С чего начинается дождь?

Моделирование атмосферы Земли и процессов, протекающих в ней, – одна из сложнейших задач, стоящих перед учеными. Как описать поведение 5 квадрилионов тонн воздуха, составляющих оболочку Земли?

Вот простой вопрос: «С чего начинается дождь?» Точного ответа до сих пор нет. Конечно, не будет тучки на небе, и дождиком не покаплет, это известно каждому. Но что происходит за пеленой облаков? Как клубы водяного пара свертываются в капельки? Как заглянуть внутрь дождевой тучи?

Исследовать ее с самолета рискованно. В лаборатории же удается воссоздать лишь пелену тумана объемом в несколько кубических метров. Подобный клочок имеет мало общего с обычными облаками. В нашей средней полосе столп воздуха над каждым квадратным метром почвы содержит от 10 до 50 килограммов водяных паров. Правда, в основном мы не видим их. Лишь оседая на аэрозолях – песчинках и пылинках над сушей или частицах соли над океанами, – водяные пары сгущаются, образуя капли. Если бы не аэрозоли, небо всегда было бы ослепительно-голубым.

Однако, когда содержание аэрозолей в воздухе особенно высоко, это, как выяснили недавно ученые из Гетеборгского университета, ведет к уменьшению количества осадков. Ведь чем больше центров конденсации возникает в облаках, тем меньше размер дождевых капель, образующихся здесь. Порой они вдвое меньше обычного. Между тем дождь начинается, только когда капли достигают определенной величины. Маленькие же капли, хоть их и очень много, попросту не долетают до земли. Как хорошо! Значит, не пойдет дождь?

Не будет тучки на небе, и дождик не покаплет

Никто не любит дождь. Довольно тучки на небе, чтобы настроение стало портиться. Кому охота брести по лужам в холодной, мокрой одежде, прилипающей к телу? Но так ли заслуженна эта скверная репутация дождя? Скажем хотя бы несколько слов в его защиту.

Дождь чистит небо. Струи воды, сбегающие на землю, смывают мельчайшие частички пыли, витающие в воздухе. В жаркие дни завеса дождя приятно освежает, в засушливую пору спасает растения от гибели. Для ученых же дождь по-прежнему таит немало загадок.

Знаете ли вы, что лишь каждое десятое облако проливается на землю дождем? Или что дождевая капля напоминает по форме скорее гамбургер, чем знакомую нам каплю воды? Или что в обычном кучевом облаке скрывается более 150 тысяч тонн водяных паров и льдинок? Попробуем же совершить путешествие в мир дождя, этот серый мир, полный белых пятен!

Нам навстречу спешат капли, и каждая из них преодолевает немалый путь, прежде чем достигнет земли. В среднем после того, как вода испарится над океаном, ее молекулы проводят в воздухе 9,5 дня до того, как водяные пары снова сконденсируются и вернутся на землю дождем. Какие же приключения происходят с ними в небесах?

Итак, любой дождь начинается задолго до дождя. Начинается с того, что в теплую, солнечную погоду в реках, морях, океанах испаряется вода. Обычно ее молекулы движутся хаотически. Однако, получив дополнительную энергию вместе с солнечными лучами, отдельные молекулы преодолевают силу поверхностного натяжения и буквально врываются в атмосферу. Верхний слой воды понемногу растворяется в воздухе, словно… сахар в воде.

Воздушные массы, насыщенные водяными парами, поднимаются, словно в лифте, на небо, поскольку теплый воздух легче холодного. Но чем выше они оказываются, тем заметнее понижаются температура и атмосферное давление. Воздушные массы остывают на один градус через каждые 100 метров. Можно сказать так: испарившись над океаном, вода, разогретая до 20°C, поднимается на высоту 2000 метров и, условно говоря, остывает до 0°. «Условно» потому, что это зависит от влажности воздуха. Чем она ниже, тем быстрее охлаждается воздух.

Когда относительная влажность воздуха достигает 100 %, водяные пары начинают конденсироваться. Их молекулы оседают на крохотных твердых частичках, снующих в воздухе, например пылинках. Так возникают капельки воды. Из них формируется облако.

Процессы, протекающие внутри облака, заметно сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Не так давно группа израильских и российских ученых попыталась выяснить механизм образования дождевых капель. По их расчетам, изложенным на страницах журнала Nature, важную роль играют воздушные вихревые потоки. Они увеличивают частоту столкновений капель, а значит, приближают дождь. Они действуют как центрифуга. Крупные, тяжелые капли вытесняются ими наружу и летят сквозь облако, сталкиваясь с другими каплями и сливаясь с ними. Поначалу капли еще удерживаются внутри облака, но когда их диаметр достигнет 200 микрометров, сила тяжести берет верх. Капли падают на землю – поначалу тонким моросящим дождем со скоростью до полуметра в секунду, а потом, достигнув миллиметровой величины (и миллионы раз столкнувшись с соседками), летят хлесткими струями со скоростью до 9 метров в секунду.

Чаще дожди бывают не теплыми, а холодными. Когда температура в воздушном слое ниже —20 °С, вокруг пылинок скапливаются ледяные кристаллы. На них быстро намерзают капельки воды. Лед буквально впитывает влагу, скопившуюся в воздухе. Зимой так образуются снежные хлопья, а летом – мелкие ледышки града. Под тяжестью собственного веса они, в конце концов, падают на землю. Их форма, размеры, траектория полета резко разнятся; их движение трудно моделировать. В теплую погоду эти крупицы льда по пути к земле тают, окатывая нас холодным дождем.

Кстати, большинство людей считает, что капли дождя имеют округлую форму, как классические капли воды, вытекающей из-под крана. Но они ошибаются. Падая на землю с большой скоростью, дождевые капли встречают такое сильное сопротивление воздуха, что утрачивают свою прежнюю форму – становятся приплюснутыми и теперь напоминают скорее гамбургер, чем маленькую сферу.

Процессы, происходящие на родине этих капель – внутри туч, мы не можем пока детально описать. Поэтому если температуру на ближайший день метеорологи научились прогнозировать, то с осадками часто попадают пальцем в небо. Лишь научившись понимать эти сложные процессы, мы сумеем точнее предсказывать, пойдет ли дождь.

А это становится все важнее! Глобальное потепление значительно усиливает циркуляцию воды на нашей планете. С повышением средней температуры на один градус циркуляция возрастает примерно на 8 %. Меняется количество осадков, выпадающих в различных регионах планеты. Усиливается неравенство в снабжении их водой. В засушливых регионах дожди будут выпадать еще реже, а те области, где осадков выпадало и так много, будут страдать от сильных ливней и наводнений.

В последние годы все чаще регистрируются необычные погодные явления, в том числе и продолжительные, очень сильные дожди. Так, в 2011 году рекордные дожди обрушились на Японию, в 2010 году рекордное количество осадков зафиксировано в Пакистане и Австралии, в 2002 году в Германии, в Рудных горах, всего за одни сутки выпало столько осадков, сколько не отмечалось в этой стране еще никогда до этого. После ливня началось «наводнение столетия» на Эльбе. Компьютерные модели и статистика подтверждают связь между потеплением и аномальным количеством осадков.

Предсказывать же погоду – значит по-прежнему решать задачу со многими неизвестными. Бабочка, взмахнувшая крылышками в далеком Китае, все так же исправно вызывает ураган на Багамах. Две бесконечности сходятся в одной и той же точке – в той, где графа прогноза по-прежнему туманна и неясна.

 

Время летних гамма-гроз

В день летней грозы многих и теперь, как в древние времена, охватывает оторопь, ощущение угрозы. Сколько раз за лето каждый из нас видит вспышку молнии на небесах, и всякий раз ее огонь кажется таинственным – этот затертый эпитет словно свежеет от жара молнии, наливается кровью. Да и ученый мир подтвердит, что, как ни сильна наука, познавшая все от атомов до созвездий, перед феноменом молнии – электрического разряда, возникающего между грозовой тучей и поверхностью Земли, – долго пасовала и она.

Всякий раз огонь молнии кажется таинственным

Так, неясно было даже, почему небо вдруг рассекают эти ослепительные вспышки, что вызывает их. Зарождение молнии начинается с того, что в грозовом облаке происходит разделение электрических зарядов: отрицательно заряженные частицы отделяются от положительно заряженных. Так в грозовом облаке создается электрическое поле. Когда его напряженность достигает критической величины – 2 миллионов вольт на метр, в облаке возникает пробой. Лавина электронов мчится в сторону земли, оставляя после себя полосу (канал) ионизованного воздуха. По этому каналу к земле устремляется молния. Сила тока в канале достигает 100 тысяч ампер, а температура – 30 тысяч градусов. Стремительно расширяющийся поток воздуха и порождает мощную звуковую волну, которая воспринимается нами как гром. Таково популярное объяснение этого феномена.

Как ни стройна эта теория, она не подтверждается фактами. Судя по результатам измерений, напряженность электрического поля в грозовом облаке примерно в 10 раз ниже той критической величины, которая нужна для того, чтобы вспыхнула молния.

В начале 1990-х годов российский физик Александр Гуревич, подыскивая объяснение этому факту, предложил новую гипотезу. В атмосферу нашей планеты постоянно проникают высокоэнергетичные частицы, прилетающие из космоса. При их столкновении с молекулами азота и кислорода образуются, в частности, электроны, движущиеся очень быстро. Электрическое поле, возникшее в грозовом облаке, по расчетам Гуревича, разгоняет их почти до световой скорости. Для этого достаточно, чтобы напряженность поля составляла порядка 200 тысяч вольт на метр, что хорошо совпадает с результатами наблюдения. При столкновении этих электронов с молекулами воздуха возникают все новые высокоэнергетичные электроны. Настоящей лавиной они мчатся к земле, вызывая пробой в атмосфере. При этом испускается рентгеновское и гамма-излучение, которое фиксируют спутники.

Итак, все больше фактов доказывает, что молнии порождаются частицами, прилетевшими из космоса. Однако многое в происходящем процессе по-прежнему неясно ученым. Так, энергия и интенсивность рентгеновского излучения, возникающего во время грозы, не совпадает с моделью, предложенной Гуревичем. Стоит добавить, что мы по-прежнему очень далеки от того, чтобы использовать энергию молнии для своих целей.

Изучение молний – достаточно сложный и дорогостоящий процесс. Как полемически заявил один из исследователей, «мы находимся в совершенно неизведанной области». Вопросов накопилось немало. Правда ли, что бывают супермолнии, когда сила тока превышает 300 тысяч ампер (обычно она гораздо ниже)? Зависит ли активность молний от загрязнения окружающей среды или, говоря иными словами, вспыхивают ли молнии над крупными городами чаще, чем над сельской глубинкой? Верно ли, что во время грозы наблюдаются всплески гамма-излучения и выбросы антивещества?

Стоило, к примеру, дождаться космической эпохи, чтобы узреть, что пылающая стрела метит не только в одинокие дубы или башни, но и летит ввысь. Лишь в 1989 году были впервые сфотографированы слабо светящиеся молнии, вспыхивающие на доли секунды в верхних слоях атмосферы, примерно в 40—80 километрах от Земли, и окрашенные в яркие цвета. На снимках, сделанных из космоса, видны невероятной величины огненные столпы. Одни напоминают гриб, выросший в небе; другие – частокол, словно огородивший небесный град. Они достигают порой в поперечнике 90 километров, но сила их свечения невелика, а потому с поверхности Земли их не увидать.

Эти молнии, красные «спрайты» и голубые «джеты», нередко сравнивают со сполохами полярного сияния. Но если последние возникают при проникновении из космоса высокоэнергетичных протонов и электронов, то для подобных молний источником энергии становятся грозовые разряды. Природа этих атмосферных явлений, наблюдаемых во время грозы, все еще остается неясна. Возможно, они – лишь часть, «недостающая часть» громадного поля электричества, которое разлито повсюду – от поверхности Земли до ионосферы.

Кстати, лишь недавно подтвердилось, что удары молний сопровождаются всплесками гамма-излучения (впервые подобная гипотеза была высказана несколько десятилетий назад).

В 2008 году на орбиту был выведен космический телескоп «Ферми». В его задачу входило наблюдение за гамма-вспышками – самыми мощными источниками электромагнитного излучения, известными науке. Эти вспышки происходят в отдаленных областях космоса.

Однако уже за первые пару лет работы этот телескоп зарегистрировал еще и 130 всплесков гамма-излучения, возникавших где-то в окрестностях Земли. Когда ученые проанализировали эти события, то убедились, что всякий раз всплеск излучения наблюдался там, где бушевала гроза. Впрочем, для физиков это не стало новостью. Им уже было известно, что близ верхнего края облака могут наблюдаться подобные всплески. Ведь мощное напряжение возникает не только между грозовой тучей и землей, но и между тучей и лежащими выше слоями атмосферы. На высоте от 20 до 80 километров может генерироваться напряжение до 20 миллионов вольт. Оно разгоняет электроны, и те лавиной устремляются ввысь. Мчась со скоростью, близкой к световой, они сталкиваются с молекулами воздуха, и тогда испускается гамма-излучение.

Зато, как выяснилось, это излучение зачастую – а возможно, всегда – трансформируется в поток частиц и античастиц, электронов и позитронов. Этот поток, прорезав верхние слои атмосферы, уносится в космическую даль. Телескоп «Ферми», изучающий события вселенских масштабов, порой замечает и эти лучи позитронов, покидающих Землю под покровом грозовых бурь. Когда, достигая телескопа, позитроны проникают в детекторы и сталкиваются здесь с электронами, то те и другие уничтожаются, вновь превращаясь в гамма-излучение, которое и фиксирует детектор.

Обнаруженные сигналы – первое четкое доказательство того, что на Земле во время грозы образуются потоки античастиц. Часто ли это происходит? Первая «заявленная цифра» – 130 раз за два с половиной года работы – не означает ровным счетом ничего. Или значит только одно: этот феномен есть. Он наблюдается на нашей планете. Специалисты, работающие с телескопом «Ферми», предполагают, что ежедневно в разных уголках Земли во время гроз происходит около 500 всплесков гамма-излучения, устремляющегося прочь от Земли. Однако в большинстве своем они остаются незамеченными, поскольку их не регистрирует, разумеется, ни один наземный детектор.

А, кстати, если вернуться к гипотезе Гуревича, может, именно всплески гамма-излучения становятся тем «спусковым механизмом», после срабатывания которого небосвод освещает молния, размышляют исследователи на страницах журнала Geophysical Research Letters. В любом случае полученные результаты приближают нас к пониманию того, что происходит во время грозы.

 

Загадки шаровой молнии

Молнии, рассекающие небо, словно орудийные залпы, канонада грома, свист ветра, как пуль, и затем, один за другим, удары града. Как никакое другое явление природы, гроза похожа на войну. Здесь Небо вступает в сражение с Землей, и все вокруг содрогается, напуганное этой борьбой. С глубокой древности многие народы почитали бога грозы верховным божеством небесного пантеона. Поистине у этого властителя небес неистощимый запас сил! Каждый час во всем мире 3000 раз бушует гроза. Каждый час более 100 тысяч молний вонзаются в притихшее тело Земли, и этим страстям не видно конца.

Лучше всего в грозу сидеть дома, посматривая в окно на то, как потемневшее – массивное, словно торт, – небо режут вкривь и вкось золоченые лезвия молний. Но и тут – с кем-то это бывает! – прямо к вам, проникая сквозь стекло, может вплыть огненный шар.

Тысячи людей наблюдали шаровую молнию, и все-таки никто не знает, что скрывается за этим странным феноменом.Природа шаровой молнии таит немало загадок. При ее описании ученые вынуждены полагаться лишь на отдельные свидетельства очевидцев, из которых явствует, что она представляет собой матовый шар оранжевого, желтого или красного цвета, светящийся как лампочка в 60 ватт, что величиной она бывает то с апельсин, то с футбольный мяч, что она парит, перемещаясь со скоростью пешехода или бегуна, движется плавно, бесшумно и что ее наблюдают от десятка секунд до нескольких минут. Эти скупые рассказы да горстка фотографий – вот все, чем располагает наука.

Австрийский метеоролог Александр Койл провел статистический анализ 400 сообщений, оставленных теми, кому доводилось видеть шаровую молнию. Чаще всего – в 90 % случаев – ее видели перед грозой, во время грозы или сразу после того, как непогода стихала. В 87 % случаев шаровая молния появлялась в летние месяцы. Почти всегда она имела идеально круглую форму, ее диаметр составлял примерно 30 сантиметров. По прошествии 5 секунд она, как правило, исчезала, хотя некоторым доводилось видеть ее в течение 15 минут. Примерно в каждом четвертом случае она проникала в закрытое помещение. В половине случаев взрывалась с громким хлопком.

Природа шаровой молнии таит немало загадок

Как полемично заявил один из ученых, мы знаем о шаровой молнии не больше, чем древние египтяне ведали о природе звезд. Но все же мы хотя бы представляем себе ее свойства – а потому можем признать ложными самые сенсационные сообщения, например, о мощных взрывах шаровых молний, разрушавших целые здания. В среднем из тысячи описаний подобных молний можно по пальцам одной руки пересчитать число встреч с ними, закончившихся трагически, да и то из этих рассказов неясно, пострадали ли люди именно от шаровой молнии, или причина была в чем-то другом, отмечал российский исследователь Игорь Стаханов.

Что же касается ее природы, то на сегодняшний день имеется более 100 гипотез, претендующих на объяснение физической сути шаровой молнии. Однако ни одна из них не нашла убедительного подтверждения. Кто-то говорит, что шаровая молния – это сгусток плазмы. Но какая сила удерживает его, не дает этому шару распасться? Кто-то видит в ней миниатюрную черную дыру, а кто-то – стянутое в узел энергетическое поле. А может быть, шаровая молния – это всего лишь оптический обман? Что, если сверкнувшая вблизи стрела молнии так сильно раздражает сетчатку человеческого глаза, что тот какое-то время видит перед собой медленно плывущий огненный шар?

Исследования шаровой молнии ведутся уже несколько веков. В свое время получить ее искусственным путем пытались и Никола Тесла, и Петр Капица. И все равно ученые пока не располагают теорией, которая бы объясняла и само появление этой молнии, и описывала феномены, ее сопровождающие. Есть только отдельные гипотезы.

А может быть, в случае с шаровой молнией речь вообще идет о нескольких феноменах разного происхождения, которые мы пытаемся описать «одной формулой»? На эту же мысль наводят и некоторые новые эксперименты, проведенные в последние годы и вызвавшие интерес у специалистов.

В 2000 году журнал Nature представил работу новозеландских химиков Джона Абрахамсона и Джеймса Динниса. Они показали, что при ударе молнии в почву, содержащую диоксид кремния (в природе, например, это кварц, из зерен которого в основном и состоит обычный песок), тот разлагается на составляющие его вещества – в частности, выделяются крохотные, размером в нанометры, частицы кремния. Они сливаются в пылинки, образующие в воздухе небольшое облачко в виде шара. Другие вещества испаряются, и их восходящие пары поднимают этот шар, наружные слои которого окисляются – сгорают – при соприкосновении с атмосферным кислородом. Количество излучаемой им световой энергии примерно соответствует силе свечения шаровой молнии, как об этом рассказывают очевидцы. Когда оболочка шара, состоящая теперь из оксида кремния, разогревается и плавится, весь содержащийся внутри кремний мгновенно окисляется. Происходит взрыв шаровой молнии.

Эта гипотеза дает ответ на вопрос, почему шаровые молнии проникают сквозь оконное стекло. Возможно, кремниевые пылинки настолько малы, что способны просачиваться сквозь мельчайшие трещинки в оконном стекле и раме. Оказавшись в комнате, они снова скручиваются в шар. Впрочем, пока подобная «телепортация» вещества осуществима только на бумаге – в теоретических расчетах. Воспроизвести ее в лабораторных условиях не удавалось. К тому же эта гипотеза не может объяснить все случаи наблюдения шаровых молний.

В 2004 году российские физики Антон Егоров, Сергей Степанов и Геннадий Шабанов описали схему установки, на которой им удавалось получать шаровые разряды, названные ими плазмоидами и напоминавшие шаровую молнию. С помощью разряда в 5000 вольт они испаряли две капли воды, которые находились на электроде непосредственно над поверхностью воды. Частицы плазмы, образовавшиеся при электрическом разряде, окутывались облачком из молекул воды и охлаждались. Температура плазмоида составляла всего 60 °С. Исследователи накрывали этот светящийся шар листом бумаги, но тот не воспламенялся. Если же шар насыщался водородом, то он взрывался, как это и случается порой с шаровой молнией. Впрочем, плазмоиды исчезали уже через секунду. Шаровая молния живет дольше. Кроме того, она возникает не только во время дождя и не только рядом с водой. Значит, есть и какой-то другой механизм зарождения подобных молний.

В 2006 году физики Владимир Дихтярь и Эли Йерби из Тель-Авивского университета наблюдали в лаборатории светящиеся газовые шары. Генерируя их, они разогревали в микроволновом поле кремниевый субстрат, пока тот не испарялся. В воздухе появлялся желтовато-красный шар диаметром около 3 сантиметров, состоявший из ионизованного газа (как видите, он был заметно меньше шаровой молнии). Он медленно плыл в воздухе, ничуть не меняясь. Температура его поверхности достигала 1700 °С. Подобно обычной молнии, он притягивался к металлическим предметам и скользил вдоль них, а вот проникнуть сквозь оконное стекло не мог. В этих экспериментах стекло лопалось, соприкоснувшись с ним. Однако искусственная молния существовала лишь до тех пор, пока не отключался источник излучения. Очевидно, в природе шаровые молнии порождены не микроволновыми полями, а электрическими разрядами. В любом случае исследование подобных молний допустимо в лабораторных условиях.

 

Запишите на ваши водофоны!

Вода не похожа на другие жидкости. Она полна тайн; она не перестает изумлять нас своими свойствами. Порой она ведет себя так, словно законы физики и химии писаны вовсе не для нее. Так, по теории вода должна быть твердым телом. Однако она пребывает в жидком состоянии. Почему?

Многие аномалии воды, очевидно, обусловлены ее особой молекулярной структурой. Химическая формула воды известна всем. Ее молекула (H2О) представляет собой соединение молекул двух газообразных веществ – водорода (H2) и кислорода (O2). Значит, «газ» плюс «газ» дает в сумме «жидкость»? Это все равно что заявить «четное число» плюс «четное число» дает в сумме «нечетное число».

Почему же сумма двух газовых молекул стала молекулой жидкости? Вместо того чтобы гадать на кофейной гуще, в коей нет ни капли воды, рассмотрим лучше молекулу H2О. Она напоминает массивную «голову» с двумя отростками-щупальцами. «Голова» – это отрицательно заряженный атом кислорода; «щупальца» – положительно заряженные атомы водорода.

Вода – одна из самых загадочных субстанций

В жидкой воде эти молекулы пребывают в постоянном движении. Стоит им сблизиться, как между ними образуется так называемый водородный мостик. Вода должна быть твердым телом именно благодаря подобным мостикам. Однако напоминают они питерские, а не московские мосты: они разводные; они периодически поднимаются и опускаются. Поэтому молекулы регулярно меняют место расположения. Новые водородные связи возникают и через мгновения распадаются. Так же быстро образуются новые союзы – кластеры, в которые входят другие молекулы воды. Всё это повторяется снова и снова. Подобный процесс во многом определяет свойства этой удивительной жидкости.

Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы воды. При очень высокой температуре у них достаточно энергии, чтобы разорвать связи, скреплявшие их. Молекулы водяного пара летают по комнате, словно теннисные мячи. Зато, когда температура опускается ниже точки замерзания, хаотическое движение молекул воды прекращается. Они замирают, образуя неподвижную сеть.

Есть у этой загадочной жидкости и другие секреты. Тридцать лет назад исследования воды вызвали целую бурю в медицине. Вполне возможно, заявляли некоторые ученые, вода обладает памятью.

Подобные слова льют воду на мельницу гомеопатов. Значит, если молекула лекарства хоть немного побудет рядом с молекулой воды, то последняя запомнит свою соседку: на ней «отпечатается» облик лекарства. В таком случае даже дистиллированная вода будет обладать целебными свойствами, если «запомнит» добавленную в нее капельку медикамента.

«Бессмыслица! Чушь!» – возмутилось большинство ученых. Это все равно что сказать: зеркало запоминает отражения людей, промелькнувших перед ним. Стоит поскрести любое зеркало в доме, как за пышным цветом нынешнего дня проступят очертания генеалогического древа. «Бессмыслица! Чушь!»

Французский иммунолог Жак Бенвенист, особенно рьяно доказывавший «память воды», подвергся остракизму. Его критиков не волновало, что эта гипотеза давно зарекомендовала себя в гомеопатии. Однако новые эксперименты показали, что чистая вода, возможно, и впрямь запоминает действие других веществ и транслирует его.

Профессор биохимии Мадлен Эннис из Королевского университета в Белфасте, убедившись в этом странном поведении воды на собственном опыте, признала: «Я занимаюсь естественными науками и вообще не могу объяснить результаты испытаний». Вместе с коллегами она экспериментировала с пробами воды, в которые добавляли мизерное количество постороннего вещества: его было так мало, что методами химического анализа обнаружить примесь было нельзя. Однако с биологической точки зрения эта – почти дистиллированная – вода действовала так же, как само подмешанное к ней вещество.

Необъяснимый эффект! Скептически настроенная к гомеопатии, где в ходу как раз такие растворы и препараты, Эннис взялась за проведение опыта, чтобы навсегда отмести эту «лженауку». Теперь же она отказывалась верить результатам, полученным ею самой. Результаты же пока непонятны. Волны критики обрушиваются на исследователей, но не могут смыть «это позорное пятно с лица науки». Как вспоминала Эннис, «мы пытались найти возможную ошибку, но все напрасно».

В эксперименте участвовали четыре лаборатории из Франции, Италии и Бельгии. Координировал их работу профессор Робефруа из Лёвенского университета (Бельгия). Во время опытов их участники не знали, в каких пробах воды действительно содержатся примеси, а в каких – лишь их гомеопатические дозы. Ведь растворы разводились сотрудниками других учреждений.

Каков же результат? Во всех четырех лабораториях пришли к одному и тому же результату: «заряженная» вода – а как еще прикажете назвать воду, в которой не было химически ощутимых примесей других веществ? – все же действовала. Вопреки тому, что считают химики, биологи и фармакологи! Мадлен Эннис уверена в одном: «В ближайшее время все больше медиков займутся серьезными исследованиями в этой области».

Когда волны, вызванные спорами вокруг опытов, улеглись, стало ясно, что зашиканный и зачумленный Жак Бенвенист вполне может быть причислен когда-нибудь к «революционерам в науке». Впрочем, сам он себя таковым как раз и считал. Незадолго до своей смерти он настаивал, что грядут новые, крупные открытия. Ведь, по его мнению, вода может не только запоминать и накапливать информацию, но и с помощью усилителя транслировать ее в виде электромагнитных сигналов. «Вода напоминает чистую аудиокассету, на которой можно сделать любую запись», – отмечал Бенвенист.

По его теории возможно следующее: если растворить в воде таблетку аспирина, то молекулы воды воспримут информацию, содержавшуюся в лекарстве, а потом транслируют ее. Эти сигналы можно усилить; для этого нужен лишь подходящий усилитель. Если подвергнуть пациента действию подобных сигналов, то для него это все равно что принять аспирин. С помощью Интернета и телефона можно передавать эти сигналы на большие расстояния. Фантастика? Выдумка? Согласится ли когда-нибудь строгая наука с его выводами?

Интересно, что сказала бы строгая наука лет двести назад, если бы один из физиков, задумчиво разглядывая магнит, неожиданно молвил: «Знаете ли, сударь, если с помощью вот этого куска металла намагнитить тонкую металлическую ленту, то любые слова, произнесенные вами, мной или другими вашими гостями, прилипнут к этой ленте. Стоит когда-нибудь, пусть и через много лет после нашей беседы, поднести ту же ленту к магниту, как в опустевшей комнате вновь послышатся слова – мои и ваши. Будто заговорили два привидения! Сударь, этот металл запомнит все – даже ваше удивленное присвистывание. Вы по-прежнему полагаете, что в моих словах есть выдумка?»

Так неужели и толща воды, словно ферромагнитный слой аудиокассеты, способна хранить, например, сказанное? И может быть, мы научимся считывать с ленты воды новости ушедших времен? Что, если все наши чувства, весь опыт накапливаются в воде?

В 2010 году в интервью журналу Nature нобелевский лауреат Люк Монтанье сказал, что Бенвенист «думал в основном правильно», но «был отвергнут всеми, потому что смотрел далеко вперед». Очевидно, в скором времени мы узнаем еще немало сенсационного об этой, казалось бы, заурядной жидкости – воде. Эта безжизненная стихия, объемлющая земной шар, на поверку оказывается умна, памятлива, прихотлива и наделена еще неведомыми нам талантами.

 

Самое загадочное вещество во вселенной: лед

Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. Вот он, под тонкой снежной крупой, – так явственно ощутим. А знаем ли мы, что такое лед? На первый взгляд это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности лед таит в себе множество загадок. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить. Другие тайны разгаданы лишь недавно.

Вот, например, бег на коньках. Почему коньки скользят по льду? На других твердых веществах, таких как дерево или бетон, они вовсе не скользят. Еще пару десятилетий назад ученые давали следующий ответ: под узкими полозьями коньков создается высокое давление, и лед плавится. Конькобежец катится не по льду, а по скользкой, залитой водой колее. В это верили поколения физиков и химиков, но такое объяснение было ошибочным.

Ошибка выявилась в середине 1990-х годов, когда американские ученые использовали для наблюдения за происходящим новейшую электронику. Поверхность ледовой дорожки и впрямь была залита водой, но, удивительное дело, она выступала даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре порядка —60 °С поверхность льда становится вязкой. Тогда и скользить на коньках будет проблематично. Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда.

Еще одна любопытная его особенность откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: они склеиваются! Молекулы их поверхностных слоев крепко соединяются, связывая ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома – иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.

Некоторые свойства льда ученые так и не сумели пока объяснить

Кстати, лед льду – рознь. При низких температурах и высоких давлениях мы будем иметь дело с другими модификациями льда. Сколько их, не знает никто. Всего, по данным на 2011 год, известно 16 кристаллических и 5 аморфных форм льда. Последние не имеют кристаллической структуры. В частности, ледяные облака в межзвездном пространстве (их температура составляет —260 °C) состоят из аморфного льда.

Одной из самых экзотичных форм является, наверное, лед Х. Он образуется при давлении, которое в миллионы раз превосходит атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, ежели на игольное ушко взгромоздить автомобиль. Эта модификация льда с симметрично расположенными водородными мостиками была открыта в 1999 году сразу тремя группами исследователей из Франции, Японии и США. Еще до этого было известно, что подобная форма льда должна хорошо проводить электрический ток, разительно отличаясь от знакомого нам льда.

Некоторые модификации льда образуются даже при плюсовых температурах. Предпосылкой к тому – сверхвысокие давления, которые встречаются только в космосе.

В мощном электрическом поле вода может превращаться в лед даже при комнатной температуре. Это показали опыты физика Хён Кана из Сеульского университета, о которых сообщал в 2005 году журнал Physical Review Letters. В его лаборатории вода, точнее водяная пленка, отвердевала в поле напряженностью около миллиона вольт на метр. В естественных условиях столь мощные поля можно наблюдать в грозовых облаках; возникают они и в некоторых нанотехнологических конструкциях.

Удивительно, но лишь одна из этих модификаций не тонет в воде, а плавает по ее поверхности – разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Причина кроется в особенности ее строения: в ее кристаллах молекулы располагаются очень свободно; между ними имеются огромные зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в такой знакомый – и загадочный – лед, или, как называют его ученые, лед Ih, расширяется. Ее объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая», легкая структура. Она представляет собой сеть из шестиугольников с огромными полостями посредине. В такой кристаллической решетке расстояния между молекулами льда заметно больше, чем между хаотично движущимися молекулами жидкой воды. Наличие многочисленных полостей обусловливает малую плотность этой модификации льда. Насколько это важно, показывает простой умозрительный эксперимент. Представим себе, что вода перестанет расширяться при замерзании. Как изменится наш мир?

Для начала хорошие новости: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с минеральной водой. Наконец, плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга – эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.

Теперь новости похуже. Их возвещают крики зверей и молчание рыб. Легко догадаться, что полярных медведей перемена льда ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до толики небольших островов, затерянных в Северном Ледовитом океане, ведь лед, сковывающий его, неминуемо пошел бы ко дну. Погибли бы и рыбы, населяющие реки и озера в северных широтах Евразии и Америки, ведь эти водоемы в зимнюю пору промерзали бы до дна.

Продолжим наше путешествие по Земле изменившегося льда. Здесь стало несравненно теплее. Сейчас льды, покрывающие полярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха, проникшие в них при застывании воды. Подобный лед почти идеально отражает солнечные лучи. Когда огромные массы льда потонут в водах северных морей, поверхность Земли станет темнее. Она будет лучше поглощать солнечный свет, и, как следствие, земная атмосфера разогреется. Постепенно растает ледяной щит, покрывающий сейчас Антарктиду. Уровень моря возрастет. Портовые города скроются под толщей воды.

Пока же из этих городов мы запросто можем отправиться туда, где само море бывает сковано льдом. Морской лед напоминает скорее пористую губку, чем знакомый нам речной лед. Зато он изобилует живыми организмами. По большей части, это – одноклеточные водоросли. По предположению ученых, эти организмы служат центрами кристаллизации льда. Вокруг них формируются кристаллики льда. Потом они всплывают на поверхность моря и скапливаются здесь. Волны нагоняют в эту ледяную кашицу все новые растения, все новые микроорганизмы. Можно сказать, что морской лед насыщен планктоном так же, как и морская вода. Большая часть этих организмов может не только жить в толще льда, но и размножаться здесь. Впрочем, некоторые планктонные организмы в летние месяцы, когда тает лед, высвобождаются из ледяного плена, размножаются в открытой воде, а с наступлением холодов снова укрываются среди льда, какой бы неуютной – низкая температура, высокая соленость, отсутствие света – ни казалась эта среда обитания для всего живого. Эти организмы – от одноклеточных и диатомовых (кремнистых) водорослей до червей и рачков – населяют, прежде всего, многочисленные каналы и полости, усеивающие толщу морского льда и достигающие в поперечнике нескольких миллиметров.

Только в антарктическом паковом льде обитает от 200 до 300 видов диатомовых водорослей, в арктическом льде – еще около 300 видов. В одном литре растаявшего льда можно встретить до нескольких сотен миллионов живых клеток.

 

В горах льду не место?

Ледники покрывают высокогорные районы нашей планеты. Ими скованы полярные острова и даже целый континент – Антарктида. Они – главные хранители пресной воды. Три четверти всех ее запасов сосредоточены в этих громадных шапках льда, которые нависают над простертыми долинами, подминают под себя обширные области суши, питают многочисленные реки и ручьи. Справедливости ради следует отметить, что 99 % всей этой воды содержится вдали от цивилизации – в Антарктиде и Гренландии.

Эти ледяные колоссы кажутся неколебимыми, но они очень чувствительны к любым изменениям климата. По мере того как средняя температура на планете растет, они все заметнее сдают прежние позиции. Какая судьба ждет ледники в ближайшие десятилетия? Сохранятся ли они? И что страшного в том, что они могут исчезнуть? Может быть, мы понапрасну тревожимся?

Движение ледника

Ежегодно ледники во всем мире (не считая ледяных щитов Антарктиды и Гренландии) теряют около 150 миллиардов тонн льда. Если же добавить и исключенные нами области, то общие потери составят 230 миллиардов тонн в год. Это определили с помощью спутниковых наблюдений, сообщил в 2012 году журнал Nature. Если бы можно было собрать лед, растаявший на планете с 2003 по 2010 год, то всю территорию США удалось бы покрыть слоем воды высотой почти полметра.

Большинство ледников тают уже на протяжении последних полутора веков, но с конца 1980-х годов этот процесс заметно ускорился. Этому способствовало и глобальное потепление и, например, даже то, что поверхность многих ледников в результате нашей промышленной деятельности постепенно покрылась копотью, приносимой ветром. Потемневший лед сильнее поглощает солнечный свет и разогревается.

По прогнозу ученых, к 2100 году исчезнут до 50 % горных ледников. Последствия их таяния драматичны. Привычные для нас пейзажи исчезают. Белое безмолвие гор сменяется серой скукой камня, помноженного на камень. Серебро снега и льда, блиставшее в переливах солнца, теперь тускло темнеет, превращенное даже не в узорчатые черепки – в безликую гальку и пыль. А еще неутомимая работа природных сил перемежается катастрофами. То с грохотом распадется скала, усеивая своими обломками дно разверзшейся перед ней пропасти. То, не остановленный ледником, промчится грязевой поток. То озеро, образовавшееся после таяния льда, прорвет естественную преграду, вставшую у него на пути, и выплеснется в обжитую людьми долину, сметая все подряд. Эти миллионы литров воды, промчавшиеся с огромной скоростью, будут ломать деревья, как спички, скидывать здания, как картонки.

За редкими исключениями ледники тают повсюду. Так, всего за полтора века от ледовых альпийских полей времен Бальзака и Гейне осталось не больше половины. В Австрии освободились ото льда склоны гор, которые были покрыты им на протяжении последних 13 столетий. Но самые важные события впереди. По прогнозу ученых, уже через 15 лет начнется массовое таяние здешних ледников. Их толщина в Альпах составляет в среднем 30 метров. Сейчас каждый год растаивает метровый слой льда, то есть ледники теряют за год примерно 3 % своей массы. Нетрудно подсчитать, что если нынешнее потепление продолжится, то небольшие ледники, как и ледники средних размеров, исчезнут уже к 2050 году.

При этом скорость таяния альпийских ледников, похоже, лишь нарастает. Чем меньше площадь, занимаемая ими, тем меньше солнечного света отражается от их поверхности и рассеивается в околоземном пространстве. Там же, где ледников нет, темный каменистый грунт только сильнее прогревается солнцем. Поэтому соседние ледники тают все быстрее.

Остановить происходящие сейчас изменения уже нельзя, считают многие экологи. Можно разве что их замедлить. А ведь ледники не только украшают Альпы и привлекают сюда многочисленных туристов и любителей горных лыж. Талая вода ледников питает такие крупные реки, как Рона и Рейн. После 2025 года уровень воды в них начнет понижаться.

Таяние ледников в Альпах приведет к появлению здесь новых горных озер. Со временем Швейцария превратится в озерный край. Здесь возникнет еще от 500 до 600 озер. Глубина некоторых достигнет 100 метров. Их вполне можно сравнить с водохранилищем средних размеров.

В то же время эти озера таят немалую опасность. Они могут размыть горный склон и вызвать оползень. Если они прорвут преграду (будь то каменная стена или ледяная гряда), отделяющую их от лежащей внизу долины, это грозит катастрофическим наводнением. Поэтому возле подобных озер надо возводить плотину, но с ее появлением пропадет былое очарование пейзажа.

Опасность же грязевых лавин и оползней возрастает еще и потому, что с исчезновением ледников в горных районах тает и мерзлота, которая порой на пару сотен метров вглубь сковывала и скрепляла здесь грунт. И вот земля, казавшаяся неколебимой опорой, станет вдруг рыхлой и зыбкой. Покосятся и поползут к уступам скал построенные близ вершин домики для отдыхающих; опрокинутся опоры подъемников, служивших любителям горных лыж. Что там эти постройки? Даже каменные глыбы, прежде словно приклеенные друг к другу мерзлотой, теперь расшатаются, станут срываться в пропасть.

Глобальное потепление ускоряет эрозионные процессы в горах. Мощные гряды льда прежде подпирали горные склоны; теперь, оставшись без этой опоры, те начинают обваливаться. Так, в 1997 году рухнула часть одного из склонов Монблана. Осыпалось около 7 миллионов кубических метров снега и льда. В 2004 году обрушилась вершина одной из скал в Южном Тироле – 2 миллиона кубометров камней устремилось в долину.

Несколько лет назад швейцарские ученые, исследовавшие ледники в Альпах, обратили внимание еще на одну опасность, исходящую от них. Они обнаружили в горных альпийских озерах давно не используемые яды – диоксины и ДДТ. Как выяснилось, те попадают сюда вместе с талой ледниковой водой, питающей озера. Почти полвека они пролежали в толще ледника, словно в надежном хранилище, но вот теперь их склад обветшал, прохудился.

Схожие сообщения приходят и из других районов планеты. Ледники отступают повсеместно. Сильнее всего они тают сейчас в арктических областях Канады, на Аляске и в Патагонии – на юге Аргентины и Чили. Так, за последние 40 лет площадь, занимаемая Южным Патагонским ледовым полем, третьим по величине ледником мира (после Антарктиды и Гренландии), сократилась более чем на 500 квадратных километров. Горные системы Центральной Азии пока еще покрыты обширными ледниками, но те тоже постепенно уменьшаются в размерах.

Для сотен миллионов людей в Индии, Китае, Непале и других государствах Центральной и Южной Азии важнейшим источником пресной воды являются Гималаи, поскольку здешние ледники питают многочисленные реки. В последние годы многие опасались очень быстрого таяния этих ледников. Однако из доклада международной группы исследователей, опубликованного на страницах Science в 2012 году, явствует, что льды, покрывающие склоны этих величайших гор, тают медленнее, чем ожидалось. Прежние предсказания о том, что большая часть гималайских ледников исчезнет уже к 2035 году, ничем не обоснованы. Можно предположить, что в ближайшие десятилетия их таяние заметно не повлияет на уровень воды в таких крупных реках, как Инд, Ганг и Брахмапутра.

Но это, похоже, лишь временная отсрочка. Ледники словно бегут от нас, оставляя один на один с проблемами, которые нам придется решать десятилетиями, столетиями. На наш век хватит.

 

Ледники Гренландии: ключ к прошлому и будущему

Невыносимый холод, бескрайние ледники и вольготно разгуливающие белые медведи – такая картина предстает перед нашими глазами, стоит только подумать о Гренландии. Однако этот уникальный ландшафт, хранящий многие тайны прошлого, может исчезнуть. Чем это грозит нашей планете?

На первый взгляд кажется, что с отступлением ледников, которые «держат под спудом» десятую часть суши, территория, пригодная для расселения людей, увеличится. На самом деле со временем она заметно уменьшится. Таяние ледников лишь способствует тому, что уровень Мирового океана растет. Отступая на одном – маловажном – фронте, проигрывая горную войну, вода (лед ведь замерзшая вода) берет реванш у суши на другом – главном – театре военных действий. Вековая борьба двух стихий, воды и земли, вновь закончится ожидаемым разгромом последней. Когда-нибудь океан затопит многие низменности и острова. Мы потеряем лучшее, обжитое. Обретем неприступный камень горных склонов.

В наши дни Земля каждый год теряет неимоверное количество льда. В конце концов, талая вода стекает в море. Однако оценить ее объем до недавних пор не представлялось возможным. Во всем приходилось полагаться на догадки. Ведь на планете насчитывается более 200 тысяч ледников, но регулярные наблюдения ученые вели лишь за несколькими сотнями из них – в основном за ледниками, расположенными в Альпах.

Между тем за последние полтора века уровень воды в Мировом океане ежегодно повышался на пару миллиметров. По большей части этот прирост был вызван тепловым расширением воды, ведь средняя температура на планете за это время увеличилась почти на градус. Однако и таяние ледников внесло свою лепту.

Теперь судьба морей всей нашей планеты решается в Арктике. Дальнейшее повышение уровня Мирового океана во многом зависит от скорости таяния ледников Гренландии. Почти 80 % территории крупнейшего острова Земли покрыто льдами. Их высота достигает трех с половиной километров. Но так ли незыблем их покой?

Страна эскимосов, страна вечного льда, меняется на глазах. Ледники тают, соскальзывают в море. Неужели Гренландия скоро останется безо льда? Самые крупные ее ледники удерживают, словно скобой, ледяной щит, покрывающий остров. И если они растают, то тогда и щит стронется с места, медленно покатится в сторону моря. В таком случае его уровень повысится заметно сильнее, чем принято ожидать.

Но что мы доподлинно знаем об этих ледниках? С какой скоростью они тают? Эти вопросы давно вызывают споры среди ученых. Пока ими исследована лишь часть Гренландии. Соответственно, разнятся и перспективы многих прибрежных областей и городов.

Впрочем, в 2012 году на страницах журнала Science была опубликована статья, авторы которой отвергли самые мрачные прогнозы. По всей видимости, скорость таяния ледников Гренландии заметно разнится – так же как и скорость, с которой они сползают в море. Основываясь на результатах спутниковых наблюдений, Твила Мун из университета штата Вашингтон и ее коллеги впервые составили карту, на которой указаны скорость движения почти 200 ледников Гренландии, начиная с 2000 года.

Это позволило отбросить некоторые предвзятые гипотезы. Оказалось, что ледники Гренландии тают медленнее, чем предполагалось. Расчеты показывали, что за последние 10 лет скорость их движения на северо-западе и юго-востоке острова, в том числе ледника Кангерлуссуак, крупнейшего в Гренландии, должна была удвоиться. Вместо этого она возросла лишь на 30 %. Кроме того, некоторые ледники за это же время замедлили свое движение или же, в лучшем случае, сохранили свою прежнюю скорость.

Как отмечают исследователи, поведение ледников Гренландии год от года меняется, они пульсируют. Поэтому невозможно предсказать, что произойдет с ними в ближайшие годы, даже зная, как они менялись за последние десятилетия. Мы не знаем, таков приговор, будут ли они и дальше таять или же начнут расти.

Ледники Гренландии представляют особый интерес для климатологов

Так что успокаиваться рано. Известно одно: эти ледники очень чувствительны к глобальному потеплению. Сейчас, например, самые крупные ледники на севере Гренландии почти не тают. Но вполне может быть, что в ближайшие десятилетия произойдут резкие изменения климата, которые как раз и вызовут их бурное таяние.

Между тем в 2012 году на страницах журнала Nature Climate Change была обнародована компьютерная модель. Она показывает, что уже при повышении средней температуры на планете всего на 0,8 °С начнется необратимый процесс таяния ледников Гренландии.«Его не остановить, даже если через много тысячелетий климат снова станет таким же, каким был до начала индустриализации», – отмечает руководитель проекта Андрей Ганопольский из потсдамского Института исследования климата.

Дело в том, что между таянием ледников Гренландии (как и ледников вообще) и климатом есть устойчивая обратная связь. Чем больше сокращается площадь, занятая льдами, тем меньше солнечного света, падающего на них, они отражают. Наоборот, участки земной поверхности, освободившиеся ото льда, интенсивно поглощают солнечный свет, а потому все заметнее прогреваются. Кроме того, верхние слои ледников Гренландии лежат на высоте более 3000 метров над уровнем моря. Чем сильнее будут таять ледники, тем очевиднее будет уменьшаться их высота, а чем ближе мы находимся к поверхности Земли, тем теплее становится воздух, тем сильнее будут таять ледники, тем очевиднее будет уменьшаться их высота, а чем ближе… Маховик потепления раскручивается.

Разумеется, сказанное не означает, что ледяной щит Гренландии растает, как апрельские сугробы за окном, – прямо на наших глазах. Его таяние продлится… 50 тысяч лет (для сравнения: именно столько времени прошло с тех пор, как человек современного типа расселился в Европе).

Но чем выше будет средняя температура, тем быстрее будут таять льды. Например, если мы не сократим выбросы парниковых газов, то температура в Гренландии к концу нынешнего века возрастет в летние месяцы на 8 °С. В таком случае льды Гренландии практически полностью растают «всего» за 2000 лет, причем уже к 2500 году исчезнет 20 % здешних льдов. За последние 2000 лет на нашей планете не происходило ничего подобного этому. Как быстро будет расти уровень океана? Как изменится в этой связи географическая карта мира? Чего ожидать и бояться сотням миллионов людей, проживающих близ побережья? Всё это – важнейшие вопросы, которые интересуют исследователей климата.

Таяние ледяного щита, сковывающего Гренландию, можно рассматривать как одно из самых драматичных последствий глобального потепления. Если он когда-нибудь полностью растает, уровень Мирового океана повысится на 7 метров. «И это уже очень серьезно, – отмечает на страницах журнала “Знание – сила” академик В.М. Котляков. – Тут уже в опасности оказываются и Нью-Йорк, и Петербург, и Голландия, и даже наша Западная Сибирь, которая находится почти на уровне океана».

Другая опасность. Таяние гренландских ледников приведет к тому, что содержание соли в северной части Атлантического океана понизится. Уменьшится плотность морской воды. Она перестанет погружаться в глубь океана близ берегов Исландии. В конце концов, это изменит характер морских течений у берегов Европы. Гольфстрим остановится и не будет больше обогревать побережье Старого Света. Впрочем, пока еще неясно, окажется ли эффект от остановки Гольфстрима сильнее, чем глобальное потепление.

 

Реки, вулканы, горы – и это всё Антарктида!

У Антарктиды – два лица. Одно, явленное всем, бледное как смерть. На деле же это маска, надетая миллионы лет назад и донельзя примерзшая. Под ней – настоящее лицо. Только теперь мы начинаем понимать, что потеряли, когда снежная маска отрезала от внешнего мира подлинный лик Антарктиды. Если бы можно было стряхнуть эту массу снега и льда, придавившую далекую отшельницу, то открылась бы неожиданная картина.

Перед нами лежала бы горная страна, этакая оконечность Анд, изрезанная множеством долин, по которым бежали бы потоки, и котловин, затянутых ледяной синевой горных озер. Самое большое из них – озеро Восток. Здесь же протянулись, словно звенья одной цепи, еще несколько крупных озер. Но подавляющее большинство их, рассыпанных по каменистой тверди континента, совсем невелико. Их длина не превышает 20 километров, а глубина – сотни метров. Лишь в последние годы этот водный мир предстал перед нами, пусть только на картах, в подлинном своем величии. Общее число озер – 180 – внушает уважение. К тому же, по догадкам ученых, подо льдами Антарктиды скрывается гораздо больше озер: триста, четыреста, может быть, даже пятьсот.

Вид Антарктиды из космоса и ее рельеф

А ведь еще пару десятилетий назад ученые представляли себе ледяной панцирь Антарктиды чем-то вроде бетонной плиты, припечатавшей континент. Но плита оказалась с секретом. Ее нижняя часть не придавила эту полярную землю, а бережно укрыла ее, словно платком. Под ней продолжали бежать реки, мирно светились зеркала озер. Теперь их число растет с калейдоскопической быстротой.

Что же до здешних рек, то своим норовом некоторые напоминают горные потоки. Вплоть до недавнего времени ученые полагали, что реки, находящиеся под ледяным щитом Антарктиды, почти недвижимы. Однако, по данным спутниковых наблюдений, это не так. Вода из одного озера может внезапно перелиться в соседний бассейн. Озера то наполняются водой, и тогда лед над ними слегка приподнимается, то пересыхают (маска, закрывшая их, немного вваливается). Ледяная сила так и не перемогла оживление, царившее здесь. Все реки всё так же текут подо льдом, все озера так же питают своей водой реки, пополняя ее запас за счет того, что постепенно подтаивает дно ледника.

Чем пристальнее мы вглядываемся в здешние озера, тем чаще замечаем, что они проявляют постоянную активность, хотя ледяной щит Антарктиды выглядит очень статичным. Порой реки связывают озера, расположенные в нескольких сотнях километров друг от друга. Это, кстати, осложняет исследование подледного мира Антарктиды. Если мы по недосмотру загрязним одно из озер, то могут пострадать и другие.

Но вот вопрос: как сказывается эта бурная жизнь антарктических вод, все куда-то спешащих, переливающихся, на стабильности ледяного покрова Антарктиды? Не ускоряется ли таяние здешних льдов?

Когда-то любили говорить про «ледяной панцирь, буквально вросший в Антарктиду». Ан нет! Под ним обнаружилась водянистая масса, и лед на ней подрагивает, медленно скользит. В центральной части континента ледяная громада смещается за год на несколько метров, а ближе к берегу ускоряется, перекатываясь за год на 20—50 метров, а случается, что и на несколько сотен метров.

Скользит. Обрушивается в воду.

Если на пути ледника попадаются озера, он ползет еще быстрее. Впервые это доказали в 2007 году американские геологи Робин Белл и Майкл Стьюдингер. Они изучали спутниковые фотографии атлантического побережья Антарктиды и обнаружили сразу четыре неизвестных прежде озера. По ним ледник скользит «как по маслу». Анализ снимков показал, что вблизи озер ледяная громада сдвигается на 5 метров в год, над ними же – на 30 метров.

За перемещениями антарктического льда с тревогой следит весь научный мир. Ведь он сковывает не море, а сушу. Поэтому чем больше льда сваливается в море, превращается в плавучие горы, тем выше становится уровень моря. Между тем в климатических моделях, составленных специалистами из Международного совета ООН по изменению климата, никак не учитывается эта водица, разлитая под толщей антарктического льда. Водица, по которой лед, как на ленте конвейера, устремляется к морю.

Другой вопрос, который беспокоит ученых, таков. Что будет, если огромные количества пресной воды, накопленные в потаенных озерах Антарктиды, перетекут в океан? Вообще-то ответ очевиден. Соленость воды в окрестностях шестого континента несколько изменится, и это может вывести из равновесия всю систему морских течений, которая отлаживалась на протяжении миллионов лет. В далеком прошлом, как убеждаются ученые, не раз случалось так, что антарктические озера прорывали преграду, отделявшую их от океана, и изливались в него.

Итак, под ледяным щитом Антарктиды притаился удивительный мир, путь в который пока заказан человеку. Глядя на экран радара, мы видим не только голубые ленты рек, акварельные мазки озер, но и горные хребты. Около 34 миллионов лет назад Антарктида напоминала современные Анды или, скорее, Альпы. Тогда ее климат был гораздо мягче нынешнего. В летние месяцы средняя температура в ее центральной части достигала 3 °С, а на побережье росли деревья.

Прообразы австрийских или швейцарских пейзажей давно скрылись под километровой маской льда. Но древний рельеф континента сохранился, как убеждаются ученые. В последние годы их внимание привлекает горная система в центре Антарктиды – горы Гамбурцева, названные в честь известного советского геофизика и открытые отечественными исследователями еще в 1958 году.

Как оказалось, именно этот массив, протянувшийся на тысячу с лишним километров, «навел порчу» на Антарктиду. Отсюда 34 миллиона лет назад началось оледенение огромной страны. До этого лишь несколько ледников покрывали высочайшие вершины шестого континента. Но теперь он, говоря словами чеховского героя, «попал в заколдованный круг, из которого нет выхода».

Что же случилось тогда? Естественные колебания орбиты нашей планеты, пишут на страницах журнала Nature британские географы Пол Уилсон и Тоби Тиррелл и их немецкий коллега Агостино Мерико, привели к тому, что лето в Антарктиде на протяжении нескольких тысячелетий было очень прохладным. В высокогорных районах снег не успевал полностью растаять за лето. Каждый год толщина снежного покрова увеличивалась. Он отражал солнечные лучи, рассеивая их в космическом пространстве. По мере того как рос этот покров, Антарктида получала все меньше тепла и все сильнее остывала. Возникла, как говорят исследователи, «положительная обратная связь», и это привело к тому, что со временем весь континент оказался подо льдом. Своей кульминации оледенение достигло около 14 миллионов лет назад,

Под ледяным щитом Антарктиды есть и вулканы, которые могут когда-нибудь проснуться. По-видимому, в последний раз мощное извержение одного из них произошло около 300 года до нашей эры. Тогда раскаленная струя прожгла лед, лежавший над кратером. В небо над Антарктидой взметнулись потоки пепла и каменные бомбы. Высота огненного фонтана достигала почти 12 километров. С тех пор вулкан мирно дремлет под толщей льда.

Долгое время вся Антарктида была чем-то вроде сонного царства. Но в последние два десятилетия здесь делается одно открытие за другим. Белое пятно Антарктиды поистине напоминает пустое полотно, на котором географы, как художники, рисуют новый образ континента. Под снежной маской действительно таится свое неповторимое лицо.

 

Что нас ждет в глубине озера Восток?

Напрасно ледяные просторы Антарктиды называют пустыней. Жизнь не только приспособилась к невыносимому здешнему климату, но и готова терпеть его тысячелетиями. Жизнь приютилась даже под толщей льда, на глубине свыше трех с половиной километров. Там, близ российской станции «Восток», скрывается огромное озеро под тем же названием. Оно полностью отрезано от внешнего мира.

Еще в начале 1960-х годов советские исследователи предположили, что подо льдами Антарктиды может находиться… море пресной воды. В 1963 году советский географ И.А. Зотиков составил карту донного таяния антарктических льдов. На ней хорошо было видно, что в районе станций «Восток», «Амундсен—Скотт», «Берд» идет непрерывное донное таяние, а значит, здесь, под ледяным щитом, должны образоваться озера. Поначалу эта идея была встречена скептически.

В те же годы советские летчики, совершавшие полеты со станции «Мирный» в район станции «Восток», вспоминал И.А. Зотиков, также «видели довольно большие участки поверхности, резко отличавшиеся от остальных. Летчики называли их “озерами”. Они встречались всегда в одних и тех же местах, поэтому их даже использовали для навигации. Озера обладали одной особенностью: были видны с летящих низко над поверхностью ледника самолетов, в стороне от них, то есть когда угол зрения наблюдателя по отношению к поверхности был очень мал. Когда же самолет пролетал над самим озером, его поверхность и границы ничем не отличались от других мест».

В начале 1990-х годов за этим гипотетическим озером закрепляется то же название, что и за станцией, а в 1996 году, после публикации в журнале Nature, известие об озере Восток – «гигантском озере под антарктическим льдом» – стало мировой сенсацией.

Озеро Восток обещает новые открытия

В Антарктиде обнаружились и другие озера, но это – самое крупное. Его длина – около 250 километров; а общая площадь, занимаемая им, составляет примерно 15 700 квадратных километров. По словам В.М. Котлякова, «оно настолько велико, что его контуры просматриваются в планетарном масштабе, со спутников». По своей площади оно ненамного уступает озеру Балхаш, а по глубине – озеру Байкал; в отдельных местах его глубина достигает 1200 метров. Как и Байкал, это озеро, отмечает В.М. Котляков, «заполняет рифтовый участок литосферы – узкую глубокую впадину, образовавшуюся на месте растяжения земной коры – зародыш будущего океана».

Озеро Восток содержит не менее 5400 кубических километров воды (примерно в четыре раза меньше, чем Байкал). Вода здесь пресная или слегка соленая (по сравнению с обычной морской водой). Ее средняя температура: – 3 °С. Однако озеро не промерзло, поскольку вода находится под давлением в 30—40 мегапаскалей, а при высоком давлении точка замерзания воды лежит ниже 0°.

Посредине озера расположен «остров», где земля непосредственно соприкасается со льдом. Этот «остров», напоминающий горную цепь, делит озеро на две почти не связанные друг с другом части, препятствуя водообмену между ними. Поэтому химический и биологический состав в обеих частях озера – северной и южной – может разниться. «Южный водоем» занимает примерно две трети всей площади озера. Он заметно глубже «Северного водоема», чья глубина, пожалуй, не превышает 400 метров.

Нижний край ледяного панциря, сковавшего озеро, лежит прямо на воде, но поверхность его вовсе не горизонтальна. На севере озера лед на несколько сотен метров толще, чем на юге.

Никто пока не видел воочию это озеро. Это – последний крупный водоем, не затронутый деятельностью человека. Здесь безраздельно властвует Природа.

В 1990 году стартовал совместный российско-французско-американский проект. Намереваясь изучить, как менялся климат Антарктиды, исследователи начали бурить лед близ станции Восток. По чистой случайности они выбрали для бурения место именно над озером. К январю 1996 года они достигли уже глубины 3623 метра, и лишь тогда работы были прекращены примерно в 120 метрах от воды, чтобы не загрязнить ее микроорганизмами. К этому времени было доказано, что подо льдом простирается огромное озеро. Анализ льда, извлеченного из скважины, показал, что последние 60 метров ученые бурили уже не ледяной щит, а слой льда, образовавшийся, когда вода у поверхности озера замерзла.

Вот уже 15 миллионов лет озеро Восток скрывается подо льдом. Вероятно, сотни тысяч, а может быть, и миллионы лет оно отрезано от внешнего мира. Озеро Восток, по словам ученых, «это окошко в тот мир природы, в тот климат, который существовал на Земле в далеком прошлом». Большинство его обитателей умерло голодной смертью, но, видимо, некоторые микроорганизмы выжили. Компьютерные расчеты показывают, что озеро Восток в сотни раз беднее питательными веществами, чем Ладожское или Онежское. Однако для бактерий этого достаточно. Вода в озере циркулирует, происходит ее горизонтальное и вертикальное перемешивание. Благодаря этому толща озера насыщается кислородом.

Условия обитания в этом озере нельзя не назвать экстремальными: очень низкая температура, громадное давление, содержание кислорода примерно в 50 раз выше, чем в обычной пресной воде. Тем не менее, по оптимистичной оценке швейцарского географа Альфреда Вюста, в каждом миллиметре воды озера Восток может находиться до миллиона бактерий. Биологи рассчитывают найти здесь не только привычных для нас тихоходок или туфелек, но и уникальные популяции микробов, развившиеся в необычных условиях. Их эволюция протекала независимо от внешнего мира.

Кстати, во время бурения, в слое замерзшей воды, извлеченном из скважины, действительно были обнаружены микробы, но ученые не могут пока точно сказать, идет ли речь об организмах, обитавших в воде озера, или микробы были занесены сюда самими исследователями.

Палеонтологов же очень интересует слой отложений глубиной в несколько сотен метров, образовавшийся на дне озера. Очевидно, здесь можно найти многочисленные останки животных, обитавших в далеком прошлом в самом озере и по его берегам. Ведь когда озеро оказалось отрезано от внешнего мира и здесь стало не хватать пищи, началось массовое вымирание животных, обитавших в его водах. Из-за отсутствия света прекратились процессы фотосинтеза. Это привело к гибели водорослей и других водных растений. Остатки погибших организмов, прежде всего скелеты и раковины, усеяли дно озера и должны были сохраниться по сей день. Их открытие позволит ученым достаточно полно реконструировать мир озера Восток, каким он был, прежде чем оказался погребен подо льдом.

В январе 2011 года руководители Арктического и антарктического научно-исследовательского института в Санкт-Петербурге объявили о планах завершить бурение скважины и взять пробы воды из озера. Последние два-три десятка метров было намечено использовать вместо обычного механического бура термический бур, который расплавит слой льда, скрывающий озеро. Когда поверхность озера будет достигнута, вода устремится в скважину и замерзнет. Пробы свежего льда и будут извлечены исследователями.

8 февраля 2012 года было объявлено, что из скважины, с глубины 3768 метров, удалось извлечь пробу только что замерзшей воды. Предполагается, что в дальнейшем озеро обследует робот. Он возьмет образцы воды и отложения со дна озера. Генетический анализ материала проб даст, наконец, ответ на вопрос: есть ли в озере Восток жизнь?

 

Жизнь зародилась в толще льда?

Вопрос происхождения жизни на нашей планете – одна из главных проблем современной науки. Пока ученым остается лишь гадать и строить гипотезы в попытках понять, каким образом мертвая органическая материя превратилась в первые примитивные формы жизни. Так где же это произошло? Где 4 миллиарда лет назад включился механизм дарвиновской эволюции?

Новые эксперименты ученых свидетельствуют о том, что первые живые организмы могли возникнуть в толще льда, а вовсе не в теплом «первородном бульоне». Эту неожиданную гипотезу выдвинул в 1999 году немецкий физик, норвежец по национальности, Хауке Тринкс.

Поначалу идея казалась абсурдной. Ведь все прежние догадки о происхождении жизни – в каких бы декорациях ни заставляли ученые свершаться это знаменательное событие, будь то на поверхности океана, возле глубоководного источника или же в космосе, далеко от нашей планеты, – объединяло общее начальное условие: жизнь зарождалась в тепле.

Еще памятный эксперимент американского биохимика Стэнли Миллера, проведенный в 1953 году, подтвердил, что в доисторические времена в атмосфере нашей планеты (в данном случае воздушной оболочкой служила смесь аммиака, водорода, метана и водяных паров) при температуре в несколько десятков градусов выше точки замерзания в самом деле могут возникать аминокислоты – составные части белков.

Однако этот эксперимент, вполне пригодный для посрамления верующих с их вечным рефреном «в начале сотворил», вскоре перестал устраивать самих ученых. В дальнейших опытах Миллеру и его последователям так и не удалось получить сложные биомолекулы. Кроме того, состав атмосферы Земли в тот памятный миг «Генезиса», как выяснилось теперь, был иным. Она состояла не из аммиака и метана, которые быстро разлагаются под действием солнечных лучей, а из углекислого газа, азота и водяных паров, а этого недостаточно, чтобы образовались части «молекул жизни».

Одноклеточные водоросли, которые развиваются в нижнем слое морского льда, часто образуют цепочки и нити

К тому же среди химиков пошли разговоры о том, что тепло не помогает, а лишь мешает зарождению жизни. Представьте себе, вы собираете пазл, а чья-то невидимая рука, выбрасываясь на миг из-за вашей спины, одну за другой похищает детальки будущей картины. Вот так и солнечные лучи, едва соберутся молекулы, без которых не сложится «первоэлемент жизни», начинают бесцеремонно их «красть» – точнее, разрушать. Чтобы сохранить биомолекулы до того момента, когда они начнут размножаться, следует на какое-то время законсервировать их. Необходима, по словам исследователей, «энергетическая впадина», например низкотемпературная фаза, когда процессы разложения молекул почти приостановятся.

В конце концов, сам Миллер в 1998 году перечеркнул прежние надежды, проведя еще один знаменательный опыт – исследовав влияние температуры на компоненты одной из важнейших биомолекул, РНК. В этом эксперименте аденин, гуанин, цитозин и урацил – элементы, содержащиеся во всех живых клетках в составе рибонуклеиновой кислоты, – оказывались то на жаре, то на холоде. При 100 °С эти части РНК быстро гибли. В то же время при 0° большинство их, по словам Миллера, были, в принципе, «достаточно стабильны», чтобы образовать рибонуклеиновые кислоты. Этот опыт окончательно убедил его в том, что молекулы жизни вряд ли могли сформироваться, например, в геотермальных источниках.

Что ж, неужели мы обязаны теперь отправиться на Крайний Север, чтобы там, среди торосов, под завывание пурги, задуматься о том, как пробуждались к жизни частицы органического вещества. И новый завет биологов, ратующих за смену парадигмы, должен звучать так: «В начале были мрак и мраз; потом же ожила твердь, что была мертвее любого камня»?

«Нужно помнить следующее, – пишет Тринкс в книге “Шпицбергенский эксперимент”. – При температуре от 10 до 20 °С определенные биомолекулы разлагаются в считаные недели, в то время как при 5° ниже нуля – в течение десятков тысяч лет». Так что жизнь может зародиться в любой среде, но лишь в оцепенении и покое – при очень низких температурах – она способна сохраниться. Лед можно рассматривать как идеальный инкубатор «молекул жизни». Он консервирует их; в его толще они могут пусть очень медленно, но зато стабильно развиваться.

Способствует этому и особая структура морского льда. Это – не монолитный блок, где на всех уровнях, во всех слоях господствуют одни и те же условия. Наоборот, при замерзании морская вода, в отличие от пресной, ввиду высокого содержания соли расслаивается. Между кристалликами льда – самые крохотные из них достигают в поперечнике 10—100-тысячных долей микрометра и состоят из чистой замерзшей воды – неизменно сохраняются крохотные пузырьки и канальцы, где циркулирует солевой раствор, содержащий определенные кислоты, простые сахара, минеральные вещества и углекислый газ. По меткому сравнению Тринкса, этот раствор – словно кровь, пульсирующая в наших жилах. Жидкость и лед разделены тончайшими пленками, которые напоминают клеточные мембраны. Все вместе это впрямь выглядит каким-то подобием живых клеток. Благодаря такой структуре лед подолгу удерживает сложные молекулярные комплексы, однажды образовавшиеся в нем; они скапливаются между отдельными его «клетками».

Стоит отметить, что ультрафиолетовые лучи, опасные для всего живого, почти не проникают в толщу льда. Их поглощают близ его поверхности попавшие сюда аминокислоты. Сами они при этом частично разрушаются, а их фрагменты погружаются в глубь льда, где могут быть использованы для синтеза других сложных биологических молекул. Там же, в ледяных глыбах, отмечено поразительно высокое содержание углекислого газа, а его молекулы играют важную роль в подобном синтезе.

Подкрепляет гипотезу «холодного» зарождения жизни и мнение ряда геологов, полагающих, что около 4 миллиардов лет назад значительная часть морей на нашей планете была скована льдом – тем более что в то время, когда Солнечная система только сформировалась, количество энергии, излучаемой Солнцем, было примерно на четверть меньше, чем теперь.

Эта гипотеза нашла поддержку и у редакции авторитетного журнала Science. Одна из статей, появившихся на его страницах, была озаглавлена так: «Некоторые любят погорячее – но не первые биомолекулы». Разумеется, в ней говорилось о возможности зарождения жизни при низких температурах.

Итак, отдельные исследователи готовы назвать лед «холодным первородным бульоном». В полярных льдах, кстати, обнаружены разнообразные формы жизни, а это лишний раз свидетельствует о том, что биота может существовать в такой среде. Почему бы ей не зародиться там?

Вопрос отнюдь не академический. Если эта гипотеза найдет подтверждение, то, очевидно, жизнь гораздо шире распространена в космосе, чем считалось прежде. «Везде, на любой планете, где образовался лед, в его толще, возможно, зародилась и существует жизнь», – заявляет Тринкс. В таком случае следы живых организмов следует искать даже в нашей Солнечной системе: во льдах Марса, на спутниках Юпитера и, конечно, на кометах – этих припорошенных пылью льдинах, снующих среди планет и, может быть, всюду – успешно или нет – сеющих жизнь. Если же вспомнить, что кометы порой вылетают за пределы Солнечной системы, то они могут уносить семена жизни и к другим планетным мирам, распространяя их на просторах Галактики, как предполагают сторонники гипотезы панспермии – «жизни, прилетевшей из космоса».