодом происходит одновременно, синфазно. Зато в другом районе — в западной части Северной Америки — это время (фаза) иное: здесь имеются свои особенности в циркуляции атмосферы, которые и определяют количество озона и его изменения. Конечно, здешняя атмосфера также реагирует на изменения солнечной активности, но ее реакция иная.

Были исследованы вариации количества озона за период 1957–1982 годов по данным 20 озонометрических станций. Анализ показал, что в умеренных и высоких широтах в указанный период максимальной солнечной активности соответствовали во времени максимальные величины озона. Изменения количества озона, обусловленные изменением солнечной активности в 11-летнем цикле, зависят от сезона. Зимой и весной они примерно в полтора раза больше, чем в остальное время года: зимой циркуляция атмосферы более активная.

При изменении солнечной активности количество и распределение озона, в частности по высоте, может меняться не только в результате изменения атмосферной циркуляции, но и потому, что с изменением солнечной активности меняется интенсивность того ультрафиолетового излучения, которое участвует в образовании озона. Ультрафиолетовое солнечное излучение в озоноактивной области спектра (с длинами волн меньше 0,3 мкм) увеличивается с ростом солнечной активности. Но это увеличение не одинаковое во всем указанном диапазоне волн: чем меньше длина волны (относительно 0,3 мкм), тем на большую величину возрастает интенсивность излучения с этой длиной волны. Причем этот рост не линейный, а логарифмический, то есть очень быстрый по мере уменьшения длины волны. Интенсивность излучения с длинами волн вблизи 0,3 мкм изменяется за счет изменения солнечной активности примерно на 1 %, а в области длины волн, равной 0,2 мкм, — на 2 %. Естественно, что это увеличение солнечного излучения, которое принимает участие в образовании озона, обязательно отразится на количестве озона на определенных высотах.

Некоторые заключения относительно зависимости общего содержания озона и его распределения по высоте от солнечной активности можно сделать на основании экспериментальных данных, полученных в 1977, 1979 и 1983 годах при работе международных (СССР, ГДР, Индия) морских экспедиций «Муссон-77», «Монэкс-79» и в процессе выполнения программы сравнения ракетных озонометров, принадлежащих указанным странам (1983 год). В экспедициях принимало участие советское научно-исследовательское судно «Академик Ширшов». В этих экспедициях проводились измерения озона как с корабля, так и с помощью аппаратуры, установленной на высотных индийских шарах-зондах, а также на ракетах. К анализу привлекались данные о солнечной активности за периоды измерений, а также данные мировой сети озонометрических станций, находящихся в тропических широтах, где проводились эксперименты. Анализ полученных экспериментальных данных позволил экспериментаторам сделать следующие выводы о влиянии изменения солнечной активности на количество и распределение озона.

Во-первых, все достаточно выразительные изменения солнечной активности сопровождаются изменениями в величине общего содержания озона. Причем вначале изменения солнечной активности начинает «чувствовать» озон на более высоких уровнях, а позднее озон на меньших высотах. Итак, согласно экспериментальным данным, изменения озона в верхней стратосфере происходят примерно через 1–2 суток после солнечной вспышки, а в тропосфере эти изменения опаздывают еще на 2–3 суток. При этом общее содержание озона в результате солнечной вспышки увеличивалось примерно на 7 % его общей величины. Во-вторых, средняя высота максимума озонного слоя изменяется с изменением солнечной активности. На основании высотных профилей озона, полученных измерениями на высотных индийских шарах-зондах, показано, что с ростом солнечной активности увеличивается высота максимума озонного слоя. Так, в 1977 году при низкой солнечной активности этот максимум находился примерно на 25,7 км (усреднены данные, полученные измерениями во время 17 пусков шаров-зондов), в 1979 году при максимальной солнечной активности — на 27,2 км (32 пуска шаров-зондов) и при пониженной солнечной активности в 1983 году снова опустился до 25,7 км (7 пусков шаров-зондов).

Основной вывод из всего сказанного выше состоит в том, что атмосферная циркуляция сложным образом зависит от солнечной активности, от ее уровня и резких изменений. Эта зависимость в определенной мере связана и с сезоном года, и с положением данного региона на земном шаре, и с характером подстилающей поверхности (суша или вода), и с рельефом. Совершенно очевидно, что столь же сложно зависят от солнечной активности и характеристики озона (его общее содержание, вертикальное и глобальное распределение и изменение во времени). Не все из происходящих изменений озона, которые вызваны изменением солнечной активности, в настоящее время могут быть аргументированно установлены. Например, для изучения анализа векового цикла солнечной активности, который имеет продолжительность примерно 90 лет, нет необходимых данных. Ведь надо иметь данные по озону для этого хотя бы за два таких вековых цикла, то есть примерно за 200 лет. Это как минимум, иначе мы не сможем убедиться в периодичности этих изменений с длиной периода в 90 лет. Пока что трудно исследовать влияние брикнеровского цикла в атмосферных процессах, который также связан с солнечной активностью. Этот цикл в среднем длится 40 лет. Значит, опять же нужны данные по озону за 100 лет. Причем желательно их иметь не по одной озонометрической станции, а по планетарной сети таких станций, поскольку важно установить изменения глобального характера.

Те изменения озона, которые вызваны более кратковременными изменениями солнечной активности и даже ее скачками, могут быть исследованы по имеющимся данным наблюдений на мировой сети озонометрических станций. Но в действительности и они исследованы далеко не достаточно. Может возникнуть вопрос: нужны ли вообще такие исследования, не будет ли это наукой для науки? Такие исследования не просто нужны, они крайне необходимы. Дело в том, что, наблюдая изменения озонного слоя Земли, мы сможем понять причину (а точнее, причины) этого изменения. Зная эти причины, мы сможем разделить все наблюдаемое изменение озона на части, на столько частей, сколько имеется таких причин. Тогда мы реально оценим ту часть изменений озона, которая связана с деятельностью человека, с выбросом в атмосферу отходов промышленного (и другого) производства. Если не учесть периодических, циклических изменений озона, которые обусловлены циклическими изменениями солнечной активности с разной продолжительностью циклов, то очень легко или недооценить, или переоценить те изменения озона, которые связаны с деятельностью человека. И то и другое в литературе имеется.

ЧАСТЬ ПЯТАЯ

ОЗОННЫЙ СЛОЙ И

БИОСФЕРА

МАЛЫЕ ПРИМЕСИ В СТРАТОСФЕРЕ

Вещества, которых в атмосфере во много раз меньше, чем основных газов (кислорода, азота и др.), называют малыми примесями. Большинство из них играет очень важную роль в жизни атмосферы, несмотря на то, что их там относительно мало. Малые примеси оказывают влияние на тепловой режим атмосферы, на ее состав. Они участвуют в разрушении озона. Некоторые из малых примесей атмосферы увеличиваются за счет выбросов промышленных и бытовых установок. Поскольку они связаны с деятельностью человека, то говорят, что эти примеси имеют антропогенное, то есть связанное с деятельностью человека происхождение.

Малые примеси в стратосфере естественного происхождения следующие: молекулярный водород, водяной пар, гидроксил, метан, закись азота, окись азота, двуокись азота, азотная кислота, хлористый водород и др. Эти же примеси имеют и антропогенное происхождение. Что мы знаем о них?

Молекулярный водород содержится в тропосфере и стратосфере в незначительных количествах. В тропосфере северного полушария молекулярного водорода несколько больше, чем в южном полушарии. Видимо, это обусловлено искусственными выбросами в атмосферу (в северном полушарии таких выбросов больше). В течение года количество молекулярного водорода в тропосфере меняется незначительно, не более чем на 10 %. Концентрация молекулярного водорода увеличивается в стратосфере на высотах 27–28 км. Здесь молекулярный водород образуется в результате окисления метана. Отношение смеси его достигает (0,6–0,8) × 10-8. Глобально осредненная величина отношения смеси молекулярного водорода в тропосфере составляет 0,503 × 10-6.

В нижней стратосфере и тропосфере отношение смеси молекулярного водорода примерно одинаковое. Это значит, что на этих высотах отсутствуют высотные перепады отношения смеси молекулярного водорода.

Очень важную роль в разрушении озона играет водяной пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила ОН, которые рождаются из молекул воды и в конце концов превращаются в них. Поэтому от количества водяного пара (воды) в стратосфере зависит количество молекул гидроксила ОН, от которого в свою очередь зависит скорость разрушения озона.

Водяной пар поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Наиболее эффективно это происходит в низких (тропических) широтах. Здесь тропосфера простирается значительно выше, чем в средних и тем более в высоких широтах. Ее верхняя граница (тропопауза) в тропических широтах достигает высоты 17–18 км. На полюсах тропосфера заканчивается на высоте около 8 км. Выше этого уровня находится стратосфера. Поскольку в тропиках стратосфера находится очень высоко, водяной пар здесь эффективно проникает в стратосферу. Таким путем, то есть из тропосферы в стратосферу, поступает в продолжение года от 0,33 до 1,13 миллиарда тонн воды.

На высотах 17–18 км, где находится граница между тропосферой и стратосферой в тропиках, температура воздуха понижается до — 80оС и ниже. Воздух может содержать только такое количество водяного пара, при котором достигается условие насыщения. Остальной водяной пар вынужден образовывать водяные капли, то есть конденсироваться. Это значит, что излишки воды в тропической тропосфере выпадают в виде осадков. Это особые условия, лимитирующие количество воды в воздухе. Они реализуются именно в тропиках потому, что здесь тропосфера поднимается очень высоко, в область очень низких температур. Поэтому здесь образуется своего рода «холодная ловушка» для водяного пара. Он не только «отлавливается», но и удаляется из тропосферы в виде осадков. Но того водяного пара, который там остается, вполне достаточно, чтобы обеспечить непрерывное снабжение им стратосферы. Надо иметь в виду, что мощные конвективные облака, содержащие большое количество воды, проникают своей верхней частью в стратосферу (примерно на 4 км). Так водяной пар эффективно заносится в стратосферу.

Наиболее эффективно переносится водяной пар снизу вверх, то есть из тропосферы в стратосферу, в тех местах, где разграничивающая их тропопауза разрушена. Как известно, разрушают тропопаузу струйные течения. В этих местах водяной пар эффективно поступает в стратосферу снизу. В этих областях скорость поступления водяного пара примерно втрое больше, чем в других местах, где тропопауза цела, не разрушена.

Водяной пар не только поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Он также образуется непосредственно в стратосфере. Как уже было сказано, он образуется в процессе окисления метана. Таким путем образуется в стратосфере до 0,5 миллиарда тонн водяного пара ежегодно. Роль водяного пара в стратосфере очень велика. Поэтому проводятся непрерывные измерения его количества на разных высотах различными методами. Эти измерения позволяют нарисовать общую картину распределения водяного пара в стратосфере. Наиболее любопытной оказалась слоистая структура распределения водяного пара около высоты 25 км. Здесь были обнаружены слои толщиной в 1–2 км, в которых влажность значительно (в 2–3 раза) повышена. В полярных районах создаются условия, при которых образуются стратосферные облака.

В высоких и средних широтах водяной пар распределен по высоте по-разному. В полярных районах большое его количество находится в самой нижней части стратосферы на высотах 10–11 км. Здесь его в несколько раз больше, чем в нижней части стратосферы средних широт.

Распределение водяного пара зависит от широты не только в нижней стратосфере. Наибольшее количество водяного пара во всей стратосфере имеется в экваториальной зоне. Это естественно, поскольку здесь он наиболее эффективно поступает снизу, из тропосферы. Имеются еще две зоны, в которых водяного пара в стратосфере больше. Они расположены примерно на широтах 40о в северном и южном полушариях. Именно на этих широтах наиболее интенсивные струйные течения. Они-то и способствуют проникновению водяного пара из тропосферы в стратосферу через разрушенную ими тропопаузу.

Количество водяного пара в стратосфере меняется также с сезоном. В северном полушарии наибольшая величина отношения смеси водяного пара наблюдается в октябре (на высотах с давлением 100 — 80 мбар) и в марте на уровне 70–50 мбар. Собственно, такое изменение вполне объяснимо. Оно вызвано сезонным изменением высоты тропической тропопаузы, а также изменением с сезоном температуры в верхней части тропической тропосферы.

Водяной пар переносится от тропической зоны к средним и высоким широтам (то есть по меридиану) очень медленно. Скорость этого переноса составляет всего около 20 см/с. Поэтому на «путешествие» водяного пара от тропической зоны к средним широтам уходит несколько месяцев.

Так, в августе в тропической зоне водяного пара больше потому, что температура тропосферы на высотах 27–28 км в это время там достигает — 80оС. Но это изобилие водяного пара будет ощущаться на малых высотах в средних широтах только в октябре. На больших высотах, где атмосферное давление меньше, скорость распространения водяного пара по меридиану меньше. Поэтому на уровнях, где давление равно 70–50 мбар, августовское увеличение водяного пара в тропиках дойдет до средних широт только через полгода, то есть оно будет ощущаться только в марте. Измерения это подтверждают.

Во всех атмосферных процессах четко выявляется период, равный двум годам, то есть двухлетний период (цикл). С таким двухлетним периодом меняется высота тропопаузы. Соответствующим образом изменяется и количество водяного пара в стратосфере. Измерения водяного пара в стратосфере над Вашингтоном, начатые в 1964 году, показали, что за период до 1969 года количество водяного пара здесь увеличилось примерно в полтора раза. После 1970 года оно менялось. Увеличение водяного пара автоматически означает увеличение гидроксила ОН, который образуется из водяного пара. Далее, чем больше гидроксила, тем должно быть меньше озона, поскольку озон разрушается гидроксилом. Значит, озона должно было наблюдаться тем меньше, чем больше наблюдалось водяного пара. Однако измерения дали парадоксальные факты: количество общего содержания озона не только не уменьшилось, но даже увеличилось. Это значит, что в наших расчетах разрушения озона что-то еще не учитывается. Кстати, в тех местах на земном шаре, где на высотах 16–28 км водяного пара было больше, общее содержание озона было также увеличено. Это требует пересмотра наших представлений о механизмах разрушения озона, а главное, указывает на необходимость пополнения наших знаний о всех составляющих атмосферы и процессах, которые в ней протекают. Молекулы воды живут в тропосфере и стратосфере долго. Они за время своей жизни успевают преодолевать огромные расстояния. Образованный из молекулы воды гидроксил ОН (это своего рода «обломок» молекулы воды) живет очень недолго, всего несколько секунд. В этом виноват он сам, его чрезмерная активность, которая стоит ему жизни. Вступая в реакции с другими составляющими атмосферы, он перестает существовать как таковой — образуются новые соединения. Естественно, что в результате этого количество гидроксила меняется очень сильно и очень быстро в зависимости от условий в атмосфере и от ее состава.

Наиболее эффективно образуется гидроксил при освещенности солнечными лучами. Это вызвано тем, что под действием солнечного коротковолнового излучения образуются возбужденные атомы кислорода, которые в реакциях с молекулами воды образуют гидроксил. Измерения, выполненные как в приземном слое воздуха, так и на высотах 7 и 11,5 км, это подтверждают. Они показывают, что сразу после восхода Солнца на этих высотах резко увеличивается концентрация гидроксила. Сразу же после захода солнца она столь же быстро уменьшается (поскольку образованные молекулы гидроксила живут всего несколько секунд). Проводились также измерения количества гидроксила и в самой стратосфере. Данные этих измерений свидетельствуют о том, что концентрация молекул гидроксила в стратосфере составляет примерно 10 миллионов частиц в 1 см^3. Но надо иметь в виду, что количество гидроксила очень изменчиво как во времени, так и в пространстве.

Исключительно важной малой составляющей атмосферы является метан. От его количества зависит климат на Земле. Содержание метана в земной атмосфере растет. Почему это происходит?

Метан попадает в атмосферу разными путями. Прежде всего метан в атмосфере имеет биогенное происхождение. Кроме того, значительное количество этого газа попадает в атмосферу в результате газовых выбросов. Он поступает и при разработке газовых и нефтяных месторождений. Измерения показывают, что в районах эксплуатации газовых и нефтяных месторождений концентрация метана повышена, и она сильно меняется как во времени, так и в пространстве.

Чем выше температура атмосферы, тем больше биологическая активность. Значит, тем больше метана в нижней тропосфере. Поэтому на низких широтах, где температура выше, метана в нижней тропосфере больше, чем в высоких широтах. Количество метана в нижней тропосфере меняется с сезоном. В средних широтах северного полушария наибольшее его количество имеется в марте — апреле и в августе — сентябре. От земной поверхности метан поднимается вверх, в атмосферу, и, по некоторым оценкам, в течение года от поверхности Земли уходит примерно 10 миллиардов тонн метана.

Метан образуется в естественных микробиологических процессах в застойных и почвенных водах и в кишечнике травоядных, а также в технологических процессах с включением натурального газа, сгорания биомассы и сжигания угля.

За период с 1979 по 1982 год количество метана увеличивалось со скоростью 1,8 % в год.

Количество атмосферного метана растет приблизительно с 1700 года. До этого на протяжении миллионов лет его количество было неизменным. Метан увеличивается за последние 30 лет примерно на 1 % в год. За последнее столетие отношение смеси этого газа удвоилось. В южном полушарии источников метана значительно меньше, чем в северном.

Рис. 54. Изменение количества ОН, СО и СН4 после 1960 г.

Принципиальным для будущего Земли, ее климата является вопрос о дальнейшем изменении количества метана. Будет ли оно продолжать увеличиваться и с какой скоростью? Увеличение метана происходит (и будет происходить) по двум причинам. Во-первых, его больше образуется. Все биологические источники метана, несомненно, будут функционировать более интенсивно. Во-вторых, разрушение метана происходит все менее эффективно. Это значит, что сток метана в атмосфере уменьшается. Количество метана в атмосфере связано с количеством там СО и ОН. Количество ОН имеет тенденцию уменьшаться, тогда как количество СО, как и метана, увеличивается, как это показано на рис. 54. Здесь показаны изменения, которые наблюдались в период с 1960 по 1980 год.

Тенденция этих изменений была взята за основу для того, чтобы рассчитать изменения метана за последующие 50 лет. Они будут вызывать соответствующие изменения озона. Количество метана и СО зависит от интенсивности деятельности человека, в частности от его сельскохозяйственной деятельности.

Можно рассуждать так. Если количество метана за последующие 50 лет будет увеличиваться со скоростью 1 % в год (как и сейчас), то к 2035 году его отношение смеси достигнет величины (2,9–3,0) × 10-6. Можно рассчитать, как будет уменьшаться количество ОН из-за увеличения СО. Считается, что примерно 1/3 всех источников СО (в 1985 году) находится на поверхности Земли (или вблизи нее) и обусловлена деятельностью человека. Остальные 2/3 количества СО образуются в фотохимических реакциях с СН_4 и С_2Н_6 с ОН. Можно прикинуть (с учетом роста населения на земном шаре и развитием промышленности), что за период с 1985 по 2035 год количество СО увеличится вдвое.

Количество метана, СО и ОН очень тесно связано с количеством NОх. Это приводит к изменению озона и ОН.

Проведенные расчеты показывают, что за последующие 50 лет (до 2035 года) количество СО может удвоиться, а количество метана может возрасти от 1,6–1,7 до 2,9 × 10-18. Количество ОН зависит от принятой величины NОх. Оно может уменьшиться за этот период на 15–30 %. Возможные изменения количества метана, СО и ОН за последующие 50 лет показаны на рис. 55.

Рис. 55. Возможные изменения количества СН4, СО и ОН до 2030 г.

Рассмотрим более детально роль окислов азота. Основным источником окислов азота в стратосфере является закись азота Np. Сама по себе закись очень малоактивна. Она не реагирует с какими-либо составляющими атмосферы, малорастворима в воде и не реагирует с водой.

Закись азота образуется из связанного азота в процессе денитрификации. Этот процесс обеспечивает микроорганизмы, которые находятся в почве и океане. В этих процессах кроме закиси азота образуется и молекулярный азот. Таким путем в атмосферу с поверхности суши поступает в год около 50 миллионов тонн закиси азота. Еще примерно 10 миллионов тонн закиси азота поставляет в атмосферу океан. Образованная таким путем закись азота поднимается до самой стратосферы. На этом пути она мало разрушается солнечным излучением. Конечно, не вся закись азота достигает стратосферы. Специалисты считают, что в стратосферу добирается примерно половина закиси азота, которая образуется на суше и в океанах. Глобальная эмиссия N_2О за последнее столетие увеличилась примерно на 55 %. Это показано на рис. 56.

Рис. 56. Изменение общей эмиссии N2О за последние 100 лет.

Оценено, что если концентрация N_2О удвоится, то из-за этого количество стратосферного озона уменьшится на 3–5 %. За период 1976–1980 годов наблюдалось увеличение N_2О на 0,2 % в год. В моделях берут 0,25 % в год. Время жизни около 150 лет в нижней атмосфере. Здесь потери идут очень медленно. В стратосфере N_2О видоизменяется, часто превращается в NОх и разлагает озон (служит катализатором). Увеличение N_2О будет влиять на уменьшение озона, которое создается Сlх в стратосфере.

В стратосфере из закиси азота образуется окись азота NO. Она является очень активной. Поэтому молекулы NO существуют примерно всего две минуты. Поступающая в стратосферу закись азота, по оценкам ученых, образует там ежегодно примерно 4 миллиона тонн окиси азота.

Окись азота в стратосфере очень тесно связана с двуокисью азота NO_2. Основным поставщиком двуокиси азота являются промышленные установки. Там, где нет промышленного производства (например, во влажных тропиках Америки), двуокиси азота в воздухе мало. Измерения показывают, что количество двуокиси азота может увеличиваться в 10-100 раз. Это избыточное количество двуокиси азота исходит из промышленных регионов. В тропосфере двуокись азота частично вымывается осадками. Поэтому, чем выше в тропосфере, тем двуокиси азота меньше. Но все равно его достаточно, чтобы проникать в стратосферу. В стратосфере с высотой его количество меняется мало. Правда, оно сильно меняется во времени. Объемное отношение смеси NO_2 специалисты оценивают величинами в диапазоне 10-8-10-9.

Под действием солнечного излучения двуокись азота диссоциирует, то есть ее молекула распадается. В стратосфере молекула двуокиси азота вступает в реакцию с атомным кислородом. При этом образуется молекула окиси азота и молекулярный кислород. Далее молекула окиси азота вступает в реакцию с молекулой озона. В результате озон разрушается, образуется молекула двуокиси азота и молекула кислорода. Таким образом, молекулы двуокиси азота играют роль катализаторов в реакциях разрушения озона.

Под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, а также при воздействии высокоэнергичных заряженных частиц (электронов) молекулы азота (которого в атмосфере очень много) разрываются на атомы. Атомный азот тут же взаимодействует с молекулярным кислородом и образует окись азота и атомный кислород. Оба этих вещества опасны для озона.

Окислы азота исчезают в стратосфере при их соединении с молекулами гидроксила. В результате образуется соляная кислота. Эта реакция проходит только в присутствии третьего тела, которое должно принять на себя избыток энергии. Таким образом, в реакциях с образованием азотной кислоты выходят из игры не только окислы азота, но и гидроксил. Те и другие являются активными разрушителями озона. Правда, азотная кислота является своего рода резервуаром для образования окислов азота. Дело в том, что под действием солнечного излучения из молекулы азотной кислоты вновь образуются окислы азота. В среднем молекула азотной кислоты от своего образования до разрушения существует примерно один месяц. Поэтому изменчивость ее количества меньше, чем короткоживущих окиси и двуокиси азота.

Любопытно, что чем дальше от экватора (по направлению к полюсам), тем азотной кислоты в стратосфере больше. Этот рост весьма ощутим. Уже на широте 40о ее примерно в пять раз больше, чем на экваторе. Откуда берется этот избыток молекул азотной кислоты? Полагают, что они рождаются из окислов азота при их переносе от экватора в высокие широты. На высотах 20–25 км намеренно максимальное количество азотной кислоты. Иногда измерения выявляют несколько высот с максимальным количеством азотной кислоты.

Окислы хлора активно разрушают озон. Реакций с участием хлора в стратосфере имеется несколько десятков. Очень быстро взаимодействует с озоном атомный хлор. При этом образуется моноокись хлора ClO и молекулярный кислород. Далее ClO соединяется или с атомным кислородом, или же с окисью азота NO. В каждом случае высвобождается атомный хлор.

Откуда берутся атомы хлора в стратосфере? В стратосферу попадают соединения хлора, из которых и образуется атомный хлор. В одних случаях это происходит при разрыве молекул этих соединений солнечным излучением, а в других эти соединения вступают в реакции с другими (например, хлористый водород вступает в реакцию с гидроксилом) соединениями, и освобождается атомный хлор. Одновременно с образованием атомного хлора происходит его исчезновение. Он вступает в реакции с различными веществами (НО_2, Н_2О_2, СН_4, HNO_3), и образуется хлористый водород.

Хлористый водород является своего рода резервуаром для образования атомного хлора, разрушающего озон. Под действием солнечного излучения хлористый водород распадается на атомы, и высвобождается атомный хлор. Атомный хлор высвобождается также при взаимодействии хлористого водорода с гидроксилом.

Хлористый водород хорошо растворяется в воде. Поэтому в тропосфере он эффективно вымывается осадками (почти полностью). В итоге из тропосферы в стратосферу через их общую границу — тропопаузу переносится очень небольшое количество хлористого водорода (всего примерно 60 тысяч тонн в год).

Значительное количество хлористого водорода выбрасывается в стратосферу после крупных вулканических извержений. Продукты извержения вулканов достигают высоты 18–20 км. Большие извержения вулканов происходят примерно один раз в три года. Так, в марте 1963 года произошло извержение вулкана Агунг. В результате в стратосферу попало почти 1,5 миллиона тонн хлористого водорода. В октябре 1947 года во время извержения вулкана Фуэго было выброшено в стратосферу примерно 260 тысяч тонн хлористого водорода. Специалисты оценили, что в среднем за год в стратосферу вводится от извержения вулканов примерно 1/3 миллиона тонн хлористого водорода.

Объемное отношение смеси хлористого водорода очень быстро увеличивается с ростом высоты. На высоте 25–30 км его примерно в десять раз больше, чем на нижней границе стратосферы — тропопаузе. Дальнейший рост хлористого водорода выше 30 км прекращается. Отношение смеси хлористого водорода выше этого уровня даже постепенно уменьшается.

Выбросы серы в атмосферу увеличиваются с каждым годом. На рис. 57 показано, как увеличивалось количество выбросов серы на всей Земле (в миллионах тонн в год) с 1860 года. Серная кислота образуется из двуокиси серы SO_2.

Рис. 57. Увеличение количества выбросов серы на всей Земле (млн т/год) после 1860 г.

(По данным: 1 — Cullis and Hirschler; 2 — Katz; 3 — Ronson and Robbins.

Большие количества серной кислоты (1,% — 2,0 мг/л) в 1980–1982 годы наблюдались на востоке Северной Америки, на большей части Европы, в центральной части СССР, по обе стороны от Урала, на Дальнем Востоке, над Восточным Китаем, Японией, Тайванем и Филиппинами, в восточной части Южной Америки. Серная кислота эффективно выпадает с дождем и снегом. Тем не менее она распространяется в атмосфере в глобальных масштабах.

Особенно важна роль СО_2. Этот газ создает в атмосфере парниковый эффект. Чем больше будет в атмосфере СО_2, тем быстрее будет происходить потепление климата. Увеличение СО_2 обусловлено прежде всего сжиганием ископаемого горючего. Примерно 80 % всей энергии на Земле получается именно таким путем.

Предындустриальный уровень отношения смеси СО_2 составлял примерно 275 × 10-6. Увеличение СО_2 с 1957 по 1985 год показано на рис. 58. Прогнозируется увеличение вдвое количества СО_2 в земной поверхности во второй половине XXI столетия.

Рис. 58. Изменение концентрации СО2 (в миллионных долях по объему) с 1957 по 1985 год.

ФРЕОНЫ И ОЗОН

Фреоны — это собирательное название целой группы химических веществ. Название происходит от английского слова «frigor», что означает холод. Как известно, фреоны используются в холодильниках. Мы дадим здесь побольше фактического материала, различных характеристик фреонов, поскольку этот вопрос интересует не только любознательных читателей, но и практиков.

Фреоны появились на свет еще в 20-е годы. До этого в холодильных установках и кондиционерах использовали аммиак и сернистый газ. Но работать с ними было очень сложно. Во-первых, они сильно токсичны. Во-вторых, вызывают активную коррозию металлов. Аммиак к тому же и опасен. Поэтому, естественно, начались поиски других веществ. Такие вещества были найдены. Они не горючи, малотоксичны и не обладают неприятным запахом. Долгие годы все было хорошо, пока специалисты по химии атмосферы не пришли к мысли, что избыток фреонов в атмосфере (в том числе и в стратосфере) может вызывать разрушение озонного слоя. Эти опасения оказались настолько убедительно аргументированными, что в США еще с 1958 года начали сворачивать технологии с применением фреонов. Но об этом несколько позднее. Вначале приведем количественные сведения о фреонах, включая некоторые справочные данные.

Фреоны — это химические вещества, производные от метана, этана и циклобутана. В этих соединениях содержится хлор или фтор или оба этих элемента. Таким образом, фреоны являются хлорфторпроизводными указанных выше химических соединений. Технологические названия различных фреонов отличаются от их химических названий. Существует обоснованная системы их обозначений, в которой учтены основные свойства каждого типа фреонов и их химическое строение. Обозначают их буквой F (в отечественной литературе — буквой Ф), к которой добавляется двух- или трехзначное число. Числа отражают химическое строение данного типа фреона. Последняя цифра (число единиц) означает, сколько в молекуле содержится атомов фтора. Предпоследняя цифра означает количество атомов водорода (но увеличенное на один атом). Предпоследняя цифра — это число десятков. Третья с конца цифра, то есть число сотен, означает, сколько в данном химическом соединении имеется атомов углерода. Но здесь число атомов уменьшено на единицу. Кроме буквы F (Ф) и указанных цифр добавляются и буквы. Буквы «а», «в» и «с» добавляются к цифрам в том случае, если химические вещества представляют собой несимметричные изомеры. Если же вещества являются бромпроизводными, то добавляется буква «в», после которой записывается число, равное количеству атомов брома в соединении.

Хотя фреоны малотоксичны, все же при высокой концентрации их токсичность опасна. Разные фреоны обладают различной токсичностью. По классификации, действующей в США, все фреоны, в зависимости от токсичности, поделены на 6 классов. Фреоны классов 1-й и 2-й наиболее токсичны. К 3-му классу отнесены фреоны Ф-10 и Ф-20. Если их объемная концентрация достигает 2–2,5 %, то уже через час наступают тяжелые поражения или даже возможно наступление смерти. Фреоны 4-го класса менее токсичны. К этому классу относятся фреоны Ф-30 и Ф-160. При такой же объемной концентрации (2–2,5 %) вредное их действие проявляется только через 2 часа. Фреоны более высоких классов менее токсичны. Так, фреоны Ф-11, Ф-113, Ф-142, Ф-143, Ф-170, Ф-22 отнесены к 5-му классу. Если их объемная концентрация достигает 20 %, их токсичность проявляется только спустя 2 часа после начала их действия на человека. Наименее токсичные фреоны (Ф-12, Ф-13, Ф-23, Ф-115) отнесены к классу 6-му. Эти фреоны даже при концентрации больше 20 % в течение двух часов не вызывают токсичного действия.

У нас используются другие нормативы на вредность фреонов. Допустимыми концентрациями в воздухе считаются следующие. Для фреона Ф-11 это 200 мг/м^3, для Ф-12 — 6000, для Ф-22 — 300 мг/м^3. Допустимая концентрация в воздухе для фреона Ф-253 составляет всего 1 мг/м^3, поскольку он очень токсичен. Наименее токсичен фреон Ф-С 318. Это октафторциклобутан. Для него допустимая концентрация в воздухе не ограничена, то есть не нормируется.

Как известно, фреоны используются не только в холодильных установках, но и в качестве распылителя (пропеллента) в аэрозольных упаковках. Здесь также все начиналось не с фреонов. Вначале, в 30-е годы, для этих целей использовали пропан в сжиженном состоянии или же смесь пропана с бутаном. Но эти газы очень огнеопасны, поэтому производство аэрозольных упаковок (баллонов) на их основе вскоре было прекращено. С открытием фреонов они стали успешно и во все больших количествах использоваться для этих целей. Использование фреона (Ф-12) в США для производства аэрозольных упаковок для уничтожения насекомых началось с 1941 года. Затем это новшество быстро распространилось на весь мир. Приведем перечень веществ, которые выпускаются в аэрозольной упаковке. Это: лаки, краски, освежители воздуха, полирующие и чистящие составы, инсектициды, репелленты, парфюмерно-косметические товары (лаки, шампуни, брильянтины, кремы, духи, одеколоны), технические продукты для промышленного использования — смазки для пресс-форм, эмульсии для охлаждения режущего инструмента, медицинские препараты, пищевые продукты (кремы, сбивные сливки, сиропы, соусы, заправки для салатов и многое другое). Фреоны также используют для приготовления вспенивающего средства при производстве пенопластов.

В 70-е годы производство аэрозольных упаковок достигло очень большой величины. Оно базировалось главным образом на фреонах Ф-11, Ф-12 и Ф-22. Поэтому производство этих фреонов, начиная с 40-х и 50-х годов, постепенно увеличивалось вплоть до 1973 года. В 1973 году выпуск этих типов фреонов составил 90 % общего производства фреонов.

Больше половины производимых фреонов используется в качестве распылителей в аэрозольных упаковках.

Поскольку большинство производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно без преувеличения сказать, что мировая промышленность по производству фреонов работает почти полностью на загрязнение атмосферы. Это, естественно, подтверждается измерениями на разных высотах в атмосфере.

Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу, поскольку атмосферный газ находится в непрерывном турбулентном перемешивании. Кроме турбулентности фреон переносится вверх и упорядоченными вертикальными потоками воздуха. В стратосфере фреоны под действием ультрафиолетового излучения разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении молекул озона. Разложение фреонов происходит именно в стратосфере, а не внизу, в тропосфере, потому что для этого нужно достаточно энергичное ультрафиолетовое излучение, которое в тропосферу не доходит. Энергия излучения (квантов или фотонов) определяется длиной волны. Для того, чтобы фотоны были способны вырвать хлор из молекулы хлорфторметана, длина их волны должна быть не больше 500 нм. Но фреоны эффективно поглощают только излучение с длинами волн меньше 200 нм. В стратосфере мало поглощается солнечное излучение с длинами волн от 170 до 210 нм. Это-то излучение и освобождает хлор из фреонов. ClO, как и чистый хлор, является активным по отношению к озону. Таким образом, из одной, первоначальной молекулы фреона образуются два активных атома хлора.

Интенсивность солнечного излучения зависит от зенитного угла Солнца. Поскольку ультрафиолетовое излучение поглощается в атмосфере, то его интенсивность зависит и от высоты над поверхностью Земли. Таким образом, эффективность разрушения фреонов ультрафиолетовым солнечным излучением зависит как от зенитного угла Солнца, так и от высоты.

Когда речь идет о фреонах, которые подняты в стратосферу и там разлагаются с выделением активного хлора, то последствия этого более чем очевидны — активный хлор незамедлительно приступает к разрушению озона. Но как определить, какая доля фреонов, выброшенных в приземный слой атмосфер, поднимется в стратосферу? Конечно, часть его застревает по пути и там разлагается. Если бы фреон попадал в стратосферу и в ней не разлагался, то там происходило бы его колоссальное накопление. Но этого не наблюдается. Возникает вопрос: в каких реакциях фреон разлагается в тропосфере? Как уже говорилось, разложение его ультрафиолетовым излучением (как в стратосфере) практически исключается, поскольку нужное для этого излучение в тропосферу не проникает.

Специалистами рассматривались разные возможности для удаления фреона из тропосферы. Предполагалось, что он может хорошо растворяться в воде и таким образом с осадками (водяными каплями) вымываться из тропосферы. И действительно, в водах Мирового океана был обнаружен фреон в значительных количествах. Но оказалось, что связывается водой только фреон Ф-22. То есть он перестает быть фреоном и при испарении воды не попадает в атмосферу. Другие типы фреонов не подвержены гидролизу. Поэтому имеет место их фреоноворот: они из атмосферы попадают в воду, а затем из воды в атмосферу. Вот почему их пребывание в воде не решает проблемы, поскольку оно бывает только временным. Конечно, водяной пар — это не единственная примесь атмосферы, которая может оказывать влияние на судьбу фреонов. Таких составляющих атмосферы, несомненно, много. Плохо только, что мы пока что не в состоянии определить, какие из них эффективно взаимодействуют с фреонами. Специалисты сходятся на том, что с фреонами должны взаимодействовать различные заряженные атомы и молекулы. Для краткости их называют аэроионами («аэро» — воздух). Конечно, нельзя говорить об аэроионах вообще. Каждый из них имеет свои характеристики, одни из них взаимодействуют с фреонами, а другие нет. Из взаимодействующих одни выделяются высокой эффективностью этого взаимодействия, а другие — низкой. Поэтому сказать, что фреоны могут исчезать в реакциях с аэроионами — значит не сказать ничего. Конечно, данный механизм разложения фреонов в тропосфере обсуждается специалистами очень активно. Но, к сожалению, возможности этих обсуждений весьма ограничены отсутствием необходимой информации как о составе аэроионов, так и о скоростях (а точнее, константах) их реакций с фреонами.

Можно не сомневаться, что возможностей для разложения фреона в тропосфере очень много. Например, было установлено, что если фреон находится не сам по себе, а на поверхности частиц песка, то он может разлагаться и менее энергичным ультрафиолетовым излучением, когда он свободен. То есть в этом случае фреон может разлагаться тем ультрафиолетовым излучением, которое достигает поверхности Земли (с длиной волны больше 300 нм). Если это так, то возможности разложения фреонов имеются не только на поверхности Земли, где распространен песок, но и в атмосфере, поскольку в атмосфере находится большое количество почвенных аэрозольных частиц. Мировые пустыни (например, в Северной Африке) поставляют в атмосферу большое количество кварцевых частиц. По-видимому, сейчас еще рано говорить о том, какое количество фреонов погибает в тропосфере, не дойдя до стратосферы. Тем не менее некоторые предварительные оценки, проведенные специалистами (конечно, при большом числе предположений), имеются. Согласно им таким путем может погибать даже половина всех фреонов. Но другая половина все же остается и попадает в стратосферу. А может, в тропосфере исчезает не 50 % фреонов, а все 90 или 99 %? Отрицать сейчас такую возможность никто аргументированно не может.

Мы уже говорили о том, что озон используется специалистами в качестве трассера, что-то вроде меченого атома, наблюдая за перемещением которого можно определить, куда и как быстро двигалась вся воздушная масса, к которой вынужден двигаться озон. В 1971 году специалисты высказали идею, что таким трассером может служить не только озон, но и сами фреоны: достаточно аккуратно замерять их изменение в разных местах земного шара, и таким путем можно получать картину глобальной циркуляции атмосферы. Поскольку фреоны выбрасываются в атмосферу главным образом в северном полушарии, то в наиболее явном виде эта идея может использоваться для определения с помощью фреонов циркуляции атмосферного газа из северного полушария в южное. С 1973 года проводятся измерения количества фреонов в атмосфере как на стационарных, постоянно действующих станциях, так и на станциях с эпизодическим режимом работы.

Естественно, для проведения измерения фреонов в атмосфере необходимо было разработать соответствующие методы и создать необходимые приборы. Методы должны базироваться на тех процессах, в которых участвуют фреоны. Это прежде всего процессы поглощения света с определенной длиной волны. Так, фреоны поглощают инфракрасное излучение с длинами волн в диапазоне от 9 до 12 мкм. Измеряя интенсивность этого излучения (исходящего от Солнца), можно получать информацию о количестве фреонов на всем пути прохождения излучения. Как уже было сказано раньше, при этом получается общее содержание поглощающего вещества (в данном случае фреонов) во всем столбе атмосферы с единичным поперечным сечением. На этом же принципе можно проводить и измерения фреонов в приземном слое воздуха. Но при этом в методику измерений вводятся дополнительные элементы. В частности, заставляют поглощающийся луч света проходить многократно через воздух с определенным количеством фреона. Это устройство называется многоходовой кюветой. Имеются и другие технические возможности.

Измеряют количество фреонов и другими методами. В частности, применяется для этого классический способ — на основании анализа проб атмосферного воздуха. Но метод хроматографии, успешно применяемый для определения количества других составляющих атмосферы, которых больше, чем фреонов, здесь работает на пределе. Этот метод имеет чувствительность до 10-11-10-12. Здесь речь идет не об абсолютной величине концентрации данной составляющей атмосферы (например, фреонов), а об объемном (по отношению к озону). Так вот, количество фреонов в незагрязненной атмосфере таково, что его объемное отношение смеси находится в пределах 10-10 — 10-11. Другими словами, чтобы измерения были достоверными, необходимо повышать чувствительность измерительного прибора. Специалисты достигают этого разными путями. Одни проводят измерения газовым хроматографом в сочетании с масс-спектрометром. Масс-спектрометр позволяет сортировать, различать частицы по массам. Эта дополнительная информация и используется для повышения разрешения газового хроматографа. Другие специалисты до проведения измерений в отработанных пробах воздуха проверяют их криогенное обогащение. При этом отношение смеси увеличивается в известное число раз. Поэтому измерять его можно более уверенно. Таким путем чувствительность прибора (газового хроматографа) увеличивается примерно в 10 раз. Это крайне необходимо там, где отношение смеси фреонов малое, например в стратосфере.

Что дают измерения фоновых концентраций, которые содержатся в атмосфере? Прежде всего надо отметить, что имеется очень большой разброс данных, то есть результаты измерений очень сильно отличаются в разное время. Сильная изменчивость содержания фреонов также затрудняет анализ получаемых данных. Трудно отличить, где различие в данных вызвано реальным колебанием в концентрации фреонов в разные моменты времени, а где это обусловлено самим процессом измерений.

Можно говорить о тенденции увеличения количества фреонов в атмосфере. Уверенно регистрируются поступления фреонов в данную местность (на данную станцию) с воздушными массами из тех районов, где их больше поступает в атмосферу. Так, если к месту измерения поступают воздушные массы из густонаселенных районов и индустриальных населенных пунктов, то регистрируется большее количество фреонов. Например, в Ирландии на станции Адригола, где измеряется фоновая концентрация фреонов, часто регистрируется следующая картина. Если воздушные массы поступают из Западной Европы, то концентрация фреона Ф-11 в среднем на треть выше, нежели в том случае, когда воздушные массы поступают на станцию из Атлантики. Нет худа без добра. В таких случаях можно по концентрации фреонов делать заключение о том, откуда приходят в данную местность воздушные массы. Так делается, например, в Англии. Здесь по величине концентрации фреона Ф-11 (по ее повышению) делают заключение, что воздушные массы пришли сюда из Западной Европы.

Сильная изменчивость концентрации фреонов наблюдалась и на других станциях. Так, в течение второй половины 1973 года концентрация фреона Ф-11 менялась на 79 % на станции Мыс Барроу (Аляска), на все 134 % за этот же период на мысе Мататула (Самоа), на 78 % на Гавайских островах (станция Мауна-Лоа).

В тех местах, где фреоны непосредственно выбрасываются в атмосферу, то есть в промышленных центрах и крупных городах, концентрация фреонов значительно превышает фоновую. В крупных городах Европы это превышение может быть 50-кратным (это касается фреонов Ф-11 и Ф-12).

Конечно, концентрация фреонов в районах их источников меняется очень сильно ото дня ко дню. Это зависит от характера атмосферной циркуляции. Так, подход холодных воздушных масс действует положительно на концентрацию фреона: прохождение холодного фронта способно уменьшить в данном месте концентрацию фреонов в два раза.

ВЫСОТНЫЕ САМОЛЕТЫ И ОЗОН

Высокая температура достигается в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолетов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем больше, чем выше температура, то есть чем больше мощность двигателя.

Важна не только мощность двигателя самолета, но и высота, на которой он летает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Так, в тех двигателях, которые установлены на таких самолетах, как «Боинг-707», «Боинг-727», ДС-8, ДС-9, «Трайдент», «Каравелла», ВАС-111, на 1 кг израсходованного топлива образуется от 4 до 5,5 г окиси азота NO. Самолеты с более мощными двигателями выделяют больше окиси азота (в расчете на 1 кг топлива). Так, широкофюзеляжные самолеты типа «Локхид-1011», ДС-10, А-300 в своих двигателях образуют по 10–11 г окиси азота на 1 кг топлива. Двигатели «Олимпус-593», которые установлены на самолетах «Конкорд», побивают все рекорды. У них выделяется 18 г окиси азота на 1 кг топлива. По этой причине полеты этого сверхзвукового англо-французского самолета в США были ограничены.

Специалисты считают, что выделение окиси азота в турбореактивных двигателях может быть уменьшено в несколько раз (до 2 г/кг). Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год, оценивается в 1 миллиард тонн. Примерно треть этого количества выбрасывается самолетами выше среднего уровня тропопаузы (11 км).

Ранее был опубликован прогноз выделения окиси азота на разных высотах и расходуемого самолетами топлива на 1990 год. Мы не располагаем сейчас данными о мировом распределении, которое на самом деле имеет место. Поэтому приводим таблицу с данными этого прогноза. Они дадут читателю представление о масштабе этих выбросов.

Что касается самолетов, то наиболее вредными для озона являются выбросы военных самолетов, количество которых исчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонного слоя.

Ракеты-носители, поднимающие многоразовый корабль «Шаттл», выбрасывают в атмосферу 187 тонн хлора и его соединений, которые также вредны для озона. Одна же молекула хлора способна уничтожить до ста тысяч молекул озона. Кроме того, часть вредных для озона выбросов попадает в стратосферу сверху, поскольку «Шаттл» поднимается до высоты 52,1 км. На этих же высотах «Шаттл» выбрасывает примерно 180 тонн окислов алюминия и других аэрозолей, а также около 7 тонн оксидов азота. Оценки, выполненные специалистами, показывают, что при одном только запуске «Шаттл» способен уничтожить около 0,3 % общего содержания озона во всей земной атмосфере. Если же таких запусков в продолжение года будет 60, то будет уничтожено 18 % всего стратосферного озона. Оценки специалистов показали, что в смысле сохранения озона выгоднее использовать для вывода грузов на орбиту мощные ракеты.

На вооружении большинства стран мира имеются боевые твердотопливные ракеты. В состав их топлива входит окислитель — перхлорат аммония. Когда он сгорает, выделяются вещества, содержащие хлор. Рассчитано, что каждая тонна груза на этих ракетах сопровождается потерями озона в 9 миллионов тонн. Естественно, что запуски таких ракет надо запретить. Запуски мелких и средних ракет также нежелательны, поскольку они более вредны (на единицу выводимого груза), чем мощные ракеты. Естественно, что необходимо ограничивать число пусков ракет безопасным пределом.

МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ И ОЗОН

Озон в стратосфере может уменьшаться и за счет того, что в стратосферу попадает закись азота N_2O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. За последние десятилетия очень резко возросло количество минеральных удобрений, вносимых в почву. В 1956 году оно составляло 3,5 миллиона тонн. В 1974 году оно увеличилось до 40 миллионов тонн. Через 10 лет, то есть в 2000 году, это количество прогнозируется равным 200 миллионов тонн. Процесс денитрификации самым прямым образом связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количество образованной закиси азота N_2O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.

Как видно, схема очень простая. Но рассчитать, сколько конкретно озона будет разрушено именно таким путем, очень непросто. Ведь не вся образующая закись азота поднимается в стратосферу и образует там окислы азота. Часть закиси азота N_2O бактериями снова разлагается с образованием молекулярного азота. Но какова скорость этого процесса, чем она определяется? Видимо, она зависит от условий, в частности от типа почвы, влажности и т. д. Исследования, проведенные американскими специалистами в штате Айова, показали, что в этих почвах почвенные бактерии восстанавливают закись азота до молекулярного азота очень даже быстро. Но на других почвах (в Австралии) процесс идет по-иному. Здесь явно прослеживается роль увлажненности почвы. Процесс восстановления закиси азота до молекулярного азота эффективен только при сильном переувлажнении. Кроме того, этот процесс достаточно эффективен только в том случае, когда в почве содержится очень большое количество закиси азота. Конечно, этот вопрос очень непрост: играет роль не только влажность, но и кислотность почвы, а также наличие в почве тех или иных микроорганизмов. Влияют на процесс денитрификации и другие факторы. Об этом свидетельствует то, что концентрация закиси азота N_2O изменяется со временем суток. Значит, имеются процессы, в которых разлагается закись азота и которые зависят от времени суток. Они являются мощными стоками для закиси азота.

РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНА ПРИ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВАХ

При ядерных взрывах выделяется очень много энергии в виде тепла. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных условиях или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Среди них наиболее опасной для озона (наиболее прожорливой) является окись азота NO. При повышении температуры атмосферы до 6000 К молекулярный кислород в атмосфере практически выгорает полностью. При нормальных условиях он составляет примерно 1/5 воздушной массы по весу, при температуре в 6000 К его остается всего 0,004 %. Кстати, количество молекулярного азота меняется всего на 5 %. Количество инертных газов, например аргона, не меняется. Если при нормальных условиях окиси азота в воздухе практически нет, то при температуре 6000 К она составляет примерно 1,5 %. В приземном воздухе почти отсутствует атомный кислород. При высокой температуре практически весь молекулярный кислород превращается в атомный. Его по весу становится примерно 20 %.

Почему для оценок мы взяли температуру, равную 6000 К? Потому, что именно такая температура устанавливается через несколько секунд после ядерного взрыва. При температуре в 6000 К устанавливается равновесие состояние между различными химическими составляющими воздуха. Дальше идет медленное охлаждение атмосферного газа. Кстати, видимая часть Солнца, то есть фотосфера, также имеет температуру 6000 К.

Медленное остывание огненного шара происходит только в его центральных частях. В его пограничных частях (на периферии) охлаждение происходит быстро, поскольку воздух в остальной части атмосферы, за пределами огненного шара, холодный. При быстром охлаждении предварительно сильно нагретого воздуха равновесное состояние не успевает устанавливаться. Поэтому образованная окись азота сохраняется. Сохраняются и другие химические вещества, возникшие при высокой температуре. Чем быстрее охлаждается воздух, тем больше сохраняется в нем высокотемпературных составляющих (тех, что образовались при высокой температуре). Собственно, их возникновение связано не только с огненным шаром ядерного взрыва, но и с взрывной ударной волной, в которой происходит нагрев из-за сильного сжатия газа. Естественно, после сильного сжатия газа в ударной волне ядерного взрыва происходит его быстрое расширение. Эффект его такой же — высокотемпературные продукты, в том числе окись азота, остаются в воздухе.

При ядерном взрыве примерно 1/3 энергии содержится в возникшем при этом излучении. Остальные 2/3 энергии делятся примерно поровну между энергией огненного шара и энергией ударной волны. Излучение ядерного взрыва также приводит к образованию окиси азота. Это происходит прежде всего потому, что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакцию с другими составляющими воздуха и образуют окислы азота.

Возникает естественный вопрос: насколько важен этот источник окислов азота в атмосфере. Приведем некоторые оценочные цифры. В 1962 году, который в этом плане считают «рекордным», было произведено ядерных взрывов общей мощностью в 213,5 мегатонны (Мт). За этот год в атмосфере только в результате ядерных взрывов образовалось больше 1 миллиона тонн окислов азота. К этому количеству надо добавить то, которое образовывалось во все другие годы, хотя мощность ядерных взрывов была меньше. Так, за период с 1952 по 1971 год в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 миллионов тонн окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.

И хотя договор о запрещении ядерных взрывов в атмосфере был подписан в 1963 году, последствия ядерных испытаний сказываются до сих пор. Кроме того, в результате подземных взрывов продукты, разрушающие озон, пусть в меньших количествах, поступают в атмосферу и продолжают вступать в реакции, уничтожающие озон.

СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА И ОЗОН

Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно, о том, что окись и двуокись азота присутствуют в продуктах сгорания, было известно давно. Но эти высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию в ней смога, но довольно быстро удаляются из тропосферы. Закись же азота, как уже говорилось, опасна для озона.

Масштаб этого явления очень значителен. Таким путем в атмосфере ежегодно образуется примерно 3 миллиона тонн закиси азота! Эта цифра говорит о том, что этот источник разрушения озона существенный. Правда, надо всегда иметь в виду, что приводимые цифры расчетные. И даже если они более-менее верные, не ясно до конца, куда девается вся закись азота из тропосферы, то есть как долго она там живет, какая ее часть успевает за время жизни подняться в стратосферу и принять участие в разрушении озона.

Время жизни закиси азота в тропосфере точно не известно. Его оценивают и в 8 лет, и в 200 лет. Ясно, что чем дольше существует закись азота, тем больше у нее времени добраться до озонного слоя в стратосфере и принять участие в его разрушении. Но поскольку расчетные оценки, опирающиеся на время жизни закиси азота, будут различаться в 25 раз, то желательно основываться не только на расчетах, но и на наблюдениях.

В тропосфере и стратосфере проходят сотни химических реакций, которые прямо или косвенно оказывают влияние на содержание озона. Поэтому определить, какой вклад в разрушение озона вносит именно данное химическое соединение, — дело очень сложное. Одно дело — установить, что данное вещество может оказывать влияние на процесс разрушения озона, и совсем другое дело определить его конкретный количественный вклад в это разрушение. Последнее сделать трудно потому, что нет полной информации о всех химических соединениях, которые участвуют в этих реакциях, об условиях, при которых протекают эти реакции, и о константах этих реакций. Поэтому при любых расчетах реальную ситуацию приходится упрощать (причем сильно!), и мы никогда не можем быть уверенными, что вместе с водой не выплескиваем и ребенка. Поэтому очень нужен контроль расчетных данных. Таким контролем могут служить только данные наблюдений, то есть сама действительность. Данные каких наблюдений для этого пригодны?

Так, мы не можем наблюдать изменения количества озона, которое обусловлено выбросом в атмосферу дыма электростанций. Лучше в этом плане обстоит дело с такими воздействиями, которые значительно меняются во времени. Тогда можно следить за тем, будет ли так же меняться во времени количество озона. Количество ядерных взрывов в разные годы было разным. Если они оказывают влияние на разрушение озона, то это должно бы наблюдаться. Что имеется на самом деле?

Как уже говорилось, наиболее рекордными по общей мощности взрывов были годы 1961-й и 1962-й. В результате ядерных взрывов в 1961 году в стратосферу поступило дополнительно 600 тысяч тонн окислов азота, а в 1962 году — все 1 100 тонн. Считается, что естественным путем в стратосфере в течение одного года образуется примерно 1 600 тысяч тонн окислов азота. Таким образом, в 1962 году только в результате ядерных взрывов в стратосферу было введено почти столько же окислов азота, сколько их образуется там естественным путем. Раз окислы азота приводят в конце концов к разрушению озона, то естественно было бы ожидать, что после ядерных взрывов 1962 года стратосферного озона останется намного меньше, чем это было до взрывов. Но, как это ни парадоксально, никакого уменьшения озона, которое последовало бы после ядерных взрывов 1962 года, не было обнаружено. Мало того, изменения свидетельствовали об обратном, количество озона в этот период не только не уменьшилось, но даже увеличилось.

Для такой проверки использовались и два французских ядерных взрыва. Один из них, мощностью 1 Мт, был проведен 30 мая 1970 года. Второй, мощностью 2 Мт, был осуществлен 4 июля 1970 года. Общее содержание озона как до указанных взрывов, так и после их проведения, измерялось с помощью аппаратуры, установленной на спутнике «Нимбус-IV». Результат наблюдений оказался тем же — уменьшения общего содержания озона не наблюдалось.

После этого у читателя должен возникнуть естественный вопрос: зачем описывать возможный механизм разрушения озона (ядерные взрывы), если на самом деле наблюдения показывают, что такой механизм «не работает»? Но вопрос на самом деле не так прост, как это кажется на первый взгляд. Если даже при теперешних условиях в стратосфере этот источник разрушения озона по какой-то причине малоэффективен, тем не менее он может оказаться важным при возможных других условиях. Мы своей деятельностью меняем тропосферу и стратосферу непрерывно, внося в нее миллионы тонн новых веществ. Тем самым меняются и те реакции между химическими соединениями, которые там происходят. Поэтому в любой день количество может перейти в качество — могут создаться такие условия, при которых каждый из механизмов разрушения озона, которые были описаны выше, может стать определяющим, роковым для озона. Поэтому ни один из описанных выше источников веществ, которые приводят к разрушению озона в стратосфере, не следует сбрасывать со счетов. При каждом анализе состояния дел с озоном все эти источники должны непременно учитываться.

ОЗОННАЯ ДЫРА НАД АНТАРКТИКОЙ

О значительном уменьшении общего содержания озона над Антарктикой впервые было сообщено в 1985 году Британской антарктической службой на основании анализа данных озонометрической станции Хэлли-Бей (76о южной широты). Уменьшение озона наблюдалось этой службой и на Аргентинских островах (65о южной широты).

Американские исследователи измеряли количество озона и другие характеристики атмосферы над Антарктикой с помощью аппаратуры, установленной на их озонометрической станции Мак-Мердо. Одновременно проводились измерения приборами, установленными на специальных самолетах, базировавшихся в Пунта-Агенас (Чили) и проводящих полеты над Антарктикой в 1987 году. Аппаратура позволяла измерять не только озон, но и малые примеси в атмосфере, от которых в той или иной мере зависит судьба озона. Это H_2O, ClO, OClO, ClONO_2, HCl, BrO, HF, NO, NO_2, HNO_3, NO_4, N_2O, CH_4, CCl_4, CH_3CCl и фреоны 11 и 12.

Приборы, установленные на самолетах, предназначались также для измерения частиц аэрозолей. Они давали информацию о количестве частиц и их размерах, а также о составе вещества частиц. Таким образом измерялось распределение с высотой аэрозолей и их характеристики. Измерения проводились с помощью лазерной установки, размещенной на самолете, и охватывали высоты от 12 до 28 км.

Измерения проводились в весенние сезоны 1985, 1986 и 1987 годов. Вся эта исследовательская программа была названа «Глобальный тропосферный эксперимент».

С 28 августа по 29 сентября 1987 года было выполнено 13 полетов самолета-лаборатории над Антарктикой. Эксперимент позволил зарегистрировать зарождение озонной дыры. Были получены ее размеры. Исследования показали, что наибольшее уменьшение количества озона имело место на высотах 14–19 км. Здесь же приборы зарегистрировали наибольшее количество аэрозолей (аэрозольные слои). Оказалось, что чем больше имеется аэрозолей на данной высоте, тем меньше там озона. Когда самолет-лаборатория находился ближе к южному полюсу от широты 77о южной широты, он регистрировал уменьшение озона на высотах 14–19 км, равное 50 %. Ниже 14 км изменение озона было несущественным.

На антарктической станции Георг-Форст (70о 46′ южной широты, 11о 50′ восточной долготы) проводились измерения количества озона с мая 1985 по февраль 1987 года. Данные измерений показали, что весной (в сентябре) по мере развития озонной дыры главный максимум озона смещался от уровня с давлением 70 гПа до уровня 25 гПа в конце октября. При этом общее содержание озона уменьшается от 230 до 175 Д.Е. В это же время развивается вторичный максимум озона внизу, где давление равно примерно 100 гПа. По мере усиления нагревания стратосферы во второй половине октября этот вторичный максимум опускается до уровня, где атмосферное давление равно 150 гПа. Минимум озона наблюдался на уровнях с давлением 40–70 гПа. Но по мере усиления нагревания стратосферы (в октябре — ноябре) озонный максимум смещается вниз на уровни с давлением между 100 и 150 гПа. Таким образом, озонная дыра (минимум количества озона) в начале октября охватывает уровни с давлением от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон высот, на которых она наблюдается, расширяется. Но границы этого расширения в разные годы разные. Так, в декабре 1985 года им соответствовало атмосферное давление 200 — 55 гПа, а в декабре 1986 года — 100 — 35 гПа.

Эксперименты подтверждают тесную связь между температурой стратосферы и количеством озона. Охлаждение стратосферы коррелирует с низкими величинами озона в нижней стратосфере. В 1986 году количество озона в весенний период на ст. Георг-Форст было больше, чем в соответствующий период 1985 года. Это объясняется различным температурным режимом антарктической стратосферы весной в указанные годы.

Японские ученые рассчитали влияние температуры стратосферы на направленный вверх адиабатический поток воздуха (с озоном). Дело в том, что при определенных условиях крупномасштабными гравитационными волнами могут создаваться локализованные направленные движения тропосферного воздуха вверх, в нижнюю стратосферу. В результате такого движения образуется минимум температуры и концентрации озона, расположенный в нижней стратосфере в Антарктике. Профили зональных ветров зимой и ранней весной в Антарктике свидетельствуют о наличии там гравитационных волн. Возникают они вследствие неровностей рельефа местности и могут усиливаться в течение одного или двух дней. В результате в нижней стратосфере образуются локальный минимум температуры и направленные вверх потоки воздуха. Очень важно, что вертикальное смещение и горизонтальный масштаб возникающего таким образом температурного минимума могут быть существенно больше размеров орографии, которая вызвала эти гравитационные волны.

Скорость нагревания нижней стратосферы в Антарктике растет зимой, составляя около 0,3оС в день, а поздней зимой и весной — около 1,0оС в день. Таким образом, профили зональных ветров, которые свидетельствуют о наличии гравитационных волн, должны быть тесно связаны и с концентрацией озона. Получалось, что если средняя температура стратосферы равна 240 К, то направленный верх поток появляется на высоте 25 км. При понижении температуры до 210 К этот поток появляется ниже, около 20 км. Это происходит потому, что имеется сильная зависимость адиабатического потока от температуры стратосферы. Чем больше направленный вверх адиабатический поток воздуха (с озоном), тем больше озона переносится вверх, где он быстрее исчезает. Таким образом, чем ниже температура стратосферы, тем выше направленный вверх адиабатический поток (он захватывает более низкие уровни) и тем меньше количество озона. В результате, если от года к году температура стратосферы уменьшается, то должно уменьшаться и количество озона в стратосфере. Именно такая ситуация реализовалась в 80-е годы.

В течение многих лет проводятся измерения количества озона на японской антарктической станции Сева. Анализ этих данных показал, что наибольшее количество озона над станцией сосредоточено в относительно узком слое нижней стратосферы между 16 и 19 км. Только с наступлением лета (ноябрь в южном полушарии) эта область расширяется вверх до 22 км.

Во многих экспериментах измерялось не только количество озона и других малых составляющих атмосферы, но и температуры. Была установлена самая тесная связь между количеством озона в стратосфере и температурой воздуха там же. Оказалось, что характер изменения количества озона тесно связан с тепловым режимом стратосферы над Антарктидой.

В разные годы количество озона меняется по-разному, в соответствии с изменением теплового режима стратосферы. Так, например, в 1979 году в Антарктике имела место относительно ранняя перестройка теплового режима стратосферы, температура повысилась существенно еще до установления летнего режима температуры. Поэтому в октябре 1979 года над станцией Сева наблюдались высокие значения общего содержания озона, порядка 0,39 атм-см. Совсем иначе менялась стратосферная температура в Антарктике в следующем, 1980 году. Рост ее значительно отставал от наблюдаемого в 1979 году в те же календарные сроки. Температура достигла максимальной величины только в конце весеннего сезона. К этому времени достигло максимального значения и количество озона на высоте с атмосферным давлением, равным 50 гПа.

Образование и развитие озонной дыры в Антарктиде наблюдали английские ученые и в 1987 году. Они проводили измерения на своей антарктической станции Хэлли-Бей. Озон измерялся приборами, которые поднимались в стратосферу на шарах-зондах (баллонах). За период с апреля по ноябрь 1987 года было проведено более 60 запусков баллонов. Из них 50 проводили измерения в период развития озонной дыры с августа по октябрь.

Измерение озона в антарктической стратосфере проводилось и на четырех советских озонометрических станциях. На станции Молодежная проводились ракетные измерения высотных профилей концентраций озона одновременно с измерением общего содержания озона наземными озонометрами.

Результаты измерений общего содержания озона на станции Молодежная (68о южной широты, 45о западной долготы) наземным озонометром в период с мая по ноябрь 1987 года подтвердили существование там в весеннее время значительного понижения в общем содержании озона на высотах 14–18 км. Измерения на другой советской озонометрической станции в Антарктиде (Новолазаревская) также показали наличие озонной дыры в весенний сезон. Общее содержание озона понижалось временами до 160 Д.Е.

Были также проанализированы данные измерений озона, проводимых на третьей озонометрической антарктической советской станции — Мирный (67о южной широты, 93о восточной долготы) в период с 1979 по 1986 год. Анализ показал, что в продолжение указанного периода весенние величины общего содержания озона от года к году уменьшались. В весенний для Антарктики месяц октябрь это уменьшение достигало примерно 7 % в год. В летнее время (январь) это уменьшение было меньше, всего около 1 % в год.

Сама озонная дыра, регистрация которой проводилась на станции Мирный, характеризовалась тем, что весной общее содержание озона уменьшилось примерно на 25 %. Это средняя величина за весь период с 1976 по 1985 год. В другие сезоны уменьшение общего содержания озона, измеренное на этой стадии за указанный период, составляло 5 — 10 %. Это примерно соответствует тому, что наблюдали англичане на своей станции Хэлли-Бей, что и позволило им первыми в мире в 1985 году заявить о существовании озонной дыры в Антарктиде. О результатах наблюдений озонной дыры на советской озонометрической станции было очень кратко (в примечании) сообщено только в 1987 году. Почему?

Данные измерений показывают, что накануне образования озонной дыры, в первой декаде августа, нижняя стратосфера была спокойной. Максимальное количество озона наблюдалось на высоте 16,5 км. Оно соответствовало парциальному давлению, равному 170 нбар. В последнюю неделю августа появились первые признаки озонной дыры, то есть понижение количества озона. С 29 августа понижение парциального давления озона прогрессировало вплоть до 11 сентября, когда значительное уменьшение озона охватило нижнюю стратосферу. В последующие 10 суток (с 11 по 21 сентября) существенных изменений в высотном распределении озона приборы не регистрировали. Но после этого спокойного периода с 23 сентября распределение озона по высоте стало существенно изменяться: между уровнями с давлением 120 нбар и 50 нбар появился глубокий одинокий минимум в количестве озона. С 28 по 30 сентября этот минимум не наблюдался. И только с 7 по 13 октября количество озона значительно уменьшилось на всех высотах. Практически до конца октября приборы регистрировали очень низкие величины как горизонтального давления озона, так и отношения смеси. Последующие измерения показали, что минимум озона был ясно виден еще 23 ноября. О том, насколько изменилось количество озона, говорят такие данные измерений. До 28 августа, то есть до начала образования озонной дыры, общее содержание озона находилось в пределах 265–305 м-атм-см. В период от конца сентября до конца октября это значение упало ниже 200 м-атм-см, а в отдельные дни октября даже ниже 150 м-атм-см. Это значит, что количество озона в эти дни уменьшилось вдвое! Приборы измеряли не только общее содержание озона, но и его распределение по высоте. Эти данные измерений показывают, что уменьшение озона происходило главным образом на высотах между 13 и 22 км. В этом слое разрушается около 80 % озона, а на высоте наибольшего понижения разрушается практически весь озон. Отсюда следует очень любопытный вывод. Если в будущем разрушение озона не будет в заметном количестве происходить на других высотах, а только в указанном слое между 13 и 22 км, то общее содержание озона в последующие годы не будет уменьшаться катастрофически сильнее, чем в 1987 году, так как в этом поясе озон уже разрушится почти полностью.

По данным измерений озона на ст. Мак-Мердо (приборы поднимались на шарах-зондах), было проведено сравнение характеристик озонных дыр весной 1986 и 1987 годов. Данные измерений, полученных в 33 полетах шаров-зондов весной 1987 года, показали существенные различия в развитии и заполнении озонных дыр в указанные годы. Так, озонная дыра зарождалась в сентябре, а в октябре высота уровня с пониженным количеством озона постепенно уменьшалась. В 1986 году пониженное количество озона (озонная дыра) наблюдалось на высотах 12–20 км, тогда как в 1987 году дыра расширилась вверх до 23 км. В 1987 году озонная дыра увеличилась не только по высоте. Она, кроме того, стала глубже, то есть дефицит озона стал еще больше. Максимальное понижение количества озона наблюдалось на высоте 18 км. В 1987 году образование озонной дыры происходило более бурно и результативно, всего за 14 дней в сентябре. В 1986 году на образование дыры ушло 25 суток. В 1987 году озонная дыра не только быстрее образовалась, но и дольше существовала. Она заполнилась на 3–4 недели позднее, нежели в 1986 году.

По данным измерений на этой же станции, были сравнены концентрации малых атмосферных составляющих, которые оказывают влияние на количество озона (NO_2, OClO, BrO). Измерялся, естественно, и сам озон. Проведенные измерения показали, что наибольшее количество NО_2 имеется на высотах вблизи 30 км. С наступлением весны в Антарктике (в продолжение сентября) количество NО_2 систематически увеличивается. Это увеличение NО не случайно совпадает с уменьшением количества озона, то есть с формированием и развитием озонной дыры. NО_2 увеличивается за счет поступающего в продолжение зимы нечетного азота.

Основное количество OClO находится на тех же высотах, что и озон, то есть вблизи 20 км. Образование OClO происходит под действием солнечного излучения. Поэтому вечером его количество больше, чем утром. Различие между годами 1987-м и 1986-м состояло прежде всего в том, что в 1987 году температура стратосферы была ниже, чем в 1986 году. Поэтому там более эффективно шел процесс образования стратосферных облаков и другие процессы, способствующие уменьшению количества озона. В результате и содержание в столбе OClO в вечерние сумерки весной 1987 года было существенно больше, чем в такое же время 1986 года. Измерения BrO показали, что наибольшее его количество находится вблизи высоты 15 км. Количество BrO зависит от зенитного угла Солнца: чем больше зенитный угол, тем больше BrO.

Измерения озона проводятся с 1962 года на американской станции Южный Полюс. Измерения дают информацию как об общем содержании озона, так и о его распределении по высоте. Были проанализированы данные за весь многолетний период наблюдений. Анализ показал, что степень понижения озона на станции Южный Полюс в весенний сезон 1987 года была беспрецедентно высокой. В октябре 1987 года общее содержание озона составляло всего 141 Д.Е., тогда как средняя величина за период с 1964 по 1979 год равнялась 292 Д.Е. С наступлением лета в 1987 году восстановление озона на станции сильно задержалось по сравнению с предыдущими годами. Поэтому общее содержание озона над станцией Южный Полюс было очень низким (184 Д.Е.). Укажем для сравнения, что за 1964–1974 годы эта величина в среднем составляла 351 Д. Е. Анализ высотных профилей озона показал, что уменьшение озона в 1987 году имело место на высотах 12–22 км. Наибольшее уменьшение наблюдалось на высоте 16 км.

Детальные наблюдения озонных дыр в Антарктике были выполнены с помощью приборов, установленных на спутнике США «Нимбус-VII». Данные этих измерений показали, что понижение озона происходит в нижней стратосфере, на тех уровнях, где имеется максимум концентрации О_3. Спутниковые измерения озона показали, что озонная дыра в Антарктике окружена циркумполярным максимумом озона, который приходится на широты 40–60о южной широты. Показано, что в ноябре минимум озона увеличивается и перемещается от полюса на юго-запад Тихого океана или в Южную Атлантику. Это смещение происходит по мере того, как циркумполярный максимум вторгается на полюс.

Исследовалось изменение озона в Антарктике за 1979–1987 годы. Анализ данных наблюдений показал, что характер изменения озона в последние годы (после 1983 года) не такой, как до этого. В период после 1983 года уменьшение озона значительно больше, то есть озонная дыра больше.

Американские исследователи проводили измерения в Антарктике зимой и ранней весной 1987 года озона и других малых составляющих атмосферы (HCl, HF, NO_2, HNO_3, ClONO_2, N_2O, CH_4) с помощью специального спектром. Данные этих измерений позволили очертить область вокруг Южного полюса, в которой количество озона уменьшено. Оказалось, что эта область совпадает практически в точности с полярным стратосферным вихрем. При переходе через край вихря резко менялось количество не только озона, но и других малых составляющих, оказывающих влияние на разрушение озона. В пределах озонной дыры (или, другими словами, полярного стратосферного вихря) концентрация HCl, NO_2 и азотной кислоты была значительно меньше, чем за пределами вихря. Это имеет место потому, что хлорины в продолжение холодной полярной ночи разрушают озон в соответствующих реакциях, выступая в них как катализаторы.

Связь озонной дыры в Антарктике с полярным стратосферным вихрем изучалась многими учеными разных стран как экспериментально, так и теоретически, на различных моделях. Идея этой связи очень наглядна и проста: наличие вихря (воронки) вокруг полюса препятствует поступлению внутрь вихря воздуха, который богат озоном, из средних широт. Таким образом, с одной стороны, озон не образуется длинной полярной ночью под действием солнечного излучения, а с другой — он разрушается благодаря наличию хлорных составляющих (примесей). Распределение хлоринов в арктической стратосфере принципиально отличается от такового в средних широтах. Данные различных измерений показывают, что в то время как суммарное содержание хлора во всех химических формах внутри полярного вихря примерно такое же, как и в средних широтах, неактивные его формы (которые не способствуют разрушению озона) переходят в значительной мере в активные, благодаря которым и разрушается озон. Измерения показали, что в областях пониженного количества озона активного вещества ClO в 10-500 раз больше, чем в обычных условиях (когда нет озонных дыр) и по сравнению со средними широтами. По-видимому, главным виновником озонной дыры является именно ClO, который оказался в стратосфере в результате человеческой деятельности. Полярный стратосферный вихрь только создает для этого соответствующие условия. Эти условия — наличие частичек полярных стратосферных облаков. Благодаря этим частицам хлорные примеси резервуара (неактивные), такие как CClONO_2 и HCl, преобразуются в активный ClO.

Измерения с помощью самолета-лаборатории ЕR-2 показали, что в районе озонной дыры (внутри полярного вихря) содержание азота во всех его химических формах очень мало. Полагают, что нитраты находятся в твердой фазе и поэтому выпадают на более низкие уровни.

Что собой представляет полярный стратосферный вихрь?

Зимой над Антарктикой на высотах 10–50 км циркуляция атмосферы такова, что там доминирует высокобароклинный циклон, центр которого находится вблизи полюса. Температура стратосферы уменьшается по направлению к полюсу. Поэтому создаются сильные западные ветры на высотах, соответствующих давлению 100 гПа и выше. Эти западные ветры окружают Антарктику наподобие интенсивного течения. В период от апреля до октября, то есть в зимний сезон, в сердцевине вихря (около Южного полюса) интенсивность ветра очень мала. С другой стороны, здесь очень низкие температуры. Разрушение полярного стратосферного вихря происходит только тогда, когда увеличивается стратосферная температура, то есть примерно за месяц до равноденствия.

Летом (в декабре) в Антарктике на высотах, соответствующих давлению 100 и 50 гПа, температура примерно на 40оС выше, чем зимой. Более того, меняется перепад (градиент) температуры вдоль меридиана: он становится противоположным тому, который был зимой. А это значит, что ветры меняют направление с западного на восточное. То есть летом имеется восточный стратосферный полярный вихрь в отличие от западного зимой. Но имеется и еще одно очень важное, принципиальное различие зимнего и летнего вихрей. Оно заключается в том, что летний восточный вихрь является слабым. Поэтому он не препятствует притоку к полюсу воздушных масс, богатых озоном, из средних широт.

Исследовалась связь между временем распада западного полярного стратосферного вихря и временем начала заполнения озонной дыры в Антарктиде. Было показано, что начало распада полярного вихря самым тесным образом связано с началом заполнения озонной дыры в Антарктике. Анализировались многолетние данные о количестве озона и о циркуляции атмосферы на антарктических станциях Хэлли-Бей и Южный Полюс. В 10 случаях наблюдался ранний распад (около 10 октября) полярного западного стратосферного вихря. В эти годы максимальное в году количество озона на указанных станциях достигалось уже 12 ноября. Количество озона в максимуме достигало в этих случаях примерно 420 м-атм-см. В 17 других случаях полярный стратосферный вихрь распадался только к 8 ноября. Эта затяжка привела к тому, что озон не успевал за оставшееся время достичь таких величин, как в прежних случаях. Количество озона увеличивается после развала полярного вихря только в продолжение последних нескольких дней ноября. Но в этих случаях величина годового максимума значительно меньше и составляет только 375 м-атм-см против 420 м-атм-см при распаде вихря к 10 октября.

Если же полярный стратосферный вихрь распадается в сентябре или первых числах октября, то в полярную стратосферу поступает из средних широт воздух, богатый озоном. Поэтому понижение количества озона (озонная дыра) в этих случаях минимально.

На образование озонной дыры оказывает влияние не только длительное существование западного полярного стратосферного вихря, вследствие чего преграждается путь стратосферного воздуха из средних широт в полярную область. Исчезновение озона в полярную ночь связано с такими малыми газовыми составляющими, как HOCl, Cl_2, ClNO_2. Эти составляющие образуются из других составляющих, содержащих хлор и азот, которые имеются в стратосферном резервуаре практически всегда. Превращение резервуарных газовых составляющих в более активные (в смысле воздействия на озон) формы идет очень эффективно. Образованные в этих реакциях молекулы HOCl, Cl_2, ClNO_2 под действием солнечного излучения весной в Антарктике создают атомные соединения хлора, которые принимают участие в химическом цикле распада озона.

Как видно, во всех реакциях образуются молекулы.

Это вещество конденсирует и превращается в лед. Химические реакции на поверхности аэрозолей, то есть гетерогенные реакции, протекают эффективно на высотах 12–22 км. Скорость их зависит от поверхностной концентрации аэрозолей, от частоты столкновений между молекулами газа и аэрозольными поверхностями, HCl и H_2O в виде ледяных частиц и, конечно, от вероятности этих реакций при происшедшем одном столкновении.

Количество соединений, образующихся в результате этих реакций, очень сильно зависит от того, сколько имеется в начале NOx (конкретное NO + NO_2 + ClNO_3 + 2N_2O_5). Очень важно, что скорость указанных реакций зависит от степени освещенности солнечным излучением во время этих процессов. То, что приведенные выше гетерогенные реакции выбраны правильно, подтверждают расчеты, выполненные по ним для различных условий, измеренных как самолетами-лабораториями DC-8 и ER-2, так и приборами TOMS, установленными на спутнике «Нимбус-7». Как уже говорилось, эти эксперименты проводили американские исследователи в Антарктике в периоды развития озонной дыры.

Согласно выполненным расчетам по приведенным выше гетерогенным химическим реакциям, содержание в столбе HNO_3 соответствует отношению смеси, равному примерно 2,5 × 10-12 ниже 18 км на широте 70о южной широты. В полярном стратосферном вихре в том же месте отношение смеси для HNO_3 составляет только 1,5 × 10-12. Эти результаты хорошо согласуются с данными измерений на самолетах-лабораториях ER-2.

Расчетное количество HCl (небольшие величины) также хорошо согласуется с данными измерений в том случае, если гетерогенные процессы протекают в продолжение всего сентября. Это условие вполне реальное.

В результате указанных гетерогенных реакций в продолжение августа должно образовываться значительное количество ClNO_3, хлористых нитратов. Но для этого надо, чтобы начальные концентрации NОx зимой были примерно равными 2 × 10-12 на высоте 18 км. Но если начальная концентрация NОx зимой в два раза меньше, то хлористых нитратов (ClNO_3) с наступлением весны (в августе) образуется пренебрежимо мало. Измерения показывают, что в сентябре имеется на этих высотах большое количество ClNO_3. Оно может возникать по двум причинам. Во-первых, ClNO_3 может образовываться в результате реакций с NO_2, который образовался вследствие фотолиза азотной кислоты. Во-вторых, ClNO_3 в сентябре могут быть теми молекулами, которые не превратились в активные хлорины.

Количество ClO сильно зависит от количества HNO_3, скорости его фотолиза и, конечно, от других гетерогенных химических реакций с его участием.

Именно в каталитическом цикле с участием хлора (Cl_2O_2) происходит основное уменьшение концентрации озона (по крайней мере 80 % этого уменьшения).

Таким образом, для уменьшения озона ключевыми являются концентрации HNO_2 и NOx. Но понижение количества озона не прямо пропорционально количеству NOx. При тех значениях NOx, которые характерны для условий антарктической зимы, уменьшение количества озона особенно эффективно, процесс распада озона ускоряется.

Выполненные американскими специалистами расчеты, основные результаты которых приведены выше, говорят о том, что приведенные гетерогенные реакции реально отражают процессы во время образования озонной дыры в антарктической стратосфере весной.

Приведенные выше реакции играют решающую роль в процессах, приводящих к распаду озона. Эти реакции протекают на поверхности частиц, составляющих полярные стратосферные облака. Значит, чем больше площадь этой поверхности, то есть чем больше частиц стратосферных облаков, а значит, и самих облаков, тем эффективнее образуется озонная дыра. От чего же зависит эффективность образования полярных стратосферных облаков?

Образование стратосферных облаков зависит прежде всего от температуры стратосферы в данном месте. Они формируются зимой, когда стратосферный воздух над Антарктикой сильно охлаждается из-за отсутствия солнечного излучения. Измерения подтверждают, что стратосферные облака образуются именно на тех высотах, где температура очень низкая. Весной в Антарктике температура атмосферы увеличивается на больших высотах, затем это потепление постепенно распространяется вниз. Значит, по мере развития весны высота, на которой могут образовываться стратосферные облака (там должна быть температура порядка 195 К, не менее), должна понижаться. Спутниковые измерения высоты облаков действительно подтверждают, что в начале весны в Антарктике (сентябрь и начало октября) стратосферные облака наблюдались на высоте 16 км. В последующие дни октября они наблюдались ниже.

Измерения стратосферных облаков приборами, установленными на спутниках, начали проводиться с 1987 года. Было показано, что в 1987 году они наблюдались (в то же самое время весны) выше, чем в 1985 году. Дело в том, что температура стратосферы весной 1987 года была ниже, чем весной 1985 года. Полярные стратосферные облака наиболее эффективно образуются при низких температурах, даже, лучше сказать, при очень низких температурах (около 195 К). Это, собственно, и понятно, поскольку эти облака содержат главным образом лед, образующийся при конденсации HNO_3 и H_2O. Частицы льда в полярных стратосферных облаках играют важную роль, так как создают очень эффективную среду для образования хлоринов из водородных хлоринов и азотных хлоринов. Изменение теплового режима может приводить к образованию Cl_2 и O_2, которые под действием солнечного излучения (фотолиз) распадаются на атомы. Далее они эффективно влияют на количество озона. Здесь вырисовывается очень важная для проблемы озона причинно-следственная цепочка: увеличивая количество CO_2 в стратосфере, мы уменьшаем ее температуру, а значит, увеличиваем эффективность образования полярных стратосферных облаков. Это в свою очередь приводит в конце концов к уменьшению количества озона в стратосфере.

Японские исследователи анализировали полученные ими данные на станции Сева за период 1980–1985 годов с целью выяснения роли температуры стратосферы в образовании озонной дыры в Антарктике. Изучалось изменение от года к году средней для данной широты температуры средней стратосферы. Выяснилось, что температура средней стратосферы в приполярных районах Антарктики ниже, чем в Арктике, не только весной, но и во все сезоны года. В последние годы прослеживается тенденция уменьшения температуры стратосферы в Антарктике в зимний сезон, причем период этого уменьшения (то есть похолодания) от года к году удлиняется. Это, несомненно, отражается на времени существования весенней арктической озонной дыры и ее глубине, если можно так сказать.

Были проведены специальные исследования связи между образованием стратосферных облаков и увеличением СО_2. Они показали, что указанная выше причинно-следственная цепочка, приводящая к понижению концентрации озона, действительно имеет место. Исследования подтверждают, что увеличение концентрации СО_2 в стратосфере приводит к понижению там температуры стратосферы до того уровня, при котором эффективно образуются стратосферные полярные облака.

Авторы исследования логично заключают, что если будет продолжаться увеличение СО_2, то не только в Антарктике (где температура стратосферы ниже), но и в Арктике будут достигнуты условия столь низких температур, при которых формируются полярные стратосферные облака, а значит, образуются и озонные дыры.

Чтобы выяснить роль аэрозолей в уменьшении количества озона на американской антарктической станции Мак-Мердо проводились измерения аэрозолей различных размеров в 1986 и 1987 годах. Измерения проводились с помощью приборов, установленных на шарах-зондах (баллонах) в весенне-летнее для южного полушария время (август-ноябрь). В 1986 году было осуществлено 6 полетов шаровых зондов, а в 1987 году — 12. Измерялась, естественно, и концентрация озона. Результаты этих экспериментов показывают, что с озонной дырой тесно связаны аэрозоли малых размеров, с радиусом, примерно равным 0,02 мкм. Слой таких частиц действительно наблюдался в трех полетах в октябре 1986 года над озонной дырой. Но любопытно, что в конце августа 1987 года эти частицы не регистрировались. Исследователи делают логичный вывод, что для образования этих частиц требуется солнечное излучение. Которого в августе на этих высотах еще нет, но оно имеется в октябре. Шары-зонды регистрировали также частицы, которые образовывали стратосферные полярные облака.

Для того, чтобы оценить роль не только западных ветров и стратосферных облаков (низких температур), но и малых газовых составляющих (хлорных и азотистых соединений прежде всего), проводились многократные измерения распределения этих составляющих как на разных широтах и долготах (например, вдоль полета самолета-лаборатории), так и по высоте.

Американские исследователи провели специальные одновременные измерения озона и аэрозолей нитратов. Эксперимент был выполнен в шести полетах самолета-лаборатории в период 17–30 августа 1987 года на высотах от 13,5 до 20,3 км в широтном поясе 56–72о южной широты. Данные, полученные в этих экспериментах, подтвердили правильность представления, что пары азотистой кислоты конденсируются в твердые частицы стратосферных облаков с размерами (диаметром) около 1–2 мкм. Благодаря этому NO_2 переходит из газообразного состояния (газовой фазы) в твердое. При этом образуется много Clx, поскольку образованное в реакции вещество ClONO_2 распадается.

Так, в рамках эксперимента по измерению озона в Антарктике с помощью летательных аппаратов (AAOE — Airborne Antarctie Ozone Experimrnt) в августе и сентябре 1987 года проводились измерения N_2O с помощью двух самолетов-лабораторий (ER-2 и DC-8). Самолеты с приборами пролетали выше 20 км. Один из приборов представлял собой спектрометр, использующий излучение, создаваемое лазером. Через каждый километр вдоль траектории полета самолета-лаборатории получали величину концентрации N_2O. Что показали эти измерения, проводимые внутри озонной дыры в период ее развития?

Данные измерений, полученные в этом эксперименте, показали, что внутри озонной дыры концентрации N_2O значительно меньше, чем за пределами дыры. На широте 69о южной широты на высоте 18 км парциальное давление N_2O составило всего 90 × 10-12. Очень важен и другой результат: за все шесть недель, пока не развалился западный полярный стратосферный вихрь, распределение N_2O с высотой практически не менялось.

Японские исследователи изучали взаимосвязь между количеством N_2O и озоном на своей антарктической станции Сева. Эксперименты проводились с 23 августа по 9 декабря 1983 года, во время развития и заполнения озонной дыры. С помощью специального инфракрасного спектрометра наблюдали инфракрасные солнечные спектры и по ним определяли количество N_2O, CH_4, CO_2 и H_2O. Данные измерений за период развития озонной дыры показывают, что до распада полярного западного стратосферного вихря (то есть в сентябре и октябре) количество N_2O не увеличивается. Только после разрушения этого вихря в область озонной дыры приходит воздух из средних широт, богатый как озоном, так и N_2O.

Проводились также измерения других малых составляющих атмосферы, в частности HCN. Результаты измерений на арктической станции Мак-Мердо в сентябре 1986 и 1987 годов сопоставлялись с аналогичными на широтах 19 и 33о северной широты (станция Мауна-Кеа на Гавайях). Время жизни HCN в стратосфере составляет примерно три года. Поэтому эта примесь атмосферы является хорошим трассером, позволяющим изучать вертикальные и горизонтальные переносы в атмосфере на разных широтах. Именно благодаря большому времени жизни эта составляющая атмосферы распределена по высоте одинаково в Антарктике и тропической зоне. Собственно, это же характерно и для другой малой составляющей атмосферы — ClO.

Наблюдения изменения количества ClO проводились на антарктической станции Мак-Мердо в 1986 и 1987 годах в весенний сезон во время образования весенней озонной дыры. В нормальных условиях больше всего ClO на высоте примерно 35 км. В условиях образования озонной дыры в 1986 и 1987 годах на высоте 20 км концентрация ClO в полдень была в 100 раз больше, чем в нормальных условиях. Таким образом, в особых условиях озонной дыры концентрация ClO имеет два максимума: один «нормальный», на высоте 35 км, и второй — на высоте 19–20 км. Такое высотное распределение называют бимодальным.

Концентрацию ClO на разных высотах измеряют в разных пунктах земного шара в разное время года в продолжение многих лет. Но ни разу не было случая, чтобы высотное распределение ClO имело два максимума, то есть было бимодальным. Такое бимодальное распределение ClO наблюдается только в Антарктике в условиях образования озонной дыры. Обратим внимание на то, что дополнительный максимум ClO находится примерно на тех же высотах, где имеется недостаток озона. Количество ClО на малых высотах очень сильно меняется в зависимости от интенсивности солнечного излучения. Поэтому оно изменяется со временем суток от восхода до захода солнца. Чем выше, тем эта суточная изменчивость ClO меньше. На больших высотах количество ClO меняется после захода солнца медленнее, чем на меньших высотах. Количество ClO в Антарктике в зимне-весеннее время самым тесным образом связано с полярными стратосферными облаками и очень низкими концентрациями NOx. Имеется обратная корреляция между ClO и NO_2, то есть чем больше ClO, тем меньше NO_2. При уменьшении NO_2 уменьшается скорость образования ClONO_2. Это имеет место на более низких высотах. В результате количество озона уменьшается.

Таким образом, ниже 22 км происходит накопление ClO и OClO и одновременно создается дефицит NO_2. В результате гетерогенных реакций (с участием аэрозолей в их присутствии) и фазовых переходов изменяются и концентрации HCl, ClNO_3 и HNO_3. Поэтому уменьшается количество озона.

Многочисленные измерения малых составляющих атмосферы, таких как ClO, BrO, NO, H_2O, N_2O, в пределах антарктической весенней озонной дыры (или, другими словами, в пределах западного полярного стратосферного вихря) свидетельствуют о том, что в этой области химический состав значительно отличается от состава в других регионах, в частности в средних широтах. Это относится и к Н_2О, и к хлорным и азотным составляющим.

Правомочным является вопрос, почему озонная дыра наблюдается весной в Антарктике и не наблюдается в Арктике. Как известно, озон в стратосфере образуется под действием солнечного излучения. В смысле солнечного излучения нет каких-либо различий в Арктике и Антарктике. Поэтому причину особого поведения озона в Антарктике надо искать в другом, а именно в самой атмосфере. Как мы уже знаем, на количество озона в приполярной области весной оказывает влияние полярный стратосферный вихрь. Он связан с особым распределением по широте стратосферной температуры.

Дело в том, что нижняя стратосфера южного полушария принципиально отличается от таковой в северном полушарии. Сильная зональная симметрия поверхностных условий в южном полушарии вызывает циркуляцию, которая намного более симметрична, нежели в северном полушарии. Она не разрушается под действием планетарных волн. Поэтому в южном полушарии воздух внутри полярного стратосферного вихря остается очень холодным и изолированным от воздушных масс других широт. Таким образом, особые метеорологические условия Антарктики в конце зимы и в начале весны способствуют образованию озонной дыры. Только «способствуют» потому, что озон разрушается хлорными примесями атмосферы, которые поступают сюда благодаря человеческой деятельности.

В Арктике, в отличие от Антарктики, такого стабильного, долго существующего стратосферного вихря нет. Его нет потому, что нет соответствующего распределения стратосферной температуры, а главное, нет столь низких температур, как в стратосфере Антарктики.

В южном полушарии нагрев атмосферы солнечным излучением играет более важную роль в сезонном изменении температуры и динамики атмосферы, нежели в северном полушарии. Это обусловлено тем, что в северном полушарии температура сохраняется выше этого значения, которое соответствует радиационному равновесию. Это возможно вследствие действия планетарных волн.

Раз в Арктике нет полярного устойчивого стратосферного вихря, то и нет препятствия на пути богатого озоном воздуха, который движется от средних широт к полярному региону. Этот воздух и приносит арктической весной долгожданный после зимы озон, и мы наблюдаем в Арктике весенний максимум количества озона в стратосфере. Таким образом, различие в изменении общего содержания озона в продолжение года в Арктике и Антарктике обусловлено разницей в сроках существования, а также интенсивности зимних стратосферных полярных вихрей в южном и северном полушариях.

Таким образом, потепление стратосферы весной в Арктике протекает не так, как в Антарктике. Зимой в Арктике очаг холода с температурами — 60–65оС располагается на высотах 15–30 км. Это по данным канадской станции Резольют-Бей. Летом очаг тепла в стратосфере распространяется сверху вниз, из верхней стратосферы в ее нижние слои. По мере этого распространения очаг тепла постепенно теряет свою интенсивность. Кроме того, он существенным образом деформируется и в нижней стратосфере. На высотах 10–17 км формируются отдельные прослойки с более высокой температурой. От них тепло распространяется к соседним с ними слоям. Это происходит при освещении атмосферы на этих уровнях солнечным излучением. В этих прослойках температура выше потому, что там больше озона, который и аккумулирует энергию солнечного излучения, поглощая ее. Толщина каждой теплой прослойки не более 1–2 км. Превышение температуры в них достигает 3–4оС. Этот эффект выражен наиболее ярко в апреле на высотах 12–14 км.

Последнее десятилетие наблюдается похолодание нижней стратосферы Арктики. Этот процесс наиболее сильно выражен в районе очагов холода. Один из таких очагов холода находится в Канаде, вблизи озонометрической станции Резольют-Бей. Это похолодание отражается в изменении стратосферного озона, о чем свидетельствуют также измерения озона на этой станции.

Хотя станция Резольют-Бей и расположена в очаге холода, температура в Антарктике зимой (ст. Сева) на целых 15–20оС ниже нуля, чем в Резольют-Бей. Летом имеет место обратная ситуация: в антарктической стратосфере летом теплее (примерно на 3–5оС), чем в арктической. Поэтому при переходе от очень низких температур зимой к более высоким температурам, чем в Арктике, в антарктической стратосфере ежедневное увеличение температуры значительно больше, чем в арктической. Это не может не отразиться на общем содержании озона, которое весной в Антарктике в 1,3–2 раза меньше (по данным ст. Сева), чем в Арктике (по данным станции Сева). На фоне этого быстрого роста температуры весной в Антарктике потепление нижней стратосферы в это время малозаметно. Но в Арктике, где весенний рост температуры меньше, это потепление нижней стратосферы четко регистрируется.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА

И ОЗОН

В видимой области спектра лежит примерно половина всей приходящей к земной поверхности солнечной энергии. Другая половина энергии сосредоточена в излучении со всеми другими длинами волн от радиоволн до гамма-лучей. На ультрафиолетовое излучение, достигающее поверхности Земли, приходится примерно 5 % всей энергии, проникающей через земную атмосферу. Ультрафиолетовое излучение Солнца принято делить в зависимости от длины волны на три участка (диапазона). Диапазон А включает ультрафиолетовое излучение с длинами волн меньше 400 и больше 320 нм. Диапазон В находится в пределах 320–280 нм, а диапазон С включает излучение с длинами волн от 280 до 200 нм. Энергия между диапазонами А и В распределена следующим образом. По измерениям в Великобритании в летний полдень освещенность на незатененной горизонтальной поверхности составляла примерно 40 Вт/м^2 в ультрафиолетовом диапазоне А и менее чем 2 Вт/м^2 в диапазоне В. Излучение в диапазоне С практически отсутствовало.

Нас интересует, как изменится ультрафиолетовое излучение, которое приходит к земной поверхности и действует на биосистемы (в том числе и на человека), в том случае, если количество озона в стратосфере уменьшится. В этом плане наибольший интерес представляет ультрафиолетовое излучение в диапазоне 320–280 нм (то есть тип В). Именно это излучение частично поглощается озоном, а частично достигает земной поверхности. Чем меньше будет озона в стратосфере, тем больше этого излучения будет проникать к земной поверхности. Что касается ультрафиолетового излучения в диапазоне С, то оно также поглощается озоном. Но тем не менее оно нас интересует мало, поскольку поглощается оно полностью и к земной поверхности вообще не приходит. Это поглощение настолько эффективно, что и в том случае, если количество озона в стратосфере значительно уменьшится, его будет достаточно, чтобы не пропустить к Земле это излучение.

Ультрафиолетовое излучение типа С получается искусственно. При воздействии на кожу и глаза человека оно вызывает неприятные ощущения, но ущерба здоровью практически не приносит. Это происходит потому, что это излучение очень эффективно поглощают верхние отмершие слои кожи и дальше внутрь ткани его не пропускают. На месте облучения остается только покраснение, не представляющее никакой опасности. Не приносят вреда и повторные облучения.

Что касается действия ультрафиолетового излучения на ткани глаз, то оно может вызвать воспаление роговой оболочки. Но поскольку к роговой оболочке его попадает мало (основная часть излучения поглощается покровными тканями глаза), то воспаление кратковременное.

Ультрафиолетовое излучение в диапазоне А озоном не поглощается. Поэтому не возникает проблемы изменения его интенсивности при уменьшении стратосферного озона. Правда, учитывать наличие радиации в диапазоне А необходимо, несмотря на то, что ее интенсивность не зависит от количества озона. Дело в том, что воздействие этого излучения на организм человека (и другие биосистемы) зависит от того, какое по интенсивности излучение имеется в диапазоне В. Другими словами, если будет расти излучение В (из-за уменьшения озона), то и эффективность действия радиации в диапазоне А (при той же интенсивности) может увеличиваться. Справедливости ради надо сказать, что биологическое действие ультрафиолетового излучения диапазона А изучено пока недостаточно. Кстати, если облучение этой радиацией сопровождается действием определенных химических веществ, то оно перестает быть безвредным для здоровья людей. При этом может возникать так называемая световая (фото) аллергия, а также активизированный фотоканцерогенез. Эксперименты показали, что когда мышей с привитыми немеланомными опухолями облучали умеренными дозами в течение 10 недель ультрафиолетом диапазона А, то интенсивность развития опухолей уменьшалась.

Ультрафиолетовое излучение в диапазоне В содержит менее 0,3 % полной солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Но это излучение исключительно важно потому, что многие важные биологические молекулы, такие как ДНК, сильно поглощают излучение с длинами волн короче 320 нм. Излучением с этими же длинами волн вызываются и такие заболевания, как кожная эритема и рак кожи. На рис. 60 видно, что солнечный спектр быстро растет с увеличением длины волны именно в диапазоне В. Спектр биологического поглощения и спектр действия увеличиваются с уменьшением длины волны. Это показано на рис. 59.

Рис. 59. Изменение ультрафиолетового излучения Солнца с изменением длины волны (диапазоны УФ — В и УФ — А)

Для рассматриваемой здесь проблемы важно, какое именно излучение действует в каждом конкретном регионе Земли, где находятся биосистемы (люди, растения, животные).

Рис. 60. Интенсивность ультрафиолетового излучения Солнца над земной атмосферой (верхняя кривая) и после ее прохождения (нижняя кривая)

Ясно, что в разных регионах Земли это излучение различно. Оно различно прежде всего потому, что различна освещенность солнечным светом. Если Солнце находится над головой (в зените), то освещенность самая большая, максимальная. Значит, в этом месте и ультрафиолетового излучения больше. Такая ситуация реализуется в тропических поясах Земли и никогда не бывает в полярных районах. Отсюда ясно, что интенсивность ультрафиолетового излучения на разных географических широтах разная: чем дальше от экватора, тем она меньше. Но это еще не все. Если речь идет о диапазоне В, то этому ультрафиолетовому излучению надо по пути от Солнца к земной поверхности пробраться сквозь стратосферный озон. Но, как известно, его на разных широтах разное количество. Это обстоятельство еще больше усугубляет то неравноправие, в котором находятся люди на разных широтах (в смысле приходящего к ним ультрафиолетового излучения). Проиллюстрируем это цифрами.

В северном полушарии в декабре и январе поток ультрафиолетового излучения уменьшается в 10 раз, если мы будем перемещаться от экватора до широты 50о северной широты. Летом эта разница примерно в 5 раз меньше. Ультрафиолетовое излучение диапазона А зависит только от зенитного угла Солнца, поэтому с широтой меняется меньше, чем излучение диапазона В, которое зависит и от количества озона. Именно поэтому интенсивность ультрафиолетового излучения диапазона В меняется с широтой в 3–4 раза сильнее, чем излучение диапазона А.

Имеется еще одно обстоятельство, которое может сильно влиять на интенсивность солнечного излучения (в том числе и ультрафиолетового), достигающего поверхности Земли. Это облачность и наличие в атмосфере различных аэрозолей. Если мы хотим правильно оценить интенсивность ультрафиолетового излучения, приходящего к биосистемам и действующего на них, то надо обязательно учесть и эти факторы, от которых зависит количество поглощенного, рассеянного и прошедшего излучения.

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА

Установлено, что в зависимости от того, насколько сильное излучение действовало на человека, он может либо просто загореть, либо получить солнечный ожог (эритему), либо даже заболеть незлокачественными типами рака кожи (базально-клеточный и чешуйчато-клеточный рак) и меланомой (рак кожи). Это проявляется воздействие ультрафиолетового излучения диапазона В. Это же излучение при облучении глаз может вызвать повреждение роговицы (фотокератит), катаракту или фотоконъюнктивит. Но это еще не все. Это излучение может вызывать также изменения в иммунной системе человека, подавляя ее защитные функции. В результате будет усиливаться фотоканцерогенезис, а также подавляться развитие контактной сверхчувствительности (гиперчувствительности). Защита организма при этом ослаблена, поэтому уменьшается сопротивляемость к развитию заболеваний (различные инфекционные лишаи и т. д.). Степень риска при этом, естественно, увеличивается. Самым опасным для здоровья считается излучение с длинами волн от 300 до 315 нм. Оно находится в пределах диапазона В. Но не все длины волн действуют на данную биосистему одинаково. Это, конечно, зависит от свойств данной биосистемы (животного, растения или человека). Можно каждому конкретному биологическому объекту выдать своего рода паспорт, где было бы указано это распределение (спектр) их чувствительности к ультрафиолетовому излучению с разными длинами волн. Специалисты такую характеристику биосистемы называют «спектром действия».

Ясно, что для того, чтобы сделать заключение о степени вредности излучения с данной длиной волны для данного биологического объекта (в том числе и человека), надо знать его «спектр действия». Зная его и то излучение, которому он подвергается, можно оценить, насколько это излучение опасно для его здоровья или даже жизни. Правда, для такой оценки надо знать не только интенсивность излучения, но и время облучения. Другими словами, надо знать дозу облучения, чтобы по известному «спектру действия» определить степень поражения организма в настоящем и будущем.

Воздействие излучения на живой организм осуществляется через фотохимические реакции, то есть через химические реакции в клетках, которые вызываются воздействующим светом (фото). Чтобы такие реакции осуществились, надо прежде всего, чтобы свет (излучение) поглотился биомолекулой. Электромагнитная энергия излучения, которая поглощается хромофором, затем преобразуется в химическую энергию. Имея избыток энергии, молекула приходит в возбужденное состояние. Имеются различные электронные возбужденные состояния молекулы. Отдельные из них (например, триплетные) являются наиболее долгоживущими. Так, молекула имеет большую вероятность находиться в этом состоянии. Это значит, что становятся более вероятными определенные фотохимические изменения внутри самой возбужденной молекулы. При взаимодействии возбужденной молекулы с другими окружающими ее молекулами ее избыточная энергия передается им и вызывает в них реакции фотосинтеза, в результате которых образуются определенные продукты.

Под влиянием ультрафиолетового облучения во многих ключевых биологических молекулах и структурах происходят фотохимические изменения. Это такие биологические структуры: нуклеиновые кислоты, протеины, липиды, стероиды, меланин и др. Наибольшую опасность излучение представляет для нуклеиновых клеток, цитоплазмы, мембран и др.

После того как под действием излучения произошли биологические изменения, биосистема сразу же начинает производить определенные химические вещества, которые предназначены восстановить нормальное состояние системы.

В результате запущенных химических реакций биологическая система формирует свой отклик на воздействующее излучение (биологический отклик). Конечным результатом всего процесса может быть выход системы из нормального состояния (болезнь или даже смерть). Но это зависит от дозы (при соответствующем спектре действия).

Ультрафиолетовое излучение действует на живые системы прежде всего путем повреждения хранилища клеточной генетической информации, то есть ДНК. Если ДНК нарушены, то это препятствует восстановлению и копированию данных биосистем (в том числе бактерий или культурных клеток животных).

Кольца пирина и пиромидина нуклеиновых кислот, аденин, тимин и цитезин поглощают максимально излучение с длинами волн от 245 до 280 нм. Основная часть ультрафиолетового излучения находится в диапазоне С и поглощается кожей посредством ДНК, а не протеина или других молекул. В ДНК поглощается ультрафиолетовое излучение с разными длинами волн. В то же время именно ДНК играет главную роль в мутагенезисе и в канцерогенезисе. Поэтому роль повреждения ДНК излучением является ключевой. В результате повреждения ДНК происходит блокирование процессов копирования и перевода, которые существенны для функционирования клеток и их деления. Если достигнут определенный порог повреждения ДНК, произойдет гибель клеток.

Ультрафиолетовое излучение вызывает появление связей смежных пирамидинов в клетках ДНК. При этом образуются цикло-бутанобъединенные соединения пирамидина. Их часто называют димерами пирамидина. При этом образуются тимин-тимин, тимин-цитозин и цитозин-цитозин димеры. Каждая из этих структур может существовать в четырех стереоизмерениях. Эти повреждения в организме существенны. Правда, у людей они обычно восстанавливаются. Под действием ультрафиолетового излучения образуются в ДНК и другие фотопродукты, другие димеры. Ими могут быть односвязные объединенные дипирамидины, тиминлипиды и др. Образуются также недимерные продукты, которые включают тимин, глюкель, цитозин гидрат, кросс-связи ДНК — ДНК и др. Не все из этих повреждений способны восстанавливаться. Большинство из них являются жизненно важными.

Последствия облучения ультрафиолетовым излучением изучались как экспериментально, так и по данным медицинской статистики. Воздействие на глаза изучалось на кроликах. Пропускание глаза кролика примерно такое же, что и глаза человека. Было показано, что очень мало ультрафиолетового излучения с длинами волн короче 300 нм проникает к роговой оболочке глаза. Излучение с длинами волн короче 400 нм в малой степени проникает в глаз глубже, чем до хрусталика. Естественно, что большая часть видимого света (400–780 нм) достигает сетчатки глаза. Поэтому он и является видимым. Эти эксперименты свидетельствуют о том, что действие ультрафиолетового излучения на глаза ограничивается роговой оболочкой.

Эксперименты с действием излучения на кожу показывают, что излучения с длинами волн от 250 до 3000 нм (это инфракрасное излучение) проникают в ткань на разную глубину. Оптические свойства кожи изменчивы, они зависят от многих внешних и внутренних факторов. Индивидуальная чувствительность кожи к ультрафиолетовому излучению определяется пигментацией меланина. Меланин предохраняет кожу (ткань) от действия излучения с длинами волн короче 1200 нм (в том числе и от ультрафиолетового).

Известно, что кожа человека имеет способность адаптироваться к ультрафиолетовому облучению. При постепенном увеличении УФ в диапазоне В кожа становится менее чувствительной к загару. Это происходит вследствие утолщения эпидермиса и пигментации. Это же относится к ненормальным реакциям на ультрафиолетовое облучение тех, кто страдает фотодерматозом. Речь идет о кратковременных реакциях. Но возможности адаптации все же ограничены. Кожа не в состоянии справиться с долговременными повреждениями.

Наибольший объем информации был получен при изучении данных медицинской статистики. При этом информация о различных заболеваниях (например, кожи) сопоставлялась с уровнем ультрафиолетового излучения, которое действовало на изучаемые объекты. Правда, не всегда было известно именно ультрафиолетовое изучение, но тем не менее неопределенность при этом не очень велика, поскольку естественные изменения этого излучения Солнца неплохо изучены. При проведении этих исследований ученые пользуются понятием «фактор радиационного усиления». Суть его состоит в следующем. Если общее содержание озона уменьшится на 1 %, то должно произойти радиационное усиление, то есть усиление ультрафиолетового излучения. Это радиационное усиление должно вызвать определенное увеличение канцерогенной эффективности ультрафиолетового излучения, что, естественно, скажется на числе случаев заболеваний, вызванных этим излучением. Поскольку у каждой биосистемы имеется свой «спектр действий», то и «фактор радиационного усиления» для каждой системы (для людей, животных) будет различным.

Повреждающее действие ультрафиолетового излучения определяется дозой облучения, но это не значит, что увеличение дозы в определенное число раз ровно во столько же раз увеличит повреждение организма. Увеличение дозы облучения может быть незначительным, а повреждение организма при этом может оказаться роковым. Специалисты называют такую зависимость одной величины от другой нелинейной (на графике она изображается непрямой линией). Чтобы эту зависимость определить не вообще, а в числах, было введено понятие «фактор биологического усиления». Это понятие нужно потому, что мало знать, как увеличится ультрафиолетовое излучение при уменьшении озона на 1 %. Важно знать, что при этом произойдет с биосистемами, с людьми. А это можно оценить только в том случае, если мы учтем, как каждая доза облучения подействует на биосистему, то есть учтем зависимость повреждающего эффекта излучения от дозы его действия. Ясно, что для каждого заболевания фактор биологического усиления будет своим. Так, по данным эпидемиологических исследований, число заболеваний бази-целлюлярным раком кожи примерно пропорционально квадрату канцерогено-эффективной дозы ультрафиолетового излучения в диапазоне В. Это значит, что если эта доза увеличилась в 2 раза, то заболеваемость возрастет в 2^2 = 4 раза. Эта закономерность в основном выполняется достаточно хорошо. Поэтому она используется при составлении различных прогнозов и оценок. Какой в этом случае будет фактор биологического усиления? Он равен двум, то есть равен показателю степени в приведенном состоянии. Так, для другого типа рака кожи (спин-целлюлярного) зависимость заболеваемости от дозы более сильная. Если доза увеличилась вдвое, то заболеваемость возрастает в 2^3 = 8 раз! В этом случае фактор биологического усиления равен трем. Таким образом, надо учитывать как радиационные, так и биологическое усиления. Умножая оба фактора друг на друга, находят обобщенный фактор усиления. Например, для кардинемы основных клеток (бази-целлюлярный рак кожи) обобщенный фактор равен 2 × 2 = 4. Здесь учтено, что фактор радиационного усиления равен 2. Соответственно для кардинемы «чешуйчатых» клеток обобщенный фактор усиления равен 2 × 3 = 6.

Эпидемиологические и клинические обследования больных, страдающих злокачественной меланомой, показывают, что чем меньше географическая широта данного места, тем больше там случаев заболевания меланомой. Другими словами, чем больше ультрафиолета, тем больше заболеваемость. Люди со слабой пигментацией кожи чаще заболевают меланомой. Белые люди, которые переселились в тропики, болеют меланомой чаще, чем аборигены. Чаще заболевают меланомой и те, кто имеет генетический дефицит к предохранению повреждений ДНК, вызванных облучением ультрафиолетом.

Случаи заболевания меланомой и смертности от нее сопоставлялись с данными измерений ультрафиолетового излучения. Из этих сопоставлений можно сделать вывод, что если общее содержание озона уменьшится на 1 %, то число случаев заболеваний злокачественной меланомой увеличится примерно на 1–2 %. Другие исследователи сопоставляли случаи смертности от меланомы со спутниковыми данными о потоках ультрафиолетового излучения. Они получили, что 1 % уменьшения общего содержания озона может вызывать увеличение смертности от меланомы примерно на 0,8–1,5 %.

Изучалось влияние ультрафиолетового излучения на меланому на 511 пациентах, страдающих этим заболеванием и проживающих в Западной Австралии. Было показано, что заболевание возникло и развилось у тех лиц, которые дольше находились на солнце, то есть облучались ультрафиолетом. Изучение немеланомного рака кожи в Кувейте показало, что несмотря на то, что аборигены обладают предохранительной пигментацией, примерно 4/5 случаев рака кожи имели место на тех участках кожи (всего 10 %), которые облучались солнечным светом.

Злокачественная меланома является самой опасной формой рака кожи. Примерно одна треть страдающих им живут не более 5 лет. В период с 1950 по 1967 год смертность от злокачественной меланомы составляла примерно 1–2 человека на 100 тысяч человек (в год). Начиная с 1935 года наблюдается устойчивое увеличение заболеваемости злокачественной меланомой. Заболеваемость не просто растет — она удваивается каждые 10 лет!

Большие дозы облучения приводят к формированию опухолей. Меньшие дозы более часто вызывают возникновение немеланомного рака кожи. Это связано с тем, что защитные реакции (загар, гиперплазия эпидермиса) протекают более активно при больших дозах.

Что касается глазных заболеваний, которые возникают под действием облучения ультрафиолетом, то количественно положение такое же. Хорошо известно, что старческая катаракта обусловлена облучением солнечным светом. Это подтверждается и самыми последними эпидемиологическими исследованиями. Было установлено некоторое соотношение между числом случаев заболевания катарактой и продолжительностью облучения глаз солнечным светом. Это соотношение меняется с возрастом. У молодых людей зависимость сильнее. При уменьшении общего содержания озона на 1 % количество случаев катаракты возрастает примерно на 0,26 %. Если это процентное увеличение перевести в абсолютные числа, то получится, что в США появится дополнительно 24 тысячи больных катарактой (учтено, что сейчас их примерно 9,3 миллиона). Естественно, что такой же или примерно такой же рост будет иметь место и в других странах. Некоторые исследователи склонны цифру 0,26 % увеличить до 0,6 %. Очень важно то, что глаз не способен адаптироваться к ультрафиолетовому излучению в диапазоне В. Поэтому любое уменьшение количества стратосферного озона будет, к сожалению, сопровождаться опасными заболеваниями глаз.

Проводились оценки социально-экономических последствий ухудшения здоровья людей из-за уменьшения общего содержания озона. Одна из таких оценок выглядит так. К 2000 году общее содержание озона может уменьшиться на 5 %. Поэтому доза канцерогенного ультрафиолетового излучения диапазона В увеличится к этому сроку на 10 %. Из-за облучения этим (дополнительным) излучением заболеваемость базально-клеточным раком кожи увеличится на 10 × 2 = 20 %. За этот же период заболевания чешуйчато-клеточным раком кожи увеличится на 10 × 3 = 30 %. Специалисты приводят данные, что в США в последнее время имелось примерно 600 тысяч больных, страдающих немеланомными типами рака кожи. Одна пятая из них страдают чешуйчато-клеточным раком кожи, а остальные — базально-клеточным. Проводим соответствующий расчет и получаем, что к 2000 году, если общее содержание озона увеличится на 5 %, число заболеваний людей базально-клеточным раком увеличится примерно на 88 тысяч. Одновременно на 34 тысячи увеличится число больных, страдающих чешуйчато-клеточным раком. Для того, чтобы лечить новые 122 тысячи больных, понадобятся средства. На лечение 95 % всех таких больных потребуется примерно 114 миллионов долларов (в среднем по 1 тыс. долл. на одного больного в год). Лечение остальных 5 % больных примерно в 10 раз более дорогостоящее. Оно обойдется в 60 миллионов долларов. Таким образом, если общее содержание озона уменьшится на 5 %, то это потребует дополнительного финансирования в сумме 174 миллионов долларов на лечение дополнительно возникших больных раком кожи. Конечно, не все потери измеряются этими миллионами… Возникнет и моральный и социальный ущерб: тысячи ранее здоровых людей станут по этой причине больными. Эти оценки проведены применительно к США. Очень грубо их можно распространить на весь мир. Если число новых больных, которые прогнозируются для США, умножить только на три, то их станет уже более 1/3 миллиона! На их лечение понадобится примерно 0,5 миллиарда долларов.

Некоторым читателям может показаться, что оценки, подобные приведенным выше, беспочвенны и даже бесполезны. Но на самом деле это не так. Сейчас организуются дорогостоящие работы по международным и национальным программам, направленным на сохранение озонного слоя Земли. Это не только измерения и исследования, но и перестройка работы промышленности. Приведенные выше оценки вместе с оценками ущерба от всех последствий уменьшения озона позволяют понять, что лучше, пока не поздно, пожертвовать чем-то, чтобы потом не жертвовать всем!

УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОЗОНА:

ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ И РЫБ

Растения, как и другие биосистемы, чувствительны к изменению ультрафиолетового излучения. Исследования этой чувствительности, проведенные с 200 видами растений, показали, что наибольшей чувствительностью обладают горох, бобы, тыква, дыни и капуста. Эксперименты проводились в так называемых «камерах роста». Подобные исследования чувствительности растений к ультрафиолету, которые находятся в естественных, полевых условиях, выявляют несколько меньшую их чувствительность. Было показано также, что различные культуры одного и того же растения обладают сильно различающейся степенью чувствительности к ультрафиолетовому излучению. Отклик растения на это излучение сильно зависит от других действующих на него факторов. Так, если растению не хватает минеральных веществ, то его чувствительность к ультрафиолету значительно возрастает.

В продолжение пяти лет непрерывно проводились исследования влияния ультрафиолетового излучения на соевые культуры. Эксперименты проводились в полевых условиях. Цель эксперимента состояла в том, чтобы определить, как изменится рост и развитие (а главное, урожайность) этой культуры при увеличении ультрафиолетового излучения, которое должно иметь место при уменьшении количества озона в земной атмосфере. Соевые культуры играют важную роль в пищевом рационе во всем мире. В мире выращивается более 50 видов соевых культур. Если урожайность всех их будет уменьшена, то это может очень существенно отрицательно сказаться на производстве данного продукта. При составлении и анализе подобных прогнозов изменения урожайности сельскохозяйственных культур надо иметь в виду одно очень важное обстоятельство. В наше время в каком-либо регионе Земли урожайность меньше, а в другом больше. Хотя от неурожаев могут страдать целые страны (как это было с Эфиопией), но все же у жителей остальных стран имеется возможность выделить часть продуктов для попавшей в беду страны. В случае уменьшения количества озона эта беда постигнет всех нас, и оказать нам помощь будет некому.

Вернемся к опытам с соевыми культурами. Они показали, что урожайность соевых культур может уменьшиться на 1/4 в том случае, если количество озона уменьшится настолько же, то есть на 25 %. Раньше мы чаще говорили о 5 % уменьшения количества озона. Но и 25 % его уменьшения не представляются нереальными в будущем, тем более что в Антарктиде уже зарегистрировано 40 % его уменьшения.

Цель экспериментов, подобных описанным выше, состоит не только в том, чтобы обосновать необходимость сохранения озонного слоя и сворачивания технологий, в результате которых в атмосферу Земли выбрасываются разрушающие его химические вещества, но и в том, чтобы искать пути устранения нависшей опасности. В частности, в случае соевых культур надо уже сейчас выводить путем ее селективного отбора такие сорта этой культуры, которые обладают минимальной чувствительностью к изменению ультрафиолетового излучения. Специалисты считают, что это возможно, поскольку среди десятков соевых культур не все они выявляют высокую чувствительность к изменению облучающего их ультрафиолетового излучения. Но опять же надо иметь в виду, что если сильно уменьшится количество озона, то произойдут изменения не только в ультрафиолетовом излучении. При этом на Земле изменится практически все — от погоды и климата до уровня морей и океанов. Растениям придется обходиться без достаточного количества минеральных веществ, испытывать на себе сильные бури и все то, что принесло нам уменьшение озона. В этих трудных для растений (и не только для них) условиях их чувствительность к изменению ультрафиолетового излучения должна значительно увеличиться. А это уже завершит трагедию.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования тех путей, которыми ультрафиолетовое излучение действует разрушающе (повреждающе) на растения. Как и в случае животных (в том числе и человека), под действием ультрафиолетового излучения диапазона В происходит деструкция ДНК, а также других структур (в частности, хлоропласта), которые участвуют в процессах фотосинтеза. Увеличение ультрафиолетового излучения, которое происходит при уменьшении озона, подействует и на растения, которые растут в воде (морях и океанах). Их называют акватическими. При усилении ультрафиолетового излучения акватические растения угнетаются. Большинство дрейфующих под водой растений (их называют фитопланктоном от слов «фито» — трава, «планктон» — блуждание) основную часть своей жизни погружены в воду очень неглубоко, то есть находятся практически вблизи водной поверхности. Это так называемая эпхотическая зона. По этой причине они эффективно облучаются ультрафиолетовым излучением, которое малым слоем воды поглощается только незначительно. Если же ультрафиолетовое излучение будет усиливаться, то продуктивность фитопланктона будет уменьшаться. К чему это приведет — ясно, поскольку эти растения являются кормом для многих рыб. Рыбы же поставляют 18 % животного протеина, потребляемого во всем мире.

Воздействие усиления ультрафиолетового излучения на рыб будет осуществляться не только через планктон. Личинки многих рыб, находящиеся в эпхотической зоне, будут подвергаться прямому воздействию ультрафиолета. Проводились следующие эксперименты. Изучалось воздействие усиленного на 1/5 ультрафиолетового излучения на анчоусы. Облучение таким усиленным излучением каждый раз продолжалось в течение двух недель. В результате во всем 10-метровом верхнем слое воды все личинки погибли. Эксперименты проводились в апреле и августе. Были получены оценки, согласно которым при 10 %-ном уменьшении озона число ненормальных личинок (у которых произошли повреждения усиленным ультрафиолетовым излучением диапазона В) увеличится на 18 %.

По мере изменения внешних условий животные и растения (и, конечно, человек) меняют свое поведение и даже структуру так, чтобы наиболее полно приспособиться к новым условиям. Это и есть адаптация, без которой невозможно развитие и сама жизнь в меняющихся условиях. Поэтому можно не сомневаться, что при изменившихся условиях — усилении ультрафиолетового излучения за счет уменьшения озона — растения и животные будут сами искать выход из сложного положения, то есть будут стремиться адаптироваться к новым условиям. При этом важно одно, а именно, чтобы эти изменения в условиях не были столь большими, приспособиться к которым растения и животные в силу своего строения и организации не смогут. Так вот, не без оснований можно предположить, что рыбы (и личинки) погрузятся глубже в воду, с тем чтобы находящийся над ними слой воды смог поглотить излишек энергии ультрафиолетового излучения. Но при этом перед ними встанут новые проблемы. Некоторые из них такие. Во-первых, чем глубже, тем труднее плавать и выживать, это требует больших энергетических затрат. Во-вторых, в новых, более глубинных условиях, рыбы вынуждены будут менять и свое строение, свою конституцию. Если бы этого не произошло, то при более сильном погружении рыб на продолжительное время их рост замедлился бы, поскольку на большую глубину проникает меньшая интенсивность ФАР, от которой зависит рост. Было оценено, что если за счет большего погружения в воду рыбы добьются 10 %-го уменьшения облучения ультрафиолетового излучением, то на 2,5–5 % уменьшится и их облучение ФАР, что для них нежелательно, поскольку от ФАР зависит их рост. Конечно, все составляющие части биосферы очень тесно взаимосвязаны. Поэтому нельзя говорить о каких-то изменениях в одной ее части и не учитывать соответствующих изменений в других ее частях. Если количество озона уменьшится, а этого не избежать, то это вызовет одновременно разные изменения во всей биосфере, и не только в ней. Изменятся условия в атмосфере и гидросфере. Сможет ли после этих изменений установиться равновесие, при котором все процессы будут согласованы между собой? Конечно, если говорить о наступлении такого равновесия в принципе, то оно не вызывает сомнений. Важно другое — насколько равновесие в новых условиях наступит быстро, и что еще более важно — в какой мере современная биосфера сохранит свое современное лицо. Если произойдут такие сильные изменения, что равновесие наступит через очень длительное время и при этом на Земле будет совсем иная биосфера (с человеком или даже без него), то наше отношение к этим изменениям должно быть однозначным.

Можно обсуждать отбор некоторых растений и животных, которые бы наиболее безболезненно перенесли грядущие изменения, обусловленные уменьшением озона. Но опять же нельзя забывать, что разнообразие особей нельзя беспредельно уменьшать без последствий. Уменьшение разнообразия может сделать популяцию более чувствительной к изменениям внешних условий, в частности к изменениям температуры воды, к различным болезням и т. д. Что касается водных растений и животных, то изменения в составе сообщества могут изменить содержание протеина или общую величину продукта начальных звеньев пищевой цепочки.

ОЗОН, БУДУЩЕЕ ПОТЕПЛЕНИЕ КЛИМАТА

И УРОВЕНЬ МИРОВОГО ОКЕАНА

Совершенно очевидно, что если средняя температура Земли увеличится, то изменятся процессы не только в атмосфере. Во-первых, нагретая вода расширяется. Значит, вода Мирового океана при этом увеличится в объеме. Поэтому уровень Мирового океана должен будет расти. Но это не самое страшное, поскольку расширение воды при нагревании не так уж и велико. Страшнее то, что при потеплении климата начнут таять льды и ледники. А их на Земле много, как по объему, так и по площади занимаемой ими земной поверхности. Так, почти 10 миллионов км^2 земной поверхности занимают льды Восточной Антарктиды. Объем этого льда огромен — примерно 26 миллионов км^3. Если этот лед вдруг растопить, то поступившая от него вода поднимет средний уровень Мирового океана на 65 м. Здесь имеется в виду лед, покрывающий материк, за исключением периферии, то есть плавающих глыб прибрежного льда. Этот лед занимает общую площадь более 1,5 миллиона км^2, а объем его достигает примерно 0,8 миллиона км^3. В Западной Антарктиде, включая Антарктический полуостров, содержится значительно меньше льда. Он занимает площадь на земной поверхности, равную примерно 2,5 миллиона км^2, а его объем равен 3,4 миллиона км^3. Вода из этого льда способна повысить уровень Мирового океана на 8,5 м. Почти такое же количество льда содержит Гренландия (по объему 3 миллиона км^3). Гренландский лед, если его растопить, поднимет уровень Мирового океана еще на 7,6 м. Существенно меньше льда содержат ледяные шапки гор и горные ледники. Однако объем льда в них все равно внушительный: 120 тысяч км^3. Таяние этого льда вызвало бы повышение уровня Мирового океана на 30–60 см (по оценкам разных исследователей).

Еще меньше льда в местах развития вечной мерзлоты, в морях. Если говорить об источниках воды, которая может поднять уровень Мирового океана, то нельзя пренебрегать и снежным покровом. Объем снега в северном полушарии (в феврале) достигает 2 тысяч км^3. Конечно, это несоизмеримо с объемами льда, содержащегося в Антарктиде или Гренландии. Но если уж речь идет о возможном изменении (увеличении) уровня Мирового океана, то и этот источник воды не надо забывать.

Собственно, на практике важно знать не только и не столько изменение уровня Мирового океана, сколько те изменения, которые будут происходить в каждом конкретном месте. Ясно, что в разных местах они будут принципиально отличаться. Помимо той дополнительной воды, которая добавится при глобальном таянии в Мировой океан, начнутся движения самого ледника и изменения водного режима именно в данном регионе.

Мы привели цифры о льдах и возможных последствиях их таяния (повышение уровня Мирового океана), во-первых, для того, чтобы продемонстрировать конкретные последствия глобальных изменений климата, а во-вторых, для того, чтобы на будущее отбить охоту у всяких прожектеров распространять в широких кругах безответственные планы по искусственному растоплению льдов Арктики и т. п.

Если большинство исследователей сходятся на том, что глобальная средняя температура Земли в последующие 100 лет увеличится на несколько градусов, то мы должны представлять себе, что нас (а точнее, наших потомков) ждет и в смысле изменения уровня воды в реках, озерах, морях и океанах. По-видимому, каждому ясно, что увеличивать уровень Мирового океана на 60–70 м принципиально нельзя. Чтобы это понять, достаточно взять карту мира или глобус и «убрать» те места, которые окажутся затопленными. Что останется? К этому надо добавить и те изменения в атмосферных процессах (влажность воздуха, осадки, бури, ураганы, штормы), которые при этом возникнут. Поэтому изменения уровня Мирового океана, измеряемые метрами, — это на самом деле очень плохо, это ужасно. Достаточно сказать, что уровень Мирового океана был на 7 м выше, чем сейчас, на протяжении последнего межледникового периода. Тогда средняя глобальная температура Земли была на 2о выше, чем сейчас. В Антарктиде летние температуры были больше теперешних на 6 — 10оС. За более продолжительное время проходили более значительные изменения уровня Мирового океана. Так, на основании анализа ископаемых было получено, что за последние 100 млн лет уровень Мирового океана изменялся на 300 м! Кстати, если эти изменения считать равномерными, то они давали бы повышение уровня Мирового океана на 1 мм в течение одного столетия.

Таким образом, изменения уровня Мирового океана происходят в результате изменения условий на Солнце, в околоземном пространстве, то есть по естественным причинам. Но на фоне этих естественных изменений мы должны ожидать в ближайшие 100 лет довольно существенных изменений, обусловленных увеличением средней поверхностной температуры Земли, которое вызвано деятельностью человека. Анализ большого числа данных позволяет сделать заключение, что начиная с 1934 года уровень Мирового океана стал повышаться быстрее, чем до этого момента.

В 1983 году было установлено, что за предшествующие 50 лет уровень Мирового океана повышался каждый год на 2,0–2,5 мм. До этого скорость повышения была меньше. В прошедшем столетии температура поверхности Земли увеличилась всего на 0,4оС. Поэтому скорость повышения уровня Мирового океана была меньше, всего 0,4–0,5 мм в год. За все прошлое столетие уровень Мирового океана поднялся на 10–15 см. Это произошло из-за увеличения поверхностной температуры Земли на 0,4оС.

Специалисты сходятся на том, что к 2050–2060 годам поверхностная температура Земли повысится примерно на 4оС. По некоторым оценкам, к 2100 году она может повыситься на все 7оС. Если это произойдет, то только за счет теплового расширения воды ее уровень в Мировом океане к 2100 году может подняться почти на 1 м (точнее, на 83 см).

В результате потепления будут таять ледники. За счет этого уровень Мирового океана повысится еще на 25 см к концу будущего столетия.

Разные исследователи получают несколько отличающиеся цифры. Но все они примерно совпадают с приведенными выше, полученными для случая потепления климата к концу следующего столетия на 4,5оС. Если эту температуру увеличить до 7,0оС, то уровень Мирового океана (только за счет таяния ледников) повысится на 38 см.

При повышении поверхностной температуры Земли, естественно, будут таять льды Гренландии и Арктики. К концу будущего столетия уровень Мирового океана в результате этого может повыситься на 2–3 м. Правда, некоторые считают эти значения сильно завышенными. Во всяком случае, речь идет не о миллиметрах или сантиметрах, а о метрах. Большая точность нам сейчас не нужна.

За неимением места мы не будем детально рассматривать всю проблему, к каким изменениям приведет повышение уровня Мирового океана в разных регионах Земли. Укажем только на некоторые моменты.

Если уровень Мирового океана повысится на 1–2 м, то произойдет затопление заселенных и плодородных земель, ускорится эрозия берегов, усилится береговое затопление, возникнет угроза структуре берега и увеличится соленость воды в устьях рек и водоносных слоев.

Понятно, к каким материальным потерям это приведет. Американские специалисты оценили, что если уровень Мирового океана поднимется к концу будущего столетия на 4,6–7,6 м, то это нанесет их стране ущерб, исчисляемый суммой в 100–150 биллионов долларов.

На международных совещаниях по проблеме стратосферного озона обсуждалась проблема изменения условий из-за будущего потепления в таких странах, как Египет и Мьянма, которые из-за повышения уровня Мирового океана в значительной мере могут оказаться затопленными. Применительно к условиям нашей страны результаты таких исследований не публиковались и на совещания различного уровня не представлялись.

Специалисты обеспокоены тем, что растаявшие льды Западной Антарктики приведут к увеличению уровня Мирового океана на все 6 м. Многие утешаются тем, что это может затянуться на три-пять столетий. Но нельзя быть полностью уверенными, что это не произойдет раньше, даже в будущем столетии. Поскольку равновесные условия нарушены, то процесс может развиться значительно быстрее, чем мы сейчас себе представляем. Недаром большинство специалистов, которые математическими методами пытаются рассчитывать будущее, выбирают разные «сценарии», как менее, так и более драматичные.

Путем таких расчетов было получено, например, что если к 2100 году уровень Мирового океана поднимется на 2 м (не на 6 м!), то будет залито 50–80 % прибрежных плодородных земель США. Или примерно 1/5 всей земли Мьянмы окажется под водой. В Египте большинство населения проживает в долине реки Нил. Здесь ситуация столь же трагическая — примерно пятая часть этих земель будет залита водой.

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И НАГРЕВАНИЕ ЗЕМЛИ

Если в атмосфере будет увеличиваться концентрация СО_2, СН_4, N_2О и фреонов, то нарушится радиационный баланс Земли. Этот баланс состоит в том, что Земля должна получать столько же энергии, сколько она излучает в окружающее пространство. Указанные вещества затрудняют отток энергии Земли в космическое пространство. Поэтому, если их количество увеличится, то баланс энергии Земли нарушится и ее температура повысится.

Мы привыкли к значительным и резким изменениям температуры воздуха. Можно ли допустить большие изменения температуры поверхности Земли?

На рис. 61 показано, как менялась глобальная средняя температура Земли: а) за последнее столетие, б) за последнее тысячелетие и в) за последние 25 тысяч лет. На рис. 62 показано, как менялась температура Земли за последние 150 тысяч лет. Из обоих рисунков видно, что глобальная средняя температура Земли менялась не более чем на 5оС. Указанные изменения температуры Земли были связаны с изменением количества СО_2 в земной атмосфере. За предыдущую историю Земли количество (отношение смеси) СО_2 в атмосфере изменялось в пределах 50 — 100 ррмv. Такие изменения СО_2 вследствие парникового эффекта и дадут изменение температуры Земли примерно на 4–5оС.

Рис. 61. Изменение поверхностной температуры Земли за период от 30 тысяч лет до н. э. и до 1980 года.

За последнее столетие (после 1880 года) температура Земли повысилась на 0,6оС. Наибольший рост температуры Земли произошел в последние 25 лет. В настоящее время скорость роста температуры Земли примерно в 10 раз больше, чем за период с 1850 по 1960 год. Это обусловлено изменением состава земной атмосферы, увеличением количества СО_2, N_20, СН_4, фреонов и других газов, которые обладают парниковым эффектом. Очень важно своевременно предсказать грядущие изменения температуры Земли и те последствия, к которым это приведет. Это можно сделать в том случае, если известно, как будет меняться состав атмосферы в будущем, а конкретнее — насколько в атмосфере Земли будет увеличиваться количество газов, обладающих парниковыми свойствами. Ведущее место среди этих газов занимает СО_2.

Конечно, мы не можем точно знать, как будет меняться количество СО_2 и других газов-примесей в атмосфере. Но мы можем рассмотреть различные варианты, которые могут реализоваться в будущем на Земле. Ученые, проводившие такие расчеты, называют эти варианты сценариями.

Рис. 62. Изменение поверхностной температуры Земли за последние 150 тысяч лет.

В настоящее время подобных расчетов выполнено много. Мы приведем только результаты некоторых из них для того, чтобы дать представление о пределах возможных изменений. Расчеты будут соответствовать реальным результатам в том случае, если мы правильно учтем те выбросы в атмосферу, которые произойдут в последующие годы. Конечно, наперед знать этого точно никто не может. Это зависит от экономических, социальных и политических факторов. Тем не менее можно выбрать различные сценарии (варианты). В этих расчетах очень важно, что выброшенные в атмосферу вещества могут там находиться очень долго (50 — 150 лет). Поэтому, если даже сейчас полностью будут прекращены все выбросы в атмосферу (что, конечно, нереально), то уже имеющиеся в атмосфере выбросы еще много десятилетий будут делать свое черное дело. Все это, естественно, необходимо учитывать при проведении расчетов.

Проиллюстрируем это на примере фреонов 11,12, 113, окис-лов азота и др. Эти вещества разлагаются только в стратосфере под действием солнечного излучения. Если даже эти вещества перестанут выбрасываться в нижнюю атмосферу, они еще долго будут поступать в стратосферу из тропосферного резервуара. Если выбросы Ф-12 останутся на уровне 1985 года, то концентрация Ф-12 в стратосфере будет продолжать увеличиваться еще в течение более чем 100 лет.

Если же представить себе невероятное: что в какой-то момент выбросы фреонов в атмосферу уменьшатся на 85 %, то есть почти прекратятся, то после этого момента еще в течение более 100 лет концентрации фреонов в атмосфере будет сохраняться на прежнем уровне.

Концентрации СО_2, СН_4, N_20 и фреонов Ф-11 и Ф-12 в атмосфере увеличиваются непрерывно со скоростями в пределах от 0,2 до 5,0 % в год. Реально концентрации СО_2, СН_4 и N_20 увеличиваются непрерывно со скоростями соответственно 0,5, 1,0 и 0,2 % в год в течение ста последующих лет.

Что касается фреонов, то можно рассматривать 2 варианта: 1) количество выбросов фреонов остается неизменным, 2) количество выбросов фреонов Ф-11 и Ф-12 увеличивается на 1,5 и 3,0 % в год.

Расчеты, выполненные при этих условиях, показали, что если выброс фреонов не увеличивать, то примерно только через 70 лет после данного момента количество озона начнет постепенно восстанавливаться (по сравнению с сегодняшним его уровнем). Таким образом, если сейчас выброс в атмосферу фреонов «затормозить», то только через 70 лет озона станет столько же, сколько его имеется сейчас. Дело в том, что в течение примерно 30 лет количество озона еще будет продолжать уменьшаться, и только в последующие 30–40 лет он начнет восстанавливаться. Если же выбросы фреонов будут увеличиваться на 1,5 % в год, то за последующие 70 лет количество озона уменьшится чуть более чем на 3 %. Если же количество выбросов фреонов будет увеличиваться со скоростью 3 % в год, то уже через 70 лет количество озона уменьшится примерно на 10 %.

Расчеты показывают, что очень важно общее действие всех веществ, а не только фреонов. От всех них зависит скорость химических реакций, которые в конце концов приводят к разрушению озона. Выше мы говорили о полном содержании озона в столбе атмосферы от поверхности Земли до тропосферы. Но высотное распределение температуры, а значит, и изменение климата будет зависеть от высотного распределения озона. Если предположить, что количество фреонов 11 и 12 будет увеличиваться со скоростью 1,5 % в год, а количество газов СО_2, СН_4 и N_2О будет увеличиваться, как было сказано выше, то высотное распределение озона будет меняться во времени так, как это показано на рис. 63. Видно, что в средней и верхней стратосфере его количество должно существенно уменьшиться в последующие 100 лет. Это вызвано увеличением на этих высотах количества фреонов 11 и 12. Заметно также, что в тропосфере количество озона не только не уменьшается, но даже увеличивается. Это связано с увеличением концентрации метана СН_4.

Были проведены расчеты парникового эффекта различных малых составляющих атмосферы: СО_2, фреонов, СН_4, N_2О, О_3. Результаты показаны на рис. 64. Вырисовывается зависимость потепления климата от содержания СО_2. Все остальные малые составляющие атмосферы, взятые вместе, дают примерно такой же эффект. В октябре 1985 года в Австрии было проведено совещание по обсуждению изменения климата на Земле вследствие парникового эффекта. В нем приняли участие более 100 видных ученых разных стран. Они пришли к выводу, что примерно к 2030 году произойдут такие изменения в количестве парниковых газов, которые эквивалентны удвоению количества СО_2. Это значит, что поверхностная температура Земли увеличится на 3+1,5оС. Было рассчитано, как различные газы (СО_2, О_3, фреоны, Н_2О, СН_4, N_20) влияют на повышение температуры Земли вследствие парникового эффекта. В наше время вклад СО_2 в потепление примерно такой же, как вклад всех других газов (включая озон). Но в будущем столетии эффект нагрева во многом будет определяться озоном и другими газами, и только примерно на 30 % СО_2.

Рис. 63. Рассчитанные изменения количества озона спустя 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100 лет.

Очень любопытны результаты расчета увеличения температуры Земли для различных скоростей увеличения количества СО_2. В сценарии А принято, что количество СО_2 удвоится к 2020 году. В сценарии В считалось, что это произойдет на 40 лет позднее. Считалось, что кроме СО_2 в атмосфере имеются N_2O, СН_4, Ф-11, Ф-12. Полагалось, что в последующие 25 лет увеличение выброса в атмосферу этих газов резко уменьшится. В сценарии А полагалось, что выброс указанных газов все время увеличивается.

Рис. 64. Изменения количества различных соединений (CO2, N2O, СН4, Ф-11, Ф-12) после 1960 года.

Сценарий А. СО_2 увеличивается со скоростью 1,5 % в год. CCl_3F (время жизни равно 75 годам) увеличивается со скоростью 3 % в год. CCl_2F_2 (время жизни равно 150 годам) увеличивается с такой же скоростью (3 % в год). СН_4 увеличивалось с 1958 по 1970 год со скоростью 0,6 % в год, в 1970-е годы — со скоростью 1 % в год, в 1980-е годы — со скоростью 1,6 % в год. N_2O увеличивался в 1958 году со скоростью 0,1 % в год, в 1980 году — со скоростью 0,2 % в год. Этот газ в 2000 году будет увеличиваться со скоростью 0,4 % в год и в 2030 году — со скоростью 0,9 % в год. В сценарии В считалось, что СО_2 увеличивается со скоростями: в 1990 году — 1 %, в 2000 году — 0,5 % и в 2010 году — 0 % (то есть не растет). CClO_3F и CCl_2F_2 увеличиваются со скоростями: 2 % в 1990 году, 1^3% в 2000 году и 0,5 % в 2010 году. N_2O увеличивается со скоростями от 3,5 % в год (в 1980-е годы) до 2,5 % в 1990 году, 1,5 % в 2000 году и 0,5 % в 2010 году. В данном сценарии считалось, что количество других газов-примесей не увеличивается во времени. Ограничением выбросов можно ограничить рост температуры Земли. В противном случае (сценарий А) этот рост температуры Земли катастрофически большой.

ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В БУДУЩЕМ

Количество озона в атмосфере зависит от очень многих условий. Это и естественные условия в атмосфере, обусловленные главным образом солнечной энергией, и условия, которые создаются в атмосфере в результате деятельности человека. Очень трудно сейчас предсказать в точности, как будет меняться количество озона. Для этого надо правильно предсказать как солнечную активность, изменения в атмосфере в ближайшие десятилетия, так и последствия деятельности человека. Ни один из этих факторов неизвестен нам настолько хорошо, чтобы мы могли уверенно прогнозировать его на будущее. Тем не менее имеет смысл оценить, как может меняться озон в зависимости от изменения указанных факторов. На первом этапе исследований допустимо проанализировать влияние этих факторов по отдельности. Правда, если мы интересуемся реальной картиной, то должны проанализировать одновременное действие всех указанных факторов, от которых зависит количество озона. Это можно проиллюстрировать на таком примере. Если температура стратосферы в высоких широтах (в Арктике и Антарктике) остается не ниже некоторой критической величины, то разрушение озона идет там не очень быстро. Но при тех же условиях, то есть при тех же промышленных выбросах, но при более низкой стратосферной температуре, озон будет разрушаться катастрофически быстро, а на определенных уровнях он разрушится полностью. Так образовалась озонная дыра в Антарктиде.

Таким образом, важно не просто знать, как действуют на разрушение озона отдельные (естественные и антропогенные) факторы порознь, но и то, как они действуют все вместе, в комплексе. Чтобы получить правильный результат, недостаточно арифметически сложить результаты действия всех факторов по отдельности. При их одновременном действии реализуются особые ситуации, которые не возникают при действии каждого из факторов по отдельности. Надо сказать, что сейчас мы еще не в состоянии проводить расчеты, в которых были бы учтены все факторы, действующие разрушающе на озон. Мы еще многого не знаем о составе атмосферы, о тех реакциях, в которые вступают между собой разные составляющие атмосферы, о скоростях этих реакций, о динамике атмосферы и о многом другом, что необходимо для строгого проведения таких расчетов. Это все надо помнить при анализе тех результатов, которые получаются при таких расчетах. Надо помнить, что точность этих результатов невелика, хотя это и не так страшно. Более важно то, что они могут не отражать существа дела, если не учитывают какие-либо принципиально важные процессы или условия. После таких, на наш взгляд, крайне необходимых замечаний, приведем некоторые результаты расчетов изменения озона в будущем. В этих расчетах основной упор делался на антропогенные факторы, которые должны оказывать влияние на количество озона в атмосфере.

Расчеты количества озона проводились для следующих условий. Считалось, что количество (точнее, отношение смеси) N_2O от года к году увеличивается на 0,25 %. За исходный момент взят 1980 год, когда отношение смеси N_2O было равно 305 × 10-12. Считались два варианта для изменения количества метана СН_4. В одном из них полагалось, что количество метана останется в будущем на уровне 1980 года. Это, конечно, нереально. Тем не менее результат такого расчета представляет определенный интерес. В 1980 году количество (отношение смеси) метана составляло 1,70 × 10-15. В другом варианте предполагалось, что количество метана увеличивается от года к году со скоростью 1,0 %.

К разряду основных веществ, которые прямо или косвенно участвуют в разрушении озона, относятся соединения, содержащие хлор. Это СН_3Cl, CCl_4, CH_3CCl_3, фреоны: 11(CFCl_3), 12(CF_2Cl_2), 22(CHClF_2), 113(C_2Cl_3F_2). Эти вещества являются основными источниками тех хлорных соединений, которые в стратосфере разрушают озон. Все указанные вещества, содержащие хлор, забрасываются в атмосферу в результате работы промышленных установок. Время жизни указанных веществ от 50 до 100 лет. Только у СН_3ССl_3 оно равно 10 годам.

Во всех вариантах (сценариях) считалось, что количество СН_3Сl сохраняется от года к году постоянным. В 1960 году отношение смеси СН_3Cl составляло 0,6 × 10-12, а CCl_4 — 0,1 × 10-12. Отношение смеси хлорных соединений в стратосфере равнялось 1 × 10-12.

Были проведены расчеты для четырех различных сценариев.

Сценарий А. Считалось, что хлорсодержащие вещества сохраняются на уровне 1980 года, а именно (цифры обозначают отношение смеси 1 × 10-12): CFCl_3 (265), CF_2Cl_2 (485), CHClF_2 (82), CH_3CCl_3 (504), CCl_4 (60), CH_3Cl (0, 6).

Сценарий Б. Все указанные хлорсодержащие вещества увеличиваются на 3 % в год начиная с 1980 года.

В расчетах принималось, что N_2O увеличивается ежегодно на 0,25 %. Это основано на экспериментальных данных за 1976–1980 годы, когда наблюдалось увеличение на 0,2 % в год. Время жизни N_2O равно примерно 150 годам в нижней атмосфере. Выше, в стратосфере N_2O видоизменяется, частично превращаясь в NOx.

Роль N_2O в разрушении озона очень важна и потому, что в зависимости от концентрации N_2O разрушение озона хлорными соединениями идет с разными скоростями.

В данных расчетах принято, что количество метана за период с 1960 по 1980 год увеличивалось ежегодно на 1,1 %. После 1980 года принято увеличение метана равным 1,0 % в год.

Ниже стратосферы, в тропосфере, метан участвует в таких химических реакциях, в результате которых количество озона увеличивается. В стратосфере метан тесно связан с Cl, ClO и HCl, которые разрушают озон. Поэтому можно считать, что в стратосфере метан способствует разрушению озона.

Состав атмосферы (включая указанные вещества, участвующие прямо или косвенно в разрушении озона) зависит не только от высоты, но и от широты. Поэтому и разрушение, а значит, и количество озона должно зависеть от широты.

При одних условиях главными разрушителями озона являются соединения, содержащие азот (нитраты), а при других условиях — вещества, содержащие хлор. Анализ показал, что в тех условиях, которые реализуются в атмосфере экваториальной зоны, более эффективно разрушают озон нитраты. По мере удаления от экватора, то есть при увеличении широты, эта эффективность уменьшается. Что касается веществ, содержащих хлор, то их роль в разрушении озона возрастает по мере удаления от экватора к полюсам. Таким образом, та и другая группы веществ имеют свои широтные зоны, в пределах которых они разрушают озон наиболее эффективно. К этому надо добавить, что NОх вступает в реакции с веществами, содержащими хлор, которые в конце концов способствуют разрушению озона. Поэтому не следует рассматривать действие этих двух групп соединений отдельно друг от друга.

Расчеты показывают, что на первом этапе разрушения озона наиболее важную роль в этом будут играть хлорные соединения. Поскольку их эффективность больше в высоких широтах, то на первом этапе озон будет разрушаться более эффективно в высоких широтах обоих полушарий. Впоследствии процесс разрушения озона захватит и средние и даже низкие широты. Естественно, что необходимо учитывать разрушающее действие как хлорных, так и азотных соединений.

Какие же изменения озона следуют из данных расчетов? Наиболее эффективно озон разрушается хлорными соединениями на высотах 30–40 км. Данные измерений за период с 1970 по 1980 год свидетельствуют о том, что на этих высотах количество озона ежегодно уменьшалось примерно на 0,2–0,3 %. Эти изменения показаны на рис. 65 (треугольники). Там же (кривая 1) показаны рассчитанные изменения озона при условии неизменности температуры. Кривой 2 показаны изменения озона с учетом изменения температуры (которые взяты из других расчетов). Кривой 3 показаны изменения озона в зависимости от высоты (атмосферного давления), которые были рассчитаны при учете только высотных изменений свойств атмосферы, то есть по одномерной модели.

Рис. 65. Высотное изменение озона (отклонение от среднего, в %), измеренное за период с 1970 по 1980 год (треугольники).

Из приведенных на рис. 74 результатов расчетов и их сопоставления с данными измерения озона можно сделать вывод, что расчеты в первом приближении удовлетворительно отражают наблюдаемое высотное изменение озона. Видно, что расчеты без учета температурных изменений плохо отражают реальное высотное распределение изменения озона.

Это своего рода проверка, апробация модели. Можно считать, что модель более или менее удовлетворительна. Значит, по ней можно считать то изменение озона, которое будет происходить в будущем.

Расчеты по данной модели показывают, что в средней и верхней стратосфере максимум уменьшения озона в 1980 году составляет 15 %, в 2000 году — 40 %, а в 2020 году — все 65 %. В нижней стратосфере в низких и средних широтах количество озона увеличивается. Это происходит под действием проникающего ультрафиолетового излучения Солнца.

В тропосфере в тропических широтах количество озона увеличивается в результате увеличения количества метана.

В низких широтах количество озона в столбе (на всех высотах) меняется мало. Но меняется существенно его распределение по высоте. А это приведет к изменению теплового баланса в атмосфере и в конце концов к изменению климата.

На рис. 66 показано уменьшение количества озона на разных широтах (0, 20, 40, 60 и 80о северной широты) вплоть до 2030 года.

Рис. 66. Уменьшение количества озона на разных широтах (0, 20, 40, 60 и 80° северной широты) до 2030 года.

Расчеты выполнены по условиям сценария А, согласно которому увеличивается от года к году количество как N_2O, так и СН_4. Расчеты выполнены для условий весны в северном полушарии. Это сделано потому, что именно в весенний сезон наибольшее изменение (уменьшение) озона имеет место в высоких широтах. Именно в это время года в Антарктиде образуется озонная дыра.

Согласно расчетам к 2030 году на 60о северной широты количество озона уменьшится на 8,3 %, а на 40о северной широты — на 3,8 %. Количество озона вокруг всей Земли к этому времени уменьшится примерно на 2 %.

Следует иметь в виду, что с течением времени (десятилетий) будет происходить не только разрушение озона. Одновременно будет изменяться и состав атмосферы. В новых условиях начнут протекать новые химические реакции с участием соединений хлора, в которых будет разрушаться озон. Таких реакций будет очень много. Поэтому примерно через 40 лет (то есть к 2020–2030 годам) разрушение озона будет происходить еще более эффективно.

Важно представлять, какие изменения в количестве озона производят по отдельности различные озоноразрушающие вещества (Clx, CH_4, N_2O, CO_2) (рис. 67). Расчеты проведены при следующих предположениях: концентрации СО_2, СН_4 и N_20 непрерывно увеличиваются на 0,5, 1,0 и 0,2 % в год соответственно. Увеличение фреонов Ф-11 и Ф-12 принято разное (0,0, 1,5 и 3,0 %). То есть рассчитывались три варианта для фреонов.

Рис. 67. Вклад различных веществ в разрушение озона.

Результаты расчетов показали, что если количество фреонов увеличивается на 1,5 % ежегодно, то в ближайшие 70 лет общее содержание озона уменьшится на 3 %. Если же количество фреонов будет увеличиваться от года к году быстрее, со скоростью 3 % в год, то за эти же 70 лет содержание озона уменьшится на 10 %. Затем произойдет его резкое, катастрофическое уменьшение. Это показано на рис. 68.

Рис. 68. Изменения количества озона (в %), рассчитанные при различных условиях.

Более подробно процессы рождения и исчезновения озона нами рассмотрены в монографии «Озонные дыры: мифы и реальность» («Мысль», 1993).

ЗАЩИТА ОЗОННОГО СЛОЯ

В защиту озонного слоя была принята Международная Венская конвенция, к которой присоединилась и наша страна. В ней, в частности, сказано следующее (приводим выборочно):

Стороны настоящей Конвенции, сознавая потенциально пагубное воздействие изменения состояния озонного слоя на здоровье человека и окружающую cреду, ссылаясь на соответствующие положения Декларации Конференции Организации Объединенных Наций по проблемам окружающей человека cреды и, в частности, на принцип 21, который предусматривает, что «в соответствии с Уставом Организации Объединенных Наций и принципами международного права государства имеют суверенное право разрабатывать свои собственные ресурсы согласно своей политике в области окружающей cреды и несут ответственность за обеспечение того, чтобы деятельность в рамках их юрисдикции или контроля не наносила ущерба окружающей среде других государств или районов за пределами действия национальной юрисдикции».

Принимая во внимание обстоятельства и особые потребности развивающихся стран, учитывая работу и исследования, проводимые как в международных, так и в национальных организациях и, в частности, Всемирный план действий по озонному слою Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде, учитывая также предупредительные меры по защите озонного слоя, уже принятые на национальном и международном уровнях, сознавая, что меры по охране озонного слоя от изменений в результате деятельности человека требуют международного сотрудничества и действий на международном уровне и должны основываться на соответствующих научно-технических соображениях, сознавая также необходимость проведения дальнейших исследований и систематических наблюдений для получения дополнительных научных сведений об озонном слое и о возможных отрицательных последствиях изменения его состояния.

Исполненные решимости защитить здоровье людей и окружающую среду от неблагоприятного воздействия изменений состояния озонного слоя, договорились о следующем:

Статья 2

Общие обязательства

1. Стороны принимают надлежащие меры в соответствии с положениями настоящей Конвенции и тех действующих протоколов, участниками которых они являются, для защиты здоровья человека и окружающей среды от неблагоприятных последствий, которые являются или могут являться результатом человеческой деятельности, изменяющей или способной изменить состояние озонного слоя.

2. С этой целью стороны в соответствии с имеющимися в их распоряжении средствами и со своими возможностями:

а) сотрудничают посредством систематических наблюдений, исследований и обмена информацией, для того чтобы глубже познать и оценить воздействие деятельности человека на озонный слой и последствия изменения состояния озонного слоя для здоровья человека и окружающей среды;

б) принимают надлежащие законодательные или административные меры и сотрудничают в согласовании соответствующих программ и мероприятий для контролирования, ограничения, сокращения или предотвращения деятельности человека, подпадающей под их юрисдикцию или контроль, если будет обнаружено, что эта деятельность оказывает или может оказать неблагоприятное влияние, изменяя или создавая возможность изменения состояния озонного слоя;

в) сотрудничают в разработке согласованных мер, процедур и стандартов для выполнения настоящей Конвенции в целях принятия протоколов и приложений;

г) сотрудничают с компетентными международными органами в целях эффективного выполнения настоящей Конвенции и протоколов, участниками которых они являются.

3. Положения настоящей Конвенции никаким образом не затрагивают права Сторон принимать в соответствии с международным правом внутригосударственные меры в дополнение к мерам, предусмотренным в пунктах 1 и 2 выше; они не затрагивают также дополнительных внутригосударственных мер, уже принятых Сторонами, при условии, что такие меры совместимы с их обязательствами в рамках настоящей комиссии.

Статья 3

Исследования и систематические наблюдения

1. Стороны обязуются в соответствующем порядке организовать исследования и научные оценки и сотрудничать непосредственно или через компетентные международные органы в их проведении по следующим вопросам:

а) физические и химические процессы, которые могут влиять на озонный слой;

б) влияние на здоровье человека и другие биологические исследования, вызываемые изменениями состояния озонного слоя, особенно изменениями ультрафиолетового солнечного излучения, влияющего на живые организмы (УФ-В);

в) влияние изменений состояния озонного слоя на климат;

г) воздействие любых изменений состояния озонного слоя и любого последующего изменения интенсивности излучения УФ-В на природные и искусственные материалы, используемые человеком;

д) вещества, практика работы, процессы и виды деятельности, которые могут влиять на озонный слой, и их кумулятивное воздействие;

е) альтернативные вещества и технологии;

ж) соответствующие социально-экономические вопросы;

а также по другим вопросам, подробно рассматриваемым в приложениях I и II.

2. Стороны обязуются сами или через компетентные международные органы с полным учетом национального законодательства и такого рода деятельности, проводимой как на национальном, так и на международном уровнях, содействовать проведению или проводить совместные или взаимодополняющие программы систематических наблюдений за состоянием озонного слоя и другими соответствующими параметрами, как это предусмотрено в приложении I.

3. Стороны обязуются сотрудничать непосредственно или через компетентные международные органы в обеспечении сбора, проверки и регулярной и своевременной передачи исследовательских данных через соответствующие международные центры данных.

Статья 4

Сотрудничество в правовой и научно-технической областях

1. Стороны содействуют и благоприятствуют обмену научно-технической, социально-экономической, коммерческой и правовой информацией, имеющей отношение к настоящей Конвенции, в соответствии с более подробными положениями, содержащимися в приложении II. Такая информация предоставляется органам, о которых договорятся Стороны. Любой такой орган, получающий информацию, которую поставляющая сторона считает конфиденциальной, гарантирует неразглашение такой информации и обобщает ее таким образом, чтобы сохранить ее конфиденциальный характер до того, как она будет предоставлена в распоряжение всех Сторон.

2. Стороны сотрудничают в соответствии с их национальными законами, нормами и практикой и с учетом, в частности, потребностей развивающихся стран в содействии, непосредственно или через компетентные международные органы, развитию и передаче технологии и знаний. Такое сотрудничество осуществляется, в частности, путем:

а) облегчения приобретения альтернативных технологий другими Сторонами;

б) предоставления им информации об альтернативных технологиях и оборудовании и соответствующих инструкций или руководств;

в) поставки необходимого оборудования и аппаратуры для проведения исследований и систематических наблюдений;

г) подготовки необходимых научно-технических кадров.

Статья 12

Подписание

1. Настоящая Конвенция открыта для подписания в Федеральном министерстве Иностранных дел Австрийской Республики в Вене с 22 марта 1985 года по 21 сентября 1985 года и в центральных учреждениях Организаций Объединенных Наций в Нью-Йорке с 22 сентября 1985 года по 21 марта 1986 года.

Статья 13

Ратификация, принятие или одобрение

1. Настоящая Конвенция и любой протокол подлежат ратификации, принятию или одобрению государствами и региональными организациями экономической интеграции. Документы о ратификации, принятии или одобрении сдаются на хранение Депозитарию.

Статья 17

Вступление в силу

1. Настоящая Конвенция вступает в силу на девяностый день со дня сдачи на хранение двадцатого документа о ратификации, принятии, одобрении или присоединении.

2. Совершено в Вене 22.03.85 г.

Приложение I

Исследования и систематические наблюдения

1. Стороны Конвенции признают, что главными научными проблемами являются:

а) изменение озонного слоя, которое может иметь результатом изменение интенсивности солнечного ультрафиолетового излучения, влияющего на живые организмы (УФ-В) и достигающего поверхности Земли, и возможные последствия для здоровья человека, организмов, экосистем и материалов, используемых человеком;

б) изменение вертикального профиля озона, которое может нарушить температурную структуру атмосферы, и возможные последствия для погоды и климата.

2. Стороны Конвенции в соответствии со статьей 3 сотрудничают в проведении исследований и систематических наблюдений и формулировании рекомендаций дальнейших исследований и в наблюдениях в таких областях, как:

а) исследование физики и химии атмосферы;

б) комплексное теоретическое моделирование: дальнейшая разработка моделей, рассматривающих взаимодействие радиационных, динамических и химических процессов;

в) полевые измерения;

г) разработка приборов;

д) исследование влияния изменений озонного слоя на здоровье человека, биосферу и процессы фоторазложения;

е) связь видимого и ультрафиолетового солнечного облучения человека, а) с развитием как немеланомного, так и меланомного рака кожи, б) воздействием на иммунную систему;

ж) воздействие излучения УФ-В в зависимости от длины волны, а) на сельскохозяйственные культуры, леса и другие экосистемы суши и б) на пищевую цепочку водных экосистем и рыболовство, а также возможное торможение выделения кислорода морским фитопланктоном;

з) механизмы воздействия излучения УФ-В на биологические вещества, виды и экосистемы, включая связь между дозой, мощностью дозы и реакцией; фоторепорация, адаптация и защита;

и) выявление возможного взаимодействия зон с различной длиной волны путем изучения биологических спектров действия и спектральной реакции на полихроматическое облучение;

к) воздействие излучение УФ-В на чувствительность и активность биологических видов, играющих важную роль в балансе биосферы; на такие первичные природные процессы, как фотосинтез и биосинтез;

л) воздействие излучения УФ-В на фоторазложение загрязняющих веществ, сельскохозяйственных химикатов и других материалов.

Исследование воздействия на климат:

а) теоретическое исследование и наблюдение за радиационным эффектом озона и других микроэлементов и влиянием на климатические параметры, такие, как температура поверхности суши и океанов, характер осадков, обмен между тропосферой и стратосферой;

б) исследование влияния таких изменений климата на различные виды человеческой деятельности.

Систематические наблюдения за:

а) состоянием озонного слоя (пространственная и временная изменчивость общего содержания и вертикального профиля озона) путем окончательного введения в строй глобальной системы наблюдения за озонным слоем, базирующейся на интеграции спутниковых и наземных систем наблюдения;

б) тропосферной и стратосферной концентрацией исходных газов на содержание в них HOX, NOX и ClOX, а также углеродистых соединений;

в) температурой от земной поверхности до мезосферы с использованием как наземных, так и спутниковых систем;

г) волновым составом потока солнечной радиации, достигающего земной атмосферы, и за тепловым излучением, покидающим ее, с использованием данных со спутников;

д) волновым составом потока солнечной радиации, достигающего земной поверхности в ультрафиолетовой части спектра и влияющего на живые организмы (УФ-В);

е) свойствами с распределением аэрозолей в слое от земной поверхности до мезосферы с использованием наземных, самолетных и спутниковых систем наблюдений;

ж) переменными, имеющими большое значение для климатологии, на основе осуществления программ высококачественных метеорологических поверхностных измерений;

з) микроэлементами, температурой, потоком солнечной радиации и аэрозолями, используя более совершенные методы анализа глобальных данных.

ЧАСТЬ ШЕСТАЯ

ЧТО НАС ЖДЕТ?

СОВРЕМЕННЫЙ КЛИМАТ

Под современным климатом ученые понимают климат после момента, когда закончилось его потепление, то есть после 30 — 40-х годов XX столетия. Поскольку началось похолодание климата, то для него характерны общее понижение температуры, увеличение на континентах льда и снега. Для современного климата характерно увеличение повторяемости необычных экстремальных условий погоды. Дело в том, что для жизни и деятельности (и здоровья) людей не столь важны абсолютные значения температуры и других показателей погоды. Более страшны резкие изменения погодных условий (наводнения, резкие изменения температуры, торнадо и т. п.). Надо научиться их предсказывать и защищаться от них. Всемирная метеорологическая организация признала экстремальными такие климатические условия, которые встречаются один раз в 25–30 и более лет.

Похолодание климата после 1940 года идет не плавно. На фоне общего похолодания наблюдались периоды потепления в конце 1950-х годов, в середине 1960-х годов и т. д. Происходят колебательные изменения климата, и сейчас рано говорить о том, как он будет меняться в будущем. Если бы мы не опасались, что своими руками меняем климат, то следовало бы ожидать похолодания. Собственно, оно и происходит с середины 1970-х годов.

В настоящее время ученые очень внимательно следят за всеми изменениями климатических элементов и пытаются прогнозировать изменение климата в будущем. Все большее их число осознает, что для жизни людей и экономики очень важно предсказать наступление аномальных, экстремальных погодных условий. Они происходят не только бурно, но и неожиданно, поэтому наносят огромный вред. Японские ученые провели детальный анализ таких аномальных погодных явлений за 1961–1972 годы. По их данным можно заключить, что за этот период среднемесячная температура достигала необычайно низких значений весьма часто. Она наблюдалась в течение 460 месяцев против 206. Необычно низкие величины осадков наблюдались также часто (472 месяца против 295). Если сравнивать период 1960–1969 годов и период потепления 1920–1940 годов, то выясняется, что повторяемость очень низких температур увеличилась почти в два раза. Повторяемость необычно высоких среднемесячных температур в два раза уменьшилась. С 1951 по 1972 год температура поверхности Земли в Северной Атлантике уменьшилась от 12,03оС до 11,043 °C. Увеличилась и площадь, занятая снегом и льдом (от 33 миллионов квадратных километров в 1950 году до 39 миллионов квадратных километров в 1973 году). После 1940 года горные ледники вновь пришли в движение — начали наступать. Ученые наблюдали за 73 небольшими ледниками, которые быстро реагируют на изменения климата. Оказалось, что 50 из них в период с 1953 по 1955 год пришли в движение.

За время потепления климата с 1880 до 1930 года над Британскими островами увеличилось количество дней в году с западными ветрами от 85 до 110. При похолодании до начала 1970-х годов оно уменьшилось до 80, а к середине 1970-х годов до 68.

После начала похолодания в 1950-е годы климат изменился следующим образом. Температура средней тропосферы северного полушария в среднем понижалась. Наиболее заметно это было в умеренной зоне и в высоких широтах. Температура воздуха у поверхности Земли также понижалась, хотя и менее заметно. Она отличалась существенными колебаниями. Поверхностный слой воды охлаждался как в Атлантике, так и в Тихом океане. Возросло за последние годы и количество снега и льда. Это относилось к северному полушарию. В южном полушарии температура средней атмосферы слабо повышалась. У поверхности Земли температура воздуха менялась только незначительно. Количество пакового льда в Антарктиде сначала несколько увеличилось. Затем оно стало уменьшаться. Атмосферная циркуляция характеризовалась увеличением ее неустойчивости.

Важно отметить, что современный климат неустойчив. В одних районах наблюдаются засухи, а в то же время в других районах происходят наводнения. Точно такая же неустойчивость климата имела место в период перехода от периода теплого климата к малому ледниковому периоду.

Хорошим показателем климата является длительность вегетационного периода. Это количество дней, когда средняя температура воздуха превышает 5,5 °C. Рассмотрим, как этот период менялся в центральной части Англии. В 1870–1895 годы средняя за десятилетие продолжительность вегетационного периода составила 255–265 дней. Наименьшая его продолжительность равнялась 205–225 дней. В 1930–1949 годах средняя продолжительность увеличилась до 270–275 дней, а минимальная до 237–243 дней. Но в условиях похолодания, в 1950–1959 годы, средняя продолжительность вегетационного периода вновь уменьшилась до 265 дней. Минимальная снизилась до 226 дней. Для сравнения скажем, что в наиболее холодные десятилетия малого ледникового периода в Англии средний вегетационный период был короче почти на месяц по сравнении с таковым в теплые 1930–1949 годы.

ВЛИЯНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЧЕЛОВЕКА НА КЛИМАТ

Человек воздействовал на климат с тех пор, как начал вырубать и выжигать леса, распахивать земли, засаживать территории различными видами растительности и т. д. Этим самым он менял отражательную способность поверхности Земли, а значит, изменял то количество энергии, которую наша планета получает от Солнца. В настоящее время человек меняет климат со значительно большим размахом. Он создает новые водохранилища и каналы, изменяет русла крупных рек, осушает болота, продолжает уничтожать леса и делает в этом плане еще многое другое. В частности, приводит почву в состояние эрозии. А эрозия почвы также меняет оптические (отражательные и поглощающие) свойства земной поверхности. В результате эрозии почвы меняется газовый обмен между земной поверхностью и атмосферой. Меняется при этом и обмен теплом и влагой между земной поверхностью и атмосферой.

Что касается малых составляющих атмосферы, сильно влияющих на климат, то на первом месте стоит CO_2, поскольку он создает в атмосфере парниковый эффект. Если количество СО_2 увеличится, то климат существенно (а возможно, и катастрофически) потеплеет. Это зависит от степени повышения концентрации СО_2 в атмосфере. Но для сохранения пригодным для жизни климата важен не только СО_2. Чрезвычайно важны фреоны, фтористые, бромистые и хлорные соединения, которые разрушают озонный слой и тем самым изменяют тепловой режим Земли. Целый ряд химически активных малых (но не пренебрежимых) примесей (окислы азота, фреона и др.) поглощают солнечную энергию и тем самым меняют тепловой режим атмосферы, нагревают ее. Таким образом, они, с одной стороны, по мере увеличения их концентрации, увеличивают парниковый эффект, а с другой стороны, уменьшают солнечную энергию, приходящую к Земле, то есть уменьшают метеорологическую солнечную постоянную.

На климате обязательно отразится и загрязнение Мирового океана нефтяными продуктами. Нефтяная пленка на водах Мирового океана меняет теплообмен и влагообмен между океаном и атмосферой. Человек с большим энтузиазмом и сознанием своей силы воздействует на облака с тем, чтобы стимулировать выпадение осадков. Но он не задумывается над тем, что планомерно, осознанно при этом загрязняет атмосферу. Человек изменяет климат и путем сжигания топлива. При этом одновременно в атмосферу выбрасывается водяной пар. Кстати, поступление водяного пара в атмосферу увеличивается и в результате функционирования оросительных систем. Испытания ядерного оружия также внесли и вносят свою лепту в изменение климата. При этом в атмосфере накапливается аэрозоль, окислы азота, радиоуглерод и другие составляющие, которые эффективно разрушают озонный слой.

Топливно-энергетический комплекс мира непрерывно растет. На рис. 69 показано, как увеличивалось производство энергии в мире начиная с 1850 года. Виден непрерывный быстрый рост производства энергии, а значит, и выбросов в атмосферу. Выбрасывается в больших количествах сажа и продукты сгорания в виде соединений серы. При этом в атмосферу поступают радиационно-активные малые газовые составляющие. Это происходит при сжигании химического топлива. При этом поступают в атмосферу углекислый газ и окислы азота. Они влияют на углеродный и азотный циклы в системе атмосфера — океан — биосфера — почвы суши. Кроме того, при сжигании веществ (топливных материалов) человек изменяет свойства подстилающей поверхности. После этого она будет по-иному отражать солнечное излучение, а также будет оказывать влияние на обмен веществом между земной поверхностью (сушей и поверхностью Мирового океана) и атмосферой. Выбросы отходов топливного процесса прямо в воды океана и в атмосферу завершают картину. Некоторые специалисты не без основания считают, что это является главным злом топливно-энергетического комплекса.

Рис. 69. Рост производства энергии в мире по данным энергетического проекта международного Института системного анализа

Каковы перспективы развития топливно-энергетического комплекса в мире? Потребление энергии во всем мире растет примерно на 2 % в год. Приведем данные о количестве сжигаемого топлива, которое потребуется для этих нужд. На сегодня запасы каменного угля составляют 8,4 × 10^11 тонн, если его теплотворную способность принять равной 7000 ккал/кг. Это соответствует количеству каменного угля с реальной теплотворной способностью, равному 1,0754 × 10^13 тонн. Все топливо в мире (включая нефть и газ) оценивается в 1,29 × 10^13 тонн. На 80 % условное топливо состоит из каменного угля. Имеется и другая цифра — 94,2 %. Нефть составляет 3,5 %, а газ — 2,3 % от общей суммы. Исходя из этих цифр можно сделать такие выводы. Во-первых, основным продуктом сжигания топлива в будущем будет каменный уголь. Во-вторых, добыча топлива и его сжигание будет сосредоточено в отдельных крупных регионах мира. Во всяком случае, их распределение будет неравномерным в пространстве. Для оценки влияния на климат то и другое очень важно.

По оценкам экспертов годовое потребление энергии в мире в 2000 году составит 567 × 10^18 джоулей, а в 2025 году — 1238 × 10^18 Джоулей. В начале прошлого века потребление дерева в качестве источника топлива составляло 90 %. Сейчас оно составляет 10 %. Зато удельный вес угля сейчас достигает 50 %, а нефти и газа — 30 %. Остальную энергию даст гидроэнергетика и атомные электростанции. На рис. 70 представлен прогноз изменения различных источников топлива до 2200 года. Как видно, в настоящее время в странах с высоким уровнем потребления энергии на каждого человека расходуется около 10,0 киловатт. В странах со средним уровнем расходования энергии расходуется на каждого жителя в среднем 4,4 кВт, а в странах с низким уровнем — 1,05 кВт.

Рис. 70. Характеристика предполагаемого роста различных источников топлива в мире.

Несложно определить, как изменится окружающая среда при таком потреблении энергии. Вся энергия в конце концов перейдет в тепло и рассеется в окружающем пространстве — в атмосфере, а также в водах, суше и океане. Это очевидно. Но повышать температуру Земли и ее атмосферы нельзя. Есть предел допустимого потепления климата. Но оценки показывают, что прямым нагреванием этот предел не будет достигнут, так что в этом смысле опасности нет. Более опасно то, что тепловая энергия, выделяемая в конце концов в атмосферу, в определенных регионах очень большая. Например, в Манхэттене на каждый квадратный метр расходуется 150 Вт энергии. По аналогичной причине в центре городов температура на несколько градусов выше, чем в окружающих районах. Имеются обширные территории, такие как Япония, Рурский район, Восток США и др., где тепловые нагрузки составляют в среднем 5–6 Вт/м^2. Размеры этих регионов сопоставимы с размерами воздушных масс, которые определяют погоду. Для того, чтобы изменить циркуляцию атмосферного газа в ограниченном (не очень малом) регионе, надо добавить в атмосферу 2–3 ватта на каждый квадратный метр. Как видим, добавляется и значительно больше. Конечно, в результате этого средняя температура Земли не повысится, но может произойти значительное перераспределение энергии, поскольку изменится динамика атмосферного газа.

С помощью компьютеров климатологи рассчитали, к чему может привести сильное сосредоточение источников энергии. Такие расчеты сейчас принято называть экспериментами. Часто не добавляют слова «численные». Так вот, задавались различные исходные условия, близкие к прогнозируемым на будущее. Проводили расчеты и американские специалисты и наши. Конкретные результаты всех расчетов мы приводить не будем. Для нас важно знать одно — влияет ли на климат тепло, поступающее в атмосферу от потребителей энергии, и если влияет, то насколько. На основании результатов всех проведенных расчетов можно заключить, что при завышенных примерно в 10 раз тепловых выбросах должно произойти существенное изменение режима погоды. Эффекты воздействия постепенно будут распространяться от района воздействия. Уже через полтора месяца эффект от такого теплового воздействия распространится на все северное полушарие. Любопытно, что под действием гипотетических тепловых источников, для которых велись расчеты и которые располагались в районе Востока США, в тропической зоне сформировались новые области интенсивных ливневых осадков, которых согласно начальным условиям проводимых расчетов там не было. Расчеты показали, что тепловые выбросы могут повысить даже среднюю глобальную температуру. Это происходит из-за увеличения парникового эффекта, поскольку количество водяного пара в атмосфере увеличивается. Остается ответить на вопрос — когда мы будем осуществлять такие по величине тепловые выбросы, для которых велись расчеты. Оптимисты считают, что через 50 лет. На самом деле этот срок может сократиться в несколько раз. Тем не менее, если при современных тепловых выбросах и не происходит по этой причине глобальных изменений климата, но изменения региональные, местные несомненно происходят. Происходят сейчас и будут все чаще происходить в будущем. Что это значит? От этого климат не потеплеет, но различные климатические аномалии будут учащаться. Собственно, это мы уже наблюдаем. И если они будут учащаться с большим темпом, то неизвестно, что лучше — глобальное потепление или ежедневно проносящиеся торнадо. На специальном языке это называют изменением циркуляционного режима атмосферы и увеличением повторяемости климатических аномалий.

Как же скажется функционирование топливно-энергетического комплекса на свойствах подстилающей поверхности? Это зависит от того, как распределены районы добывания топлива. Уголь, например, добывается в основном вблизи поверхности Земли, хотя в будущем глубины увеличатся. Известно, что при добыче одного миллиона тонн угля на глубине залегания пластов 1–2 метра разрушается около пяти квадратных километров земель. При более глубоком залегании эта площадь уменьшается. При добыче угля разрушаются миллионы квадратных километров земли. Это с учетом подъездных путей и т. п. Ясно, что вся эта площадь подстилающей поверхности изменит свои отражательные свойства, а это повлияет на количество поступающей солнечной энергии, а значит и на нагрев атмосферного газа.

В результате своей технологической деятельности человечество меняет количество СО_2 в атмосфере. СО_2 совершает естественный цикл (кругооборот) в системе океан — атмосфера — биосфера. В процессе сжигания топлива человек ежегодно забрасывает в атмосферу не менее 5 миллиардов тонн углерода. Кроме того, человек воздействует на океан и биосферу и тем самым изменяет количество СО_2, поступающее в атмосферу.

Чистого углерода во всех земных запасах топлива содержится примерно 5–8× 10^12 т. При сжигании угля на 10 Дж в атмосферу выбрасывается 87 т СО_2. Если речь идет о нефти, то эта цифра несколько меньше — 71 т, для газа — 51 т. С начала индустриального развития общества (с 1860 года) количество СО_2 в атмосфере непрерывно растет. В 1860 году СО_2 в атмосфере было 2440 Гт, а в 1975 году его стало 2574 Гт. Одна гектотонна (Гт) равна миллиарду тонн. За указанный период в атмосферу поступило 240 Гт углерода. Из них около 95 Гт поступило за счет вырубки и сжигания лесов, а 146 Гт поступило в атмосферу непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива. Часть углерода ушла на образование СО_2. Осталось в атмосфере нетронутым около 82,5 Гт из всего углерода, поступившего в результате деятельности человека. Что касается СО_2, то более половины его количества, поступившего в атмосферу за счет сжигания топлива, поглотилось океаном и биосферой. Остальная часть осталась в атмосфере. СО_2 поступает в атмосферу не только при сжигании лесов, угля, нефти, газа. Он поступает в атмосферу при культивации земель. Источником его является также минеральные источники и др. Если учесть все источники дополнительного углерода (кроме естественного), поступающего в атмосферу в течение года, то получится 10–12 Гт. Примерно 30 % поступившего в атмосферу углерода остаются там, а остальные 70 % переходят в океан и биосферу. Как известно, углерод и СО_2 поступают в атмосферу из биосферы. Человек изменяет это количество путем воздействия на почву, растительность и т. п. В середине нашего столетия больше углерода поступало в атмосферу за счет этого источника, чем за счет сжигания топлива. Но в наше время ситуация в корне изменилась — при сжигании топлива в атмосферу забрасывается примерно в 2,5 раза больше углерода, чем то количество, которое поступает из биосферы.

Специалисты рассчитали, как предположительно будет меняться интенсивность антропогенного роста СО_2 в атмосфере вплоть до 2400 года. При этом были сделаны четыре разные предположения относительно величины интенсивности антропогенных источников углерода. Результаты расчетов показаны на рис. 71 четырьмя кривыми, каждая из которых соответствует определенной величине интенсивности антропогенных источников углерода. Самая верхняя (острая) кривая соответствует случаю, когда темпы роста этой интенсивности составляют 6,53 % в год. При этом время наступления максимальной концентрации СО_2 приходится на середину XIX века. Если эти темпы будут равны 1,53 % в год, то максимум количества СО_2, выброшенного в атмосферу, придется на XXIV век. Это показано самой нижней, наиболее плавной кривой на рис. 71. Не вызывает сомнения, что первый вариант более реальный — радикальных изменений в количестве СО_2 в атмосфере следует ждать в следующем столетии, в первой его половине. Что же касается разведанного химического топлива, то если все оно будет сожжено, максимальная концентрация СО_2 в атмосфере по этой причине превысит доиндустриальную величину в 8 — 11 раз. Правда, эта величина несколько уменьшится в результате влияния биосферы и океана.

Рис. 71. Интенсивность антропогенного роста СО2 в атмосфере.

Биосфера Земли в процессе синтеза поглощает СО_2. Углерод хранится в стволах деревьев, в почве, перегное, листве и др. Оценено, что во всей биосфере содержится около 835 Гт углерода. 90 % его сосредоточено в лесах. Однако основным источником углерода является океан. В водах Мирового океана хранятся излишки СО_2 техногенного происхождения. Незначительная часть углерода (около 600–750 Гт) содержится в верхнем слое толщиной около 75 м, который всегда хорошо перемешан. Этот слой океана называют деятельным океаном. Примерно столько же СО_2 находится в атмосфере. Основная же часть углерода Мирового океана, которая примерно в 50 раз превышает количество углерода в атмосфере, содержится в глубинном океане, ниже 75 м. Эта часть океанической воды плохо перемешивается. В глубинном океане часть углерода находится в виде бикарбонатных ионов. Примерно 1 тысяча Гт углерода здесь находится в виде растворенного органического вещества. Углерод, который содержится в неорганических осадочных месторождениях, составляет 3 × 10^7 Гт. В органических осадочных отложениях Земли содержится 0,66 × 10^7 Гт углерода. Тот и другой углерод находится в связанном состоянии и не участвует в углеродном цикле. Углерод содержится и в почве. Его там примерно 1–3 тысячи Гт. Основным источником его в почве является торф.

Скорость обмена углекислым газом между атмосферой, биосферой и океаном зависит от климатических условий. Так, из холодной воды деятельного (верхнего) слоя океана углекислый газ улетучивается неохотно. Он более эффективно переходит из атмосферы в эту холодную воду. Поэтому в высоких широтах преобладает поток углекислого газа из атмосферы в воды Мирового океана. В условиях теплой воды приповерхностного слоя Мирового океана, то есть в южных широтах, преобладает поток углекислого газа из океана в атмосферу. Это в том случае, если поверхностный слой воды чистый. Если же он сверху покрыт пленкой нефти, то это существенно затруднит выход углекислого газа из воды.

Обмен всем углекислым газом между глубинным океаном и верхним деятельным слоем происходит в течение примерно трехсот лет. Зато полный обмен между верхним деятельным слоем и глубинным слоем происходит очень быстро, всего за 4–6 лет. Между атмосферой и биосферой время полного обмена СО_2 составляет 33 года, а обратный полный обмен между биосферой и атмосферой происходит дольше — за 40 лет. Полный обмен СО_2 между атмосферой и деятельным верхним слоем океана происходит за 5–6 лет.

Все эти данные надо знать для того, чтобы реалистично оценить последствия увеличения СО_2 в атмосфере, которое вызвано деятельностью человека. Было проведено много таких оценок. Ученые задавали различные условия, и прежде всего темпы роста СО_2 в атмосфере. Что же получилось? Оказалось, что наиболее опасны увеличения содержания СО_2 в атмосфере в 2–3 раза. Если же это содержание увеличивается еще больше, то последствия этого не ухудшаются. С физической точки зрения это понятно — происходит что-то вроде насыщения. При двух- трехкратном увеличении содержания СО_2 в атмосфере возможности парникового эффекта СО_2 исчерпываются и дальнейшее увеличение концентрации в смысле нагрева атмосферы перестает быть эффективным. Собственно, опасаются именно чрезмерного нагрева атмосферы за счет роста концентрации СО_2. В других отношениях увеличение количества СО_2 как для человека, так и для всей биосферы не представляет никакой опасности. Это даже в том случае, если концентрация СО_2 увеличится многократно. Более того, с точки зрения ускорения роста растений такое увеличение СО_2 даже выгодно, поскольку рост интенсифицируется. Так, за счет увеличения содержания СО_2 в атмосфере рост деревьев в будущем ускорится. Как же будет меняться температура атмосферы при увеличении содержания СО_2 в атмосферном газе? Практически у всех специалистов по расчетам получилось, что с ростом концентрации СО_2 должна увеличиваться температура в нижней тропосфере. Зато выше, в верхней тропосфере и стратосфере, атмосферный газ будет охлаждаться. Если газ нагрет неравномерно, то он начнет двигаться от горячих мест к холодным. Так и в этом случае, атмосферный газ будет более интенсивно двигаться в вертикальном направлении. Когда с высотой происходит большой перепад температуры, то атмосферный газ становится неустойчивым. В нем развиваются конвективные движения, активизируется образование облаков и осадков. К чему это приведет? К увеличению отражательной способности атмосферы. Поэтому большая часть солнечной энергии будет отражаться обратно в космос. Значит, это будет работать на уменьшение нагрева нижней тропосферы. Это называется отрицательной обратной связью. Отрицательной — потому, что рост концентрации СО_2 и как следствие температуры в нижней тропосфере приводит в конце концов к уменьшению этой температуры (через рост неустойчивости атмосферного газа, облачности и осадков). Расчеты показывают, что наибольший эффект от роста концентрации СО_2 будет проявляться в высоких широтах. Здесь температура может увеличиться на 8 — 10 °C, тогда как в низких и средних широтах это увеличение составит 1–2 °C. При двукратном увеличении концентрации СО_2 температура воздуха у поверхности для всего полушария может увеличиться на 2–2,5 °C. Но это повышение температуры определяется не только прямым увеличением концентрации СО_2. Здесь большую роль играет увеличение испарения, в результате в атмосфере увеличивается количество водяного пара. А водяной пар, как и СО_2, обладает свойством создавать парниковый эффект.

Так или иначе увеличение концентрации СО_2 приведет к изменению температуры. Но не только. Изменится и режим осадков и испарения. Произойдет потепление климата. Как уже говорилось, повышение температуры будет самым сильным в высоких широтах обоих полушарий. В результате снеговая линия будет отступать, ледники будут таять. Возникнет нестабильность ледяного покрова. Далее кардинально нарушится нормальная циркуляция атмосферы и океана. В одних районах будут часто проноситься смерчи, а другие будут охвачены засухами. Существенно то, что при потеплении климата потеплеет и океан. Значит, увеличится поток СО_2 из океана в атмосферу. А это усилит парниковый эффект. Если растают континентальные льды, неизбежно повысится уровень Мирового океана. Последствия этого очевидны — будут затоплены сотни портов, низменных плодородных земель и т. п.

Проблема СО_2 не единственная. Фреоны также способны создавать парниковый эффект. Как уже говорилось, фреоны поступают в атмосферу в процессе их применения в различных промышленных и бытовых установках (рефрижераторы, холодильники, системы кондиционирования воздуха и т. п.). Они выбрасывают в атмосферу и при использовании различных товаров широкого потребления. Это различные аэрозольные парфюмерные и косметические товары, инсектицидные препараты, лаки, краски и т. п. Примерно 85–87 % всех произведенных фреонов попадает в атмосферу. Поскольку фреоны в атмосфере живут десятки лет, они там накапливаются. Это и создает опасность. Если бы они быстро выводились из атмосферы, то эффект от них был бы значительно меньше.

Фреоны, выброшенные в атмосферу, опасны прежде всего тем, что в химических реакциях разрушают молекулы озона, а значит и озонный слой. Последствия этого разрушения очевидны, поскольку озонный слой защищает биосферу и всех нас в том числе от губительного действия ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, озон обладает способностью создавать парниковый эффект. Такой же способностью обладают N_2O, CH_4, CCl_2 F_2, NH_3, водяной пар и др.

Способность поглощать инфракрасное излучение у фреонов в несколько раз больше, чем у углекислого газа. Если бы их концентрация была такой же, как концентрация СО_2, то последствия от создаваемого ими парникового эффекта были бы катастрофическими. В настоящее время концентрация фреонов недостаточна для создания такого катастрофического парникового эффекта. Но она весьма ощутима в смысле разрушения озонного слоя.

В принципе надо рассматривать действие малых составляющих атмосферы не по отдельности, а совокупно, всех вместе и одновременно. Ведь некоторые из них не повышают температуру атмосферы, а, наоборот, компенсируют влияние других малых составляющих. Прежде всего надо рассматривать азотный цикл в атмосфере, который функционирует в результате сжигания топлива, ядерных взрывов, а также внесения азотных удобрений и др. В этих процессах образуются азотные соединения, которые играют очень важную роль в фотохимии озона, а также в поглощении коротковолнового солнечного излучения. Необходимо анализировать и сернистый цикл. Речь идет главным образом о двуокиси серы, которую человек выбрасывает в атмосферу в результате различных технологических процессов. При этом сера окисляется в H_2SO_4 и в конце концов переходит в аэрозоль. Влияет на климат стратосферный мелкодисперсный аэрозоль, который состоит из соединений серы. Серная кислота, которая образуется при соединении двуокиси серы с водой, попадает в облака. С осадками она переносится в почву и окисляет ее. Попадает она и в водоемы со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Оценено, что к 2025 году в атмосферу за счет сжигания угля и нефти будет выброшено 1362 миллионов тонн окислов серы. Окислы серы в основном выделяются при сжигании угля. В каменном угле содержится до 3 % серы, тогда как в нефти ее меньше — до 2 %. Состав как угля, так и нефти зависит от того, где они добываются. Имеются источники угля, в некоторых всего 0,71 % серы. В некоторых местах добывают нефть, в которой содержится всего 0,14 % серы.

В настоящее время над городами и городскими районами содержится в среднем не менее 100 мг аэрозоля в каждом кубическом метре воздуха. За пределами городских зон аэрозоля примерно в пять раз меньше. Аэрозоль оказывает влияние на биосферу и здоровье людей. Мы здесь рассмотрим только его влияние на климат.

В нижней части атмосферы — тропосфере сосредотачивается в основном аэрозоль, состоящий из крупных частиц. Его называют крупнодисперсной фракцией аэрозоля. Дело в том, что более мелким, а значит, и более мелким частицам легче подняться вверх, в верхние слои атмосферы. А крупные частицы аэрозоля в тропосфере вымываются осадками. Поэтому эти частицы находятся в атмосфере относительно недолго — от нескольких дней до недель. Редко они задерживаются здесь в течение месяца. Выше тропосферы в стратосферу добираются мелкие частицы аэрозоля (мелкодисперсный аэрозоль). Здесь очищения воздуха осадками нет. Стратосфера очень устойчива, и этот мелкий аэрозоль здесь сохраняется от нескольких месяцев до 1–2 лет. Одновременно здесь идут химические реакции, поэтому состав аэрозоля меняется во времени. Так, поднятая в стратосферу сера со временем превращается в CaSO_4, а затем и в серную кислоту H_2SO_4 — благо, здесь достаточно влаги, чтобы обеспечить такое превращение. Капельки H_2SO_4 очень мелкие. Они образуют мелкодисперсный аэрозоль. Ясно, что долгоживущий стратосферный аэрозоль намного эффективнее влияет на климат, чем крупный аэрозоль внизу — в тропосфере, который там долго не задерживается.

Аэрозоль неравномерно распределен по высоте. Имеется некоторая высота, на которой его больше всего. Поэтому говорят об аэрозольном слое, где концентрация аэрозольных частиц значительно больше, чем на других высотах, — как ниже, так и выше. Во многих районах Земли ведутся наблюдения за аэрозольным слоем. Изучается не только его высота и концентрация частиц, но и распределение частиц по размерам, их физическая и химическая природа и т. д. В этих исследованиях широко используются лазерные установки, позволяющие по рассеянному излучению получать указанную информацию об аэрозолях.

Все свойства атмосферы зависят от широты. На экваторе они не такие, как в средних широтах, и тем более на полюсах. Естественно, что и аэрозольный слой на разных широтах занимает разную высоту. Над тропиками аэрозольный слой сосредоточен на высотах 15–20 км и несколько выше. Это уже стратосфера. Радиус частиц здесь составляет примерно 0,3 мкм. Причем ими являются в основном соединения серы. Здесь сосредоточен аэрозоль, образующийся в результате извержения вулканов. Но сюда же поднимаются частицы аэрозоля, которые выбрасываются в атмосферу в результате техногенной деятельности человека.

В аэрозольном слое в стратосфере содержится примерно 0,2 миллиона тонн аэрозольных частиц. Рядом с этими частицами (в основном серой) находится около 2,6 миллиона тонн водяного пара. Этого количества воды вполне достаточно для того, чтобы сера и ее соединения, например CaSO_4, превращались в серную кислоту H_2SO_4.

Как измеряют массу аэрозоля? Косвенным путем. Измеряют интенсивность коротковолнового солнечного излучения, которое пробралось через аэрозольный слой и достигло земли. Сколько должно прийти излучения — известно. По тому, сколько ее застряло (поглотилось и рассеялось) в аэрозольном слое, оценивают количество частиц и массу всех частиц, которые встретились на пути солнечного излучения. Экспериментально (эмпирически) устанавливается связь между общей массой аэрозольных частиц и уменьшением солнечного коротковолнового излучения в процентах, а именно: если это уменьшение излучения (в процентах) умножить на 5, то получим общую массу аэрозольных частиц в тропосфере. Масса при этом выражается в миллионах тонн. Для стратосферы надо умножить не на 5, а на 1,1. Отличие в этом плане тропосферы и стратосферы состоит в том, что эффективность поглощения и рассеяния солнечного излучения зависит от размеров частиц, а в стратосфере они мельче, чем в тропосфере. Аэрозольные частицы в тропосфере более крупные и рассеивают солнечное излучение менее эффективно, чем более мелкие частицы выше — в стратосфере. Но одновременно идет и процесс поглощения солнечного излучения.

Если размеры (радиус) частиц в аэрозольном слое в стратосфере равны 0,3 мкм, то при реальной их концентрации они ослабят коротковолновое солнечное излучение примерно на 0,2 %. Результаты этого расчета были подтверждены прямыми измерениями оптической прозрачности атмосферы во время извержения вулкана Агунг в 1963 году, когда было выброшено в стратосферу большое количество аэрозоля. При крупных извержениях вулканов (например, вулкана Кракатау) в тропосферу выбрасывается примерно 100 миллионов тонн или около того. В стратосферу при этом поднимается примерно в пять раз меньше частиц (по их общей массе), то есть около 20 миллионов тонн. Солнечное коротковолновое излучение при этом ослабляется примерно на 20 %, что в сто раз больше ослабления его нормальным аэрозольным слоем (в спокойных условиях).

Большое количество серы попадает в атмосферу в результате сжигания топлива. Образовавшееся из серы CaSO_4 по своей общей массе сопоставимо с количеством серы, выбрасываемым в атмосферу при самых мощных извержениях вулканов. Но в скором будущем количество CaSO_4 за счет сжигания топлива в десять и более раз превысит то, которое обязано своим образованием активности вулканов.

Поскольку мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновое солнечное излучение, а значит, уменьшает солнечную энергию, приходящую к Земле и к тропосфере, то тем самым он «работает» на похолодание климата, поскольку атмосфера при этом должна охлаждаться. Поэтому похолодания климата в прошлом пытаются объяснить, в частности, влиянием аэрозоля, выброшенного в атмосферу при извержении вулканов. Однако тут есть важное «но». Дело в том, что частицы аэрозоля не только рассеивают коротковолновое солнечное излучение, тем самым уменьшая солнечную энергию, но и поглощают его. А при поглощении энергия солнечного излучения идет на нагрев атмосферы. Поэтому очень важно оценить, что больше, что меньше, то есть какова роль поглощения. Во всяком случае во время мощного извержения вулкана Агунег в 1963 году температура стратосферы не понизилась, а повысилась, причем на все 3 °C.

Влиянием аэрозолей на климат занимаются многие (если не все) климатологи. В основном это расчеты, в которых слишком много предположений. Компьютер, малый он или большой, выдаст вам то, что вы в него заложите. Он очень быстро выполнит огромное количество операций, но только по заданному вами алгоритму, по заданным начальным и граничным условиям и т. д. Многих очаровывают чисто технические возможности компьютера. Им кажется, что компьютер позволяет смотреть на мир особыми глазами, глазами математика. У них есть иллюзия, что так они совершают восхождение к разуму. На самом деле главное в исследованиях не компьютер, а голова, а вернее, идеи. Хотя и идеи бывают разные. Например, солидные ученые высказали идею не только не стремиться меньше загрязнять атмосферу различными аэрозолями, а совсем наоборот — забрасывать туда дополнительно, специально, за здорово живешь примерно по полмиллиона тонн H_2S ежегодно. Для этого они предлагают сжигать ежегодно дополнительно 0,1 миллиона тонн серы. Но зачем? — спросите вы. Чтобы увеличить слой аэрозолей и тем самым уменьшить поток солнечного излучения. Такая мера предусматривается для того, чтобы не произошло чрезмерного потепления климата.

Думается, что прежде чем предлагать такие бредовые идеи, следовало бы разобраться, как действуют на климат все факторы. А их немало. Ведь действие одних факторов может компенсировать действие других. Например, потепление за счет парникового эффекта СО_2 может в той или иной степени быть скомпенсировано похолоданием, вызванным рассеянием солнечной энергии аэрозолями. Но при этом надо учитывать все аспекты действия разных факторов, в частности аэрозоля. Ведь частицы аэрозоля не только рассеивают и поглощают солнечное излучение. Находясь в тропосфере, они существенно влияют на микроструктуру облачности и на осадки. Меняя облачность, мы меняем условия прохождения через атмосферу солнечного излучения. А это прямой путь к изменению климата.

Мы уже говорили о роли воды в атмосфере. Благодаря ей образуется серная кислота. Она обладает также парниковым эффектом. На верхней границе тропосферы и выше, в стратосфере, количество водяного пара увеличивается в результате полетов высотных самолетов. При сжигании одного килограмма топлива образуется почти в полтора раза больше (1,2–1,4 кг) водяного пара. Если использовать водородное топливо, то на каждый его килограмм будет образовываться 8 килограмм водяного пара. Таким путем мы имеем шансы увеличить количество водяного пара в атмосфере на 10 %, то есть на 0,2 миллиона тонн. Действие водяного пара на климат разнообразное. Оно проявляется не только через парниковый эффект. Так, вносимый в атмосферу водяной пар становится ядром конденсации. На эти ядра перекачивается влага из атмосферы. Это происходит потому, что упругость насыщения водяного пара из атмосферы надо льдом и водой различна. При определенных благоприятных условиях образуется перистая облачность. Поэтому за самолетами вы видите перистый след. В заключение можно сказать, что роль аэрозоля в изменении климата, особенно забрасываемого человеком в атмосферу, очень важна. Но до конца проблема не решена.

Говоря о влиянии деятельности человека на климат, мы должны учитывать и то, что человек меняет поверхность Земли. При этом меняется отражательная особенность земной поверхности. Воздействие человека на поверхность Земли началось не сегодня. Выжигая и вырубая леса, чтобы освободить земли под пахоту и угодья, человек менял свойства поверхности Земли. Так, за последние сто лет площадь культивированных земель утроилась. Оценено, что в будущем будет освоено около 22 миллионов квадратных километров земель под сельскохозяйственные угодья.

Уменьшение площадей леса меняет в корне биохимический, водяной и энергетический циклы. Результат оголения поверхности от леса в конце концов приводит к осушению атмосферы. Важно не только то, что в результате вырубки и выжигания лесов увеличивается отражательная способность поверхности. Важно и другое — при этом параметр шероховатости поверхности уменьшается с 14,9 до 3 см. В результате поверхностное торможение изменится, угол отклонения ветра от изобар уменьшится. Значит, изменится атмосферное давление, изменятся вертикальные потоки и, в конце концов, изменится циркуляция атмосферы в целом.

Шероховатость поверхности и ее отражательная способность меняются не только в результате уничтожения лесов. Они меняются и при строительстве водохранилищ, городов, дорог и т. п. Очень наглядная поучительная ситуация с пустынями. Они расположены в основном в субтропической зоне. Отражательная способность пустынь очень высокая — около 35 %. Это значит, что более трети приходящей от Солнца энергии отражается обратно. Окружающие пустыню районы отражают значительно меньше коротковолнового излучения Солнца. Но, кроме того, пустыни теряют энергию и в длинноволновом диапазоне, поскольку в воздухе нет водяного пара (вернее, его там очень мало) и это излучение не задерживается атмосферой. Таким образом, пустыни — это зоны потерь энергии. Такими же зонами потерь энергии являются и полярные районы. Эта способность пустынь является причиной того, что восходящие движения воздуха подавляются и формируются направленные вниз (нисходящие) вертикальные движения воздуха. По этой причине воздух еще больше удаляется от состояния насыщения. Если в прилегающих к пустыне районах уничтожается растительность, то там увеличивается отражательная способность земной поверхности и эти районы постепенно будут превращаться в пустыни. То же следует ожидать и от уничтожения тропических лесов. Нисходящие вертикальные движения воздуха, характерные для пустынь, иссушают земную поверхность и превращают ее в пустыню. Причин превращения плодородных земель и лесов в пустыни много. Это и перенаселение этих территорий, и чрезмерное использование пастбищ, и чрезмерно интенсивная обработка земли, и т. п. В результате меняется отражательная способность земной (подстилающей) поверхности со всеми вытекающими из этого последствиями. По этой причине не раз погибали цивилизации. Около 4 тысяч лет назад погибли цивилизации в некоторых районах Африки. Они погубили себя сами.

Как уже говорилось, отражательная способность Мирового океана меняется в случае разливов нефти и образования на воде пленки. Во всем мире в год производится примерно 4–5 кубических километров нефти. Объем океана составляет 1,4 миллиарда кубических километров. Можно думать, что воды Мирового океана могут бесследно растворить всю производимую нефть. Когда происходит выброс нефти в океан, 10–20 % от выброшенного количества перемешивается с более глубокими слоями воды за одни сутки. Образовавшаяся пленка из нефти через несколько суток также рассасывается, растворяется в воде. Биологические и экологические последствия от разлива нефти в Мировом океане крайне неблагоприятны.

Если же нефть разольется на поверхности льда, то это изменит его отражательную способность. Лед станет поглощать значительно больше солнечной энергии. В результате толщина льда уменьшается более чем вдвое. Разлитая нефть долго сохраняется в льдах.

ВЫЖИВАНИЕ ПОСЛЕ ЯДЕРНОЙ ВОЙНЫ

«ЯДЕРНАЯ ЗИМА»

Такая постановка вопроса отнюдь не является праздной. Пока на Земле существует ядерное оружие, до тех пор будет существовать угроза его применения. Ясно, что конфликт вряд ли ограничится очередной Хиросимой. Логика истории и человеческой природы говорят за то, что он если будет, то будет глобальным.

Чем грозит ядерная война — известно практически всем. Это радиация, прежде всего. Облучение, а затем уход из жизни тех, кто облучился, но остался в живых. И так будет продолжаться целые десятилетия. Но это еще не все.

Ученые доказали, что в случае глобального ядерного конфликта десятилетий у человечества не останется. Все произойдет значительно раньше — быстро и бесповоротно. Мы не любим включать в свои книги материал, несущий отрицательную информацию, материал, от знакомства с которым у человека опускаются руки. Мы считаем, что главное, в чем нуждается человек, — это надежда, вера в лучшее будущее. Без этой веры человек напоминает мяч без воздуха. Тем не менее в данном конкретном случае нам пришлось вроде бы отступить от этого принципа и рассказать читателям правду, горькую правду. Дело в том, что когда наши и американские ученые описали сценарии того, что произойдет во время глобальной ядерной войны и после нее, то изменилась мировая политика. Лидерам ядерных держав стало ясно, что победителей в ядерной войне не будет, не может быть в принципе. Ядерная война, если она, не дай Бог, когда-либо произойдет, погубит всю земную цивилизацию. Мы готовы разделить веру ученых в то, что знание истины удержит человека (человечество) от безрассудного самоубийства. Только поэтому, то есть в надежде на это, мы включили этот материал в книгу. Дело в том, что результаты наших и американских ученых по этой проблеме опубликованы только в научной литературе и поэтому недоступны массовому думающему читателю. Кроме того, все очень быстро забывается. Одни руководители приходят на смену другим. Но все они устроены так, что каждый из них хочет на деле ощутить свое могущество и величие. Поэтому напоминать об этих результатах необходимо. И в то же время нужно верить в лучшее будущее — иначе зачем жить, иначе как жить.

Мы изложим только научную суть проблемы. Можно считать, что исследовательская работа в этом направлении началась в 1975 году, когда вопрос о возможности влияния ядерного конфликта на климат был поставлен в отчете Национальной академии наук США. Уже тогда было указано, что в случае взрыва имевшихся тогда ядерных боеголовок в верхние слои атмосферы будет выброшено до ста миллионов тонн пыли. Как мы уже видели, это сравнимо с массой аэрозоля, который был выброшен в атмосферу Земли при извержении вулкана Кракатау. Правда, это всех успокоило — ведь такой слой аэрозоля не сможет оказать существенного влияния на изменения климата в масштабах всей Земли и на ее биосферу.

Но выяснилось, что американские ученые «немного» ошиблись. Даже если при ядерном конфликте будет выброшено в атмосферу именно сто миллионов тонн аэрозоля, то надо учитывать не только массу. Заброшенные в атмосферу частицы в результате ядерных взрывов будут там не одиноки. В атмосферу поднимется огромное количество дыма от бесконечных пожаров, которые неизбежно возникнут на обширных территориях после ядерных взрывов.

В 1982 году М. И. Будыко оценил, что в среднем для северного полушария масса аэрозолей, рассеивающих и поглощающих солнечное излучение, составит примерно 0,4 × 10-4 г на один квадратный сантиметр. Это значит, что если смотреть на один квадратный сантиметр верхней границы атмосферы, то в столбе от поверхности Земли до верхней границы атмосферы при сечении столба в 1 см^2 в нем будет находиться примерно 40 мг аэрозольного вещества. Мало это или много? Если исходить из последствий, то это очень много. Такая масса аэрозольных частиц в атмосфере приведет к понижению средней температуры нижнего слоя атмосферы примерно на 10 °C. При этом понижение температуры над континентами будет намного больше, чем уменьшение средней для всей Земли температуры приземного воздуха. На Земле такого изменения средней температуры не было. Средняя глобальная температура на планете изменилась на 5–6 °C, несмотря на очень сильные изменения внешних действующих факторов. Таким образом, то, чего не смогла сделать природа за всю историю Земли, может сделать человек в любой момент. Для этого у него все есть. Последствия такого изменения (понижение) температуры очевидны. Оно неизбежно вызовет катастрофические для биосферы изменения климата в глобальном масштабе.

М. И. Будыко рассчитал, что при указанной выше массе аэрозоля солнечное излучение, поступающее в нижний слой атмосферы (в тропосферу), уменьшится более чем вдвое. При этом у земной поверхности температура воздуха должна понизиться на несколько десятков градусов. Мы уже говорили, что благодаря термосу, которым является вода Мирового океана, резкие изменения температуры сглаживаются. При этом абсолютная величина уменьшения температуры меньше, чем в случае отсутствия такого термоса. Поэтому если слой аэрозолей, созданный в результате ядерных взрывов, будет существовать в течение нескольких месяцев, то понижение средней температуры воздуха у земной поверхности в рассматриваемом случае составит 5-10 °C. Мы уже встречали эту цифру. На 5-10 °C должна понизиться средняя температура приземного воздуха в результате столкновения Земли с большим астероидом.

Здесь речь идет о среднем значении температуры (для всей Земли). Реальная температура в различных районах земного шара будет существенно отличаться от этой средней величины температуры. Если разразится ядерная война, то ядерные бомбы будут взрываться в основном в северном полушарии. Поэтому здесь образуется больше аэрозоля, чем в южном полушарии. Кроме того, в южном полушарии большая площадь земной поверхности покрыта водами Мирового океана, который, как термос, сдерживает резкое падение температуры приземного слоя воздуха. По этим двум причинам оба полушария окажутся в разных условиях. Ясно, что максимальное понижение температуры воздуха произойдет в северном полушарии. Расчеты показали, что среднее похолодание в северном полушарии составит примерно 15 °C. В то же время реальная температура над континентами северного полушария уменьшится более, чем на 20 °C.

М. И. Будыко рассчитал и пространственное распределение понижения температуры воздуха спустя несколько месяцев после ядерного конфликта. Правда, в этих расчетах были приняты несколько заниженные величины рассеяния и поглощения солнечного излучения аэрозольным слоем. При составлении карты автор использовал эмпирические материалы о годовой температуре, что всегда достовернее модельных величин, поскольку при моделировании сложных процессов в климатической системе делается большое число неизбежных допущений. Эмпирические данные — это данные опыта, это то, что на самом деле имело место без всяких допущений.

Очень сложно решать задачи, когда процесс зависит от времени. Но проведенные расчеты показали (при определенных начальных и граничных условиях), что наиболее резкое понижение температуры будет происходить в первые несколько месяцев после ядерного конфликта. После этого активного периода похолодание будет продолжаться, но оно будет значительно слабее. Зато оно будет продолжаться значительно дольше. Изменения климата после ядерного столкновения будут иметь черты крупной климатической катастрофы, которая сравнима с теми, которые описаны нами раньше и которые были вызваны, например, столкновением Земли с крупным астероидом. Можно не сомневаться, что ядерная катастрофа не только приведет к уничтожению множества видов животных и растений, но и создаст новые бедствия для той части человечества, которой выпадет несчастье уцелеть. Легко представить себе, что резкое похолодание (особенно там, где сейчас жилые помещения нет нужды отапливать) теплого климата приведет к гибели многих людей от холода. Но эта беда будет не главной. Люди будут умирать от голода, поскольку из-за изменения климата произойдет полное нарушение системы сельскохозяйственного производства. В результате ослабления солнечного излучения продуктивность фотосинтеза уменьшится. Поэтому урожаи сельскохозяйственных культур будут полностью или почти полностью уничтожены. Ясно, что человечество не располагает такими запасами продовольствия, чтобы продержаться год или больше, не производя никаких продуктов питания. Множество людей погибнет. То, что мы раньше рассмотрели достаточно детально причины катастрофических изменений климата, позволит нам сейчас представлять более конкретно те изменения, которые произойдут в результате ядерного конфликта.

Мы уже упоминали о том, что кроме выброшенных в атмосферу во время ядерных взрывов частиц туда же попадет и много дыма. Поэтому прозрачность атмосферы для солнечного излучения еще больше уменьшится. Эта проблема является очень важной. Впервые на нее указали американские ученые Крутцен и Беркс в 1982 году. Они попытались рассчитать количество дыма, которое попадет в атмосферу в результате ядерного конфликта. Они получили неутешительные цифры. Оказалось, что дыма будет очень много, что обязательно вызовет существенное ослабление фотосинтеза. Ясно, что изменения климата при этом неизбежны.

Отечественные ученые разрабатывали модели аэрозольных катастроф значительно раньше (Будыко, 1969). Из этих разработок однозначно следовало, что аэрозольная климатическая катастрофа может возникнуть и как следствие деятельности человека. В 1982–1983 годы эти авторы однозначно заключили, что ядерная война приведет к глобальным климатическим последствиям, которые будут губительными для биосферы.

Наши и американские ученые работали над проблемой влияния ядерного конфликта на изменение климата в глобальном масштабе параллельно. Правда, они время от времени встречались на специально организованных симпозиумах и там обсуждали полученные результаты. Такие встречи происходили довольно часто. Так, в мае 1983 года состоялся IX Конгресс Всемирной метеорологической организации, где проблема была поднята при обсуждении вопроса «Метеорология и общество», 16–18 мая того же 1983 года в Москве состоялась Всесоюзная конференция советских ученых «За мир и избавление человечества от ядерной угрозы». На этой конференции наши ученые А. М. Обухов и Г. С. Голицын представили доклад «Возможные атмосферные последствия ядерного конфликта». В нем были сформулированы основные результаты, показывающие, что последствия ядерного конфликта будут катастрофическими. Осенью 1983 года в Вашингтоне состоялась конференция по биологическим последствиям ядерного конфликта. Здесь впервые заговорили о «ядерной зиме». На конференции были представлены и результаты расчетов по моделям общей циркуляции, которые были проведены в Вычислительном центре АН СССР. Параллельно обсуждались результаты модельных расчетов, выполненных в Национальном центре атмосферных исследований США. Результаты, полученные советскими и американскими учеными, оказались очень близкими. Из них следовало, что после ядерного столкновения во внутриконтинентальных областях произойдет значительное понижение температуры подстилающей поверхности. По расчетам, здесь температура понизится ниже точки замерзания воды.

Проблему влияния ядерного конфликта на климат решали не только советские и американские специалисты, но и ученые Канады, Англии, ФРГ, Австралии и ряда других стран. И по их расчетам ядерный конфликт вызывает глобальную катастрофу и будет иметь губительные последствия для биосферы (а значит, и для человека).

Специалисты рассматривают проблему не вообще, а некоторые конкретные цепочки событий. Они назвали это «сценариями». Здесь без быстродействующих компьютеров с огромной памятью не обойтись. А компьютеру надо задавать конкретные цифры и формулы (алгоритмы), которые отражали бы взаимодействия различных элементов и блоков климатической системы и ее взаимодействия с факторами, которые действуют на нее извне. Поэтому было просчитано большое число таких сценариев, которые по возможности основывались на реальных фактах и ситуациях.

Прежде всего надо было задать начальные условия ядерного конфликта. Это количество ядерных взрывных устройств, их мощность, распределение по территории, пространственная плотность и так далее. Все сценарии (а их было обсчитано десятки) мы обсуждать не будем, тем более что у всех них есть много общего. Нам важно описать главные полученные результаты.

Во всех сценариях ядерного глобального конфликта предполагалось, что ядерные заряды обеих сторон могут быть использованы как против военных объектов (целей), так и против экономического потенциала противника. Это значит, что ядерные заряды предназначались и для нанесения ударов по городам и пригородам. Считалось, что подземные цели будут поражаться путем проведения очень мощных наземных ядерных взрывов (мощность до 20 мегатонн). Для поражения наземных объектов достаточно ядерных зарядов мощностью до полутонны.

Напомним, что мощность атомной бомбы, которая была сброшена в августе 1945 года на Хиросиму, составляла всего 12 кг эквивалентной мощности тринитротолуола (ТНТ). На Нагасаки была сброшена атомная бомба мощностью 20 кг. В настоящее время в мире накоплено более 50 000 единиц зарядов ядерного оружия. Суммарная мощность этого добра не менее 12 000 мегатонн (то есть миллионов тонн). Проводя расчеты, ученые принимали, что во время ядерного конфликта будет взорвана половина всех заготовленных впрок ядерных зарядов. Кроме того, исследователи полагали, что половина из взрывных зарядов будет взорвана на поверхности Земли. Где будет взорван ядерный заряд — очень важно не только для поражения цели. Это важно и для рассматриваемой нами проблемы, поскольку от этого зависит количество образовавшейся пыли, вероятность возникновения пожаров, а значит и дыма, который будет заброшен в атмосферу. От этого зависит и непосредственный нагрев атмосферного воздуха энергией взрыва. Так, при наземных взрывах или же при взрывах ядерных зарядов вблизи земной поверхности (не выше одного километра) в земле образуются глубокие воронки (кратеры). При этом, естественно, выбрасывается огромное количество грунта, который становится источником аэрозольного слоя в атмосфере и пыльных бурь.

Когда взрывы происходят в воздухе (при этом огненный шар взрыва не должен касаться земной поверхности), то основными поражающими факторами являются ударная волна и световое излучение. Именно световое излучение вызывает пожары на огромных площадях в городах и особенно в лесах. Представляют особую опасность в этом отношении газовые и нефтяные промыслы. Пожары на этих промыслах дадут очень много дыма, который пойдет на образование аэрозольного слоя. Таким образом, имеется достаточно много источников большого количества дыма и различных газообразных веществ. Они будут выброшены при взрывах и образуются при пожарах и сформируют мощный аэрозольный слой.

Один из наших ведущих специалистов, участвующих в решении данной проблемы, Ю. А. Израэль составил таблицу (перечень) географических (экологических) последствий основных крупномасштабных поражающих факторов ядер-ных взрывов. Он выделил следующие крупномасштабные эффекты (поражающие факторы) и возможные последствия их действия.

1. Загрязнение биосферы радиоактивными продуктами. Последствия: изменение электрических свойств атмосферы, изменение погоды и изменение свойств ионосферы.

2. Загрязнение атмосферы аэрозольными продуктами. Последствия: изменение оптических свойств атмосферы и в результате рассеяние и поглощение солнечного излучения, что приведет к изменению погоды и климата.

3. Загрязнение атмосферы различными газообразными веществами (метаном, этиленом, тропосферным озоном и т. д.). Такое же загрязнение тропосферы и верхней атмосферы. Последствия: изменение оптических свойств атмосферы, изменение погоды и климата, изменение радиационных свойств верхней атмосферы, разрушение озонного слоя, изменение возможности прохождения ультрафиолетового излучения к поверхности Земли, изменение климата.

4. Изменение отражательной способности поверхности Земли. Последствия: изменения климата.

Из приведенного перечня видно, что большинство крупномасштабных эффектов ядерных взрывов в конце концов ведет не только к изменениям погоды и климата, но и к другим серьезным географическим последствиям. Конкретизируем указанные процессы.

Когда ядерные взрывы происходят на поверхности Земли или вблизи нее, то в воздух выбрасывается огромное количество грунта (пыли). На одну килотонну мощности ядерного взрыва выбрасывается до 5 тысяч тонн грунта (пыли). Небольшая часть выброшенной пыли испаряется. Но она не исчезает, а превращается в высокодисперсную аэрозольную фракцию со средним размером аэрозолей в доли микрометра. Хотя доля испарившегося грунта (породы, пыли) и небольшая, но при мощности наземных взрывов 2500 Мт общее количество такого испарившегося вещества (и затем превратившегося в очень мелкие частицы аэрозоля) весьма внушительна — 40–60 Мт.

Не весь выброшенный взрывом грунт превращается в пыль. Большая его часть выпадает недалеко от места взрыва. Что касается испарившегося вещества, то примерно 80 % оно захватывается грубодисперсными аэрозолями. Остальные 20 % высокодисперсных аэрозолей выпадает на поверхность Земли в продолжение некоторого времени (недели — месяцы и даже годы).

Чем выше над земной поверхностью произошел взрыв, тем меньше в радиоактивном облаке содержится грунта. При высотном ядерном взрыве радиоактивное облако и вовсе не содержит грунта, что вполне естественно.

Огненный шар, образовавшийся после наземного ядерного взрыва, поднимается со скоростью примерно 100 м в секунду. При этом он постепенно растет, сворачивается в тор и превращается в облако. Это облако постепенно теряет плавучесть по мере того, как оно вступает во все более разреженные слои атмосферы. Наконец, оно достигает высоты, где действующие на него силы заставляют его остановиться. Здесь равнодействующая всех действующих на облако сил равна нулю, поскольку масса радиоактивного облака сравнивается (равняется) массе вытесненного облаком воздуха. Высота этого нулевого уровня зависит как от мощности ядерного взрыва, так и от условий в самой атмосфере, прежде всего от высотного распределения температуры.

Если ядерные взрывы будут происходить в воздухе, то испарение вещества грунта будет ограничено. Ю. А. Израэль установил, что в этом случае общее количество инертного вещества, которое превратится в высокодисперсные аэрозольные частицы, ограничится десятками тысяч тонн. Но когда будут преобладать наземные ядерные взрывы, то количество испаренного вещества в десять — сто раз будет больше. Оно может достигнуть высот 10–40 км. В стратосфере оно образует подушку и сможет продержаться там даже годы. Мы уже говорили о том, что аэрозоли в стратосфере не вымываются осадками (дождями, снегом, градом), поскольку они находятся значительно выше погодного слоя.

Для нас неважно, кто получил данный конкретный результат. Главное, чтобы ему можно было доверять. А здесь отобраны только такие результаты, которые признаются всеми специалистами и которым можно доверять. Поэтому мы не приводим авторов, которые рассчитывали те или другие сценарии. Читателю это не нужно.

Было получено расчетным путем, что при взрыве ядерных зарядов общей мощностью 5000 Мт, общее количество вещества в радиационном облаке, которое образовалось после взрыва, достигает 9,6 × 10^8 тонн. Значительная часть этого вещества (80 %) достигает высот стратосферы. Маленьких частиц, размером менее одного микрометра, имеется в таком облаке 8,4 % (по массе). Поэтому масса частиц, которые образовались путем испарения вещества при взрыве (высокодисперсных, которые очень эффективно рассеивают солнечное излучение) и которые достигают высот стратосферы, достигает 80 миллионов тонн.

Напомним, что через месяц после извержения вулкана Эль-Чичон в 1982 году количество частиц стратосферного аэрозоля, размером менее одного микрометра, составило 23 миллиона тонн. Спустя шесть месяцев их осталось там 8,3 миллиона тонн. При извержении вулкана Кракатау образовалось около 30 миллионов тонн частиц (всех размеров). Поясним, что способность частиц рассеивать солнечный свет зависит от их размеров. Поэтому, чтобы рассчитать способность всего облака частиц разных размеров рассеивать и поглощать солнечный свет, надо знать, сколько в облаке частиц разных размеров. Другими словами, надо знать распределение частиц по размерам и количество частиц каждого размера, или размеров «от» и «до». Этот вопрос для специалистов, рассчитывающих последствия ядерных взрывов, является одним из основных.

В других расчетах за начальные условия были приняты такие, когда у поверхности Земли производятся больше ядерных взрывов, чем в предыдущем сценарии, но мощность каждого из них значительно меньше. Получается, что в нижней атмосфере (в тропосфере) в результате этих взрывов может находиться 200–500 Мт пыли. Это частицы всех размеров. Среди них будет находиться примерно 8 % (то есть 17–40 Мт по массе) частиц с размерами меньше одного микрометра, которые особенно эффективно рассеивают солнечное излучение. Из нижней части тропосферы пыль вымывается осадками достаточно быстро. Но в верхней тропосфере выше погодного слоя занесенная туда пыль продержится в несколько раз дольше.

В одном из сценариев «было взорвано» 100 водородных бомб, каждая мощностью 20 Мт. Расчеты показывают, что радиационное облако от такого коллективного взрыва должно остановиться (стабилизироваться) на высотах между 19 и 37 км. Это значит, что в этом случае вся поднятая с поверхности Земли пыль окажется на высотах стратосферы. Причем ее там окажется немного. Если считать, что на 1 Мт взрывной мощности поднимается (образуется) 0,3 Мт пыли, то это значит, что в случае взрыва 100 водородных бомб мощностью 20 Мт каждая в стратосфере окажется от 200 до 1000 Мт пыли. Из этих тысячи миллионов тонн пыли примерно 50 миллионов тонн составят высокодисперсные (мелкие) частицы, размеры которых меньше одного микрометра. Кстати, время жизни частиц в стратосфере, так же как и в тропосфере, зависит от их размеров. Если частицы выпадают вниз, то их жизнь в стратосфере заканчивается. Так определяется время жизни.

Время жизни частиц зависит от количества их соседей, от частоты столкновений с ними. Другими словами, оно зависит от плотности атмосферного газа, которая быстро убывает с ростом высоты. Дольше всего живут на всех высотах частицы с размерами от одной десятой микрометра до одного микрометра. Их время жизни между тропосферой и стратосферой достигает нескольких месяцев, а то и лет. Чем ниже, тем плотность атмосферы больше, тем больше вероятность гибели частицы. Так, те частицы, которые в стратосфере жили бы в течение нескольких месяцев, на высоте полутора километра живут всего одну неделю. Очень мелкие частицы (меньше одной десятой микрометра) живут недолго потому, что они объединяются (коагулируются) с другими более крупными частицами. Что же касается частиц, размер которых превышает один микрометр, то они также живут меньше. Дело в том, что они служат эффективными центрами конденсации. На них образуется снег, град, капли дождя. А дальше они осадками вымываются из атмосферы. Если же частицы вообще крупные (размером больше 10 микрометров), то они без всяких осадков под действием силы тяжести выпадают вниз. Поэтому их время жизни в атмосфере невелико. Это называется гравитационным осаждением. Часть частиц выпадает в результате турбулентного движения воздушных масс. Это так называемое «сухое» осаждение частиц. Оно происходит со скоростью 0,5–0,8 см/с.

Специалисты рассчитывают также показатель преломления пылевых облаков. Смысл этого показателя известен из школьных учебников. Чем больше показатель преломления, тем больше луч света отклоняется от своего первоначального направления. Был измерен комплексный показатель преломления ряда скальных и вулканических пород. Кстати, он зависит и от длины волны падающего света. Измерения показали, что в диапазоне волн видимого света реальная часть комплексного показателя преломления этих пород находится в пределах от 1,47 до 1,57. Мнимая часть показателя для вулканического стекла составляла 2 × 10-5, а для скальных пород — 1 × 10-3 (андезит). Поэтому проводя расчеты различных сценариев, специалисты берут для пыли следующее значение комплексного показателя преломления: m = 1,5–0,01 i.

ДЫМ ЯДЕРНЫХ ПОЖАРОВ

Как уже говорилось, дым пожаров, вызванных ядерны-ми взрывами, создаст в атмосфере слой аэрозолей, который ослабит солнечное излучение, достигающее поверхности Земли. Эта схема понятна и логична. Но надо все грамотно рассчитать. А для того, чтобы такие расчеты дали реальные результаты, надо знать, какое количество дыма поступит в атмосферу, как высоко и далеко он распространится, как долго он будет существовать в атмосфере. Но для того, чтобы это знать, надо иметь сведения о тех пожарах, которые возникнут, надо знать данные о законах горючего материала, о распространении пожаров, о поступлении дыма, о его оптических и физических свойствах, о распределении частиц дыма по размерам и еще данные о многом другом.

Нельзя сказать, что теория крупномасштабных пожаров, вызванных ядерной войной, уже разработана полностью. Работа над ней продолжается. Ведь только в 1982 году специалисты обратили внимание на то, что в результате пожаров в атмосферу должно поступить большое количество дыма. Некоторое представление о крупных пожарах дает нам история. Так, во время правления Нерона в 94 году пожар в Риме продолжался 9 дней. Он уничтожил большую часть города с миллионным населением. Надо иметь в виду, что основная часть городских построек была каменной. Деревянные города вспыхивают как спички. На Руси это встречалось не редко. Судьба больших и малых деревянных городов была одинаковой — они выгорали дотла. Пожар, который вспыхнул в сентябре 1666 года в Лондоне, уничтожил более 13 тысяч домов. Москва горела в 1812 году. Огромный пожар в 1871 году охватил Чикаго. Известно, что он был вызван одним-единственным источником огня.

Большие современные города очень уязвимы для пожаров. Сильные землетрясения вблизи таких городов неизбежно вызовут массовые пожары. Ведь землетрясение разрушает газопроводы, вызывает короткие замыкания в электрических цепях, разрывает нефтепроводы и т. п. Землетрясение в Сан-Франциско в 1906 году вызвало особенно сильные пожары. То же самое произошло и в Токио в 1923 году. При определенных условиях пожары в городах распространяются быстро и охватывают большие территории.

Что можно сказать о пожарах, которые были вызваны бомбардировками больших городов во время второй мировой войны? Они были ужасны и по ним можно судить о тех пожарах, которые могут вызвать ядерные взрывы, если они будут произведены. Американцы нещадно, на уничтожение бомбардировали 27 июля 1943 года Гамбург. Эти массовые бомбардировки вызвали страшные пожары, когда образовывались огненные смерчи. Дым от таких огненных смерчей поднимался до высоты 9 — 12 км. В нижних слоях атмосферы температура так была распределена по высоте, что это очень содействовало подъему дыма пожаров на большую высоту. Дым и пыль полностью закрывали небо в продолжение более суток (30 часов) после начала пожаров.

13 и 14 февраля 1945 года американцы и англичане бомбардировали Дрезден. Бомбардировки были массированными. Они вызвали пожары, которые продолжались более недели. На огромной площади в 12 квадратных километров было разрушено три четверти всех построек. Здесь также образовались огненные смерчи.

Наблюдались огненные смерчи и после бомбардировки Касселя и Дармштадта. Огненный смерч образуется только при очень высокой скорости выделения тепла на единицу площади. При этом распределение температуры с высотой должно быть близким к арнабатическому (10 °C/км). Кроме того, должны отсутствовать сильные ветры. Скорость ветра не должна превышать 5 —10 ч/с.

Что же показали ядерные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки 6 и 10 августа 1945 года? Как известно, это был единственный случай использования атомного оружия против городов. В результате взрыва атомной бомбы в Хиросиме там была разрушена и выгорела дотла часть города площадью 13 квадратных километров. Эта выгоревшая часть города находилась вокруг эпицентра взрыва в радиусе 2 км. В этом случае возник огненный смерч. В Нагасаки выгорела меньшая площадь (7 км^2), хотя на город была сброшена более мощная атомная бомба. Здесь положительно сыграл рельеф местности, которая была очень сильно пересеченной, а значительные части города были затенены от прямой радиации светового импульса ядерного взрыва. Все приведенные выше примеры говорят о том, что надо учитывать многие факторы. Это и характер местности, и характер застройки, и погода и т. д.

Как распределяется энергия во время ядерного взрыва? Ученые оценили, что при ядерных взрывах на высоте ниже 10 км примерно 30–40 % энергии взрыва уходит в виде импульса. Этот импульс длится около одной или нескольких секунд, если взрывается ядерная бомба мощностью в несколько мегатонн. Этот импульс представляет собой излучение в видимом диапазоне спектра и вблизи этого спектрального участка. Это световая вспышка ядерного взрыва. Около половины энергии ядерного взрыва (45–55 %) расходуется на образование ядерной волны. Оставшиеся около 15 % энергии взрыва расходуются на образование проникающей радиации и наведенной радиоактивности. Энергия светового импульса огромна. Его интенсивность измеряется в килоджоулях на квадратный метр. Это поток светового излучения, просуммированный за время, равное длительности светового импульса.

Возгорание зависит не только от поступившей энергии. Оно зависит и от свойств облучаемого материала, его влажности и т. п. Порог возгорания изменяется от 210 до 630–840 кДж/м^2. В калориях он равен от 5 до 15–20 кал/см^2. Было установлено, что в Хиросиме порог возгорания составлял 294 кДж/м^2, а в Нагасаки все 840 кДж/м^2. Сама же плотность энергии излучения, которая вызывает пожары, зависит от мощности взрыва и от метеорологической дальности видимости в пограничном слое. Дальность видимости определяется главным образом влажностью атмосферы и наличием аэрозоля. Установлено, что световое облучение приблизительно пропорционально мощности ядерного взрыва.

Первичные загорания происходят от светового импульса. За ним следует ударная волна. Она может подавлять огонь. Это происходит в тех случаях, если волна сдувает огонь или покрывает горючий материал негорящими фрагментами зданий. Но чаще ударная волна способствует распространению пожаров и появлению их новых очагов, поскольку волна разрушает и разбрасывает твердые горючие материалы, разрушает нефте- и газопроводы и т. д. По мере подъема огненного шара происходит захват новых масс воздуха. А это способствует распространению огня. Специалисты провели расчеты и показали, что хотя скорость выделения энергии при пожаре Хиросимы была значительно меньше, чем при пожаре Гамбурга в 1943 году, тем не менее и в этом случае развился огненный шторм и все, что могло гореть, сгорело в радиусе 2 км вокруг эпицентра взрыва бомбы. Ясно, что пожары после ядерного взрыва будут более разрушительными, чем все известные в истории пожары больших городов.

Обязательно надо учитывать и пожары в лесах и степях. От взрыва ядерной бомбы с энергией 1 Мт пожары охватят сразу примерно 700 квадратных километров. Лесные пожары, которые вызваны взрывом ядерных бомб, более интенсивные, чем обычные лесные пожары, которые начинаются от непотушенного окурка. Дело в том, что одновременно со световой вспышкой (точнее, сразу после световой вспышки, которая поджигает горящий материал) работает ударная волна, вызванная взрывом. Она валит деревья леса и подбрасывает их в огонь. Может, что-то подобное происходило 30 июня 1908 года во время падения Тунгусского метеорита. Он вошел в атмосферу и взорвался на высоте около 8-10 км. При этом огненный шар не образовался. Во всяком случае, интенсивность свечения при этом была в сотни и даже тысячи раз меньше, чем при взрыве ядерной бомбы. Но ударная волна при падении Тунгусского метеорита образовалась очень мощная. Она была такой, как при взрыве 10 Мт ТНТ на высоте около 8 км. В результате было повалено около двух тысяч квадратных километров леса. Даже кора и сучья со многих деревьев были содраны. Возникли многочисленные пожары. Специалисты установили, что в этом случае полнота сгорания была гораздо большей, чем при обычных лесных пожарах в тайге. Естественно, что степень распространения пожаров и площадь возгорания зависят от погоды и сезона. Наиболее благоприятная для них сухая погода летом.

Количество дыма, которое поступает в атмосферу от пожаров, зависит от массы топлива, его природы, а также условий горения. Поэтому специалисты склоняются к мысли, что основным донором дыма в период ядерной войны будут городские пожары. В городах скоплено слишком много горючих материалов. Их плотность очень велика. Так, в центре современного европейского города на каждом квадратном метре имеется около 200 килограмм такого горючего материала. В пригородах плотность горючих материалов примерно в десять раз меньше. Если город не слишком большой, с населением около одного миллиона человек, то, по оценкам ученых, в нем хранится полный запас топлива на 10–40 лет. Таких городов в мире сейчас не менее 200. Отсюда следует и источник дыма при ядерной войне. В городах имеются на языке военных «городские цели». Их около тысячи. Поэтому «потенциальное топливо» составляет приблизительно 10 000 Мт. Дальше надо учесть запасы нефти, газа, и т. д. Специалисты оценили, что городское топливо в городах всего мира достигает 7500 Мт. Из них 5000 Мт приходится на древесные материалы, 1500 Мт — на нефть и нефтепродукты, и 1000 Мт — на различные пластмассы, полимеры, промышленную органику и т. п.

Пожар может гореть по-разному, и при этом выделяется разное количество дыма. Это зависит от условий горения. Количество дыма сильно увеличивается, если кислорода поступает меньше. Увеличивает количество дыма и рост температуры вентилирующего воздуха. Если горючий материал не горит, а тлеет, то масса выделяемого при этом дыме увеличивается во много раз. При горении леса на площади около десяти квадратных метров относительная масса дыма составляет 3–6 %. Но она увеличивается до 15 % при тлении. При горении нефтепродуктов, пластмасс и резины дыма выделяется до 15 % при пламенном горении и до 40 % при тлении. Но не будем брать в расчет эти максимальные величины. Примем, что при горении выделяется примерно 4 % дыма (по массе). Далее, примем, что сгорает половина запасов «потенциального топлива». Если сгорит половина всего «потенциального топлива», то масса дыма достигнет 200 Мт. Из всего того, что уже было сказано об аэрозольных слоях и их влиянии на изменение климата, ясно, что аэрозольный слой массой 20 миллионов тонн вызовет, без сомнения, катастрофические для биосферы (и человека) изменения климата.

Основным источником дыма в случае ядерной войны будут города. Они дадут как минимум 150 миллионов тонн дыма. Это при очень щадящих условиях, когда считается, что предел плотности энергии, которая вызывает воспламенение, близка к максимальному значению (а именно 840 кДж/м^2), что примерно треть областей поражения перекрывается при множественных взрывах. Считается также, что пожары не распространяются. На самом деле эти ограничения нарушаются, поэтому заведомо можно считать, что масса городского дыма во время ядерной войны достигнет не менее 450 миллионов тонн.

Вернемся к более детальному рассмотрению лесных пожаров, вызванных ядерными взрывами. Запасы сухой древесины в среднем составляют около 15 кг на один квадратный метр. Конечно, эту цифру можно спокойно удвоить, когда речь идет о высокопродуктивных лесах. В таких лесах до 20 % сухой древесины (6 кг/м^2) может находиться в виде горючей подстилки и опадка. Это сухие сучья, листья и т. п. Весь этот материал обычно сгорает полностью. Что касается древостоя, то из всей массы сгорает примерно пятая часть (сучья, которые тоньше 4 см, кора, часть ствола). Можно считать, что в среднем сгорает примерно треть сухой биомассы. Если запасы сухой древесины составляют 15 кг на квадратный метр, то в среднем сгорает примерно 5 кг сгораемого материала на квадратный метр леса.

Мы еще ничего не говорили о торфяниках, которые в случае ядерной войны тоже будут гореть. Дым от этих пожаров также надо учитывать. В этом случае запасы горючего материала составляют до 15 кг/м^2. Торфяники горят в режиме тления, и такие пожары длятся месяцами и выделяют много дыма.

Если горит дерево, то примерно 4 % его массы переходит в дым. Если рассматривать задачу в глобальном масштабе, то есть условия мирового ядерного конфликта, то может сгореть примерно один миллион квадратных километров леса. В результате такого глобального пожара выделится до 160 Мт дыма. Эту цифру без труда можно дотянуть до 200 Мт, если считать, что на каждом квадратном метре сгорает 5 кг древесины и при этом 4 % всей массы горючего переходит в дым. Конечно, все цифры здесь ориентировочные. Можно считать, что сгорит меньшая площадь леса, но выход дыма при этом будет несколько больше. Ведь важно убедиться в том, насколько опасна игра в ядерные игрушки.

Как уже говорилось, чем выше поднимется дым, тем больше бед он наделает. В обычных условиях при лесных пожарах он поднимается до высоты 2–3 км. Реже он поднимается выше. Дым от пожара первоначально поднимается в так называемых термиках. Так называют воздух, который нагрет пожарами. Этот нагретый воздух вместе с дымом поднимается до высоты, на которой плотность воздуха внутри этой струи сравнивается с плотностью воздуха вокруг нее. Поэтому нагретый воздух больше не выталкивается вверх. Он останавливается на этой высоте. Чем выше, тем нагретый воздух занимает все больший и больший объем. То есть он расширяется. Это происходит потому, что чем выше, тем меньше давление на этот воздух воздуха из граничащих ненагретых областей, поскольку с ростом высоты плотность воздуха уменьшается. Но при расширении теплый воздух охлаждается. Ясно, что в термики (области нагретого воздуха) может вовлекаться и окружающий воздух.

Специалисты рассчитали вероятность того, что восходящие конвективные потоки воздуха с дымом, порожденные пожарами, могут достигнуть высоты стратосферы (20–40 км). При источнике мощностью в один миллион киловатт струя нагретого воздуха в сухой атмосфере распространится до высоты около 2 км. Это небольшая мощность. Она соответствует сгоранию 70 тонн керосина в течение одного часа. Рассчитана даже формула, связывающая высоту распространения горячей струи и тепловую мощность источника нагрева: высота распространения струи пропорциональна корню в четвертой степени из тепловой мощности источника.

Ученые пытались выяснить, может ли струя воздуха с дымом от наземного пожара достигнуть стратосферы. Для того, чтобы провести такие расчеты, надо задать определенные исходные величины (начальные условия). Тропосфера над экватором простирается значительно выше (до 18 км), чем над высокими широтами (до 11 км). Выше тропосферы находится стратосфера. В расчетах исходили из того, что в начальный момент струя имела в поперечнике 1 км, а вертикальная скорость воздуха равнялась 20 м в секунду. Считалось, что температура горячего воздуха в струе превышала температуру воздуха в соседних областях (ненагретого) на 100, 200 и 300 °C (три варианта). Такие условия создаст источник тепла с мощностями приблизительно 0,9; 1,85 и 2,8 × 10^9 кВт. Если взять мощность самую большую из этих трех, то получится, что горячий воздух с дымом поднимется вверх выше тропосферы, то есть в стратосферу (на 12 км и даже выше).

Главный вывод состоит в том, что дым от ядерного пожара поднимется в стратосферу. Для этого мощность источника должна составлять (1–2) × 10^9 кВт. Такая мощность соответствует мощности, выделяемой при лесном пожаре, который охватывает площадь в 10 квадратных километров и когда скорость горения составляет 3–5 г/(м2.с). Это случай полного выгорания леса (всей древесины) на указанной площади в течение двух-трех часов. При обычных пожарах так быстро лес не горит.

При сгорании древесины выделяется влага, она превращается в пар и облегчает процесс подъема воздуха в конвективных потоках за счет выделения тепла конденсации. Дело в том, что вертикальная скорость воздуха в струях, которые распространяются во влажной атмосфере, примерно в два раза больше, чем в сухой атмосфере. Потолок струи метеотрона в стандартной насыщенной влагой атмосфере составил приблизительно 6 км по сравнению с 2 км для сухой атмосферы при той же мощности источника.

Приведем еще некоторые цифры. Ученые рассчитали (моделировали) процесс пожара в большом городе, исходя из того, что на площади размерами в 8 км (в поперечнике) плотность выхода тепловой энергии составляла сто тысяч ватт на каждый квадратный метр. Для всей площади в сумме это равно пять миллионов мегаватт. Для сравнения скажем, что это втрое больше, чем было в случае пожара в Гамбурге летом 1943 года. При этих условиях дым поднимается до высоты 12,1 км, то есть он достигает стратосферы. По оценкам других ученых, эта высота равна 14 км, при этом 44 % дыма достигает стратосферы. Расчеты применительно к условиям пожара в Гамбурге дают высоту подъема струи равной 9 км. В принципе такую же величину сообщали и наблюдатели (7 —12 км).

Интенсивность ядерных пожаров будет разной. Поэтому и дым от каждого пожара будет подниматься на некую свою высоту. Больших пожаров будет больше, и дым от них будет заноситься в стратосферу.

Еще одно обстоятельство будет содействовать дыму ядерных пожаров подняться в стратосферу. Это обстоятельство связано с тем, что задымленная атмосфера не только рассеивает солнечное излучение, но и поглощает его. Поэтому она неизбежно нагревается. Значит, температура задымленного воздуха будет выше, и он будет подниматься вверх. Другими словами, плавучесть воздуха с дымом увеличится. В результате этого дым от ядерных пожаров будет достигать высоты 30 км.

Важно определить, сколько образуется при ядерных пожарах аэрозольных частиц, ведь от их количества зависят оптические свойства атмосферы, или, другими словами, какая часть солнечного излучения будет рассеяна, какая будет поглощена, а какая все же достигнет поверхности Земли. Специалисты рассчитали, что в результате городских пожаров образуется 52 % аэрозольных частиц. Как уже говорилось, в городах сосредоточена большая масса горючих веществ (около 10 г на каждый квадратный сантиметр). При огненных штормах образуется около 7 % аэрозольных частиц. При лесных пожарах в первые 10 дней образуется 34 % аэрозольных частиц, а в последующий месяц — 7 %. Считается, что в лесу горючего вещества примерно в пять раз меньше, чем в центре современного среднего города. Цифры выглядят примерно так. Если в городах сгорит 1,9 г/см^2 горючего вещества, в лесах — 0,5 г/см^2 (на площади пятьсот тысяч квадратных километров), а общее количество дыма составит 2,25 × 10^8 тонн, то из этого количества дыма примерно около 11 Мт (то есть 5 %) попадает в стратосферу. Одиннадцать миллионов тонн дымовых частиц в стратосфере не останутся незамеченными. Надо помнить, какова там плотность воздуха. Если говорить на обыденном языке, то воздуха там настолько мало, что можно сказать, что его там вообще нет. Если говорить на научном языке, то в стратосфере имеются условия глубокого вакуума, которые нельзя получить с помощью самых лучших в мире вакуумных лабораторных установок. Одиннадцать миллионов тонн инородных частиц в этом вакууме заставят лучи солнечного света изменить направление. Специалисты говорят, что при этом сильно увеличивается оптическая плотность атмосферы.

Недостаточно знать, сколько дымовых частиц будет заброшено в стратосферу. Надо знать и время жизни дымовых частиц в стратосфере. Дым — это совокупность, коллектив, ансамбль частиц. Поэтому изучать его жизнь можно, используя законы поведения аэрозольных частиц. А эти законы достаточно хорошо изучены. По этим законам время жизни дымовых частиц в нижней тропосфере составляет несколько дней (около недели). После этого времени частицы дыма вымываются осадками и оказываются на поверхности Земли. Если частицы дыма оказались выше, в средней тропосфере, то у них есть шансы продержаться до двух недель, поскольку плотность воздуха там значительно меньше. В верхней тропосфере (ниже 11 км) дымовые частицы живут около месяца. Для тех дымовых частиц, которые оказались в стратосфере и размеры их оптимальные (меньше одного микрометра и больше одной десятой микрометра), то они проживут там многие месяцы. Не исключено, что время их жизни превысит даже год.

Важно и то, в течение какого времени дым поступает в атмосферу. Без всяких ядерных взрывов, в мирное время все человечество выбрасывает в атмосферу в течение года около 200 Мт дымовых частиц. От ядерных пожаров поступит примерно столько же, но это произойдет за короткое время, а не за год. В этом вся разница. Когда в мирное время забрасывают одни дымовые частицы, то те, которые попали туда раньше, возвращаются на поверхность Земли. Если всю эту массу дымовых частиц (200 Мт) забросить сразу, то их воздействие на оптические свойства атмосферы будут катастрофическими. Конечно, разница между мирным и ядер-ным дымом не только количественная. Мирный дым имеет низкую интенсивность горения. Поэтому его большая часть сосредотачивается в пограничном слое атмосферы, то есть ниже одного километра. А отсюда частицы дыма легко вымываются с осадками. Кроме того, мирный дым не сосредоточен в одном или нескольких местах. Ввод мирного дыма осуществляется одновременно в разных местах и более или менее равномерно в течение года. Значит, мирный дым нигде не накапливается в таких количествах, которые могут заметно повлиять на нагрев атмосферы. Значительная часть мирного дыма образуется при сжигании древесины в контролируемых условиях. Поэтому содержание элементарного углерода в частицах этого дыма невелико. Поэтому частицы мирного дыма живут не более 10 дней, а то и того меньше. Очень легко подсчитать, что при приведенных выше условиях в каждый момент времени в атмосфере находится около 5,5 Мт частиц дыма. Частицы такого дыма не очень сильно поглощают солнечное излучение.

При расчетах последствий ядерного конфликта ученые рассматривали разные варианты развития событий (разные сценарии). В большинстве сценариев исходили из того, что основной обмен ядерными ударами будет происходить только несколько дней. Ядерные пожары в городах, вероятно, будут продолжаться в течение суток. В первые несколько часов их интенсивность будет максимальной. Лесные пожары будут продолжаться в течение недели. Если действительно будет такой режим ввода дыма в атмосферу, в ней будет накапливаться значительное количество дыма даже при нормальной скорости выведения дымовых частиц из атмосферы.

Однако под действием ядерных взрывов условия в атмосфере существенно изменятся. Изменится режим атмосферных осадков. При нормальных условиях значительная часть осадков образуется в нижней части тропосферы. Но когда в верхнюю часть тропосферы будет введено большое количество дыма (половина всей массы дыма), то время жизни дымовых частиц существенно увеличится. И вообще при этом значительно уменьшится интенсивность влагооборота. Поэтому выведение дымовых частиц осадками станет менее эффективным, поскольку самих осадков будет меньше и они из-за изменения теплового режима тропосферы будут формироваться в более низких слоях тропосферы, а не там, где надо вымывать дым. Количество осадков уменьшится не только потому, что дымовой воздух в верхней тропосфере нагреется из-за поглощения солнечной энергии частицами дыма. Количество осадков уменьшится и по другой причине — образование капель замедлится, поскольку их начнет образовываться значительно больше, но процесс образования капель сильно замедлится. И результат будет отрицательным — осадков будет меньше. Почему замедлится процесс образования капель? Да потому, что резко увеличится концентрация аэрозольных частиц в воздухе после задымления атмосферы. Значит, увеличится число центров конденсации, поскольку каждая аэрозольная частица является потенциальным центром, на котором происходит конденсация водяного пара и так постепенно образуется капля воды. Центров конденсации становится больше, а водяного пара на всех не хватает, поскольку относительная влажность атмосферы не только не растет, а даже уменьшается. Поэтому капли растут медленно, осадки образуются замедленно. А относительная влажность воздуха уменьшается потому, что температура воздуха растет. В этих условиях водяные капли растут медленно. Они вообще могут не дорасти до кондиции, чтобы выпасть каплями дождя. Действительно, что в избытке, то плохо.

Дымовые частицы разных размеров по-разному влияют на распространение и поглощение солнечного излучения. Об этом уже говорилось. Поэтому специалисты очень скрупулезно изучают, каких частиц, с какими массами и размерами в образовавшемся дымовом облаке больше, а каких меньше. Собственно, надо знать полное распределение частиц по размерам и по массам. Тогда можно говорить о времени их жизни (если известна высота их нахождения), также об оптических свойствах ансамбля таких дымовых частиц.

Было установлено, что для деловой древесины содержание сажи (элементарного углерода) достигает 8 — 30 %. Количество сажи, образующейся при горении пластика и резины, составляет примерно 90 % их массы и даже больше. А сажа состоит из частиц, которые являются самыми долгоживущими.

Количество дымовых частиц изменяется не только потому, что некоторые из них вымываются осадками. Количество дымовых частиц уменьшается и потому, что, оказавшись в тропосфере и стратосфере, они слипаются друг с другом. Этот процесс называется коагуляцией. При этом масса всех частиц не меняется, поскольку частицы просто укрупняются, но резко падает их абсолютное количество. Это падение действительно стремительное. Уже после нескольких часов число дымовых частиц в дымовом облаке не превышает 10-5 см^3, тогда как примерно через неделю их становится в десять раз меньше (но зато оставшиеся в десять раз крупнее). Однако этот процесс слияния частиц проходит только в самое первое время после образования дымового облака. Для того, чтобы такое слипание происходило, надо, чтобы частицы достаточно часто сталкивались друг с другом, то есть надо, чтобы их концентрация была большой. Начальная концентрация дыма действительно большая. Так, начальная концентрация дыма вблизи интенсивного огня составляет 10-6 см^3 для городских и контролируемых пожаров. Для лесных пожаров она равна 10-5 см^3. Но с течением времени дымовое облако поднимается и соответственно расширяется. Поэтому плотность частиц дыма уменьшается. Процесс слипания частиц замедляется (скорость слипания пропорциональна квадрату концентрации частиц). Примерно через полчаса частицы распределяются по размерам. В дальнейшем это состояние сохраняется почти неизменным.

В поднимающемся вверх нагретом воздухе (в термике) происходит еще один важный процесс. Это конденсация как водяного пара из захваченного окружающего воздуха, так и того водяного пара, который образовался в процессе горения. Образовавшиеся капли воды могут захватывать частицы сажи. Дальше эти черные сажевые капли воды выпадают в виде «черного дождя». Это наблюдалось после взрывов атомных бомб в Нагасаки, а также после бомбардировки и вызванных ею пожаров в Гамбурге. Конечно, указанная конденсация, ее скорость, будет зависеть от метеорологических условий и от интенсивности пожаров. «Черный дождь» может при определенных условиях быть очень обильным. В виде «черного дождя» может выпасть на поверхность Земли четверть всех дымовых частиц, которые были введены в атмосферу в результате пожаров. Считается, что в Нагасаки в виде «черного дождя» было выведено из атмосферы примерно 3 % дымовых частиц.

Образовавшиеся сажевые капли воды могут и не превратиться в дождь. Они до этого могут не дорасти. В дальнейшем вода может испариться, а частицы дыма, которые объединяла образовавшаяся капля воды, так и остаются в своем коллективе — большой частице сажи. В результате вместо большого количества мелких сажинок образуется одна увесистая частица сажи. Это тоже приходится учитывать специалистам, поскольку от этого зависят оптические свойства атмосферы, а значит и изменение климата. Таким образом, наличие водяных капель в дымовом облаке может изменить ситуации, поскольку мелкие дымовые частицы, садясь на капли будут объединяться. Правда, дождевых облаков в задымленной атмосфере значительно меньше, чем в чистой. Расчеты циркуляции атмосферного газа при образовании облаков, а также изменения теплового режима из-за поглощения солнечной энергии дымовыми частицами показали, что в задымленной атмосфере процесс образования облаков происходит быстрее. Ученые продолжают разрабатывать проблему преобразования и эволюции облака дыма от пожаров по мере его подъема над земной поверхностью.

Мы уже говорили и об оптических свойствах аэрозолевого облака, и о показателе преломления. Добавим только, что комплексный показатель преломления аэрозоля зависит от химического состава аэрозольных частиц. Напомним, что комплексный показатель преломления состоит из двух частей — действительной и мнимой. На самом деле ничего мнимого здесь нет. Просто первое число (действительная часть показателя) характеризует рассеивание солнечного (и не только) излучения на аэрозольных частицах. Второе число (мнимая часть показателя) характеризует, в какой степени солнечное излучение (его энергия) поглощается частицами аэрозоля. Наиболее надежно определить рассеивающие и поглощающие свойства частиц аэрозоля можно путем эксперимента, прямыми измерениями. Для простых частиц по форме и составу можно пытаться комплексный показатель преломления рассчитать. Но если частицы имеют сложное или многослойное строение, то это невозможно.

Надо иметь в виду, что ослабление солнечного излучения, которое падает сверху на аэрозольный слой, складывается не только из поглощения и рассеяния, которое рассеивает солнечные лучи обратно, вверх. Рассеивание может произойти под любым углом по отношению к первоначальному направлению луча падающего света. Значит, оно может быть направлено и вниз, под некоторым углом к вертикали.

Дым оказывает весьма малое влияние на тепловое излучение. Во всяком случае, слой дыма примерно в десять раз слабее влияет на потоки излучения в тепловом диапазоне, чем видимом участке спектра.

Для понимания процессов ослабления солнечного излучения, о которых здесь шла речь, приведем расчеты ученых. Расчеты эти выполнены для следующих условий. Масса облака дыма составляет 1509 Мт. Далее рассматриваются два варианта. В первом варианте дымовое облако равномерно распределено (размазано) над областью от 30° до 70° c. ш. Этот пояс составляет 44 % площади всего северного полушария. Во втором варианте это дымовое облако распределено равномерно над всем северным полушарием, от экватора до северного полюса. Для указанных условий в первом варианте масса дыма в столбе составляет М = 1,34 г/м^2 и солнечное излучение ослабляется облаком дыма более чем в тысячу раз. Во втором случае плотность дыма в столбе примерно в два раза меньше. Поэтому ослабление прямого солнечного излучения дымовым облаком происходит только примерно в 40 раз.

Атмосфера нагревается солнечным излучением. Но поскольку под действием облака дыма солнечное излучение меняется, то неизбежно меняется и распределение тепла в атмосфере. В тех областях, где частицы дыма поглощают солнечную энергию, происходит нагрев атмосферного газа. Но в тех областях, куда не доходит солнечное излучение, то есть у поверхности Земли, — температура уменьшается. Если изменить нагрев газа в разных его частях, то он неизбежно придет в движение, стремясь выровнять неравномерное распределение тепла. Таким образом, образование дымового облака в атмосфере не только приведет к рассеянию и поглощению солнечного излучения, но и изменит динамический и термический режим атмосферного газа. Изменится, следовательно, и взаимодействие его с подстилающей поверхностью.

Дым от пожара поднимается до тех пор, пока не достигнет уровня своей плавучести. Это та высота, на которой плотность задымленного воздуха сравнивается с плотностью чистого воздуха, который находится рядом. Поэтому нет силы, которая продолжала бы облако дыма толкать вверх. При этом область дыма занимает ограниченную площадь на земной поверхности и на всех высотах. Вдали от источника дыма воздух у земной поверхности может быть вполне чистым. Кстати, дым от обычных пожаров находится на высоте примерно равной 2 км и выше. Арктическая дымка также обычно находится на высотах 2–5 км. На этих высотах аэрозольные частицы эффективно переносятся ветром.

Вблизи земной поверхности атмосферный воздух хорошо перемешан. Это до высоты 1 км. Но выше атмосфера состоит из горизонтальных слоев, и турбулентное движение (вихревое) здесь наблюдается редко. Поэтому атмосферный газ со всеми его примесями по вертикали перемешивается плохо. Поэтому если дым или другие примеси введены в атмосферу в пограничном слое, то есть вблизи поверхности Земли, где перемешивание очень эффективно, то дымовые частицы хорошо перемешиваются с остальным воздухом и такая хорошо перемешанная смесь будет постепенно всплывать вверх. Если же дым введен в атмосферу выше пограничного слоя, то есть выше 1 км, то такого перемешивания не произойдет. Это дымовое облако будет обладать другими свойствами, чем то, что образовалось у поверхности Земли. Все это надо учитывать при проведении расчетов. Расчеты показывают, что нагретый задымленный воздух поднимается на верхние уровни атмосферы и распространяется по горизонтали сначала в зональном направлении (вдоль определенных широт), покрывая всю область средних широт. За время порядка недели задымленный воздух покрывает все средние широты (включая океаны). В то же самое время дым начинает переноситься и в тропические широты, а затем и в противоположное, южное полушарие. Согласно расчетам дым в южное полушарие начинает проникать через две-три недели после его появления в атмосфере северного полушария. Таким образом, образовавшийся дым достаточно быстро распространяется в глобальном масштабе. Естественно, что распространение дыма зависит от сезона. Зимой дым поднимается не так высоко, как летом, и распространяется в другие широты менее охотно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выживание человечества зависит от него самого. Для этого у человечества есть все, а главное разум. Но что такое разум человечества и использует ли оно этот общечеловеческий разум, как отдельный человек использует свой разум? Ведущие мыслители убеждены, что человечество пока что не использует свой коллективный разум, но рано или поздно оно должно, обязано будет его использовать. Когда это произойдет, человечество вступит в эпоху ноосферы, то есть эпоху разума.

Сам термин «ноосфера» впервые, видимо, был употреблен Эдуардом Леруа, французским философом и математиком, в курсе лекций, которые он читал в 1927/28 учебном году. У нас в стране ноосферу органически связывают с В. И. Вернадским. И это правильно. Он принял идею ноосферы у Леруа и Шардена и развил ее. У В. И. Вернадского идея ноосферы стала основой его возможно слишком оптимистического мировоззрения.

Полагают, что ведущую роль в ноосфере играют разумные, идеальные реальности: творческие открытия, духовные, художественные, научные идеи, которые материально осуществляются в преобразованной природе, искусственных постройках, орудиях и машинах, научных комплексах, произведениях искусства и т. д.

А. П. Флоренский в письме В. И. Вернадскому в 1929 году писал: «Со своей стороны хочу высказать мысль, нуждающуюся в конкретном обосновании и представляющую скорее эвристическое начало. Это именно мысль о существовании в биосфере или, может быть, на биосфере, того, что можно было бы назвать пневматосферой, то есть о существовании особой части вещества, вовлеченной в круговорот культуры или, точнее, круговорот духа».

Н. Ф. Федоров трактовал регуляцию как «правящий разум природы», как «внесение в природу воли и разума». Это созвучно идее ноосферы. По Н. Ф. Федорову, регуляция природы определяет себя как принципиально новая ступень эволюции, как сознательно-волевое преобразовательное действие, выполняемое «существами разумными и нравственными, трудящимися в совокупности для общего дела». Разумное преобразование сродни творению. Поэтому философы склонны поднять человека почти до уровня Бога. Так возникла в рамках христианского космизма концепция Богочеловечества, в основу которой положена идея о том, что проводимое человеком разумным преобразование мира является богочеловеческим процессом обожения этого мира.

С. Н. Булгаков, разделяя идеи «Философии общего дела» Н. Ф. Федорова, в 1912 году писал: «Природа, достигнув в человеке самосознания и способности труда над собой, вступает в новую эпоху своего существования. Хозяйственный труд есть уже как бы новая сила природы, новый мирообразующий, космический фактор, принципиально отличный притом от всех остальных сил природы. Эпоха хозяйства есть столь же характерная и определенная эпоха в истории Земли, а через нее и в истории космоса, что можно с этой точки зрения всю космогонию поделить на два периода: инстинктивный, до-сознательный или до-хозяйственный — до появления человека и сознательный, хозяйственный — после его появления». С. Н. Булгаков считал, что хозяйственная деятельность есть не что иное, как осуществление Божьего завета о «владении землей», о новом обретении «прав на природу, человеком некогда утерянных», о покорении смертоносных стихий, очеловечивании природы и обожаении себя. Процесс этот трудный и медленный. Поэтому осуществление этого идеала далеко впереди. С. Н. Булгаков считал, что современная хозяйственная деятельность «отмечена всеми проклятиями падшего состояния мира: рабства у материи, у вещей, отчуждением, взаимной борьбой и притеснением».

Практически все сторонники теории ноосферы отдают себе отчет в том, что идеал ноосферы и реальность слишком далеки друг от друга. По концепции ноосферы получается, что ноосфера возникает с самого начала появления носителя разума — человека. Но этот процесс сугубо объективный, стихийный. В то же время переход к ноосфере должен (бы) произойти только сейчас, а точнее, в будущем, на совсем другом, еще не достигнутом уровне планетарного сознания и действия человечества. Сам В. И. Вернадский воспринимал ноосферу так же двойственно. Последователи В. И. Вернадского нашли выход. Они поделили весь бесконечный период ноосферы на подпериоды: антропосферу, социосферу, техносферу и ноосферу. Но при этом собственно ноосфера оказалась отодвинута в нереальное «прекрасное далеко».

Что же в реальной жизни? Разумное человечество хищнически разрушает окружающую среду, считая себя царем природы. Н. Ф. Федоров предсказал то положение, в котором мы оказались сегодня. Он писал, что «цивилизация эксплуатирующая, но не восстанавливающая, не может иметь иного результата, кроме ускорения конца».

Для нас очевидно, что противоречие исходит оттого, что человеческий разум абсолютизируется, практически не берется в расчет существование информационного поля всей Вселенной, Мирового разума. Информационное поле пронизывает как живую, так и неживую природу, абсолютно все. Нет дикой природы. Все занимает причитающееся ему место и выполняет возложенные на него функции. Все вместе представляет собой хорошо отлаженный космический механизм. Только человек никак не может найти своего места в этом механизме. Такое положение он пытается объяснить первородным грехом или чем-то еще. Тем не менее человек ставит себя наравне с Богом, философствует о Богочеловечестве. Если же ноосфера состоит только из разума людей, всего человечества, то можно представить себе, какую информацию она содержит. Ясно, что «там содержатся идеологии и концепции антигуманные и ложные, осуществление которых или уже приносило колоссальные бедствия Земле, или грозит еще большими, вплоть до гибели самого человечества и биосферы».

Конечно, можно попытаться скрасить реальность и оправдывать человека (человечество) тем, что он еще не совсем совершенен, что он является существом «кризисным». И для его развития нужен идеал, идеал ноосферы. Полагают, что такой идеал должен помочь человеку в его стремлении превозмочь собственную природу. Но возможно ли в принципе превозмочь собственную природу?

Мы полагаем, что лучше дать человеку правильные представления об окружающем его мире и его месте в этом мире. Поэтому мы создали серию «Единая картина мира», первые шесть книг которой опубликованы. Их можно заказать наложенным платежом (142092, г. Троицк, а/я 26).

В. И. Вернадский обосновывает наступление ноосферы следующими благоприятствующими этому факторами. Одним из них является то, что вся Земля заселена и человек проник во все стихии: землю, воздух, воду и околоземное космическое пространство. Благоприятно и то, что человечество достигло определенного единства. Его В. И. Вернадский понимал как природный факт. По его словам, «биологически это выражается в выявлении в геологическом процессе всех людей как единого целого по отношению к остальному живому населению планеты». В. И. Вернадский считал, что единство человечества в наше время во многом стало «двигателем жизни и быта народных масс и задачей государственных образований». В. И. Вернадский был уверен, что единство человечества пробивает себе путь, несмотря на социальные, межнациональные и международные конфликты. По убеждению ученого, несмотря на все это формируется общечеловеческая культура, сходные формы научной, технической, бытовой цивилизации, самые отдаленные уголки Земли объединяются быстрейшими средствами передвижения, эффективными линиями связи и обмена информацией. В. И. Вернадский также считал, что наступлению ноосферы способствует то, что «народные массы получают все растущую возможность сознательного влияния на ход государственных и общественных дел». Как и большинство ученых, В. И. Вернадский уповал на науку. Он видел в ней мощную «геологическую силу», которая является главной в создании ноосферы. «Научное знание, — писал он, — проявляющееся как геологическая сила, создающая ноосферу, не может приводить к результатам, противоречащим тому процессу, созданием которого она является». Если бы! Реальная жизнь больно ударила по вере ученого: началась вторая мировая война. Даже такой оптимист, как В. И. Вернадский, не мог не видеть всей сути происходящего. Да, собственно, он ее видел и в первую мировую войну. Он писал, что первая мировая война явила «невиданное ранее применение научных знаний в целях военного разрушения». Более того, от него не могло скрыться то, что найденные и использованные наукой и техникой смертоубийственные средства «едва начинают проявляться в этой войне и сулят в будущем еще большие бедствия, если не будут ограничены силами человеческого духа и более совершенной общественной организацией». Как в воду глядел — все так и произошло и продолжает происходить. В сущности, сейчас множатся фантастические средства убийства и уничтожения. Это не может не пугать любого нормального человека. Так где же в таком случае коллективный разум, где ноосфера? Когда и каким образом она наступит? В. И. Вернадский был оптимистом. Он считал, что необходимо создать «интернационал ученых». Интернационал должен культивировать «сознание нравственной ответственности ученых за использование научных открытий и научной работы для разрушительной, противоречащей идее ноосферы, цели». В статье «Война и прогресс науки» он призывал обезвредить «негативную» науку и все ее кошмарные плоды. Хочется воскликнуть: «Как все это наивно!» Ведь дело не в науке, а в человеке, в его сути.

Что можно сказать о сути человека, глядя на его дела, на истребление миллионов людей? У кого поворачивается язык говорить о «божественной» природе человека? Можно ли искать абсолют в реальном человеке, на которого и возлагают задачу создания ноосферы? Конечно нет! Так отвечают все — Н. Ф. Федоров, В. С. Соловьев, С. Н. Булгаков, П. А. Флоренский, Н. А. Бердяев. За абсолют может быть принят только Бог. Нельзя обожествлять разум человека и создаваемую им ноосферу со всеми плюсами и минусами и не замечать Мирового разума, информационного поля Вселенной.

Мыслители (русские космисты) возвращаются к первородному греху, но только в других, новых терминах. Первородный грех состоял в том, что человек стал различать добро и зло. Животные такой способности не имеют. Получив свободу выбора, свободу воли, человек не всегда поступает в соответствии с Мировым разумом. Об этом сказано так: «Породив разум как орудие своего дальнейшего развития, но орудие, наделенное свободой (к тому же вложенной в противоречивое, смертное творение), эволюция словно пошла на риск. Свобода — это ведь и свобода говорить не только «да» сознательному преобразованию мира (а к какому великолепно-триумфальному «да» призывают нас все активно-эволюционные мыслители!), но и «нет», вплоть до решительного и окончательного «нет» самый эволюции. С появлением человека эволюция как бы получает возможность встать в позу Гамлета и задать себе вопрос «быть или не быть?» В наше время возникла реальная опасность родового самоубийства человечества, а с ним и жизни вообще. Ответственность разумных существ колоссальнее, чем они могут себе представить: в своем «падении» мы увлечем за собой и всю космическую эволюцию, магистраль которой проходит через жизнь и сознание; своим малодушным, «демоническим» выбором можем обречь на неудачу весь космогенез. Универсум без некоего совокупного созидательного усилия в деле его творческого одухотворения обернется абсурдом».

Здесь все правильно, кроме последнего заключения: космогенез без человечества так же возможен, как и с ним. Поэтому если человечество скажет эволюции «нет», то тем самым оно само выйдет из игры опять же по собственной воле. У Мирового разума не возникнет проблем с космогенезом. Этот вопрос мы детально рассмотрели в книгах: «Бог, душа, бессмертие» (ЭКИЗ, 1992) и «Тайны Мирового разума и ясновидение» (Вече, 1997). В заключение хочется привести слова Джеймса из нашей книги «Библия, Коран и современный мир» (ЭКИЗ, 1995). Они относятся к возможной глобальной катастрофе: «Верующие уверены, что все мы будем спасены, несмотря на козни ада и на земные искушения. Существование Бога является ручательством за то, что есть некий высший гармонический порядок, который остается нерушимым вовеки. Мир погибнет, как уверяет наука, — сгорит или замерзнет; но если он является составной частью высшей гармонии, то замысел этого Мира не погибнет и даст, наверное, плоды в ином Мире: где есть Бог, там трагедия только временна и частична, а крушение и гибель его уже не могут быть действительным концом всего существующего».

Content

Юлия Владиславовна Мизун
Юрий Гаврилович Мизун
ОЗОННЫЕ ДЫРЫ
И ГИБЕЛЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА?

Предисловие

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА В ПРОШЛОМ

ОТКУДА БЕРЕТСЯ ИНФОРМАЦИЯ

ИСТОРИЯ КЛИМАТА

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ КЛИМАТ

ОБРАЗОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

ПОЧЕМУ МЕНЯЛСЯ КЛИМАТ?

ВЛИЯНИЕ НА КЛИМАТ ДВИЖЕНИЯ ЗЕМЛИ

ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА КЛИМАТ

ВЛИЯНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

ВЛИЯНИЕ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА В ЧЕТВЕРТИЧНОМ ПЕРИОДЕ

КЛИМАТ В ЭПОХУ НОВОЙ ЖИЗНИ

КЛИМАТ ПОСЛЕДНЕГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ

ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРИРОДНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ КАТАСТРОФЫ

КРИЗИСЫ В ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ

ПЛАВАЮЩИЕ МАТЕРИКИ И ЛИТОСФЕРА

КАЛЕНДАРЬ

ЧАСТЬ ВТОРАЯ ВСЕМИРНАЯ КЛИМАТИЧЕСКАЯ КАТАСТРОФА

ВОЗРАСТ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

СВИДЕТЕЛЬСТВА О КАТАСТРОФЕ

ВСЕМИРНАЯ КАТАСТРОФА

ЗНАНИЯ НАДО СОХРАНИТЬ

УНИКАЛЬНЫЕ ЗНАНИЯ ДРЕВНИХ

ЭЗОТЕРИЧЕСКИЕ ЗНАНИЯ ДРЕВНИХ

ДРЕВНИЕ ЛЕТАЛИ

ЧЕЛОВЕК «РАЗУМНЫЙ» УНИЧТОЖАЕТ ЗНАНИЯ

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ НАШ ДОМ В КОСМОСЕ

ВВЕДЕНИЕ

СОЛНЦЕ ГЛАЗАМИ НАШИХ ПРЕДКОВ

СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

МЕЖПЛАНЕТНАЯ СРЕДА

СОЛНЕЧНЫЕ ПЯТНА

ЦИКЛЫ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

ОДИННАДЦАТИЛЕТНИЙ ЦИКЛ

ДВАДЦАТИДВУХЛЕТНИЙ ЦИКЛ

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И ПОЛОЖЕНИЕ ПЛАНЕТ

МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ

ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ ОЗОН В АТМОСФЕРЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОЗОН — АТМОСФЕРНЫЙ ГАЗ

АТМОСФЕРА

СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ОТКУДА БЕРЕТСЯ И КАК РАЗРУШАЕТСЯ ОЗОН

ВОДОРОДНЫЙ ЦИКЛ

АЗОТНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

ХЛОРНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

АЭРОЗОЛЬНЫЙ ЦИКЛ

ИОННЫЙ ЦИКЛ

ПРИЗЕМНЫЙ ОЗОН

ОЗОН В ТРОПОСФЕРЕ

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ОЗОНА

ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ И ОЗОН

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ

СОЛНЕЧНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ОЗОН

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И ОЗОН

ЧАСТЬ ПЯТАЯ ОЗОННЫЙ СЛОЙ И БИОСФЕРА

МАЛЫЕ ПРИМЕСИ В СТРАТОСФЕРЕ

ФРЕОНЫ И ОЗОН

ВЫСОТНЫЕ САМОЛЕТЫ И ОЗОН

МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ И ОЗОН

РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНА ПРИ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВАХ

СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА И ОЗОН

ОЗОННАЯ ДЫРА НАД АНТАРКТИКОЙ

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА И ОЗОН

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА

УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОЗОНА: ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ И РЫБ

ОЗОН, БУДУЩЕЕ ПОТЕПЛЕНИЕ КЛИМАТА И УРОВЕНЬ МИРОВОГО ОКЕАНА

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И НАГРЕВАНИЕ ЗЕМЛИ

ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В БУДУЩЕМ

ЗАЩИТА ОЗОННОГО СЛОЯ

ЧАСТЬ ШЕСТАЯ ЧТО НАС ЖДЕТ?

СОВРЕМЕННЫЙ КЛИМАТ

ВЛИЯНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА НА КЛИМАТ

ВЫЖИВАНИЕ ПОСЛЕ ЯДЕРНОЙ ВОЙНЫ «ЯДЕРНАЯ ЗИМА»

ДЫМ ЯДЕРНЫХ ПОЖАРОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ