Предисловие

Наша планета всю свою долгую жизнь раскачивается на головокружительных климатических качелях, и геологические и геофизические открытия последних пятидесяти лет лишь подтверждают это. То Землю бросает в холод, и она становится похожей на огромный снежный ком, оледеневая от полюсов до экватора, то вновь возвращается тепло, и оттаивают замерзшие полярные области. На чередования климата могут повлиять положение дрейфующих континентов и связанные с этим океанские течения, изменение состава атмосферы, постепенное нарастание яркости Солнца или смещение земных полюсов из-за колебаний эксцентрической орбиты. Также ученые установили, что современный климат четко реагирует на некоторые аспекты магнитной активности Солнца, даже если его яркость меняется на одну тысячную.

И тем не менее наше представление о климате все еще нельзя назвать ясным. Мы слишком мало знаем о древних условиях на Земле, не установили главную причину климатических перемен, и изменение яркости Солнца не всегда может объяснить те переключения между теплом и холодом, которые происходили в последние столетия.

По нашему мнению, открытие Свенсмарка — большая удача для науки. Несколько лет назад Хенрик Свенсмарк понял, что температура Земли зависит от облачного покрова. Ведь облака очень хорошо отражают поступающий к Земле солнечный свет. Свенсмарк также разобрался в том, как образуются облака, и выяснил, что облакообразование происходит главным образом в нижних слоях атмосферы, там, где пронизывающие воздух космические лучи создают ионы. Так, он связал формирование облаков с изменяющейся интенсивностью космических лучей. Иными словами, космические лучи управляют мощным «облачным клапаном», регулирующим нагревание Земли. Теперь у нас впереди грандиозная задача — подсчитать возможный эффект космических лучей, и задача довольно срочная в свете нынешнего глобального потепления.

Любопытно, что, несмотря на срочность, исследования не были немедленно поддержаны в научных кругах, чего можно было бы вполне закономерно ожидать. Глобальное потепление стало политической темой и для правительств, и для научного сообщества. Направления научной деятельности определяются «высокопоставленными» учеными, и любая важная новая мысль для них — незваный гость. Она опрокидывает устоявшуюся традицию.

Впрочем, это известный феномен. Помню, будучи молодым, я показал, что расширение солнечной короны — ее температура достигает миллиона градусов — приводит к формированию солнечного ветра, который распространяется со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе. Это «корпускулярное солнечное излучение» выстраивает хвосты комет в противоположном от Солнца направлении, оно же отвечает и за колебания в интенсивности космических лучей. Однако в научных кругах идея гидродинамического солнечного ветра была принята довольно холодно, и мою статью опубликовали в известном журнале лишь потому, что редактор не прислушался к жарким возражениям двух «именитых» рецензентов.

Свенсмарку тоже досталось за его научное творчество, и, когда он стал искать источники финансирования своих исследований, этому ученому пришлось очень нелегко. Однако он попал в хорошую компанию, особенно если мы вспомним Джека Эдди. Эдди потерял работу, когда решил продолжить изыскания Уолтера Маундера, определившего, что в период с 1645 по 1715 год на Солнце было чрезвычайно мало солнечных пятен. Эдди отметил — и это было очень важно, — что минимум Маундера совпадает с сильным похолоданием на Земле, — таким образом, он впервые указал на прямую связь между климатом и магнитной активностью Солнца.

Несмотря на постоянные трудности с финансированием его исследований, имевших целью установить связь между космическими лучами и облаками, Свенсмарк тем не менее не сидел без дела. В копенгагенской лаборатории он трудился над относительно простым, но зато доступным экспериментом, ясно продемонстрировавшим важнейшую роль ионов в формировании облаков. В наши дни в ЦЕРНе этот эксперимент готовятся провести в полном масштабе, начиная с запуска в ускорителе быстрых частиц, симулирующих космические лучи.

К счастью, как только копенгагенский опыт дал твердые результаты, к Свенсмарку присоединился популяризатор науки, писатель Найджел Колдер, чтобы доступным языком рассказать о предмете и ходе исследований. Так как гипотеза Свенсмарка о космических лучах, облаках и климате затрагивает широкий спектр научных представлений, я предполагаю, что специалисты из самых разных областей, равно как и читатели в целом, получат удовольствие от знакомства с этой книгой.

Юджин Паркер

Спустя полвека после того, как Юджин Паркер обнаружил солнечный ветер, он все еще трудится в Чикагском университете, где ему за выдающиеся достижения в науке присвоен титул почетного профессора физики, астрономии и астрофизики. Юджин Паркер награжден Национальной научной медалью США и Премией Киото, вручаемой за достижения в науке, технологии и культуре.

 

Об авторах

Хенрик Свенсмарк возглавляет Центр солнечно-климатических исследований в Датском национальном космическом центре. Ранее он занимал исследовательские должности в Калифорнийском университете в Беркли, в Северном институте теоретической физики, в Институте Нильса Бора и Датском метеорологическом институте. Он опубликовал более пятидесяти научных трудов по теоретической и экспериментальной физике, включая девять эпохальных работ по физике климата. В 1997 году Хенрик Свенсмарк был награжден ежегодной Премией Кнуда Хёйгора за исследовательскую работу, а в 2001 году — специальной Премией за исследование энергий «Энергия-Е2».

Найджел Колдер посвятил свою жизнь слежению за большими открытиями в различных областях науки. Он начал свою карьеру научно-популярного писателя с небольших статей в журнале «Нью сайентист», а в 1962–1966 годах стал его издателем. С тех пор Найджел Колдер работает как независимый автор и телевизионный сценарист. Его долгая и успешная работа научным консультантом на Би-би-си и выпущенные в этой связи книги принесли ему Премию ЮНЕСКО «Калинга» за популяризацию науки. Книга Колдера «Магическая Вселенная» (2003) попала в шорт-лист Премии «Авентис» 2004 года, которой удостаиваются лучшие научно-популярные книги.

 

Благодарности

Эта книга — результат беседы длиною в год. В 2005–2006 годах изучение некоторых важных вопросов, затрагиваемых в книге, было еще в самом разгаре, а текст уже вовсю зрел и развивался. И если Свенсмарк ставил эксперименты и добывал для книги научную суть, то Колдер сплетал воедино слова и добавлял различные связи. Незадолго до завершения этой рукописи мы почувствовали сильное волнение от того, что нам удалось обнаружить вещи, никому доселе не известные.

Впервые мы встретились в 1996 году. Нас познакомил Айгиль Фриис-Кристенсен за датской селедкой и легким пивом, и Свенсмарк поделился своими первыми результатами, показывающими, как космические лучи воздействуют на облачный покров Земли. Колдер поспешно отбыл, чтобы написать книгу об этом открытии и его последствиях («Безумное Солнце», 1997). В последующие годы мы часто говорили о том, чтобы переиздать ее, но развитие истории пошло в столь разных и неожиданных направлениях, что нам стало понятно: речь может идти только о новой книге.

Мы хотели бы выразить признательность тем, кто сделал ценные замечания как по поводу черновой версии книги в целом, так и по отдельным ее частям. Назовем их в алфавитном порядке: Ян Вейзер, Роналд Диль, Джаспер Киркби, Лиз Колдер, Гюнтер Коршинек, Питер Кэмпбелл, Йенс Олаф Пепке Педерсен и Нир Шавив. И если остались в книге какие-либо недостатки — то не их вина.

Также выражаем теплую благодарность Саймону Флинну и его коллегам в издательстве «Айкон Букс» за то, что они не только приняли нашу рукопись, несмотря на довольно странные обстоятельства, предшествовавшие объявлению результатов эксперимента, но и очень быстро и с большим энтузиазмом издали эту книгу.

Хенрик Свенсмарк Хеллеруп, Копенгаген, Дания

Найджел Колдер Кроли, Западный Сассекс, Англия

 

Вкратце

Прогуливаясь ясной звездной ночью, вы легко можете простудиться. Наши предки порой даже считали, что Луна и звезды высасывают жару из Земли и вызывают болезни у людей. Наблюдение, конечно, замечательное, но абсолютно безосновательное. Сегодня астрономы скажут вам, что большинство ярких звезд гораздо жарче Солнца. Однако когда самые большие из них превращаются в сверхновые и взрываются, они разбрызгивают по Галактике атомные снаряды — космические лучи. И в результате эти взорвавшиеся звезды все-таки охлаждают наш мир, так как делают его более облачным.

Эта идея на первый взгляд кажется бредовой. Кто бы мог подумать, что обычные облака, украшающие небо, подчиняются приказам взорвавшихся в далеком космосе звезд? Или что климат послушен атомным частицам, дождем сыплющихся на нас с Млечного Пути? Но проведенные недавно эксперименты приоткрыли завесу тайны и изменили многие представления ученых о климате, погоде и долгой истории жизни на Земле.

Чтобы снять обертку и добраться до некоторых вкусных секретов, которые Природа охраняла особенно тщательно, наша книга проведет вас по необычным местам: от океанского дна Атлантики до богатых окаменелостями холмов в Китае, от яростного Солнца до спиральных рукавов Млечного Пути. Из пропасти времени и пространства выскакивают неожиданные связи и непредсказуемые открытия. И так как столь широкий диапазон тем может озадачить читателя, для начала мы предлагаем вам краткий обзор всей книги. Если хотите, можете пропустить его.

Наш климат постоянно меняется. Первое представление о том, что космические лучи каким-то образом причастны к этому, дается в первой главе, где мы рассказываем о разных эпизодах потеплений и похолоданий, происходивших на Земле в течение нескольких тысяч лет. Последний ледниковый период, называемый «малым», достиг своего апогея триста лет назад и уступил место сегодняшнему теплому промежутку.

Малый ледниковый период связан с необычным состоянием Солнца, известным как минимум Маундера. Это состояние характеризуется крайне небольшим количеством пятен на Солнце, что свидетельствует о его слабой магнитной активности. Еще один показатель — быстрый темп образования радиоактивного углерода и других долгоживущих изотопов, рождающихся в ядерных реакциях в воздухе под воздействием космических лучей. От большинства космических заряженных частиц нас защищает магнитный щит Солнца, но когда оно слабеет — многим из них удается пробиться к Земле.

С тех пор как 11 с половиной тысяч лет назад закончилась последняя ледниковая эпоха, на планету девять раз обрушивались глобальные похолодания наподобие малого ледникового периода. Эти похолодания всегда были связаны с активным образованием радиоактивного углерода и других изотопов. Историки и археологи находят много доказательств того, как пришлось страдать от холодов нашим предкам. Продвигаясь все дальше во времени, в глубину ледниковых периодов, один немецкий ученый нашел мусор, который сбрасывали на дно океана армады айсбергов на протяжении нескольких следующих друг за другом холодных эпизодов. И опять-таки это было связано с низкой солнечной активностью.

Среди тех ученых, которые уже признали, что Солнце играет значительную роль в изменениях климата, представления о том, как именно наше светило влияет на климат, разнятся весьма существенно. Некоторые пытаются объяснить смену теплых и холодных периодов тем, что изменяется яркость Солнца. По их мнению, космические лучи не непосредственно воздействуют на погоду, а всего лишь характеризуют Солнце с точки зрения его магнетизма: более оно активное или менее, а следовательно, более яркое или тусклое. С другой стороны, датские ученые во главе с вашим покорным слугой Свенсмарком полагают, что космические лучи напрямую участвуют в климате, так как именно они регулируют облачность нашей планеты.

Тем не менее в конце первой главы мы приводим очень убедительный аргумент против теории Свенсмарка, высказанный одним швейцарским физиком. Около 40 тысяч лет назад магнитное поле Земли стало очень слабым. Геофизики называют этот эпизод «экскурс Лашамп». Вследствие ослабления магнитного поля Земли в земную атмосферу попало много космических частиц, и, как доказательство своего визита, они разбросали на своем пути «визитные карточки» — радиоактивные атомы. Согласно теории о связи космических лучей и облаков, не должны ли были они вызвать серьезное похолодание? Да, должны были. Однако этого не случилось.

Чтобы опровергнуть столь весомое возражение против его гипотезы, Свенсмарк по-новому взглянул на приключения космических лучей, мы их опишем во второй главе. Вы, разумеется, не видите их, но приблизительно два раза в секунду космические частицы проносятся сквозь ваше тело, пронзая макушку и исчезая в полу под вашими ногами. А если вы забираетесь на гору или летите в самолете, то подвергаетесь их нападениям даже чаще.

Впервые космические лучи обнаружил один австрийский ученый около века назад, и с тех пор они были чем-то вроде не обязательной приправы к космическим блюдам. Конечно, космические лучи возбуждали любопытство ученых, но не считались необходимостью в домашнем хозяйстве Вселенной или Земли. Лишь недавно астрономы осознали, что космические лучи — это обязательный ингредиент в том колдовском зелье, из которого произошли звезды, планеты и химические вещества, нужные для жизни. И хотя специалисты не торопятся оценить их по достоинству, космические лучи, прибывающие сюда от далекого хора взорвавшихся звезд, продолжают каким-то образом воздействовать на нашу жизнь.

Прежде чем космические лучи смогут достичь нас, им приходится пробиваться через три линии обороны: солнечное магнитное поле, магнитное поле Земли и земную атмосферу. Щедрый воздух нашей планеты — это одна из причин, почему Земля более пригодна для жизни, чем поверхность Марса, где космические лучи в сотни раз интенсивнее. На Земле только самые энергичные заряженные частицы могут добраться до дна моря. Они носят название мюонов, или тяжелых электронов, и появляются на свет, когда входящие космические лучи бомбардируют атмосферу.

Согласно предположениям Свенсмарка, мюоны помогают формировать низкие облака, охлаждающие мир. Чтобы решить головоломку, которую подкинул ему эпизод Лашамп, Свенсмарк проследил происхождение мюонов, используя одну немецкую компьютерную программу. Она позволяет просчитывать все атомные и субатомные события, которые происходят после соударений частиц космических лучей с молекулами газов, составляющих воздух. Свенсмарк обнаружил, что почти все мюоны, достигающие отметки в 2000 метров над уровнем моря, порождаются космическими лучами, которые обладают слишком высокой энергией, чтобы на них оказывали влияние изменения в магнитном поле Земли. Таким образом, получается, что нет причин ожидать ни большего количества мюонов во время эпизода Лашамп, ни сколько-нибудь заметного охлаждающего эффекта.

Основное направление климатологии начала двадцать первого века полагает, что облака покорно повинуются изменениям климата, вызванным какими-то другими причинами. Так ли это на самом деле? Или облака сами приказывают? Это тема третьей главы. Исследования, проведенные в Копенгагене, продемонстрировали, какие именно облака наиболее поддаются воздействию космических лучей и, таким образом, сильнее влияют на климат. Это низкие облака, покрывающие огромные территории Земли, — именно их мы видим во время полетов над океаном, где они создают блестящий, но монотонный пейзаж на тысячи километров.

В отличие от более высоких облаков, способствующих нагреванию планеты, облака, располагающиеся ниже 3000 метров, охлаждают ее. Когда в атмосферу проникает мало космических лучей, низких облаков тоже становится меньше, и Земля начинает нагреваться. В течение двадцатого века магнитная защита Солнца усилилась более чем вдвое и, таким образом, сократила как количество заряженных частиц, попадающих на Землю, так и облаков, что может объяснить большую часть глобального потепления, о котором рапортуют ученые-климатологи.

Но действительно ли облака в ответе за изменения климата? Весомый аргумент в пользу этой версии мы можем найти в Южном полушарии Земли. Специалисты были сбиты с толку возрастающим количеством доказательств того, что Антарктика выбирает собственный климатический путь. Когда весь мир нагревается, Антарктика становится холоднее, и наоборот. Сложные теории пытались объяснить раскольническое поведение Антарктики. Но если исходить из того, что облака руководят переменами климата, то аномалия Южного полушария вполне предсказуема. Антарктика — это всего лишь большая область, где облака согревают снежную поверхность, в то время как остальной мир они охлаждают.

Если подтвердится то, что облака управляют погодой, — это будет хорошей новостью для жителей всего мира. Это будет означать, что Солнце властно меняет климат Земли, воздействуя на него в том числе с помощью космических лучей, ответственных за большую часть потепления в двадцатом столетии. Если так, то роль углекислого газа, должно быть, весьма незначительна, и любое глобальное потепление двадцать первого века, вероятно, будет много меньше, чем ставшие уже традиционными предсказания о повышении среднемировой температуры на 3 или 4 градуса Цельсия.

Все десять лет, прошедшие с того момента, как Свенсмарк и его коллеги в Копенгагене впервые рассказали о связи между космическими лучами, облаками и климатом, концепция датских ученых либо оставалась «незамеченной», либо подвергалась жесткой критике. Идея Свенсмарка могла ослабить модную сегодня гипотезу о глобальном потеплении, и сопротивление было ожесточенным. Поэтому финансировать исследования Свенсмарка никто не спешил. Чтобы возразить критикам и привлечь к открытию то внимание, которое оно заслуживало, команде датских ученых пришлось разобраться в том, как именно космические лучи влияют на формирование облаков. В четвертой главе вы найдете ответ на этот вопрос.

Вот о чем эта история: чем больше космических лучей, тем больше облаков и тем прохладнее наш мир — по той причине, что космические лучи участвуют в образовании облаков.

Как ни странно такое звучит, но метеорологи и климатологи никогда в действительности не знали, откуда берутся облака. Самые элементарные учебники сообщают, что если влажный воздух сильно охладить, то влага конденсируется, и получаются облака. Но ведь сначала должны образоваться маленькие «точки», плавающие в воздухе, — так называемые ядра облакообразования, без которых капли воды не смогут сформироваться. Наиболее важные «точки» — это опять-таки крохотные капельки, состоящие из молекул серной кислоты и воды. Их тоже должен кто-то «высеять» в воздухе, но как это происходит — оставалось тайной. В 1996 году исследовательский самолет, совершая полет над Тихим океаном, наткнулся на явление чрезвычайно стремительного создания «точек» облакообразования, что противоречило всем господствовавшим метеорологическим теориям.

Найти разгадку помог большой короб с воздухом в подвале Датского национального космического центра. Там в 2005 году провели эксперимент под названием «SKY». Космические лучи, пройдя через потолок лаборатории, попадали внутрь камеры, где высвобождали электроны. Те, в свою очередь, побуждали молекулы собираться в группы и образовывать «микроточки», способные соединяться в более крупные «точки», необходимые для формирования облаков. Быстрота электронов и их эффективность в выполнении данной работы застали экспериментаторов врасплох.

В 2006 году начались другие лабораторные испытания для выяснения того, как ведут себя в атмосфере космические лучи. Международная команда ученых, работающая в ЦЕРНе, в Европейской лаборатории физики элементарных частиц в Женеве, приступила к эксперименту «CLOUD», более детально проработанному, чем «SKY», где для имитации космических лучей используются ускоренные частицы. На первой стадии ученые точно воспроизвели эксперимент «SKY», но используя дополнительные инструменты.

В ходе копенгагенского эксперимента был найден последний, недостающий кусочек мозаики под названием «Приключения космических лучей». Он дал полное представление о том, как космические лучи убегают от взрывающихся звезд и прорываются с боями через нижний слой земной атмосферы, где воздействуют на облака и климат. Теперь ученым стало более понятно, как менялось количество заряженных частиц, прилетающих из космоса, с начала времен. Как мы увидим в пятой главе, приток космических лучей зависит не только от состояния Солнца, но и от нашего местоположения в Галактике.

За компанию с Землей Солнце путешествует среди звезд по своей орбите вокруг центра Млечного Пути. Иногда оно оказывается в темных областях, где яркие, горячие, взрывные звезды довольно редки. Там относительно мало космических лучей, и тогда климат на Земле становится теплым. Геологи называют такие периоды межледниковьем. В другие периоды, когда звездный свет и космические лучи интенсивны, мир входит в суровую ледниковую эпоху, и тогда основную часть пейзажа составляют ледники и снежные покровы.

Один израильский ученый принял на вооружение идеи датских коллег о космических лучах и климате и выдвинул свою теорию, объясняющую существенные изменения потока заряженных частиц тем, что Солнечная система посещает яркие спиральные рукава Млечного Пути. На протяжении 500 миллионов лет существования животного мира на Земле переключения между теплыми и холодными фазами случались четыре раза. Согласно теории космических лучей, эпоха динозавров пришлась на холодную фазу, так как в мезозойскую эру Солнце проходило через один такой галактический рукав. Большинство геологов и палеонтологов считали эту эру в общем-то теплой, но теперь мы получили убедительные доказательства из Австралии, что тогда на суше был лед. В те холодные времена, когда космические лучи были сильны, маленькие динозавры отращивали перья, чтобы удержать тепло. Как подтвердили китайские палеонтологи, некоторые такие динозавры в то время развились в птиц.

Путешествуя по галактическому диску, Солнце то выпрыгивает из него, то ныряет обратно подобно игривому дельфину — скачет вверх и вниз, каждый раз проходя сквозь плоскость Галактики, где космические лучи особенно сильны. Это движение также отражается на климате Земли, но изменения в этом случае происходят в четыре раза чаще, чем изменения, вызванные прохождением через спиральные рукава. Как доказательство того, что теория космических лучей действительно работает, данные о климате теперь используются, чтобы уточнить астрономические факты и цифры, описывающие наш Млечный Путь.

На протяжении миллиардов лет сама Галактика менялась, и небесные события иногда вызывали на Земле столь холодные условия, что даже в тропиках царствовали ледники и айсберги. Тогда земной шар почти полностью оледеневал, и шестая глава начинается с рассказа о том впечатляющем состоянии нашей планеты, который геологи назвали «Земля-снежок». Земле дважды пришлось пережить такое: приблизительно 2,3 миллиарда лет назад и 700 миллионов лет назад.

Эпизоды оледенения Земли совпали по времени со «звездными взрывами» — безумствами звездных рождений и смертей в Млечном Пути, вызванными столкновением с другой галактикой. Сильный поток космических лучей вызвал тучи облаков — мир помрачнел и накрылся снежным одеялом. Живым организмам пришлось срочно приспосабливаться к новым условиям, и это привело к грандиозным эволюционным изменениям. Именно во время последнего эпизода «Земли-снежка» возникли многоклеточные организмы.

С другой стороны, на заре своей жизни Земля оказалась более теплой, чем вы могли бы ожидать, зная, что молодое Солнце было значительно слабее сегодняшнего. Но зато Солнце намного лучше справлялось с отражением космических лучей. Это способствовало созданию благоприятных условий для ранней жизни, что подтверждают и древние гренландские скалы, возраст которых 3,8 миллиарда лет. Уже с тех пор живые существа страдают от вечно меняющегося климата. Краткий обзор истории жизни показывает, как под мощными ударами космических лучей она чрезмерно кренится то в сторону скудости, то в сторону изобилия.

За последние три миллиона лет некоторые горячие, взрывные звезды устроили Солнцу и Земле засаду из последовательных взрывов сверхновых, находившихся по соседству и усиливавших космические лучи. Седьмая глава рассматривает возможные связи между звездными катаклизмами и опустыниванием Африки, повлекшим за собой выход на сцену людей и появление первых каменных орудий. По меньшей мере одна сверхновая звезда оказалась достаточно близко, чтобы усеять нашу планету экзотическими изотопами, которые теперь можно найти на дне океанов.

Но, должно быть, по соседству с нами взорвалось несколько звезд, и на Земле случилось несколько резких похолоданий. Попытаться связать эти события и понять, что явилось причиной, а что следствием, — вот настоятельная задача, решить которую исследователи надеются с помощью новейших орбитальных детекторов гамма-излучения. Если человечество обязано своим существованием сверхновым звездам, то у астрономов есть весомый повод отыскать доказательства их существования. В этих поисках объединяются различные отрасли науки — и все благодаря теории «космических лучей, облаков и климата».

Космоклиматология, как мы назвали ее, — это новая область науки, открывающая много возможностей для исследователей. Восьмая глава дает представление о некоторых из них и рассказывает о самых передовых открытиях, сделанных в различных направлениях. Бесконечность Галактики и долгая история меняющегося климата и жизни на Земле оставляют ученым широкое пространство для совершенствования своих научных представлений. Новый взгляд на наши отношения с Солнцем и на ту роль, которую играет его магнитное поле, опекающее Землю, может сузить область поисков инопланетной жизни.

Пока Солнце по-прежнему продолжает регулировать поступление космических лучей, но никто не знает, что будет потом. Возможно, придется переоценить реальный вклад человечества в изменение климата. По этим причинам не стоит верить грандиозным климатическим прогнозам, но космоклиматология могла бы предложить полезные советы людям, благополучие которых зависит от капризов погоды.

 

1. Ленивое Солнце запускает армады айсбергов

Возможно, менее сознательный человек выставил бы найденную диковинку на продажу в интернет-аукционе eBay. Поэтому, когда Урсула Лойенбергер подарила археологам кантона Берн колчан, сделанный из березовой коры, они были безмерно ей благодарны. Каково же было их удивление, когда радиоуглеродный анализ показал, что колчану 4700 лет. Фрау Лойенбергер нашла его, когда прогуливалась с мужем в горах в окрестностях альпийского города Тун. Там необычайно жарким летом 2003 года вечный лед перевала Шнидейох растаял, явив миру скрывавшиеся ранее сокровища.

Во время прогулки супружеская чета случайно набрела на давно забытый прямой путь, использовавшийся путешественниками и торговцами, чтобы перебраться через хребет Швейцарских Альп. Находку пришлось держать в тайне два года, чтобы на отступивший ледник не набросились охотники за кладами, а археологи тем временем прочесывали местность и изучали найденное. К концу 2005 года они собрали около трехсот предметов времен неолита, бронзового века, римского периода и средневековья.

Все найденные реликвии разных возрастов, но их легко объединить по группам и увидеть, когда Шнидейох был свободен и предлагал путешественникам быстрый проход в долину реки Роны, что лежит к югу от гор. На перевале не нашли человеческих останков, чтобы их можно было сравнить с «ледяным человеком» из Этцальских Альп. «Этци» был найден с похожим колчаном на итальянском высокогорье — в Тироле — в 1991 году, а жил, как установили ученые, в 3300-х годах до н. э. Но эта внезапно открывшаяся картина того, как льды закрывали перевал и вновь отступали от него, рассказывает куда более любопытную историю о климате.

Этцальский человек — подарок для тех, кто доказывает, что в начале двадцать первого века климат становится угрожающе теплым. Лед, хранивший мумифицированный труп более 5000 лет, лежал нетронутым на высоте 3250 метров над уровнем моря даже тогда, когда мир переживал самые теплые времена. И лишь, как утверждают, глобальное потепление, спровоцированное промышленной деятельностью человека, превзошло по силе естественные колебания температур и выпустило мумию из объятий льда как предупреждение всем нам.

Однако находки, сделанные на Шнидейохском перевале, находящемся на пятьсот метров ниже, чем могила «ледяного человека», создают совсем иное впечатление. Они повествуют о постоянном чередовании теплых периодов, когда проход был доступен, и холодных, когда дорогу преграждал лед. Это открытие также помогло решить давнишнюю загадку римского постоялого дома, раскопанного на склонах над современным городом Туном, где раньше находились римский храм и поселение. Глава кантональной археологической службы Петер Зютер был очень доволен открытием: «Мы всегда задавались вопросом, зачем там находился обставленный дом. Теперь-то мы понимаем, что он стоял на маршруте, ведущем через Шнидейох».

Самой «молодой» находкой археологов стал кусочек туфли, относящийся приблизительно к XIV–XV векам нашей эры. Это как раз то время, когда заканчивался период, известный как «средневековый теплый». После этого Шнидейох был заблокирован льдами малого ледникового периода, самого последнего периода сильного холода. Конец малого ледникового периода условно относят к 1850 году, однако лед отступал не спеша, в течение полутора веков, и вновь освободил перевал лишь в начале двадцать первого столетия.

Тайны отступившего ледника рассказывают нам о том, как на протяжении 5000 лет постоянно менялся климат и как эти изменения отражались на быте и путешествиях европейцев. Особенно холодными оказались два эпизода: один из них пришелся примерно на 800 год до нашей эры, второй — на 1700 год нашей эры. Последствия второго эпизода, получившего название малого ледникового периода, не отпускали Шнидейох так долго, что даже местные забыли о существовании там ранее столь удобного пути.

Когда стало известно о средневековом теплом и малом ледниковом периодах, это смутило тех, кто хотел преуменьшить естественные колебания климата, происходившие еще до промышленной революции. Так, в 1998 году Майкл Манн из Массачусетского университета и его коллеги составили график температур, практически полностью нивелировавший эти колебания. График, поначалу широко разрекламированный, а затем вызвавший волну критики, получил за свою форму насмешливое прозвище: «хоккейная клюшка». Согласно ему, последнюю тысячу лет мировые температуры почти не менялись, и в мире царила прохлада до 1800 года. Затем, в конце двадцатого века, температура начала резво карабкаться к заоблачным высотам, образовав таким манером крюк «хоккейной клюшки», и весь график в целом был призван доказать, что деятельность человека повлекла за собой беспрецедентное глобальное потепление.

Находки из Шнидейоха насмехаются над оруэлловскими усилиями стереть реальную историю, не вписывающуюся в существующие политические тенденции. Альпийские артефакты демонстрируют нам, что задолго до повсеместного использования природного топлива и, следовательно, увеличения доли углекислого газа в атмосфере на Земле уже случались время от времени потепления, подобные сегодняшнему. Некоторые ученые утверждали, что такие потепления носили локальный характер, но сейчас найдены многочисленные доказательства того, что средневековый теплый и малый ледниковый периоды оставили свой след не только на обширных территориях Восточной Азии, Австралии, Южной Америки и Южной Африки, но и в Северной Америке и Европе. Предоставим патологам от статистики копаться в ошибках, приведших к формированию «хоккейной клюшки», а сами исследуем характер и ритм изменений климата на протяжении веков и тысячелетий.

Малый ледниковый период: Солнце теряет свои пятна

Заряженные частицы вылетают из взорвавшихся звезд, словно атомные пули, и, пробивая земную атмосферу, оставляют на пути карточки в доказательство своего молниеносного визита. Эти визитки — редкие изотопы, получающиеся в результате ядерных реакций в верхних слоях атмосферы. В реакциях с азотом, входящим в состав воздуха, образуется радиоактивный углерод, или углерод-14, который особенно ценят археологи за то, что он помогает определять возраст найденных предметов.

Углерод-14 входит в углекислый газ, необходимый для жизни растений, и, таким образом, мы можем обнаружить его в останках живых организмов — в древесине, угле, костях, коже и прочем. Изначально количество атомов углерода-14 в организме совпадает с тем, сколько его было в воздухе на момент смерти растения или животного. Затем, в течение тысячелетий, атомы постепенно распадаются. Если вы подсчитаете, сколько осталось углерода-14 в старом кусочке дерева, ткани или костях, вы сможете определить, как много веков или тысячелетий назад это растение или животное было живо.

Как довольно быстро обнаружили археологи, с этим звездным подарком было не все так просто. Первые результаты радиоуглеродного анализа зачастую казались бессмысленными, даже противоречивыми — например, получалось, что египетский фараон моложе, чем его потомки. Хессел де Врис из Гронингена нашел объяснение этому в 1958 году. Оказывается, концентрация углерода-14 в атмосфере — не постоянная величина. Тогда на помощь ученым пришли древние деревья. Так как их возраст можно точно определить с помощью годовых колец, то проведенный радиоуглеродный анализ деревьев помог археологам устанавливать более надежные, хотя и не всегда точные даты.

А физики убедились в том, что Солнце, как главный страж, охраняющий Землю от космических лучей, тоже вело себя по-разному. Солнечное магнитное поле отражает большую часть галактического излучения, до того как оно проникнет в окружающее нас пространство. Колебания радиоактивного углерода, вводившие в заблуждение археологов, четко следовали за переменами в солнечном настроении. Низкая скорость образования углерода-14 означает, что Солнце было очень активным, если говорить о его магнетизме. Когда Солнце отдыхает — больше заряженных частиц проникает на Землю, и концентрация радиоактивного углерода в атмосфере возрастает.

Это открытие привело к сегодняшнему представлению о связи Солнца и земного климата. Первые шаги в этом направлении были сделаны в 1960-е годы. Роджер Брей из Департамента научных и промышленных исследований Новой Зеландии проследил колебания солнечной активности, начиная с 527 года до н. э., и обнаружил, что содержание в атмосфере изотопов углерода связано с другими показателями слабой магнитной активности Солнца.

Один из таких признаков — уменьшение пятен на солнечном лике, так как пятна эти не что иное, как области сильного магнетизма. Сохранились сведения о полярных сияниях, полыхавших в северных небесах в ответ на активность Солнца. Согласно этим сведениям, в те годы, когда возрастало количество радиоактивного углерода, полярных сияний почти не наблюдалось. И что более примечательно, Брей отметил связь между спокойным Солнцем, деловитостью космических лучей и зафиксированным в истории разрастанием ледников, сунувших свои холодные рыла вниз, в долины. Продвижение ледников особенно было заметно в XVII–XVIII веках, когда случился самый холодный эпизод малого ледникового периода.

Впрочем, некоторые ученые более преуспевают в раскрутке своих идей, и уже через несколько лет Брея позабыли. Джек Эдди, работавший в высотной обсерватории в Колорадо, придумал щегольское название для весьма необычного состояния Солнца в конце XVII столетия. В докладе, сделанном в 1976 году, он рассказал об этом явлении и назвал его в честь Уолтера Маундера, занимавшегося наблюдениями за Солнцем в Королевской обсерватории в Гринвиче, — «минимум Маундера». Еще в 1890-е Уолтер Маундер заинтересовался состоянием Солнца в период с 1645 по 1715 год, когда солнечные пятна практически исчезли.

Яркие определения, такие как «большой взрыв», «черная дыра», играют немаловажную роль в распространении научных идей, и Эдди понимал, что не прогадает с минимумом Маундера.

«Я знал: чтобы люди приняли мою трактовку неправильного поведения Солнца, мне нужно было сделать свой „товар“ как можно более привлекательным, поэтому я искал такое название, которое легко было бы запомнить. В словосочетании „минимум Маундера“, где повторяется буква „м“, было что-то ономатопоэтическое. Думаю, придумав это название, я немного поработал и на самого Маундера, притом что он позаимствовал эту идею у [Густава] Шпёрера, который был известным немецким астрономом. Сразу после публикации моя работа подверглась критическому обстрелу, и несколько пуль прилетели из Германии. „Знаете, а ведь вы назвали это явление в честь совсем не того человека“, — упрекали меня. „Да знаю, знаю“, — мог бы ответить я».

Позже в качестве некой компенсации имя Шпёрера присвоили периоду с 1450 по 1540 год, когда также наблюдалась низкая солнечная активность и высокий уровень космических лучей. Более короткие эпизоды похожего типа, с 1300 по 1360 и с 1790 по 1820 годы, называются соответственно минимумы Вольфа и Дальтона. Эти четыре эпизода «слабого Солнца» разделены небольшими перерывами, когда оно восстанавливало свои силы, и это объясняет, почему историки климата не могут прийти к согласию и определиться, с какого же момента вести отсчет малого ледникового периода. Зато в его суровости не приходится сомневаться: ледники снесли фермы и деревни, подобно бульдозерам; передышки на лето были болезненно короткими; люди повсеместно умирали от голода.

Скрипичный мастер Антонио Страдивари жил во время минимума Маундера. Тогда деревья в Европе росли очень медленно, что подтверждают самые узкие годовые кольца за последние пятьсот лет. Может, поэтому цена скрипок Страдивари сегодня столь высока? В 2003 году дендролог, специалист по годовым кольцам Генри Гриссино-Майер из университета Теннесси и климатолог Ллойд Беркл из Колумбийского университета, изучая скрипки Страдивари, сделали интересное открытие. Они заметили, что благодаря тонким годовым кольцам древесина, которую использовал скрипичных дел мастер, была особенно плотной и твердой. Вероятно, в этом причина ее необыкновенных музыкальных качеств, которые никому так и не удалось впоследствии воссоздать.

Разногласия среди поклонников Солнца

Астрофизики, как, впрочем, и климатологи, были очарованы минимумом Маундера. Более четверти века астрономы вели постоянные наблюдения за звездами солнечного типа и выяснили, что иногда их магнитная активность может идти на спад, так же как это случилось с нашим Солнцем триста лет назад. В 1993 году Роберт Ястров из обсерватории Маунт-Вилсон (Калифорния) и Сэлли Балиунас из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики сделали доклад, где сообщали, что среди двенадцати наблюдаемых звезд солнечного типа большая часть показала циклы активности, подобные солнечным циклам, в то время как одна из них — Тау Кита — была практически неактивной в магнитном смысле. Но наиболее показательным было поведение другой звезды, 54 Рыб: она вела себя нормально до 1980 года, а затем ее магнитная активность внезапно снизилась и оставалась крайне низкой, как если бы она вошла в состояние, похожее на минимум Маундера.

Первым, кто обратил внимание Джека Эдди на теорию Маундера о том, что Солнце лишилось своих пятен во времена малого ледникового периода, был Юджин Паркер. Этот физик из Чикагского университета разработал теорию солнечного ветра, согласно которой Солнце служит магнитным щитом против космических лучей. И в 2000 году на конференции в Тенерифе Паркер призвал уделить больше внимания именно таким изменениям других звезд.

«Из наблюдений над некоторыми звездами солнечного типа мы знаем, что часть из них потеряла 0,4 процента своей светимости за очень малый срок. Если бы такое происходило и с Солнцем, это могло бы привести к быстрому наступлению холода, что, видимо, и произошло триста лет назад, в период, называемый минимумом Маундера, когда солнечная активность была минимальной. Чтобы выяснить, на что способно наше Солнце, нам необходимо организовать автоматическую систему, которая будет наблюдать за тысячей звезд солнечного типа».

Как и многие другие ученые, например, Джек Эдди и Сэлли Балиунас, Юджин Паркер считает, что роль Солнца в изменениях климата очень важна и что именно бездействие Солнца привело к понижению температур во время малого ледникового периода. По мнению этих ученых, на климат влияют собственно изменения в интенсивности видимых и/или невидимых солнечных лучей. Увеличение потока космических лучей во время малого ледникового периода, с их точки зрения, — это лишь симптом солнечной слабости, а не причина похолодания.

В противоположность им авторы этой книги рассматривают спад солнечной мощности только как один из факторов, приведших к воцарению холода на Земле. В 1996 году Свенсмарк впервые заметил, что набирающий силу поток космических лучей ведет за собой армии облаков, остужающих планету. Но, отстаивая свою точку зрения, он вынужден был сражаться на два фронта: с теми, кто вообще отрицал роль Солнца, и с теми, кто считал, что вклад Солнца очень важен, но не признавал влияния космических лучей на климат. В непрекращающихся спорах связь климата и Солнца стала даже более твердой и убедительной.

Дрейфующие льды

В Исландии и Гренландии жертвами малого ледникового периода стали викинги, поселившиеся на островах до того, как лед загромоздил побережья. Исландцев поразил голод, а в Гренландии умерли все новые поселенцы, хотя аборигенам удалось пережить холода. Лед двигался на юг, завоевывая все новые территории, и по мере продвижения к Атлантическому океану таял, освобождая чужеродные гравий и песок, которые мы и по сей день можем найти на дне океана.

Глубоко под беспокойными волнами донные организмы и медленный дождь из раковин моллюсков, а также мусора с поверхности океана в течение миллионов лет молчаливо выстраивают уровень за уровнем осадочную породу. Если вы, находясь на исследовательском судне, мерно покачивающемся на поверхности, воткнете длинные трубки в морское дно, то сможете получить образцы многослойного грунта, различного по цвету и составу. Глаза специалиста читают эти слои, как страницы исторической книги, возвращаясь назад во времени, — чем глубже слой, тем древнее события.

Если среди довольно невзрачных раковинных отложений белого цвета, характерных для теплых условий, встречаются прослойки ила или песка, это говорит о наступившем похолодании. Плавающий лёд может переносить осадочные материалы на очень большие расстояния и, растаяв, сбрасывает их на дно. Изучение грунта со дна Северной Атлантики доказывает, что малый ледниковый период — лишь последний в цепочке других, зачастую более серьезных похолоданий, длившихся приблизительно по полторы тысячи лет. До минимума Маундера был еще один печальный период, начавшийся около 800 г. до н. э. и совпавший с переходом от бронзового века к железному. Это был один из тех моментов, когда перевал Шнидейох вновь перекрыли льды. На археологической площадке в Фрисландии (Нидерланды) были найдены свидетельства того, что холодная и дождливая погода в этом районе привела к повышению уровня воды, и люди, обитавшие в низине, были вынуждены покинуть свои деревни. Эти события также происходили при попустительстве ленивого Солнца. В 1997 году палеоэколог Бас ван Гел из Амстердамского университета поведал об этих находках Свенсмарку и Колдеру, прокомментировав свое сообщение следующим образом:

«В 850 году до нашей эры климат внезапно изменился, и одновременно с этим образование радиоактивного углерода пошло очень быстрыми темпами, достигнув пика в 760 году до н. э. Тот факт, что никто не знает наверняка, как изменения Солнца воздействуют на климат, никоим образом не оправдывает тех, кто отрицает это влияние».

Пока народ Фрисландии страдал от холодов, лед усиленно трудился, поставляя горы мусора на североатлантическое дно, так что отложения того времени, которые мы можем оценить сегодня, превышают те, что оставил после себя минимум Маундера. Но это и близко не похоже на то, что случалось еще раньше. Сейчас наша история должна вернуться назад, во времена, когда такие резкие, но относительно краткосрочные перемены климата накладывались на продолжительные изменения, связанные с главными ледниковыми периодами, которые происходят обычно каждые сто тысяч лет. Согласно теории, обретшей популярность еще в 1970-е годы, медленные ритмы ледниковых периодов задает сама Земля, точнее, ее движение по орбите. А вот кратковременные похолодания как раз связаны с вариациями солнечной активности, влияющими на потоки космических лучей.

О бешеной пляске климата в далекие времена впервые стало известно в 1980-е годы, когда Хартмут Хайнрих из Германского гидрографического института в Гамбурге исследовал керны, поднятые со дна Северной Атлантики — в той области океана, которая прилегает к Европе. В отложениях, соответствующих последней ледниковой эпохе, которая закончилась 11,5 тысячи лет назад, он различил одиннадцать разных слоев, богатых кварцевым песком. В шести случаях Хайнрих обнаружил фрагменты камней, начавших свое путешествие в очень далеких местах, причем самые ранние фрагменты льды доставили 60 тысяч лет назад, а самые поздние — 17 тысяч лет назад.

Студент из Швейцарии Рюдигер Янчик проследил путь этих камней обратно к их месту рождения. Его не удивило то, что обломочные породы приплыли из Норвежского моря и Гренландии. Самое любопытное заключалось в другом: родиной белых вкраплений карбонатной породы оказалась северная Канада. Хайнрих был крайне поражен результатами:

«Мы часто представляли себе огромные флотилии айсбергов, разваливающихся посреди моря. Они, вероятно, плыли из Северной Америки через Атлантику, перед тем как оставить свои обломки у наших берегов. И обломочный материал рассказывал нам такие истории, которые тогда нельзя было найти ни в одном учебнике климатологии».

Климатические условия, когда льды путешествовали по океанам и сбрасывали свой груз на морское дно, получили название «события Хайнриха». Во время таких событий в северной части Атлантического океана внезапные похолодания на несколько градусов могли случаться не единожды в течение одной человеческой жизни, а результаты ощущались далеко за пределами Атлантики. Например, на Ближнем Востоке, как показали недавние исследования, уровень воды в озере Лисан, находившемся на месте современного Мертвого моря, сильно упал во время событий Хайнриха, и это позволяет предположить, что дождей тогда было крайне мало.

События Хайнриха отражают настолько кардинальные изменения климата, что к ним и наши предки не были приспособлены, и наши потомки вряд ли окажутся готовы. Поэтому «ледовый рафтинг» и обстоятельства, сопутствующие ему, заслуживают самого пристального изучения. Самая большая в мире коллекция образцов океанического грунта хранится в геофизической обсерватории Ламонт-Доэрти Колумбийского университета, и именно там в 1995 году геолог Джерард Бонд принялся за более тщательное изучение североатлантических образцов.

Миллиметр за миллиметром Бонд рассматривал донные отложения, выискивая в них чужеродные примеси. Под его внимательным взглядом события Хайнриха стали еще более интересными. Бонд обнаружил среди белых карбонатных пород, происходящих из области Гудзонова пролива, что в северной Канаде, красноватые фрагменты гематита «родом» с берегов реки Святого Лаврентия, а это уже южная Канада. Вулканическое стекло, черное и полупрозрачное, попало из Исландии. Таким образом, в одно и то же время айсберги доставляли породы из самых разных и весьма удаленных мест. Некоторые айсберги смогли доплыть даже до северо-западной Африки, перед тем как растаять и сбросить свой груз.

Бонд работал на пару со своей женой, Расти Лотти, и они обнаружили куда больше доказательств ледового рафтинга, чем раскопал Хайнрих на северо-востоке Атлантики. В других частях океана они были даже более заметными. Иногда красные фрагменты с берегов реки Святого Лаврентия и черные из Исландии ясно выделялись, в то время как обычно более приметные белые гранулы из Гудзонова пролива отсутствовали. Многообразие материала говорит о том, что события Хайнриха оказались самыми тяжелыми моментами за весь цикл, неоднократно повторявшийся в истории Земли.

Бонд также выяснил, что подобные события происходили и позже, в конце ледникового периода, когда в общем-то было уже теплее. Геологам давно известно, что значительное потепление, пришедшее на смену оледенению, было вновь прервано 13 тысяч лет назад, когда возвратился суровый холод, — этот период получил название «поздний дриас». Океанические осадочные породы наглядно демонстрируют, что в то время льды тоже активно бороздили просторы океанов, оставляя после себя белые гранулы и похожий мусор.

События, происходившие после ледникового периода, оставили менее яркие отложения — в основном это пыль, попавшая с ветром с северных земель и островов на айсберги, а уже затем привезенная ими южнее. Зато эти отложения показывают устойчивый ритм, и в некоторых из них мы находим больше обломков с дрейфующих льдов, чем в малый ледниковый период. Кроме следов уже упоминавшихся событий 800 года до н. э., морское дно надежно хранит информацию об оледенениях, хорошо знакомых геологам и археологам, — такие оледенения произошли, например, в 6300 году до н. э. и в период с 3600 по 3300 год до н. э. Когда в Северной Атлантике наступали похолодания, в нижних широтах наблюдалось сокращение количества атмосферных осадков. Если вы интересуетесь возможными связями между климатом и жизнью людей, то вам будет любопытно узнать, что именно в середине IV века до н. э., когда в Месопотамию пришел холод, были изобретены специальные послания в глиняных «конвертах», предохранявших от сырости самые ранние из известных платежных извещений.

Последствия похолодания, пик которого пришелся на 1300 год до нашей эры, были весьма разнообразны и широкомасштабны. В то время как морской лед сбрасывал свои грязные обломки в Атлантике, на восточное Средиземноморье обрушилась засуха. Городские культуры микенцев в Греции и хеттов в Анатолии погибли. Когда Нил обмелел, евреи совершили исход из Египта. Грабители и пираты подорвали торговлю оловом, и человечество принялось экспериментировать с новыми материалами — железом и сталью (особенно ярко это видно на примере Кипра), — пытаясь найти замену бронзе.

Депрессивно-маниакальное Солнце

Мы убедились, что все похолодания связаны с «ленивым» Солнцем и большим количеством космических лучей. Так, совпадают минимум Маундера и сопутствующий ему малый ледниковый период. Это почти не удивило тех, кто, как Свенсмарк, ожидал подобной зависимости. Хотя он и другие ученые, включая Баса ван Гела из Амстердама, постоянно говорили о существовании связи между Солнцем и климатом, большинство их попросту не замечало. Когда Джерард Бонд из Колумбийского университета впервые занялся изучением «облегченных версий» событий Хайнриха за последние 12 тысяч лет, он скептически относился к связи Солнца с климатом Земли, пока к их команде не присоединился Юрг Бер из Швейцарского федерального института окружающей среды и технологий.

Бер — специалист по истории Солнца, прослеживающий его поведение с помощью радиоактивного бериллия-10. Атомы радиоактивного бериллия образуются в атмосфере под воздействием космических лучей, и у них более долгий период полураспада, чем у углерода-14. К тому же бериллий-10 не только не поглощается живыми существами, но и не участвует в сложных циклах двуокиси углерода в атмосфере и океане. Бериллий-10 неспешно ложится атом за атомом на льды Антарктики и Гренландии, и снег надежно хранит их, поэтому он является для нас необычайно ценным ключом к поведению Солнца на протяжении сотен и тысяч лет.

Благодаря героическому бурению в самых холодных районах Земли и кропотливому изучению льда, доставленного в лаборатории, нам сейчас доступны долгие хроники изменений климата, и мы можем исследовать их возможные причины. Слои льда не только записали изменения температур, но и сохранили атомы бериллия-10 и следы вулканических извержений и газов, таких как двуокись углерода и метан.

Хотя Бер и не соглашался со Свенсмарком в том, что заряженные частицы и облака воздействуют на погоду, он не отрицал роли Солнца в изменениях климата. Известно, что космические лучи — индикатор солнечного поведения, и Бер, анализируя керны гренландского льда, заметил, что пики образования бериллия-10 четко совпадают с событиями «дрейфующих льдов», которые были четко датированы Бондом и его группой в докладе 2001 года:

«Выявленные нами соотношения доказывают, что за последние двенадцать тысяч лет увеличение числа плавучих льдов было связано с отчетливыми периодами меняющейся и, в общем, уменьшающейся солнечной активности».

За последние 12 тысяч лет магнитная активность Солнца периодически ослабевала, от чего на Землю попадало больше космических лучей, прилетающих из Галактики. В результате мир становился прохладнее, о чем свидетельствует осевший на дно песок, принесенный в Атлантику дрейфующими льдами. В последний раз это случилось во времена малого ледникового периода. Современный теплый период (часто называемый глобальным потеплением) — это лишь последний в длинной серии «мягких» эпизодов, когда Солнце усиливало свою активность и космических лучей, попадающих на Землю, становилось меньше.

В промежутках между резкими похолоданиями, соответствующими событиям Хайнриха, и событиями «дрейфующих льдов» Бонда случались внезапные потепления, что обнаружили Вилли Дансгор из Копенгагена и Ганс Ошгер из Берна, когда они внимательно изучили керны, добытые из глубин гренландского ледового щита. Варьирование процентного содержания тяжелого кислорода во льду — это отчетливый показатель температурных изменений. На двух буровых площадках, размещенных на ледовом щите и довольно далеко отстоящих друг от друга, были получены керны льда, формировавшегося в течение 30 тысяч лет: самые ранние слои в этих кернах образовались 45 тысяч лет назад, самые поздние — 15 тысяч лет назад, иначе говоря, этот лед откладывался в самый разгар последнего ледникового периода. Ученые, исследовавшие керны, едва ли не воочию убедились в том, что за этот период было не менее десяти внезапных сильных потеплений, каждое из которых длилось несколько сотен лет.

Более близкие к нам по времени потепления — это как раз те, когда льды уходили с перевала Шнидейох и уступали дорогу людям. Ученые также распознали относительно умеренные скачки температуры — такие как малый ледниковый период, оказавшийся, к счастью, гораздо менее суровым, чем события Хайнриха. А разве сегодня Земля неуязвима перед лицом резких похолоданий?

Два последних температурных рывка вверх — это средневековое потепление и «глобальное потепление» двадцатого века. В 1000–1300 годах нашей эры мир был столь же теплым, как и сегодня, если не еще теплее. На это время пришлись зенит могущества викингов в Северной Атлантике и расцвет культуры и науки на Востоке. Для Китая период стал столь благодатным, что население его удвоилось всего за сто лет, а благополучие Европы выразилось в повсеместном строительстве соборов.

Щедрая деятельность Солнца обуздала приток космических лучей и была, очевидно, связана и со средневековым теплым периодом, и с потеплением двадцатого века. Контраст по сравнению с высоким уровнем космических лучей в малый ледниковый период дает ошеломительную картину смены солнечных настроений. Согласно данным Бонда, за 12 тысяч лет количество обломочного материала с дрейфующих льдов в Атлантике значительно сокращалось всего лишь восемь раз — так, например, это случилось в средневековый теплый период. Общие черты, характерные для наиболее резких чередований жизненных условий в последнюю ледниковую эпоху, когда климат менял курс и устремлялся то к холодным событиям Хайнриха, то к теплым эпизодам Дансгора-Ошгера, не оставляют сомнений в том, что причиной всему были изменения на Солнце.

Хорошие и плохие времена в ледниковом периоде

Современные люди, пришедшие из Африки, совершили свое опасное переселение в Западную Европу во время потепления Дансгора-Ошгера около 35 тысяч лет назад. Пришлые кроманьонцы вскоре вытеснили аборигенов-неандертальцев. Вне всяких сомнений, на север и запад Европы переселенцев привлекли более теплые условия. Но их потомкам пришлось кататься на климатических «американских горках», так как еще до того, как закончился ледниковый период, произошло шесть значительных похолоданий и потеплений. И выдерживать экзамен на храбрость и сообразительность людям пришлось не только в Евразии, потому что количество выпадающих осадков менялось кардинально и отразилось на жизни в каждом уголке земного шара.

Поздний дриас, начавшийся 13 тысяч лет назад, был, возможно, особенно утомительным. Как уже упоминалось раньше, этот период наступил как раз тогда, когда ледниковый период, казалось, уже заканчивался. Данные радиоактивного углерода за этот период говорят, что на Землю проникло гораздо больше космических лучей, чем обычно, и холодные условия вернулись. Обломки с плавучих льдов щедро усеяли атлантическое дно, и, почувствовав второе дыхание, ледники сокрушили леса, привлекавшие людей в долины более комфортными условиями.

Осадков в Африке выпадало все больше, пока наконец все это не привело к неожиданному концу в позднем дриасе, когда на континент вползла засуха, иссушив озера и реки. В поселении Тель Абу-Хурейра, что находилось на южном берегу реки Евфрат (ныне — северная Сирия), жители нашли новый способ справляться с трудностями, внезапно на них обрушившимися. Именно там Гордон Хиллман и его коллеги из Лондонского института археологии обнаружили доказательства самого великого открытия доисторического периода: человек научился выращивать дикие зерновые, первоначально рожь и пшеницу.

«Главным побудительным фактором, способствовавшим этому нововведению, было то, что во время засухи позднего дриаса резко сократилось количество важнейших дикорастущих средств пропитания. Начало возделывания почвы и разведения растений послужило основой для последующего развития и быстрого распространения комплексной агропастбищной экономики».

Возьмем на заметку, что всплеск космических лучей имел важнейшие последствия для жизни людей. Можно проанализировать и другие примеры того, как изменения климата отразились на жизни человечества. Во время ледникового периода современные люди постепенно расселялись, занимая территории Австралии и Сибири, и наконец добрались до Северной Америки. Как же связаны их путешествия и вечно меняющиеся климатические условия — то события Дансгора-Ошгера, то события Хайнриха, — да еще в разных частях нашей планеты?

До этого великого расселения климат сделал свой первый глубокий нырок в «ледяную прорубь» более чем 70 тысяч лет назад. Ученые пытались ответить на вопрос, что именно тогда произошло. Неужели пепел, взметнувшийся в небо во время извержения вулкана Тоба на Суматре — извержения, произошедшего 74,5 тысячи лет назад, — окутал мир тьмой и холодом, повергнув его в вулканическую зиму? Быть может, население Земли сократилось настолько, что все мы — потомки лишь нескольких выживших в той катастрофе?

Как бы ни были увлекательны эти предположения, доказательства весьма противоречивы. Если человечество было почти стерто с лица Земли, многие другие виды также должны были пострадать, однако тому нет подтверждений. Что касается климатического воздействия вулкана Тоба, то взрыв был настолько мощным, что пепел засыпал даже Индию, и, должно быть, выброс в стратосферу был также огромен. Тайваньские геологи нашли следы предыдущего сверхизвержения Тоба. Оно произошло 790 тысяч лет назад и было в два раза слабее последующего. Но тогда извержение сопровождалось значительным потеплением, и ледниковые температуры уступили место межледниковым условиям. Возможно, на небольшой срок и похолодало, но это, очевидно, никаких долгосрочных последствий не вызвало, и на сегодня следы того похолодания не обнаружены.

Свидетельства деятельности Тоба мы находим на буровых площадках Гренландии и Антарктики. Подсчеты уровня содержания во льду тяжелого кислорода, или кислорода-18,— хороший индикатор температур, господствовавших в те времена, когда древние слои льда формировались из выпавшего снега. В отличие от углерода-14 изотопы кислорода — это не продукт деятельности космических лучей, а относительно редкий компонент изначального земного запаса кислорода. Молекулы воды, в которые входит тяжелый кислород, более медлительны в своем поведении, чем молекулы, содержащие обычный кислород-16, и это делает их более заметными в холодных условиях. Таким образом, количество изотопов тяжелого кислорода в ледниковых щитах колеблется в зависимости от температуры.

Пробы гренландского льда однозначно указывают на кратковременный прогиб температур во время извержения Тоба, то есть около 74,5 тысячи лет назад. Однако намного более экстремальное погружение в холод началось тысячу лет спустя и совпало с сильным потеплением в Антарктике. Для Свенсмарка такой контраст между севером и югом — это знак того, что климатом управляют облака. Очевидно, что воздействие интенсивных космических лучей было сильнее и продолжительнее, чем влияние любого вулкана, пусть даже и Тоба.

Но если человечеству в тот момент и не угрожало вымирание, резкие скачки климата, случавшиеся из-за внезапных перепадов в солнечном настроении, постоянно мучили наших предков. В течение одной человеческой жизни можно было ощутить и взрывы тепла, и удары холода. Они шли длинной чередой, словно Природа разработала специальные тесты на умственные способности, маня людей надеждой на потепление и подгоняя кнутом холода, и лишь интеллект и умение приспосабливаться помогали человечеству выжить. Археологам все еще предстоит проследить различные связи между генетикой, миграцией людей, технологиями и изменениями климата. Но среди тысяч поколений людей мы — быть может, первые, кто испугался потепления.

В 2005 году умер Джерард Бонд, кропотливо изучавший события «дрейфующего льда» в Атлантике, но он оставил нам в наследство данные, ясно свидетельствующие о том, что Природа была в силах часто и кардинально менять климат задолго до промышленной революции. Вместе с данными Юрга Бера о бериллии-10 результаты исследований Бонда не оставляют возможности ни одному здравомыслящему человеку отрицать важную роль Солнца в изменениях климата, к которым относится и большая часть потеплений, начиная с малого ледникового периода и до начала двадцать первого века.

Впрочем, сам Бер так и не согласился со Свенсмарком. Он не считал, что космические лучи — это нечто большее, чем просто показатель солнечной активности, и что именно они приводят в действие климатический механизм, формируя облака. И это было не просто его желание считать солнечное излучение главной движущей силой климата — Бер нашел весомый аргумент против теории Свенсмарка. Он обнаружил, что космические лучи могут быть вовсе не причастны к изменениям климата, если приток заряженных частиц регулирует не Солнце, а другой щит, удерживающий космических гостей в отдалении, — собственное магнитное поле Земли.

«Наши результаты определенно опровергают „облачную“ гипотезу»

Эдмунда Галлея мы знаем как ученого, правильно предсказавшего возвращение кометы, названной впоследствии в его честь, но вообще он был весьма разносторонним исследователем. Помимо изучения звезд, он также участвовал в океанографических экспедициях и, составляя карту магнитных полей Земли, заметил, что поля постоянно меняют свое положение. До 1656 года, когда родился Галлей, компасы кораблей, курсировавших в Ла-Манше, указывали вместо севера на восток. К 1700 году стрелки уже показывали на запад, и если бы опытные шкиперы вели суда на юг по каналу, традиционно полагаясь на компас, они непременно разбились бы о пользовавшиеся дурной славой скалы Каскетс. Галлей убедил моряков подкорректировать курс на один румб, то есть на 11,25 градуса.

Перемотаем пленку истории вперед на триста лет, и мы увидим, как преемники Галлея по геомагнетической науке беспокоятся, что напряженность поля Земли после двух тысяч лет медленного и постепенного ослабления вдруг стала резко падать. Команда французских и датских ученых сравнила замеры, сделанные датским спутником «Эрстед» в 2000 году, с аналогичными данными, только полученными двадцатью годами ранее американским спутником «Магсат». Они обнаружили, что геомагнитное поле слабеет очень быстро, и простые арифметические подсчеты предсказывают полное его исчезновение приблизительно через тысячу лет.

Пятно над Южной Атлантикой, где поле практически бездействует и спутники особенно беззащитны перед солнечным излучением, ширится в сторону южной части Индийского океана. Ослабление магнитного поля создает большие неудобства для конструкторов летательных аппаратов. Геологическая служба Канады сообщает, что скорость перемещения северного магнитного полюса в последнее время возросла и ныне составляет 40 километров в год. Специалисты гадают, уж не собирается ли наша планета поменять местами северный и южный магнитные полюса.

Так уже не раз случалось в прошлом, причем через неравные промежутки времени, о чем говорят узкие полосы намагниченной породы на дне океана и в древних потоках лавы на земле. Последний случай, когда ваш компас показывал бы строго на юг, вместо того чтобы показывать на север, был 780 тысяч лет назад, перед тем как произошло событие, известное как инверсия Матуяма-Брюнес. Эти события длятся довольно долго: поле ослабевает в течение тысячи лет и даже больше, а затем ему требуется столько же времени, чтобы восстановиться, но уже в «перевернутом» виде.

Если бы Земля потеряла на некоторое время большую часть своей магнитной силы и перестала обороняться от галактического излучения, имело бы это значение? На первый взгляд ответ кажется очевидным — нет, не было бы никакого заметного вреда. Инверсии геомагнитного поля были открыты в начале двадцатого столетия Бернаром Брюнесом из Франции и Мотонори Матуямой из Японии. С тех пор многие ученые искали хоть какие-то знаки, что такие события имели значимые последствия, но — безуспешно. И пусть вы пытаетесь вообразить, как сильно, наверное, были обескуражены перелетные птицы и другие животные, путешествующие по врожденному магнитному «компасу», тем не менее земные породы не сохранили в своей памяти свидетельств хоть сколько-нибудь серьезных изменений климата, вызванных этими магнитными переключениями.

Незадолго до бронзового века, приблизительно за 5000 лет до нашей эры, магнитное поле Земли также стало ослабевать. Образование радиоактивных атомов ускорилось по сравнению с прошлыми столетиями, но снова не было явного воздействия на климат. Даже напротив, это был самый теплый момент с той поры, как закончился последний ледниковый период.

Иногда кажется, что Земля пытается поставить свое магнитное поле с ног на голову, но все ее попытки проваливаются. Полюса начинают быстро перемещаться, поле сильно ослабевает, в затем все вновь возвращается на свои места. Об одном таком эпизоде в истории Земли ученым рассказали вулканические породы Шен-де-Пюи во Франции. Это был так называемый экскурс Лашамп, случившийся 40 тысяч лет назад, в самый разгар ледникового периода. Тогда сила геомагнитного поля была в десять раз меньше, чем сегодня.

Группа ученых из Швейцарского федерального института окружающей среды и технологий, возглавляемая Юргом Бером, провела специальные исследования ледниковых кернов, добытых с самой глубокой точки гренландского ледового щита. Они обнаружили, что по мере ослабевания магнитного поля Земли количество изотопов бериллия-10 и хлора-36, образующихся под воздействием космических лучей, увеличилось более чем на 50 процентов. И несмотря на это увеличение, никакого похолодания не последовало.

Что делает этот результат красивым и особенно убедительным, так это то, что индикаторы господствующих температур — обильные количества тяжелого кислорода и молекул метана — находятся в тех же слоях льда, что и индикаторы притока космических лучей. И поскольку нет необходимости искать дополнительные данные где-нибудь еще, эпизод Лашамп, запечатленный льдами Гренландии, подвергает предполагаемую связь между космическими лучами и климатом серьезному испытанию.

Когда в 2001 году Бер и его коллеги докладывали о результатах своих исследований, они отмечали, что, согласно теории Свенсмарка, значительное увеличение космических частиц должно было бы увеличить облачный покров Земли и сильно остудить ее, однако известно, что ничего подобного не произошло. В 2005 году Бер еще раз подтвердил свое мнение:

«Если гипотеза датских ученых верна, облачность в тот период должна была увеличиться и привести к очень ощутимому похолоданию. Наши результаты определенно опровергают „облачную“ гипотезу. Так как все параметры получены из одного ледового слоя, этот важный результат не зависит от точности датировки самого керна».

Это был очень серьезный аргумент против любой тесной связи между космическими лучами, облаками и климатом. Другие исследователи — те, кто поддерживал идею о важной роли Солнца в климатических переменах, — во многом разделяли точку зрения Бера. Ваш покорный слуга, Колдер, был одним из тех, кто находился под сильным впечатлением от гипотезы Свенсмарка. Однако и он был всерьез озадачен возникшим препятствием и провел много времени в бесплодных попытках отыскать хоть какой-нибудь знак, что климат все-таки поменялся, после того как Земля уронила свой магнитный щит. Так как экскурс Лашамп противоречил самой сути теории, излагаемой в этой книге, мы должны дать очень четкий ответ. И значит, надо более внимательно взглянуть на то, как космические лучи попадают к нам.

 

2. Приключения космических лучей

Благодаря отважным исследователям, поднявшимся высоко в небо, чтобы провести свои опыты в 1911–1912 годах, мы узнали, что чем выше вы поднимаетесь, тем сильнее становится электропроводность воздуха. Отважный Виктор Гесс из Института исследований радия Венской Академии наук отнес этот эффект на счет того, что он называл «высотной радиацией», die Höhenstrahlung. Роберт Милликен из Чикагского университета ошибочно полагал, что это гамма-лучи, и переименовал виновника, то есть космические лучи, в «сверхрентгеновские», по аналогии с уже открытым радиоактивным излучением. Вскоре выяснилось, что это заряженные частицы, в том числе и некоторые виды, неизвестные ранее.

В течение сорока лет космические лучи находились в авангарде фундаментальной физики, щедро одаривая ученых Нобелевскими премиями. Когда почти все субатомные частицы, полученные с помощью ускорителей, были открыты, эстафетная палочка по изучению космических лучей перешла к тем исследователям космоса, у которых была возможность «перехватить» их в первозданном виде за пределами атмосферы. За изучение происхождения и роли этих частиц на космической кухне взялись астрономы. Наконец-то появилась возможность с большой долей уверенности описать полную историю приключений космических лучей, начиная с взрывного рождения первичных лучей до того момента, когда вторичные космические лучи пройдут сквозь воздух и наши тела и «растворятся» в геологических породах.

Поиски космических гнездовий

В 2003 году на одной широкой африканской равнине около города Виндхук (Намибия) близилась к завершению работа по созданию группы из четырех необычных телескопов. Но даже до того, как был готов последний из них, телескопы, работающие попарно, смогли увидеть, как происходит образование заряженных частиц на космических «фабриках» — в остатках взорвавшихся звезд. Ученые давно это предполагали, но, пока не появились новые результаты из Африки, подтверждений тому было недостаточно.

Трудность в том, что космические лучи — это заряженные частицы. Магнитные поля в Галактике и в непосредственной близости от Солнца и Земли заставляют их отклоняться от первоначального пути. И к тому времени, когда мы можем обнаружить эти частицы по соседству с нами, они поступают равномерно с разных сторон. Направление их движения говорит нам не больше о том, откуда они начали свой путь, чем полет мясной мухи.

Астрономы все же не теряли надежды отыскать места зарождения космических лучей. Когда частицы сталкиваются с атомами в космическом пространстве, они в том числе производят гамма-лучи. То есть там, где сконцентрировано много космических лучей, там гамма-излучение должно быть сильнее. И так как гамма-лучи — это форма света, они летят из своего источника к Земле по прямой, как и любой другой видимый свет.

Обычное космическое гамма-излучение, испускаемое радиоактивными элементами, могут зафиксировать наши спутники. В отличие от него гамма-лучи, выходящие из «фабрик по производству космических лучей», должны быть в тысячу раз сильнее. Чтобы их обнаружить, нужны большие телескопы, способные уловить отблески излучения в небе. Когда космические лучи вонзаются в атмосферу, они разгоняют электроны до скорости большей, чем скорость света в воздухе, и те в свою очередь производят ударные световые волны.

Телескоп обсерватории «Уиппл» (Аризона) был специально сконструирован для обнаружения таких ударных волн, и в 1989 году он первым уловил высокоэнергетические гамма-лучи, идущие от остатков сверхновой. Это была хорошо известная Крабовидная туманность в созвездии Тельца, где в 1054 году взорвалась сверхновая звезда. Но тогда телескоп не смог определить направление, откуда пришли космические лучи, во всяком случае, он определил его недостаточно точно, и астрономы так и не смогли сказать, в какой конкретно части увеличивающегося облака Крабовидной туманности образуются гамма-лучи.

Это открытие воодушевило специалистов, но так как они надеялись добиться большего, ученые взялись за усовершенствование своих инструментов. Одним из таких инструментов и стал четырехзеркальный телескоп в Намибии, названный «ГЕСС» в честь открывателя космических лучей. Над проектом трудились ученые из Германии, Франции, Англии, Чехии, Ирландии, Армении, Южной Африки и Намибии.

Когда часть зеркал была завершена, их направили на остатки сверхновой в созвездии Скорпиона, предположительно такого же возраста, что и Крабовидная туманность. Так как сейчас много астрономических объектов, остаток сверхновой в созвездии Скорпиона получил имя, похожее на номер автомобиля: RXJ1713.7–3946,— если его расшифровать, оно укажет на положение объекта в небе. После десяти часов наблюдений астрономам удалось получить снимок небесного тела, впервые обнаруженного при помощи высокоэнергетических гамма-лучей.

Изображение остатков сверхновой получилось очень отчетливым. При этом их форма, размер и другие детали совпадали с тем, что можно было увидеть на сделанных ранее рентгеновских снимках. В частности, гамма-лучи были более интенсивными на одной стороне оболочки, где она сталкивается с относительно густым облаком межзвездного газа. Именно там теоретики предсказывали наличие наибольшего количества заряженных частиц.

RXJ1713.7–3946 — довольно крупное образование, и хотя оно лежит в 3000 световых лет от нас, с Земли этот объект «выглядит» больше, чем Луна.

Пола Чадвик из университета Дарема с восторгом рассказывала о первых результатах, добытых «ГЕССом»:

«Полученная фотография — это действительно большой шаг по направлению к гамма-лучевой астрономии, а остатки сверхновой — самый восхитительный для фото-сессии объект. Если бы ваши глаза были чувствительны к гамма-излучению, то, находясь в Южном полушарии, вы бы смогли видеть огромное кольцо, ярко пылающее в небе каждую ночь».

А мы добавим, что, если бы вы также были способны видеть космические лучи, а не просто представлять их себе, вы бы увидели, как они выстреливают из светящегося кольца во всех направлениях и, вибрируя, прокладывают свой путь через Галактику, послушно следуя всем указаниям ее магнитных полей. Но так как этому объекту исполнилась всего лишь тысяча лет, RXJ1713.7–3946 едва лишь приступил к образованию космических лучей.

Из пепла

Хотя «сверхновая» вроде бы означает, что звезда «новая», на самом деле она уже давно существует на небе, просто в один прекрасный момент звезда внезапно вспыхивает и становится более заметной для наблюдателей. Звезда разрушается в процессе катаклизма, о чем говорит ее необыкновенно мощное сияние. Существует много разных видов сверхновых, но главные «поставщики» космических лучей — звезды типов II и lb, масса которых намного превышает массу Солнца. В глубине Солнца ядерная печка переплавляет водород в гелий и тем самым вырабатывает энергию, поддерживающую жизнь на Земле. Когда большая часть водорода в ядре Солнца будет сожжена, начнет гореть гелий, синтезируя углерод и кислород. Так ведет себя любая звезда размером с Солнце. Сбросив свою оболочку в виде красивейшей планетарной туманности, само ядро превратится в белого карлика — маленькую, мертвую, медленно затухающую звезду.

В более массивных звездах ядерное горение — в виде реакции синтеза — идет дальше. Сильная гравитация приводит к сжатию ядра, его температура возрастает так, что начинают «гореть» углерод и кислород, производя на свет — или, правильнее сказать, «в свете ядерного пламени» — более тяжелые элементы. В конечном итоге слияние ядер кремния порождает железо, и на этом энергия ядерной печки достигает своего предела. Тепло больше не выделяется, у звезды не остается сил, чтобы сопротивляться давлению гравитации, железное ядро коллапсирует, и все остальное звездное вещество рушится на него.

Поскольку внезапно высвобождается огромное количество энергии, верхние слои звезды отбрасываются наружу. Армии призрачных частиц, называемые нейтрино, взрывным манером выталкивают большую часть звездного вещества в окружающее пространство. А тем временем реакция синтеза, подстегнутая высвобожденной энергией, создает химические элементы тяжелее железа — по всей линейке, вплоть до золота, урана и даже далее.

Несколько недель сверхновая светит с силой миллиардов солнц. В этом случае мертвое ядро становится не белым карликом, а более плотным объектом, нейтронной звездой. Небо усеяно нейтронными звездами, и каждая означает смерть своей крупной предшественницы. Когда эти звезды молоды, они часто заявляют о своем существовании, посылая пульсирующие радиосигналы, поэтому они называются пульсары. Крабовидная туманность, самый известный остаток сверхновой, все еще хранит свой пульсар среди звездных обломков. Во многих других случаях пульсар получает легкий толчок в бок и ускользает, оставив развалины звезды позади, — как поджигатель, покидающий место преступления.

Распыленное до отдельных атомов вещество взрывной волной свободно расходится в космосе со скоростью в тридцать раз меньшей, чем скорость света, то есть 10 тысяч километров в секунду. В результате оно обладает колоссальной кинетической энергией, и приблизительно одна пятая этого вещества в конце концов будет преобразована в космические лучи, путешествующие со скоростями, близкими к скорости света. Но этот процесс требует времени.

По-настоящему образование космических лучей начинается только тогда, когда распыленное до атомов вещество становится таким же разреженным, как межзвездный газ, и встречает сопротивление с его стороны. Тогда вещество взорвавшейся звезды притормаживает и смешивается с атомами межзвездного вещества. Ударные волны становятся более интенсивными, а магнитные поля, связанные с ними, — более сильными.

Вот так в пределах разлетевшихся обломков сверхновой звезды и формируются «фабрики космических лучей». Немецкий и швейцарский астрономы, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, еще в 1934 году впервые выдвинули предположение, что источником космических лучей могут быть сверхновые звезды. Спустя 15 лет физик итальянского происхождения Энрико Ферми из Чикагского университета предположил, что заряженные частицы в космосе могут набирать энергию, если они отскакивают от движущегося магнитного поля. Представьте себе, как медленно летит резиновый мячик, когда его небрежно бросит ребенок, и как он отлетает на огромной скорости, стукнувшись о лобовое стекло проезжающей мимо машины.

Другие теоретики вскоре поняли, что ударная волна в остатках сверхновой создает особенно мощный ускоритель, так как неравномерные магнитные поля впереди и сзади ударной волны действуют как зеркало. Заряженные частицы, будущие космические лучи, отражаются то вперед, то назад и, каждый раз проходя сквозь ударную волну, постоянно накапливают энергию. Магнитные «зеркала» не дают частицам выйти, в то время как их ускорение продолжается. Когда они окончательно выберутся из остатков сверхновой, их скорость будет соответствовать той, какую могут придать частицам ускорители на Земле. Есть и такие, что двигаются в сотни раз быстрее, чем частицы, ускоренные в самых современных машинах, но таких относительно немного.

Так как водород самый распространенный элемент во Вселенной, большинство космических заряженных частиц — это протоны, ядра атомов водорода. Среди них, конечно, присутствуют и другие элементы: гелий, углерод, кислород и прочие — приблизительно в таких же пропорциях, в каких они представлены в Галактике, хотя излишек железа напоминает нам о том, что родина космических лучей — сверхновые звезды. Несмотря на такие нюансы, космические лучи — это всего лишь звездный мусор, быстро летящий через космическое пространство. Скорость даже самых медленных протонов составляет 90 процентов от скорости света. Впрочем, более быстрые их коллеги иногда приближаются к пределу скорости, но никогда не достигают его. Вместо этого их кинетическая энергия выражается в дополнительной массе.

В Институте астрономии Венского университета Эрнст Дорфи пытался выяснить, в какой степени временной режим событий, происходящих в сверхновой, зависит от силы взрыва и плотности окружающего ее газа. Расчеты Дорфи показывают, что обычно остатки прекращают расширяться приблизительно через двести лет после взрыва. Половина кинетической энергии идет на подогрев газа в остатках сверхновой в течение двух тысяч лет. К этому времени образование космических лучей уже идет полным ходом, и оно продолжает набирать обороты, пока не достигнет своего пика через тысячу столетий, после чего продолжается уже сотни тысяч лет.

Приблизительно через миллион лет остаток сверхновой, растратив большую часть энергии, теряет и свои уникальные черты, и лишь блуждающая нейтронная звезда напоминает о некогда сверкнувшем огромном голубом бриллианте. Меж тем многим другим уготована такая же судьба. Единовременно тысячи остатков сверхновых заняты тем, что раздают свои подарки в виде химических элементов и осыпают Млечный Путь галактическими космическими лучами.

Определение «галактические», кстати, позволяет отделить их от других высокоскоростных частиц, о которых вы, возможно, слышали. Космические лучи сверхвысоких энергий довольно редки и, вероятно, зарождаются в других галактиках. Солнечные космические лучи относительно слабы и появляются вследствие взрывов на Солнце. Их часто называют солнечными протонами, и они опасны для астронавтов и космических кораблей, но на земной поверхности вряд ли имеют какое-либо значение. Аномальные космические лучи также незначительны. Они исходят от дальних ударных волн в магнитном поле Солнца и представляют интерес только для ученых в области космонавтики.

Когда бы ни появлялись космические лучи в нашей истории, мы подразумеваем обычный галактический вид. Они прибывают из внешнего космоса как первичные космические лучи и, бомбардируя нашу атмосферу, производят частицы, называемые вторичными космическими лучами. Именно они — представители галактических гостей со взорвавшейся звезды — проносятся сквозь вас дважды в секунду даже сейчас, когда вы читаете этот абзац.

Не просто бесполезная добавка

Долгое время большинство астрономов смотрели на космические лучи как на любопытный, но малозначительный побочный продукт смерти звезд, все равно что мусор, оставшийся после похорон. К концу двадцатого века появилась совершенно иная концепция, которая в 2001 году получила свое отражение в манифесте Кати Ферье из Обсерватории Миди-Пиренеи (Тулуза). Во вступительных строках автор отводит космическим лучам достойное место в схеме астрономического порядка вещей:

«Звезды нашей Галактики — традиционно обозначаемой с прописной буквы, чтобы отличить ее от бесчисленного количества других галактик, — расположены в чрезвычайно разреженном пространстве, так называемой „межзвездной среде“ (МЗС), состоящей из обычного вещества, релятивистских заряженных частиц, известных как космические лучи, и магнитных полей. Эти три важнейшие составляющие — по давлению, ими оказываемому, — вполне сопоставимы, и они тесно связаны друг с другом электромагнитными силами».

Космические лучи покидают свои пенаты в остатках сверхновой и разгоняются до скорости, близкой к световой, так что можно было бы ожидать, что они быстро покинут нашу Галактику и унесутся дальше во Вселенную. Наиболее энергичные из них так и поступают, но большинство заряженных частиц путешествуют туда-сюда в пределах Галактики на протяжении миллионов лет, подобно рыбам, плавающим в широком, но очень мелком озере.

Диск ярких звезд, который мы видим с ребра и называем Млечным Путем, стиснут с обеих сторон гравитацией. Силовые линии сплющенного растянувшегося магнитного поля прокладывают себе путь через весь диск. По сравнению, скажем, с геомагнитным полем оно очень слабое, но трудится на протяжении многих тысяч световых лет и вынуждает блуждающие заряженные частицы следовать вдоль силовых линий в пределах диска. Напряженность поля и количество сопутствующих ему космических лучей — величины не постоянные, все зависит от конкретной области Галактики. Солнце и Земля вечно находятся в движении, поэтому и показания «счетчика» космических лучей также все время меняются.

Если космические лучи пытаются вырваться, поле почти всегда возвращает их назад, в Галактику. Как они в конечном итоге просачиваются в межгалактическое пространство — пока неясно. Обитателям нашей планеты сильно повезло, что многим частицам, собственно, и составляющим космические лучи, удается сбежать, — иначе их накопилось бы столько, что жизнь на Земле была бы невозможна. Средняя продолжительность существования космических лучей — от 10 до 20 миллионов лет. Их запас обновлялся сотни раз, с тех пор как родилась наша планета, но количество заряженных частиц не оставалось постоянным в течение этого времени. Меняется число взрывающихся звезд — меняется поток космических лучей, и мы можем связать всплески звездной рождаемости с экстремальными переменами климата в долгой истории Земли.

Космические лучи находятся рядом так давно, что они не могли не стать активным участником в том алхимическом действе, в процессе которого непрерывно формируются новые звезды и планеты. Благодаря своей многочисленности и кинетической энергии заряженные частицы оказывают давление на газ, распределенный в пространстве между звездами. И еще они помогают галактическому магнитному полю сопротивляться силе гравитации, пытающейся прижать межзвездный газ к срединной линии диска, и если бы ей это удалось — она сделала бы его таким же плоским, как кольца Сатурна.

Межзвездный газ, магнитное поле и космические лучи — все они действуют сообща, но их содружество столь ненадежно, что иногда члены этого «коллектива» остаются беззащитными перед гравитацией, и та может локально изменять форму магнитного поля, а следовательно, направление космических лучей. В результате гравитации удается загнать около половины межзвездного газа в относительно плотные облака. Однако нельзя сказать, что космические лучи и магнитное поле сопротивлялись напрасно — именно благодаря этому сопротивлению газовое облако получается небольшим и достаточно плотным, чтобы впоследствии из него образовалась звезда.

В Галактике есть темные острова, которые не дают рассмотреть звезды, скрывающиеся за ними. Это облака пыли, где межзвездный газ состоит из каменных, ледяных и смолоподобных частиц. Такие облака служат родильными палатами для новых звезд и сопутствующих им планет. Но прежде чем роды состоятся, химическим реакциям предстоит проделать большую работу, и здесь космические лучи вновь начинают играть жизненно важную роль.

На открытых, прозрачных участках Галактики химическими реакциями дирижирует ультрафиолетовое излучение звезд. К первоначальному сырью в виде водорода и гелия присоединяются элементы, выпущенные умирающими звездами или донесенные волной со сверхновых. Они соединяются и становятся различными веществами: от воды до молекул углерода в форме футбольного мяча, называемых «бакиболы». Но у ультрафиолетовых лучей есть неприятная привычка быстро разрушать то, что было так же быстро создано.

Только под охраной пылевого облака, где вуаль из камней, льда и смолоподобных частичек защищает продукты химических реакций от ультрафиолета, элементы становятся более устойчивыми и разнообразными по составу. И здесь космические лучи, как главные химики облаков, принимают от ультрафиолета бразды правления. Они отбирают электроны у молекул водорода и атомов гелия, и те начинают активно «общаться» с другими элементами, причем эти процессы длятся десятки тысяч лет. Возбужденный атом водорода, например, взаимодействует с атомами углерода и кислорода и создает одного из ведущих игроков космической химии — моноокись углерода.

Теми или иными способами, слишком запутанными, чтобы приводить их здесь, космические лучи поделили полученный кредит, чтобы хватило и на создание Солнца и Земли, и на обогащение нашей планеты водой и углеродными компонентами из межзвездного пространства. Вот так оказалось, что космические лучи — это не просто побочный продукт смерти сверхновых или сторонний наблюдатель в жизненном цикле звезд, а активный участник событий.

От открытия Виктора Гесса до манифеста Кати Ферье прошло девяносто лет — столько времени понадобилось астрономам, чтобы очень не спеша прийти к высокой оценке роли космических лучей и осознать, что они участвуют в формировании галактик. Так что, возможно, надо быть терпеливыми с теми учеными, кто все еще воображает, что третья планета какой-то непримечательной звезды слишком значительна для того, чтобы на нее хоть сколько-нибудь ощутимо могли влиять никчемные маленькие частицы из внеатмосферного пространства.

Как матерь-звезда нас защищает

Рои космических лучей активно вторгаются в окрестности Солнечной системы, их совокупная мощность примерно в два раза превышает силу всего звездного света, который мы видим с Земли. Но, повторим, мы — счастливчики. Цепляясь, как дети, за материнскую юбку Солнца, планеты находят укрытие внутри огромного магнитного поля, которое отбивает около половины космических лучей назад, к звездам.

Открытие и исследование солнечного ветра помогло нам понять, как звезда-родительница защищает нас. Солнечный ветер — это непрерывные потоки заряженных частиц, именно они обеспечивают материальную связь между Солнцем и средой, окружающей Землю в космическом пространстве. Любое представление о том, что Солнце — это всего лишь далекий светящийся шар в небе, окончательно устарело. Мы живем внутри его далеко простирающейся атмосферы, стянутой магнитным полем. В 1958 году молодой физик из Чикагского университета Юджин Паркер впервые предсказал существование солнечного ветра, замечательно угадав многие детали. Ведущие специалисты, как он вспоминает, отнеслись к его идее с насмешкой.

«Они сказали мне: „Паркер, если бы вы хоть сколько-нибудь разбирались в предмете, вы никогда даже не предположили бы такого. Нам давно доподлинно известно, что межпланетное пространство — это глубокий вакуум, лишь иногда пронзаемый лучами высокоэнергетических частиц, испускаемых Солнцем“».

Однако прошло не более четырех лет, как данные, полученные космическим аппаратом, полностью подтвердили еретическую теорию Паркера о солнечном ветре и многие предугаданные им характеристики. С 1960-х годов изучение солнечного ветра прочно вошло в основные задачи космических исследований, кульминацией которых стал запуск в 1990 году космического аппарата «Улисс» совместного производства Европейского космического агентства (ЕКА) и Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). «Улисс» — впервые в истории — дважды обошел Солнце по большой орбите над полюсами нашего светила. Благодаря этому полету ученые смогли скорректировать одни представления о солнечном ветре и обосновать другие.

Так как Солнце состоит в основном из водорода, в составе солнечного ветра преобладают протоны. Там также присутствуют положительно заряженные ионы многих других элементов и отрицательно заряженные электроны в количестве, достаточном для того, чтобы сохранить газ электрически нейтральным. Солнечный ветер тащит с собой магнитное поле Солнца, и таким образом межпланетное пространство наполнено вечно движущимся магнетизмом, готовым сразиться с космическими лучами.

Солнечный ветер «дует» со скоростью приблизительно 350 или 750 км в секунду, это зависит от того, из какой области Солнца он исходит. Даже самый быстрый воздушный поток намного медленнее, чем космические лучи. Частицы солнечного ветра пересекают земную орбиту через несколько дней после того, как покинут солнечную атмосферу. А затем они продолжают свой полет прочь от Солнца, летят и год, и два, раздувая в межзвездном пространстве огромный пузырь, называемый гелиосферой.

Наконец солнечный ветер, распространившись вдаль и вширь, настолько истощается, что межзвездный газ может успешно сопротивляться ему. Тогда солнечный ветер останавливается. Это происходит на расстоянии, приблизительно равном пяти расстояниям до Нептуна, самой далекой из основных планет. Граница Солнечной империи так удалена, что свету или любой свободной заряженной частице нужно около двадцати часов, чтобы добраться до нее, в то время как путь от Солнца до Земли занимает всего восемь минут.

Размер гелиосферы зависит от того, как сильно или, напротив, слабо солнечный ветер дул в течение предыдущих двух лет. Когда на Солнце мало темных пятен, портящих его светлый лик, это говорит о том, что оно находится в относительно спокойном состоянии. В такие времена плотность солнечного ветра падает, но, поскольку его средняя скорость возрастает, ударное давление проталкивает внешнюю границу гелиосферы немного дальше.

На протяжении миллионов лет Солнечная система иногда сталкивается с облаками межзвездного газа, в сто раз более плотного, чем тот, что окружает ее сегодня. Тогда возросшее давление сжимает и сжимает гелиосферу до тех пор, когда она уже не может раздуться даже до внешних планет. С другой стороны, когда Солнце было еще в младенческом возрасте, солнечный ветер был намного сильнее нынешнего, и гелиосфера простиралась много дальше.

Империя Солнца простирается далеко за пределы планетных орбит, образуя огромный пузырь, который именуется гелиосферой. Этот пузырь «надувается» беспрестанными потоками солнечного ветра. В силу того, что этот ветер «дует» по-разному, магнитное поле Солнца неоднородно, однако оно отбрасывает множество космических лучей, приходящих из Галактики. Когда этот солнечный щит ослабевает, на Землю попадает больше космических лучей.

Солнце совершает оборот вокруг своей оси за четыре недели, и в результате магнитное поле, влекомое солнечным ветром, наполняет гелиосферу движущимися силовыми линиями спиральной формы. Около Земли они отклоняются от направления на видимое Солнце на 30–45 градусов к востоку. Однако основную работу по отклонению и зачастую отражению космических лучей выполняют не эти регулярные силовые линии. На Солнце иногда возникают интенсивные, но маломасштабные возмущения магнитного поля, которые рассеивают космические лучи и дают возможность солнечному ветру увлечь их с собой — в определенной степени, разумеется.

Одна из причин ударных волн, создающих эти возмущения, — столкновения между быстрыми и медленными потоками солнечного вещества, идущими из различных областей нашего светила. Еще одна причина — магнитные взрывы в солнечной атмосфере, которые выбрасывают гигантские клубы газа — их именуют «выбросы вещества», — проявляющиеся в виде сильных и внезапных «порывов» солнечного ветра. На Солнце бывает штормовая погода, которая порой длится годами, — о ней говорят многочисленные области высокой магнитной активности, иначе говоря, пятна на Солнце; в эти периоды ударных волн бывает много, и они очень сильны.

У Джона Симпсона из Чикагского университета, «серого кардинала» проекта «Улисс» (точнее, той его части, которая отвечает за прохождение аппарата по околосолнечной полярной орбите), была любимая аналогия для описания того, как трудно космическим лучам попасть внутрь Солнечной системы:

«Представьте, что вы скатываете теннисные мячики вниз по эскалатору, движущемуся вверх. Некоторые из них отскочат от ступеней. Теперь разгоните эскалатор побыстрее, чтобы изобразить возрастающую солнечную активность, и вы увидите, что к вам вернется гораздо больше теннисных мячей, — а до нижней ступени эскалатора доберется гораздо меньше».

И только около половины космических лучей проникнет внутрь Солнечной системы, туда, где Земля обращается вокруг Солнца. Большая часть того, что отсеивается, когда Солнце находится в своей наиболее активной фазе, — это частицы относительно низких энергий, так что они в любом случае были бы отброшены геомагнитным полем. Наземная станция, основанная Симпсоном в Клаймаксе (штат Колорадо), регистрировала поток космических лучей на протяжении половины прошедшего столетия, вычисляя среднемесячные значения. И согласно этим данным количество заряженных частиц умеренных энергий сокращается на 25–30 процентов, после того как ученые фиксируют максимумы солнечных пятен. Между максимумом солнечных пятен и минимумом космических лучей обычно проходит год или два, так как необходимо какое-то время, чтобы ударные волны прошли сквозь границу гелиосферы.

Последняя линия обороны

Проведя день или два в зигзагообразных движениях, пробравшись через все магнитные заслоны, поставленные на их пути солнечным ветром, некоторые заряженные частицы наконец достигают Земли. Предпоследняя трудность на их пути — это геомагнитное поле, служащее Земле щитом от незваных галактических гостей. Динамо-машина в расплавленном железном ядре нашей планеты отвечает за большую часть магнитного поля Земли, которое можно уподобить большому пузырю, существующему «внутри» солнечного ветра, или магнитосферы. «Порывы» солнечного ветра деформируют магнитосферу и вызывают магнитные бури на Земле, когда стрелки компасов кружатся в неистовом танце, а в небесах полыхают полярные сияния.

С 1868 года ученые наблюдают за изменениями магнетизма на противоположных концах Земли — в Гринвиче и Мельбурне. Регистрация усредненных данных по геомагнитному полю, так называемого аа-индекса, продолжается по сей день, теперь уже с использованием обсерваторий в Хартленде (Англия) и Канберра (Австралия). Попутно первопроходцы измеряли мощь солнечного ветра, и благодаря этим ученым у нас есть замечательные данные о связи между Землей и Солнцем, начиная со времен королевы Виктории. Однако в этих данных довольно много путаницы, в результате чего роль нашего магнитного поля в деле защиты планеты от космических лучей получается сильно преувеличенной.

Когда большой выброс с Солнца проходит мимо Земли, магнитосфера действует как зонтик. Количество заряженных частиц может внезапно снизиться на 20 процентов меньше чем за день и вернуться к норме лишь через несколько недель. Скотт Форбуш из Института Карнеги в Вашингтоне впервые открыл такие спады и считал, что их причина кроется в возмущениях магнитного поля Земли, тогда как на самом деле эти спады — единовременные побочные продукты тех самых выбросов на Солнце. Резкое понижение интенсивности космических лучей во время вспышек на Солнце получило название Форбуш-эффекта. Космические станции, посещающие другие области Солнечной системы, время от времени регистрируют такие явления, подтверждая, что Форбуш-эффекты — результат работы отдельных ударных волн в гелиосфере.

Добравшись до земного магнитного поля, частицы все еще движутся беспорядочно, как если бы они были мячи-нами в автомате для игры в пинбол. Но пройти через магнитный фильтр удается немногим. Высокоэнергетические частицы могут прорвать заслон в любом месте над Землей, но над Юго-Восточной Азией им понадобится больше энергии, чем над Бразилией и Южной Атлантикой, потому что магнитное поле распределено неравномерно. Слабым космическим лучам допуск в экваториальную зону не разрешен, поскольку именно там магнитное поле параллельно поверхности Земли. Частицам с наименьшей энергией либо вовсе отказывают в доступе, либо вынуждают их спускаться ближе к магнитным полюсам, где силовые линии круто искривляются и направляют космические лучи вовнутрь.

Жизнь первичных космических лучей, прибывающих из звездного пространства, обрывается внезапно — в тот момент, когда они вонзаются в земную атмосферу. Для них столкнуться с атмосферой равносильно тому, как если бы они врезались в массивную стену замка. Любому обитателю Земли воздух на высоте 25 километров покажется чрезмерно разреженным, однако он намного плотнее той среды, с которой частицам приходилось иметь дело в ходе длительного путешествия по Галактике, — иначе они не продержались бы так долго.

Когда высокоэнергетическая частица из племени космических лучей вонзается в земную атмосферу, она порождает целый ливень субатомных частиц разного вида. Почти все они задерживаются нашим воздушным щитом, и лишь немногие достигают низких высот. (По вычислениям, сделанным Фабианом Шмидтом с помощью программы «КОРСИКА», университет Лидса)

Марс — яркий пример того, насколько эффективно предохраняет нас атмосфера от космических лучей. Более бедная и разреженная атмосфера Марса защищает свою планету не лучше, чем земная на высоте свыше двадцати километров. Если космонавты выйдут на поверхность Марса, они окажутся беззащитными перед потенциально очень опасной космической радиацией и получат за один день дозу, какую жители нашей планеты получают за год. Космические агентства уже научились защищать электронику космического корабля от вредоносных космических лучей, и в 2005 году группа ученых НАСА, делая доклад о том, какому риску подвергнется здоровье человека на поверхности Марса, высказала свое сожаление следующим образом:

«Наиболее успешные примеры противодействия радиации — это исследовательские вездеходы, проработавшие на поверхности Марса более года… Мы намного лучше понимаем и умеем предотвращать воздействие радиации на электронику, чем на живые организмы».

Земная атмосфера останавливает практически все частицы — и высокоскоростные протоны, и ядра тяжелых атомов — задолго до того, как они приблизятся к земной поверхности. В результате атомных и ядерных взаимодействий, происходящих в воздухе, рождаются тучи вторичных космических лучей. Частицы продолжают сталкиваться между собой, и таким образом высокоэнергетические зачинщики могут производить ливень из миллионов или даже миллиардов заряженных частиц. Физики получают огромное удовольствие, наблюдая за сложным ходом событий, в котором участвуют гамма-лучи и множество субатомных частиц различных видов, но лишь очень немногим из этих частиц удастся попасть в нижние слои атмосферы.

Если судить по их поведению в контрольно-измерительных приборах, после первых ударов интенсивность космических лучей даже возрастает, так как рождается колоссальное количество вторичных частиц. В 15 километрах над землей интенсивность достигает своего пика, и частиц становится приблизительно в два раза больше, чем было первичных космических лучей, перед тем как они врезались в воздух. Воздушная преграда настолько эффективна, что до уровня моря дойдет лишь одна двенадцатая часть. Когда Виктор Гесс проводил свои исследования, поднимаясь на аэростате, он понял, что космические лучи, должно быть, поступают на Землю сверху, так как, чем выше он оказывался, тем больше их становилось.

Женщин, членов летного экипажа, часто освобождают от полетов, если они беременны, — чтобы защитить плод от возможного вредного воздействия межзвездного вещества. Самолеты несут своих пассажиров на высоте 10 километров над уровнем моря, а это в два раза выше, чем поднимался Гесс, проводя свои опыты. Те, кому приходится пролетать над полюсами, особенно беззащитны перед космическими частицами, съезжающими вниз по загнутой вниз горке земного магнитного поля.

Людям, живущим на высокогорьях, приходится мириться с повышенным радиационным фоном. На высоте 3600 метров над уровнем моря находится самая высотная столица в мире — Ла-Пас (Боливия), и там интенсивность космических лучей в двенадцать раз выше, чем в окрестностях Лимы в Перу, расположенной всего лишь в 150 метрах над уровнем моря. Около восьми миллионов людей обитают на высоких плато в Андах; инки и их предшественники безбедно жили там за тысячи лет до того, как туда пришли европейцы. Получается, что высокая радиация не всегда очень опасна.

Если говорить о мире в целом, то среднее значение космической радиации едва ли выше радиоактивности пищи или воды. И ее доля в общем диапазоне атомной радиации естественного происхождения, которой подвергаются люди, составляет лишь 16 процентов. Помимо того, что космические лучи усиливают естественную радиоактивность, нагревают планету и изменяют ее химический состав, они еще могут вызывать генетические мутации, что приводит к врожденным порокам и развитию опухолей, но вместе с тем делает возможной эволюцию видов. В последующих главах вы увидите, что космические лучи, изменяя климат, играют важную роль в эволюции.

«Кто это заказывал?»

В субатомной толчее, царящей в верхних слоях атмосферы, рождается всего лишь один вид заряженных частиц, способных в большом количестве достигать земной поверхности и терять при этом совсем немного энергии. Эти частицы именуются мюонами, и, что удивительно, физики не подозревали об их существовании до 1937 года. После неожиданного обнаружения новой частицы физик Исидор Раби из Колумбийского университета в Нью-Йорке озадаченно воскликнул: «Кто это заказывал?»

До той поры ни один атомный теоретик не догадался, что электрон, легчайшая заряженная частица, должен иметь старшего брата. Но мюон именно таков — он во всем похож на электрон, кроме двух параметров: его масса превышает массу электрона в двести раз, и это нестабильная частица. Мюоны возникают в результате распада пиона — ядерной частицы, образующейся в воздухе при самых первых ударах космических лучей. Мюон живет лишь две микросекунды, пока не сбросит два призрачных нейтрино и не станет обычным электроном.

Если бы вам было нужно изобрести субатомную частицу, чтобы она могла проскользнуть с секретным донесением от звезд через преграду земной атмосферы, вы не нашли бы лучшей кандидатуры, чем мюон. Обычные электроны не справились бы. Хотя электроны представлены и в первичных, и во вторичных космических лучах, они слишком легки, чтобы войти в воздушное пространство и затем склонить молекулы воздуха к обычному химическому взаимодействию. С другой стороны, протоны, намного более тяжелые частицы, и их нейтральные братья нейтроны с излишней готовностью вступают в связи с атомными ядрами в молекулах, быстро теряют энергию и увязают в бесконечных ядерных реакциях. Из полутора тысяч протонов и нейтронов, свободных на высоте 15 километров, только один достигает уровня моря.

Что касается лазутчика, вам нужна частица, не склонная вступать в реакции с чем-либо, довольно легкая в той мере, чтобы энергетика реакций в атмосфере производила такие частицы в массовых количествах, и обладающая достаточным количеством движения, чтобы выполнить миссию до конца и миновать молекулы воздуха, накидывающиеся на нее, словно гарпии. Мюон удовлетворяет всем требованиям. Пробираясь через атмосферу, он отвлекается только на атомы углерода, водородные соединения и молекулу воды, то есть «общается» лишь с избранной группой продуктов вещественной Вселенной, ее шедеврами, играющими ведущую роль в жизни планеты.

Чтобы окончательно вступить в законные права, мюонам потребуется помощь Альберта Эйнштейна. Их жизнь так коротка, что они успели бы пробежать лишь шестьсот метров по атмосфере без какой-либо надежды достичь Земли, если бы не релятивистская уловка, растягивающая время для высокоскоростных путешественников. Мюон двигается с околосветовой скоростью, но его внутренние часы идут так медленно, что позволяют растянуть чисто номинальную жизнь, длящуюся две микросекунды, в сто раз и даже больше. Благодаря этой поблажке мюоны уверенно продвигаются к уровню моря, где они составляют 98 процентов всех вторичных космических лучей. Остальные — это немногие уцелевшие протоны и нейтроны.

Мюоны продолжают свой путь сквозь воду и почву Земли. Когда физики отправляются на поиски наиболее неуловимых субатомных частиц, им необходимо избегать прямого облучения, поэтому ради своих экспериментов они спускаются в глубокие шахты и туннели. И там они находят некоторые устойчивые мюоны, которые дают о себе знать, издавая шум, регистрируемый приборами.

Для Свенсмарка мюоны — это космические частицы, сильнее всего воздействующие на климат. Ведь они достигают самых нижних слоев атмосферы и могут влиять на образование облаков, охлаждающих мир. Так что, когда Свенсмарк решил опровергнуть заявление, что космические лучи не могут быть виновниками изменений климата, он сосредоточил свое внимание на происхождении мюонов.

Подтверждение предчувствия

Предшествующая глава заканчивалась аргументом, который выдвинул Юрг Бер: значительное увеличение потока космических лучей не всегда приводит к изменению климата, доказательством чего служат данные об углероде-14 и бериллии-10. В качестве основного примера Бер привел событие Лашамп, произошедшее 40 тысяч лет назад, когда магнитное поле Земли почти исчезло и количество космических лучей резко возросло.

Этот парадокс воодушевил оппонентов Свенсмарка. И хотя в течение нескольких лет парадокс оставался червоточиной, подтачивающей саму суть гипотезы о космических лучах и климате, сам Свенсмарк догадывался, в чем тут может быть дело.

Он подозревал, что космические лучи, оставляющие позади себя изотопы углерода-14, бериллия-10 и другие «визитки», в каком-то важном аспекте отличаются от лучей, достигающих самых нижних слоев атмосферы. Это могло бы объяснить, почему отмеченные Бером колебания не вызывают увеличения количества низких облаков и, следовательно, перемен климата.

Это была довольно странная идея, больше похожая на молитву о спасении, а Свенсмарк, как мы увидим в следующей главе, был слишком поглощен осуществлением своего лабораторного эксперимента, и у него не было времени, чтобы прерваться и обосновать эту мысль. Только в 2006 году он смог уделить внимание этому вопросу, занимаясь исследованиями урывками, у себя дома. Ему даже пришлось привлечь к этой работе в качестве неоплачиваемого помощника своего сына Якоба, студента-физика.

Их семейному проекту помогло то обстоятельство, что как раз в эту пору начали возрождаться исследования космических лучей, включавшие в себя поиск частиц сверхвысоких энергий, которые прибывают из нашей или даже из других галактик. Космические лучи гигантских энергий щедро льются в атмосферу ливнем вторичных субатомных частиц. В западной Аргентине на огромной площади в 3000 квадратных километров расположилась мощная обсерватория «Пьер Оже», состоящая из многочисленных детекторов, и в 2005 году многонациональный коллектив обсерватории уже праздновал первые полученные результаты.

Другие страны разместили у себя более скромные обсерватории для изучения широких атмосферных ливней частиц. К их числу относится «КАСКАД» в Германии — решетка из 252 станций, оборудованных измерительной аппаратурой. Его название представляет собой аббревиатуру и означает: «Матричный детектор для изучения атмосферных ливней в Карлсруэ». В 1989 году научно-исследовательский центр в Карлсруэ разработал компьютерную программу, позволяющую отслеживать поведение космических лучей в атмосфере, и с тех пор Дитер Хек постоянно ее совершенствует. У этой программы есть собственный акроним — «КОРСИКА». Предназначение «КОРСИКИ» — рассчитывать сложные изменения на субатомном уровне и реакции, происходящие после того, как первичные космические лучи вонзятся в земную атмосферу. В расчет берется и то, что по мере продвижения частицы к земной поверхности увеличивается плотность воздуха, и то, что на частицу воздействует земное магнитное поле.

Более ста лет физики собирали сведения о десятках различных видов субатомных частиц, и теперь эти данные были заложены в компьютерную программу. В поведении частиц есть большой элемент непредсказуемости — когда, например, они распадаются или когда взаимодействуют с другими частицами. «КОРСИКА» тщательно проверяет большое количество разнообразных возможностей, используя случайные числа, генерируемые компьютером. Неудивительно, что статистики называют этот метод «методом Монте-Карло».

Поскольку задача «КОРСИКИ» заключается в том, чтобы вычислить, какие частицы в конце концов дойдут до наземных детекторов, связь тут с метеорологией совершенно прямая.

Свенсмарк также интересовался теми относительно немногими заряженными частицами, которые способны дожить до нижнего слоя атмосферы. Наиболее важные из них — это мюоны, рождающиеся, как мы помним, в верхних слоях атмосферы и путешествующие достаточно быстро, чтобы благодаря эйнштейновскому растяжению времени успеть добраться до уровня моря.

Для того чтобы дать мюонам необходимую продолжительность жизни, их родителями должны быть высокоэнергетические космические лучи. Таких среди первичных лучей относительно немного, но это с лихвой окупается их большой эффективной массой, когда релятивистский эффект увеличивает ординарную массу высокоэнергетического протона (ядра водорода) в сто раз. При этом выделяется энергия, достаточная для создания широких ливней вторичных частиц, где среди прочих будет и большое количество стремительных мюонов. В какой мере недостаток первичных заряженных частиц компенсируется изобилием рожденных ими атомов — это был вопрос, на который, как считал Свенсмарк, могла ответить именно «КОРСИКА».

«КОРСИКА» оказалась очень большой и тяжеловесной программой, так что Свенсмарку понадобилась помощь, чтобы установить и запустить ее, и тогда к работе подключился его сын, Якоб Свенсмарк. В мае 2006 года отец и сын, исследуя судьбу космических лучей различных энергий, раз за разом запускали «КОРСИКУ». Каждый запуск программы требовал больше часа, и это отнимало у исследователей все их свободное время. Но результаты стоили того.

Расчеты сосредоточились на активности космических лучей в слоях атмосферы, находящихся не выше 2000 метров от уровня земли, то есть там, где образуются низкие облака, главные участники климатических действий. Поразительно, что целые 60 процентов крайне важных мюонов — это «дети» тех космических лучей, чья энергия столь грандиозна, что магнитный щит Солнца не в силах отклонить их. Перемены в солнечном настроении, приводящие к колебаниям климата, не отражаются на них. На протяжении миллионов лет Земля вместе с Солнцем путешествуют по бескрайним галактическим просторам, и вместе с изменением пейзажа меняются и потоки высокоэнергетических лучей. Позже мы увидим, к каким весомым последствиям для климата Земли приводят эти изменения.

Наиболее важные частицы, которые участвуют в образовании облаков в нижних слоях атмосферы, — это мюоны. Они порождаются прилетающими от звезд частицами с очень высокими энергиями. Магнитная оборона Солнца и Земли почти не оказывает им противодействия. Магнитное поле Солнца еще может воздействовать на относительно небольшое количество мюонов, однако совсем немногие из них подчиняются переменам в магнитном поле Земли.

Оставшиеся 40 процентов заряженных частиц, вызывающих определенные события в нижних слоях атмосферы, подчиняются приказам солнечного магнитного поля. Этого количества лучей вполне достаточно, чтобы объяснить переключения между уже описанными потеплениями и похолоданиями. Но земное магнитное поле оказывает на них слабое влияние. По результатам подсчетов, из всех мюонов, попадающих в нижние слои атмосферы и создающих там облака, только три процента — «дети» частиц настолько слабых энергий, что геомагнитное поле может воздействовать на них. С другой стороны, большую часть «визиток» — к ним относятся, например, изотопы бериллия (бериллий-10) — оставляют на большой высоте космические лучи средних энергий, подчиняющиеся магнитному полю Солнца. Во многих случаях на них так же сильно влияет и земное поле. Ослабьте резко мощность земного магнитного поля, как случилось во время событий Лашамп, и число изотопов бериллия-10 и хлора-36, как показывают подсчеты Бера и его коллег, возрастет больше чем на 50 процентов. Однако количество мюонов, меняющих климат, увеличится не больше, чем на 3 процента, даже если магнитное поле исчезнет совсем. Таким образом, догадка Свенсмарка о различных видах заряженных частиц из космоса сейчас полностью подтверждена.

Еще раз о Лашампе

Хотя Свенсмарк верит, что результаты программы «КОРСИКА» отмели главное возражение против его «облачной» гипотезы, все же поведение космических лучей во время экскурса Лашамп требует детального изучения. Потепление, о котором сообщал Бер, совпавшее с быстрым образованием его «разговорчивых» атомов, может означать, что солнечная активность усиливалась, приостанавливая деятельность космических лучей в нижнем слое атмосферы и, следовательно, сокращая облачность, в то время как земное поле ослабевало, и образование углерода-14, бериллия-10 и других изотопов ускорялось.

Такое вполне могло быть. В общей картине состояния климата эпизод Лашамп относится к событиям Дансгора-Ошгера, неоднократно случавшимся в течение последнего ледникового периода. Для этих событий характерен существенный рост температур, безусловно, связанный с увеличивавшейся солнечной активностью. Но активное Солнце также отталкивало от Земли космические лучи низких энергий, в противном случае во время экскурса Лашамп, когда земное магнитное поле действовало нерешительно, радиоактивных атомов могло бы образоваться гораздо больше.

Тем археологам, которые пытались установить возраст некоторых находок середины последнего ледникового периода, приходилось нелегко. Тот факт, что геомагнитное поле ослабло, привел к увеличению количества радиоактивного углерода, и ошибки археологов в датировке находок могли доходить до пяти тысяч лет. В 2004 году группа ученых во главе с Конрадом Хугеном из Океанографического института Вудз Хоул (Массачусетс) систематизировала данные об углероде-14, полученном с морского дна у берегов Венесуэлы.

Они увидели, что во время экскурса Лашамп количество углерода-14 росло. Быстрое образование радиоактивного углерода продолжалось до момента, отстоящего от нас во времени на 40,5 тысячи лет, а потом, после небольшой паузы, последовало резкое и почти непрерывное падение уровня радиоактивного углерода, закончившееся 37 тысяч лет назад. Согласно данным Бера, именно тогда совпали максимально высокие температуры и минимум образования бериллия-10 и хлора-36. Возможно, последние несовпадения между космическими лучами и климатом исчезнут, когда мы получим более точные данные.

Но, коснувшись темы Лашампа, наша история забежала вперед. С тех пор как Свенсмарк в 1996 году впервые предположил, что космические лучи напрямую воздействуют на климат, возражение Бера было самым убедительным с научной точки зрения. Нам показалось, что будет предусмотрительным пораньше разобраться с вызовом экскурса Лашамп, чтобы не отпугнуть хорошо информированного читателя от дальнейшего обсуждения теории. А сейчас самое время вернуться к открытиям, касающихся других важных персонажей в нашей космической драме — облаков.

 

3. Сияющая Земля — это прикольно (но очень уж холодно)

Во многом облака и есть погода. Это верно и для сторонних наблюдателей, и для метеорологов. В небесах над нашими головами и на горизонте облака разыгрывают непрерывную драму света и мрака, затишья и бури, дождя и снега и почти никогда не повторяются. Самые грозные из них мечут молнии, наскоро взбивают торнадо или выстраивают огромные облачные стены ураганов.

Любой, кто захочет описать, классифицировать, проанализировать и объяснить облака, вскоре будет озадачен их капризностью. Облака намекнули Гамлету, как вернее можно сойти за сумасшедшего, и он сказал, что облако похоже на верблюда, затем на горностая и, наконец, на кита. Прошли века, а облака все еще досаждают синоптикам — и тем, кто предсказывает погоду на завтра, и тем, кто составляет долгосрочные прогнозы изменений климата на суперкомпьютерах.

По всей планете рассеяно множество метеостанций; их данные, а также сведения со спутников обсчитываются на компьютерах, при этом компьютерные модели организованы так, что расстояние между двумя любыми расчетными точками составляет сто километров. Эта гигантская сеть расчетных точек покрывает всю планету, однако отдельные облака проваливаются в ячейки компьютерной сети, словно мелкая рыбешка, ускользающая из рыбацкого невода. Вместо точных данных разработчики компьютерных моделей вынуждены полагаться на теорию о приблизительном поведении облаков. «Погодные модельеры» выдают один за другим противоречивые прогнозы, потому что их программы не могут справиться с непредсказуемостью облаков. В 2004 году Кевин Тренберт, ведущий специалист по моделированию климата из Национального центра атмосферных исследований США, откровенно признался в этом:

«Климатические модели не справляются с облаками. Наверное, облака — это самая большая проблема, возникающая в тех случаях, когда мы используем климатические модели, чтобы делать прогнозы насчет глобального потепления».

В последующие годы стало очевидно, что имеющиеся компьютерные модели абсолютно бестолковы. Несколько институтов во Франции, Германии, Великобритании и США сравнили результаты десяти моделей атмосферы с данными, полученными со спутников, наблюдавших реальные облака с 1983 по 2002 год. Некоторые модели ощутимо недооценили количество облаков на средних и малых высотах.

Доклад Минхуа Чжана из университета Стоуни-Брук и его коллег был унизительным признанием провала:

«Что касается отдельных… типов облаков, разница между результатами моделирования и спутниковыми измерениями достигает нескольких сотен процентов».

Климатологи давно мечтали получить более точные данные об облаках, и ответом на их просьбы стали два исследовательских спутника, которые были выведены на орбиту в апреле 2006 года с планируемым сроком службы в космосе около трех лет. Американо-французский «Калипсо» и американо-канадский «КлаудСат» летят поблизости друг от друга, наблюдая одни и те же облака с интервалом в пятнадцать минут, один с помощью поляризационного лазерного локатора, а другой — посредством чувствительного радара с миллиметровой длиной волны. Они способны разглядеть различные слои внутри густых облаков, измерять размеры капель и выделять из них те, которые выпадают в виде дождя. Все это и многое другое спутники выполняют впервые. Еще до их запуска научный руководитель программы профессор Грэм Стивенс из университета штата Колорадо так высказался о глубине нашего невежества:

«Новая информация с „КлаудСата“ ответит на элементарные вопросы о том, как в облаках образуются дождь и снег, как осадки распределяются в мире и как облака влияют на климат Земли».

Такие признания появились, когда огромные средства направлялись на то, чтобы создать суперкомпьютеры для моделирования климата и научиться предсказывать погоду на сто лет вперед. Несмотря на противоречивые результаты, некоторые ученые продолжали возвещать надвигающуюся катастрофу, которую провоцируют выбросы углекислого газа. Человечество, говорили они, должно остановить промышленное производство, иначе последствия будут ужасны. Несколько академий наук и ведущие научные журналы торжественно заявили, что родилась новая наука об изменениях климата. Мнение тех ученых, кто более четко представлял себе значение облаков и то, как они могут влиять на климат, пренебрежительно отвергалось.

Любой, кто знает, что такое теплые тропические ночи, испытывал на себе парниковое воздействие атмосферных газов. Поверхность Земли излучает тепло в космос в форме невидимых инфракрасных лучей. Поэтому после наступления темноты пустыни становятся весьма холодными. Но во влажных тропиках молекулы воды над нашими головами перехватывают тепло и отражают его обратно к земле, так что вы можете сидеть на террасе в легкой рубашке с короткими рукавами и небрежно потягивать свой вечерний ром.

Это и есть естественный парниковый эффект. Он создается главным образом благодаря водяному пару и совершенно необходим для поддержания на нашей планете условий, пригодных для жизни. Двуокись углерода работает по такому же принципу, поэтому растущее содержание этого газа в воздухе вызывает беспокойство. Но главный вопрос — насколько сильно поднимется температура планеты, если количество углекислого газа продолжит увеличиваться. И если вы примете во внимание реальную роль облаков, то самые зловещие предсказания покажутся вам сомнительными.

Однако не воображайте, что если будут вложены миллиарды долларов, если будут получены детальные данные со спутников, если будет предусмотрено поведение облаков, то в один прекрасный день компьютерные модели выдадут результаты, совпадающие не только между собой, но и довольно близкие к реальности. Причина уязвимости современного компьютерного моделирования кроется гораздо глубже, чем просто в технических несовершенствах. Полагая, что изменения климата в первую очередь зависят от содержания в атмосфере углекислого газа, разработчики программ отводят облакам лишь пассивную роль.

В этой главе мы покажем, что погодой руководят облака. Колебания облачности четко следуют за изменением интенсивности тех космических лучей, которые зависят от магнитного поля Солнца и мало обращают внимания на магнитное поле Земли. Необходимо определить, какие облака наиболее важны с точки зрения климата. И подтверждение тому, что облака играют ведущую роль, мы можем найти возле Южного полюса.

Ресурс облаков

Для нас очевидно, что облака охлаждают землю, когда тучки набегают на солнце в теплый летний денек. Какими бы серыми они ни казались нам снизу, если вы взглянете на облака сверху, например, с горы или из самолета, — они будут сиять белизной. Они отражают обратно в космос около половины поступающего к нам солнечного света, который в противном случае мог бы согреть землю под ними. К тому же они поглощают какую-то часть солнечной радиации.

Житейский опыт подсказывает вам, что облачные ночи обычно менее прохладные, чем ясные, и особенно это заметно зимой, когда яркие звезды — верная примета крепкого мороза. Облака, со своей стороны, тоже создают парниковый эффект, перехватывая жару, сбегающую с поверхности Земли. И хотя они также излучают инфракрасные лучи в космос, вершины облаков холоднее, чем земля, так что потери тепла уменьшаются.

Облака могут оказывать на нашу планету и согревающее, и охлаждающее воздействие и таким образом обеспечивают баланс входящего видимого света и исходящих инфракрасных лучей. Ученые могли лишь предполагать это, до тех пор пока в 1984-м и 1986 годах не были запущены в космос три американских спутника со специальными приборами. Они измерили весь поступающий на планету солнечный свет и исходящее инфракрасное излучение, и в уже начале 1990-х годов стали ясны результаты эксперимента НАСА «Радиационный баланс Земли» (ERBE).

В своей совокупности облака — это мощный «холодильник». Исключение, пожалуй, составляют только тонкие облака, которые в целом обладают согревающим эффектом. Высокие перистые облака настолько холодны — их температура приблизительно минус 40 градусов Цельсия, — что они излучают в космос намного меньше тепла, чем задерживают его в виде инфракрасного излучения, идущего от Земли. С другой стороны, самые эффективные «морозильники» — это густые облака на средних высотах, но в каждый данный момент времени они накрывают не более 7 процентов земной территории.

Зато низкие облака могут покрыть в четыре раза большую площадь. На их долю приходится 60 процентов общего охлаждения. Мало того что они препятствуют солнечному свету, их относительно теплые верхушки эффективно излучают тепло в космос. А лидерство по охлаждению Земли среди низких облаков принадлежит широким и плоским покрывалам слоисто-кучевых облаков, простирающихся над 20 процентами земной поверхности. Чаще всего их можно увидеть над океаном, где они создают для пассажиров межконтинентальных полетов однообразный пейзаж.

Облака уменьшают эффективность солнечного света на 8 процентов. Если ничего больше не менять, а только убрать этот огромный солнечный зонтик, планетарная температура повысится приблизительно на 10 градусов Цельсия. И наоборот, увеличение количества низких облаков лишь на несколько процентов приведет к заметному похолоданию.

Когда облаков в атмосфере Земле становится больше, космонавты на орбите видят, что сияние нашей планеты усиливается. Астрономы на Земле, если вглядятся в зеркало Луны, тоже могут наблюдать этот блеск, поскольку Земля своим призрачным светом освещает те участки, куда не попадает прямой свет Солнца. Чем ярче Земля, тем она холоднее — просто потому, что она больше отбрасывает прочь солнечных, согревающих ее лучей.

Количество облаков меняется год от года. Старательные летописцы записывали местные колебания погоды на протяжении веков, но узнать, как ведут себя облака в целом мире, стало возможным только с появлением первых метеоспутников. Они совершили метеорологическую революцию, показав нам, как разворачиваются основные события погодной драмы внизу, под их камерами. С 1966 года они предоставляют синоптикам постоянные оперативные услуги, все время улучшая качество и увеличивая зону покрытия. Телезрители научились узнавать анимированные спутниковые изображения дождевых облаков или ураганов, властно шествующих своей дорогой.

Начиная с 1983 года «Международный спутниковый проект облачной климатологии» стал объединять данные, поступающие с гражданских метеоспутников всех государств. В рамках этого проекта, осуществляемого под руководством Уильяма Россоу из Института космических исследований имени Годдарда НАСА (Нью-Йорк), ученые каждый месяц составляют усредненные карты облачного покрова, где поверхность Земли разделена на квадраты со стороной около 250 километров. На картах отлично видны и смены сезонов, и муссоны, которые вносят в климат свою лепту, накрывая Южную Азию пуховым облачным одеялом. Во время климатических эпизодов, называемых Эль-Ниньо, данные, предоставляемые спутниками, говорят о значительных изменениях в распределении облаков над тропической зоной Тихого океана и Южной Америкой. Эти данные также подтверждают, что связь между земными облаками и ритмами Солнца действительно существует.

Пропущенное звено между Солнцем и климатом

В канун Рождества 1995 года Датский метеорологический институт на северной окраине Копенгагена почти пустовал, за исключением отдела метеопрогнозов. Еще одна лампочка горела на другом этаже, где работал Свенсмарк. Он так неистово трудился над своей гипотезой об облаках, что даже рождественские каникулы провел вне семьи, предоставив жену и маленьких сыновей самим себе. До этого он не знал, что Уильям Россоу составляет обобщенные карты облачного покрова на основе спутниковых данных, но когда, в то Рождество, Свенсмарк нашел эти карты в Интернете, они помогли ему понять, что Солнце воздействует на земной климат неизвестным дотоле образом.

После Нового года Свенсмарк должен был перейти в другое отделение института. Он собирался присоединиться к Айгилю Фриис-Кристенсену, руководителю отдела солнечно-земной физики, давно интересующемуся магнитными бурями, полярными сияниями и их очевидной связью с колебаниями льдистости морей, окружающих Гренландию. Фриис-Кристенсен вместе со своим бывшим руководителем Кнудом Лассеном, еще одним знатоком Гренландии, заметил любопытное совпадение между ростом температур в Северном полушарии в течение двадцатого века и ускорением циклов солнечных пятен.

Когда они в 1991 году опубликовали полученные результаты, Фриис-Кристенсен неожиданно для себя оказался в роли защитника первостепенного значения Солнца в деле изменений климата. Роль Солнца обсуждалась почти двести лет, с тех пор как английский астроном Уильям Гершель обратил внимание на интересный факт. Он обнаружил, что в те годы, когда на Солнце мало пятен, цена на пшеницу растет. Но к 1990-м годам большинство климатологов пришли к выводу, что Солнце тут ни при чем. Данные космических спутников демонстрировали, что колебания солнечной активности оказывают незначительное влияние на климат.

Не рассказывая пока ничего Фриису-Кристенсену, его новый работник решил использовать оставшееся до конца 1995 года время, чтобы проверить свое предположение о том, как изменение солнечной активности могло бы оказывать более сильное воздействие. Свенсмарк считал, что космические лучи, которым Солнце разрешает попасть в Солнечную систему, могут управлять облачностью на нашей планете. Больше космических лучей — больше облаков. Ученые из России вынашивали противоположную идею о том, что космические лучи могут уменьшать облачность. Так или иначе, связь между звездами и облаками было очень непросто установить.

Как только Свенсмарк получил данные из всемирной паутины, он увидел, что изменения облачности год от года следуют за колебаниями интенсивности космических лучей. В середине декабря он показал некоторые первые результаты Фриису-Кристенсену. Руководителю отдела солнечно-земной физики идея Свенсмарка о том, что космические лучи могли бы увеличить облачность, показалась не просто очень интересной, но и обоснованной.

Более того, это был тот самый механизм, способный усилить воздействие Солнца на климат, который Фриис-Кристенсен искал в течение нескольких лет. После того как в январе 1996 года Свенсмарк перешел в новый отдел, они вдвоем принялись за исследования. Увлечение Свенсмарка превратилось из хобби в оплачиваемую работу с полным рабочим днем. И даже более, чем с полным.

Одобрение, высказанное будущим руководителем, побудило Свенсмарка отменить свои рождественские каникулы и заняться сбором дополнительной информации. Первоначально он работал со сведениями, полученными метеоспутниками военно-воздушных сил США и спутниками общего назначения серии «Нимбус» (НАСА). Когда после долгих блужданий Свенсмарк набрел наконец на «Международный спутниковый проект облачной климатологии» и смог вытянуть подробные данные за период с середины 1983-го до конца 1990 года, исследования пошли намного быстрее.

К сожалению, разные страны использовали разные типы метеоспутников, а также очень трудно было отличить облака — в температурном смысле — от просто холодных поверхностей, ледяных полей и вершин горных массивов; в результате на спутниковых картах появлялось немало дефектов и сомнительных мест. Из всех данных Свенсмарк выбрал сведения об облачности над океанами, так как подобные наблюдения велись с американских, европейских и японских геостационарных спутников, висящих высоко над экватором. Что касается данных о космических лучах, он остановил свой выбор на среднемесячных подсчетах нейтронов, которые регистрировались станцией нейтронного мониторинга, устроенной Джоном Симпсоном в Клаймаксе, Колорадо.

Совпадение было поразительным. С 1984 по 1987 год Солнце понемногу слабело, и на Землю попадало больше заряженных частиц. Облачность над океанами тоже постепенно увеличивалась: за этот период она выросла приблизительно на 3 процента. Затем, с 1987 по 1990 год, интенсивность космических лучей снижалась, и облачность также уменьшилась — на 4 процента. Эти результаты наводили на мысль, что изменения в облачном покрове, связанные с космическими лучами, могут оказать больший эффект на температуру Земли, чем малые колебания в интенсивности солнечного света.

Облака послушно следовали за космическими лучами. Для норм, принятых в климатологии, эта корреляция была исключительно точна, и Фриис-Кристенсен со Свенсмарком удивлялись, что до них никто не заметил такой очевидной связи. Они бросились завершать свою работу, опасаясь, что другие ученые опередят их с открытием. В конце февраля 1996 года научный труд отправился в журнал «Сайенс» в Вашингтон.

Вместо быстрой публикации, на которую они, признаться, рассчитывали, вернулся длинный список вопросов и поправок. Разобравшись с ними и добавив небольшие пояснения, Свенсмарк и Фриис-Кристенсен поняли, что работа стала слишком объемной для «Сайенс» и ее следует напечатать где-нибудь еще. Тогда Фриис-Кристенсен взялся за редактора «Журнала атмосферной и солнечно-земной физики», надеясь на то, что редакция в скором времени решит вопрос с изданием. В итоге распухший труд был там опубликован, хотя только в следующем году.

Тем временем летом в английском городе Бирмингеме должно было состояться собрание ученых, изучающих космос, и организаторы без всякой задней мысли пригласили Фрииса-Кристенсена для коротенького выступления на тему солнечного воздействия на климат. Заручившись согласием Свенсмарка, Фриис-Кристенсен решил, что, каков бы ни был ответ из второго журнала, ему следует в своей речи кратко изложить найденные ими взаимосвязи. Так получилось, что первой публикацией ученых на эту тему стал небольшой пресс-релиз, напечатанный по запросу Британского Королевского астрономического общества, отвечающего за освещение событий в Бирмингеме.

Публикация была озаглавлена: «Упущенное звено во взаимоотношениях между Солнцем и климатом». Доклад Фрииса-Кристенсена и несколько последующих интервью на ту же тему вызвали краткую вспышку интереса — разве что в Дании этот интерес был достаточно продолжительным. Весьма типичной можно считать реакцию лондонской «Таймс»: в этой газете, на одной из внутренних полос, появилось короткое сообщение, снабженное заголовком: «Взрывающиеся звезды „могут вызвать глобальное потепление“», — кавычки явно подчеркивали, что само издание дистанцируется от содержания материала.

Колдер также был на встрече в Бирмингеме и следил за реакцией с профессиональной озабоченностью. Он уже знал, над чем работают Свенсмарк и Фриис-Кристенсен, и писал с их помощью книгу о Солнце и изменениях климата. Он боялся, что если его коллеги — научно-популярные писатели — узнают об этом открытии, его история покажется устаревшей, когда книга выйдет в свет. Он мог не беспокоиться. За пределами Дании эта тема никого не интересовала — не только до апреля 1997 года, когда вышла в свет его книга «Маниакальное Солнце», но и годы спустя. Это была новость, которую никто не хотел слышать.

Что касается Свенсмарка, он знал, что ему придется побороться за свое открытие, хотя и не подозревал, что война затянется больше чем на десять лет. Если говорить о науке, он выходил один на один с косматым миром природы, и из свалявшихся клочьев данных о космических лучах, солнечных бурях и земной облачности ему следовало вычесать тонкую шерсть, чтобы соткать убедительную историю. Но при этом Свенсмарку приходилось вести борьбу на два фронта, потому что научное сообщество либо нападало на его идеи, либо просто игнорировало их.

«Наивно и безответственно»

Любой ученый, выдвигающий оригинальную идею, вправе ожидать суровой критики со стороны коллег и тем более противников, которые попытаются доказать, что данные, подкрепляющие новую теорию, или сама теория неверны. В сущности, в этом наука и заключается — выкорчевывать ошибки до тех пор, пока не выживут только хорошо обоснованные утверждения. Идея, встреченная гулом возражений, обычно ложна. С другой стороны, мы знаем немало примеров, когда ученые мужи ожесточенно нападали на подлинные открытия или, наоборот, долго упорствовали, отстаивая ошибочные суждения. Конечно, сопротивление критике — не самый приятный процесс, потому что ученые — страстные существа, а не логические роботы. Обычно споры протекают внешне благопристойно, но вот в климатологической науке они приобрели особенно раздражительный характер.

Это нездоровое настроение стало явственно ощущаться в Межправительственной группе экспертов по изменению климата, которая, начиная с 1990 года, принялась грозно пророчить неотвратимое потепление всей планеты. Эти предсказания основывались на том, что за двадцатый век средняя мировая температура выросла — довольно скромно, надо сказать, — и это совпало с увеличением выбросов углекислого газа в атмосферу. Любые предположения, что на рост температуры могли в большей степени повлиять естественные факторы, такие как солнечная активность, — оказались не к месту.

В 1992 году датская делегация в Межправительственной группе экспертов по изменению климата выдвинула робкое предположение, что стоило бы внести воздействие Солнца на климат в список вопросов, заслуживающих дальнейшего изучения. Однако это предложение было с ходу отвергнуто. В 1996 году одна датская газета пригласила председателя группы Берта Болина, чтобы обсудить доклад Фриис-Кристенсена о связи космических лучей и климата, который он сделал на встрече в Бирмингеме. Берт Болин был весьма язвителен в своих оценках: «Я считаю поступок этой парочки, с научной точки зрения, чрезмерно наивным и безответственным».

Довольно странные слова для профессора метеорологии из Стокгольма по поводу доклада, сделанного профессором физики из Копенгагена. В пределах самого Датского метеорологического института Свенсмарк столкнулся с плохим отношением и на личностном уровне. Часто противники его идей вели себя агрессивно: некоторые даже в буфете не хотели близко общаться с тем, у кого дух не захватывало от предположения, что двуокись углерода — ведущий фактор в изменениях климата.

Противники Свенсмарка договорились жестоко раскритиковать его на встрече ученых Северных стран, проводившейся в тот же год в Эльсиноре. Организаторы пригласили и Свенсмарка, чтобы он произнес речь о космических лучах и облаках. На встрече был запланирован обед, где подавали алкогольные напитки, и Свенсмарку выделили время сразу после обеда, чтобы, разгорячившись и расхрабрившись, каждый мог накинуться на неугодного ученого с насмешками.

Среди прочих оскорблений, раздававшихся в адрес Свенсмарка, прозвучало язвительное предположение о том, что он сумасшедший, раз считает, что космические лучи могут влиять на образование облаков. Одной из самых заметных на встрече фигур был Маркку Кулмала из университета Хельсинки, председатель Международной комиссии по облакам и осадкам. Он слушал молча, пока кто-то не обратился к нему и не попросил объяснить, почему идея Свенсмарка неверна. Короткое замечание Кулмула повергло всех в замешательство: «Возможно, он прав».

Неудовлетворенный этим ответом вопрошающий возразил, что исследования Свенсмарка «опасны». Любопытное слово, для того чтобы описать теоретические занятия, не включающие в себя работу с ядами, снарядами или взрывчаткой. Единственное, чему угрожала теория Свенсмарка, были научные представления и общепринятая концепция, так как идея Свенсмарка могла опровергнуть распространенные умозаключения о глобальном потеплении и его причинах.

Государственные фондовые агентства Дании отказывались поддерживать исследования Свенсмарка, конфликтующие с официальной политикой. Зато ему на помощь пришел Фонд Карлсберга, который уже с девятнадцатого века направлял доходы от производства пива на разнообразные захватывающие научные изыскания. Руководство фонда проигнорировало письмо от важного правительственного ученого на имя директора, где тот настаивал, чтобы они аннулировали грант. Даже когда Свенсмарк получил датские награды за свое открытие — ежегодную Премию Кнуда Хёйгора за исследовательскую работу и специальную Премию за исследование энергий «Энергия-Е2», — какая-то часть прессы была возмущена.

Благодаря Фонду Карлсберга Свенсмарк смог заполучить еще одну пару глаз для своей «охоты». Приехавший из Англии Найджел Марш недавно получил степень доктора физических наук в Копенгагенском университете за работу, в которой он по образцам гренландского льда проследил, как менялся древний климат Земли. Марш стал главным соавтором Свенсмарка, и они с удвоенной силой принялись разбираться в том, как космические лучи воздействуют на климат. И к тому же нашли более дружелюбное место для работы.

Удивительная сочетаемость с низкими облаками

Айгиль Фриис-Кристенсен не только возглавлял отделение Датского метеорологического института, но и был научным сотрудником программы по обслуживанию первого датского спутника «Эрстед», созданного для наблюдений за магнитным полем Земли. Фриис-Кристенсену предстояло собрать команду, куда должны были войти более шестидесяти человек из шестнадцати стран. Поэтому у него не хватало времени на дальнейшее изучение космических лучей совместно со Свенсмарком, хотя он и продолжал читать лекции по этому предмету.

К концу 1997 года Фриис-Кристенсен стал директором Датского института космических исследований, позже переименованного в Датский национальный космический центр. Правительство хотело расширить сферу деятельности института, добавив к уже существующей космической астрономии исследования Солнечной системы. Среди новых направлений было также изучение Солнца и его влияния на космическую околоземную среду, магнитное поле и климат. В 1998 году Фриис-Кристенсен пригласил Свенсмарка и Найджела Марша присоединиться к сотрудникам Института космических исследований.

«Международный спутниковый проект облачной климатологии» опубликовал очередную серию данных за период с июля 1983-го по сентябрь 1994 года. В своей новой лаборатории Марш и Свенсмарк всевозможными способами анализировали эти данные, соотнося их с высотой и географическими координатами облаков. Они изучали, какие изменения происходили с низкими, средними и высокими облаками в определенном регионе в течение месяца, и сравнивали полученные результаты с данными из Клаймакса о космических лучах. Работа поглощала все их время и была очень напряженной. К 2000 году они смогли сделать четкий вывод: «Удивительно, но сильнее всего солнечное воздействие заметно на низких облаках».

Кривые вариаций в облачном покрове на различных высотах (сплошные линии) наложены на кривые вариаций в подсчетах космических лучей (пунктирные линии), сделанных на станции в Клаймаксе. На графике, относящемся к большим высотам, эти линии не совпадают, а вот что касается малых высот, там видно четкое соответствие между потоками космических частиц и низкоуровневыми облаками. (Графики Н. Марша и X. Свенсмарка)

Другими словами, это облака, располагающиеся не выше 3000 метров над землей, где меньше всего заряженных частиц, — именно такие облака реагируют на ослабление или усиление потока космических лучей. Вспомним эксперимент НАСА «Радиационный баланс Земли», который еще ранее показал, что как раз низкие облака ответственны за 60 процентов общего охлаждения нашей планеты, вызываемого облачным покровом. Таким образом, признание ведущей роли низких облаков стало важным ключом для расследования связей между космическими лучами и климатом. Для нашего исследования в первую очередь важна интенсивность высокоэнергетических космических лучей, потому что они единственные способны достигать нижних слоев атмосферы.

Статистика показывает: сочетаемость низких облаков и космических лучей, в среднем по годам, набирает 92 очка из 100 возможных — по нормам климатической науки это очень хорошая корреляция. А вот облака на средних и больших высотах против всех ожиданий, кажется, совершенно безразличны к вариациям космических лучей. Наверное, это происходит потому, что на большой высоте заряженные частицы всегда в избытке, зато внизу они достаточно редки, поэтому их вариации более заметны — так же как дождь будет более впечатляющим в пустыне, а не в тропическом лесу. Более того, высотные облака состоят из кристалликов льда, а не жидкой воды, и механизм их формирования может быть совсем иным.

По спутниковым картам видно, что на больших участках Тихого и Индийского океанов и в той области Северной Атлантики, которая лежит между Гренландией и Скандинавией, связь между космическими лучами и низким облачным покровом проявляется особенно сильно. А когда Марш и Свенсмарк включили в свой анализ температуры верхушек облаков, получился еще более наглядный географический рисунок. Стало ясно, что зона, где поведение облаков послушно следует вариациям космических лучей, опоясывает весь земной шар, а ее центральная часть приходится на тропики. Эта зависимость отчетливо прослеживается на огромной территории, охватывающей почти треть поверхности Земли.

Когда поступает больше заряженных частиц, верхушки нижних облаков становятся теплее и, следовательно, излучают больше тепла в космос, усиливая охлаждающий эффект.

Почему температуры вершин облаков должны отвечать на это звездное воздействие? Как предположили Марш и Свенсмарк, наиболее вероятная причина в том, что в воздухе там образуется больше крохотных «точек», на которых могут конденсироваться капли воды. Облака становятся более мглистыми, это верно: хотя сами капельки совсем маленькие, их количество возрастает, — однако в итоге конденсированной влаги образуется все же меньше, и, таким образом, облака получаются более прозрачными для тепла, идущего от Земли. Как сейчас можно видеть со спутников, по меньшей мере две трети облаков над океанами ведут себя таким странным образом.

Подобный же эффект наблюдается в цепочках «облаков», оставляемых идущими в море кораблями. В 1987 году это подтвердил исследовательский самолет университета штата Вашингтон, который пролетел через такие облака, образованные трубами двух океанских судов. Со спутника эти белые штрихи выглядят как инверсионные следы самолетов. На самом же деле клубы отработавших газов находятся намного ниже; они выглядят светлыми полосками — более яркими, чем соседствующие с ними облака, — которые возникают там, где выхлоп корабельных труб подпитывает воздух мельчайшими «точками» — продуктами горения топлива.

Когда образование таких «точек», подстегнутое космическими лучами, происходит в естественных условиях, это может вызвать потепление верхушек нижних облаков по всей Земле. Те коллеги, которые сочувственно отнеслись к гипотезе о космических лучах, предположили, что в нижние слои атмосферы эти «точки» приносят нисходящие потоки воздуха, а сами частички формируются на больших высотах. Однако Свенсмарк и Марш не согласились: они были уверены, что само образование «точек» должно осуществляться в нижних слоях атмосферы — под воздействием тех относительно малочисленных космических лучей, которые сюда проникли. Следующая глава рассказывает, как Свенсмарк разработал лабораторный эксперимент, чтобы проверить это предположение.

Когда Солнце становится активнее

Если бы облачность просто росла и падала каждые одиннадцать лет или около того, в ритме магнитной активности Солнца, регулирующей космические лучи, в целом результат бы выровнялся, и мы не заметили бы сколько-нибудь продолжительного влияния на климат. Но за последние сто лет средняя интенсивность космических лучей заметно упала, что повлекло за собой сокращение облачного покрова и потепление Земли.

На температурных графиках хорошо видно, что в течение двадцатого века средняя мировая температура постепенно увеличивалась и в целом выросла на 0,6 градуса. Около половины этого потепления пришлось на период до 1945 года, когда Солнце увеличивало свою активность, а количество заряженных частиц уменьшалось. Интервал с 1960-го по начало 1970-х — это годы заметного похолодания, которое четко совпало с временным ослаблением магнитного поля Солнца и возросшим количеством космических заряженных частиц. Между 1975-м и 1990 годами солнечная активность вновь стала набирать обороты, интенсивность космических лучей уменьшилась, и потепление вернулось. Именно тогда беспокойство, вызванное приростом углекислого газа в атмосфере, достигло кульминации, и была создана Межправительственная группа экспертов по изменению климата.

Систематическое измерение потоков космических лучей началось только с 1937 года. Однако нашлись другие возможности, позволившие узнать, как вели себя космические лучи до этого момента, и, следовательно, оценить то влияние, которое они оказывали на климат на протяжении всего двадцатого века. В 1999 году Майк Локвуд и его группа из лаборатории Резерфорда — Эплтона, расположенной неподалеку от Оксфорда, сделали интересное открытие. За двадцатый век магнитное поле Солнца более чем в два раза увеличило свою силу в межпланетном пространстве. Следовательно, общие изменения в космосе довольно хорошо совпадают с колебаниями температур на Земле.

Локвуд рассказал, что к этой мысли ему помогло прийти открытие, сделанное с помощью европейско-американского космического аппарата «Улисс»: ученые убедились, что магнитное поле Солнца действует с одинаковой силой во всех направлениях. «Такого никто не ожидал, но это означает, что мы можем использовать исторические данные, имеющиеся на одном лишь объекте — планете Земля, — чтобы делать выводы об удивительных изменениях, происходящих с самим Солнцем».

Под историческими данными имеются в виду результаты измерений геомагнитного поля, произведенных на поверхности Земли (так называемый аа-индекс), — иначе говоря, сведения о магнитных бурях, — а эти бури, в свою очередь, связаны с напряженностью магнитного поля Солнца, преобладавшей в тот или иной период. «Улисс» зафиксировал, что начиная с 1964 года напряженность солнечного магнитного поля возросла на 40 процентов. Но по расчетам Локвуда выходило, что в начале XX века рост солнечной активности был еще больше, и, таким образом, в общей сложности магнитная активность Солнца с 1901 по 1995 год увеличилась на 131 процент. Это означает, что в 1995 году сила солнечного магнитного поля была в 2,3 раза выше, чем в 1901-м.

В период с 1975 по 1990 год, когда Солнце наращивало темпы своей магнитной активности, детекторы, установленные в городе Уанкайо (Перу), также зарегистрировали сокращение числа космических заряженных частиц в нижнем слое атмосферы. Получив эту поправку, Свенсмарк и Найджел Марш смогли подсчитать, что уменьшение количества соответствующих космических лучей с начала века составило 11 процентов. Переведя эти цифры на язык эффективности облаков, они пришли к выводу, что с того момента, как Солнце стало активнее, облачность на малых высотах снизилась на 8,6 процента. «Потепление в двадцатом веке, связанное с усилившимся излучением на уровне низких облаков, можно приблизительно оценить как 1,4 ватта на квадратный метр».

Это были провокационные цифры, потому что Межправительственная группа экспертов по изменению климата использовала эти же 1,4 ватта на квадратный метр, рисуя картину антропогенного глобального потепления, спровоцированного выбросами углекислого газа. Ожесточенная критика копенгагенских результатов продолжалась. Было выдвинуто предположение, что колебания в облачном покрове, о которых говорит Свенсмарк, не имеют ничего общего с космическими лучами, а служат ответом на вулканические извержения или события Эль-Ниньо. Однако извержения не совпадали по времени с изменениями облачности, и эту возможность пришлось отбросить. А вот совпадения с событиями Эль-Ниньо 1987-го и 1991 годов были довольно убедительным, и их исключили только после дальнейшего анализа.

Другие критики продолжали использовать данные по облакам, давно уже признанные ненадежными «Международным спутниковым проектом облачной климатологии». Многие все еще настаивали, что вариации космических лучей должны были бы в большей степени воздействовать на высокие облака, потому что они подвергаются более сильному излучению из космоса. Забавно: когда Йон Эгилль Кристьянссон и Ёрн Кристиансен из университета Осло повторно исследовали предполагаемую зависимость облаков от космических лучей, они заключили, что четко прослеживается только одна связь — между заряженными частицами из космоса и низкими облаками, — и потому… отбросили эту идею. Обладай они другим складом ума, эти ученые могли бы стать первыми, кто доказал бы, что вариации космических лучей отражаются именно на низких облаках.

Даже после того как в 2000 году Найджел Марш и Свенсмарк опубликовали свои выводы, приведя в доказательство длинную серию данных по облакам, некоторые критики попросту этого не заметили и продолжали искать ошибки в первоначальном труде Свенсмарка и Айгиля Фриис-Кристенсена. И хотя обвинения легко было отмести одно за другим, непрекращающийся поток враждебных научных работ достиг своей цели. Любой, кто не хотел принимать всерьез связь между космическими лучами и климатом, всегда мог сказать, что против этой гипотезы существует слишком много возражений. В 2001 году Межправительственная группа экспертов по изменению климата все еще была категорична: «Влияние космических лучей на образование облаков остается недоказанным».

Антарктика идет своим путем

К тому времени многие специалисты уже начали осознавать любопытный факт: оказалось, что Антарктика в температурном отношении всю дорогу идет не в ногу с остальным миром. Объяснение такого своенравного поведения может поддержать нашу гипотезу о том, что облака — главные рулевые климата. Свенсмарк начал поиски в этом направлении в 1996–1997 годах, когда все еще работал в Датском метеорологическом институте.

Если говорить о климате, Антарктика в XX веке шла своим путем. Это показывают записи приземных температур, усредненные по двенадцатилетним периодам (нижний график). Если в Северном полушарии шло потепление (верхний график), в Антарктике наступало похолодание, и наоборот. (Графики составлены в Институте космических исследований имени Годдарда, НАСА)

Спутниковые данные, полученные в ходе эксперимента НАСА «Радиационный баланс Земли», показали, что облака согревают Антарктиду, тогда как другие части света они остужают. К тому времени Свенсмарк уже нашел связь между облаками и космическими лучами. Если облаков в целом стало меньше и это объясняет потепление в двадцатом веке, значит, уменьшение облачного покрова над Антарктикой должно было произвести охлаждающий эффект. Однако добыть достоверные температурные данные на поверхности Южного континента — непростая задача. Когда Свенсмарк попытался вычислить воздействие облачного покрова на Антарктику, он недооценил ее независимость в метеорологическом смысле. И так как Свенсмарк не был уверен в надежности своих вычислений, он отложил эту задачку в сторону.

Ветровая карусель ограждает Антарктику от погоды в остальной части мира. Свенсмарк просмотрел этот факт. Сильные западные ветры в Южном океане дисциплинируют моряков. Эти ветры носят странствующих альбатросов в их регулярных путешествиях вокруг Южного континента и возвращают назад, к родным гнездовьям. Эти же ветры управляют Антарктическим циркумполярным течением, представляющим собой гигантское китовое пастбище. Течение проходит по южным границам великих океанов и замыкается в кольцо, отделяя Антарктику от теплых потоков, идущих на юг из тропиков, подобно тому как Гольфстрим и Куросио движутся в обратном направлении — на север, согревая высокие широты Северного полушария.

Подобная круговерть действует и в стратосфере над Антарктикой. В 1999 году астрономы запустили в антарктическое небо аэростатный телескоп «Бумеранг», чтобы выяснить, как вела себя Вселенная после Большого взрыва. Преодолев за десять дней 8000 километров, телескоп оправдал свое имя и приземлился всего лишь в 50 километрах от места запуска — горы Эребус. Антарктический околополярный вихрь намного мощнее и убедительнее своего северного двойника.

В то время как арктический климат старается следить за мировыми тенденциями, Антарктика идет своим путем. Вскоре после неудачной попытки Свенсмарка разобраться в этом вопросе стали накапливаться новые факты, подтверждающие особый статус Антарктики, причем они свидетельствовали в пользу ведущей роли облаков. Сведения поступали с противоположных концов земли, из Гренландии и с Антарктиды, где исследовательские группы приступили к бурению льда. В 1999 году Дорте Даль-Йенсен и ее коллеги из Института Нильса Бора в Копенгагене сравнили температуры льда, полученные ранее при бурении глубоких скважин в Гренландии (проект «Гренландский ледяной керн») и в Антарктиде, на австралийской станции «Купол Лоу». Залегающий на больших глубинах лед накапливает и держит тепло достаточно хорошо, чтобы сохранить «память» о температурах, бытовавших в данной местности на протяжении нескольких тысяч лет. В ходе бурения ученые измеряли температуру внутри ледяной скважины на разных глубинах, что давало точное представление о температурах, царивших в данной местности во времена, когда формировались те или иные слои льда. Даль-Йенсен сравнила данные по северу и югу за последние шесть тысячелетий и выявила четкое чередование температур: «Антарктика склонна согреваться, когда Гренландия „холодная“, и остывать, когда Гренландия „теплая“».

Эти результаты были опубликованы в гляциологическом журнале. Хотя Свенсмарк слышал о результатах из Гренландии, прямо противоположные сведения из Антарктики он пропустил. Когда несколько лет спустя муж Даль-Йенсен, Йёрген Петер Стеффесен, упомянул о них, Свенсмарк ответил, что всегда ожидал чего-то подобного. «Кажется, моя „Эврика!“ его не очень впечатлила, — вспоминал Свенсмарк. — Я продолжал думать о проблеме Антарктики, но у меня были и другие обязательства, которыми приходилось заниматься в первую очередь».

Результаты Даль-Йенсен показали, что в течение малого ледникового периода Гренландия была особенно холодной, а Антарктика — наоборот, относительно теплой. На другой буровой площадке в Антарктике, именуемой «Купол Сипл», Ричард Элли и его коллеги из университета штата Пенсильвания нашли редкие, но отчетливые слои, по которым видно, что лед, находившийся на поверхности, таял под воздействием необычайно теплых летних температур. Таяния льда происходят с определенной периодичностью, и изменения этой периодичности свидетельствуют о вариациях климата. В 2000 году студентка Элли, Сара Дас, объявила о четких выводах, к которым пришла их группа:

«Антарктические льды таяли особенно часто в период с 1550 по 1700 год. За эти 150 лет объем растаявшего льда составил около 8 процентов. Вероятно, тогда летом температуры были необычайно высоки. Этот временной интервал совпадает с периодом низких температур в Северном полушарии — тем периодом, который часто называют малым ледниковым периодом».

Дас и Элли проследили историю таяния снегов на протяжении десяти тысячелетий. Их поразил период, начавшийся 7000 лет назад и длившийся приблизительно две тысячи лет, когда лед совсем не таял. В то время как в Антарктике властвовал мороз, Гренландия наслаждалась необычайно теплой погодой. Лед того же периода с буровой площадки «GISP-2» показывает, что за последние 10 тысяч лет лед таял тогда чаще, чем когда-либо.

Другие ученые обнаружили похожие контрасты между Гренландией и Антарктикой в еще более далеком прошлом. Климатологи, придерживающиеся традиционного взгляда на климат, искали объяснения на ощупь, и, конечно, в числе главных подозреваемых у них был типичный «виновник» подобных событий — океанские течения. В 2001 году Николас Шеклтон из Кембриджа выразил общее недоумение этих климатологов: «Может быть, тут работают некие „полярные качели“, перебрасывающие излишек теплоты от одного полушария к другому? В чем причина таких грандиозных колебаний?»

Для Свенсмарка здесь не было парадокса. В общем-то он даже надеялся это увидеть. Когда в 2005 году у него наконец появилась возможность уделить проблеме Антарктики больше внимания, он отказался от термина «полярные качели», так как считал, что оно уводит научные поиски в неправильном направлении. Такой термин предполагал симметричность Северного и Южного полушарий с точкой опоры на экваторе.

В действительности же климат между независимой Антарктикой и остальной частью мира, где климатические тенденции определяются ветрами и течениями, распределен очень неравномерно. Австралазия, Южная Африка и Южная Америка и океаны между ними в климатическом отношении больше похожи на Евразию и Северную Америку, чем на соседствующую с ними Антарктику. Опора каких бы то ни было качелей должна была бы быть на 60 градусов южнее экватора.

Самое подходящее название для таких несовпадений — антарктическая климатическая аномалия. И пока остальные ученые говорили, что климат Антарктиды отстает от остальных континентов, и это вполне ожидаемо, если сделать поправку на океанские течения, Свенсмарк рассматривал события как почти одновременные. Какой бы механизм ни лежал в основе противоположных климатических реакций в Антарктике и в остальном мире, он все еще действует, даже в масштабе нескольких лет.

Температурные записи с 1900 года отражают общее потепление и в мире, и в Антарктике, но отдельные шаги этих областей, пусть и в попутном направлении, не совпадали. Значительные похолодания в Антарктическом регионе в 1920-е и 1940-е годы сопровождались приливами планетарного тепла. Напротив, в 1950-е и 1960-е годы Антарктика сильно потеплела, в то время как остальной мир страдал от переохлаждения. В течение длительного общемирового потепления после 1970-х температуры в Антарктике скользили вниз. На одной из главных британских антарктических научных станций — станции «Галлей», расположенной в заливе Галлея, — похолодание было очень заметным.

Пингвины знают, что происходит

Как объяснить антарктическую климатическую аномалию? Кто из кандидатов на роль предводителя климатических перемен может объяснить ее? Не углекислый газ, потому что он распространяется почти равномерно по всему миру, вплоть до Южного полюса. Предсказания климата, основанные на увеличении выбросов углекислого газа, предполагают одновременное и сильное потепление в полярных регионах обоих полушарий, которого в действительности не происходит. Резкое уменьшение количества озона в верхних воздушных слоях над Антарктикой, известное как «озоновая дыра», могло бы привести к уменьшению температуры на поверхности, потому что озон действует как парниковый газ. Было высказано предположение, что за последнее время в атмосферу попало слишком много созданных человеком фреонов (хлорфторуглеводородов), что и привело к увеличению озоновой дыры. Но если даже так, то выбросы хлорсодержащих фреонов никак не могут объяснить антарктическую климатическую аномалию в исторические и доисторические времена.

Что касается астрономических причин, то интенсивность солнечного света, падающего на Антарктику, варьируется на протяжении тысячелетий, так как орбита, по которой Земля обращается вокруг Солнца, и само положение нашей планеты в пространстве постепенно меняются. В настоящее время Земля ближе всего к Солнцу во время южного лета, но 10 тысяч лет назад этим преимуществом пользовалось северное лето, и Антарктика получала меньше солнечного светового излучения. Это могло бы объяснить, почему ледовые керны Даль-Йенсен показывают, что в период каменного века, шесть тысяч лет назад, Гренландия была относительно теплой, а Антарктика холодной. Однако астрономические изменения (известные как циклы Миланковича) происходят слишком медленно, чтобы оправдать быстрые переключения между северными и южными температурами, какие нам демонстрируют не только льды древних периодов, но и температура воздуха за последние сто лет.

Облачность — это единственный сильный игрок, который непосредственно обосновывает антарктическую аномалию, не нуждаясь ни в каких дополнительных механизмах. Когда облачность уменьшается, мир нагревается, а Антарктида охлаждается. Увеличьте облачность — и мир начнет мерзнуть, в то время как Антарктике станет теплее. Именно такой контраст мы и наблюдаем. Но почему облака воздействуют на Южный континент по-другому?

Снежные поля Антарктики создают самую белоснежную (да простят нам тавтологию) поверхность на планете — она ярче, чем арктический снег, и даже белее, чем вершины облаков. В результате облака поглощают больше солнечного света, чем земная поверхность, а тепло они отражают обратно к земле. Наземные обсерватории на Южном полюсе подтверждают спутниковые данные о воздействии антарктических облаков. Об этом сообщали в своем докладе в 2003 году американские исследователи Майкл Паволонис из университета Висконсин-Мэдисон и Джеффри Ки из Национальной информационной службы спутниковых данных об окружающей среде: «Мы обнаружили, что облака оказывают согревающее влияние на поверхность Антарктического континента в любой месяц года».

Замеры температур гренландского льда проводились уже многие годы, и было хорошо известно, что облака нагревают и гренландский лед. Данные со спутников опять-таки подтверждают, что сокращение облачного покрова над Гренландией приводит к похолоданию. Когда была обнаружена антарктическая аномалия, противоречащие друг другу показания северных и южных льдов должны были, на первый взгляд, вычеркнуть облака из списка «руководителей климата». Но дело в том, что площадь гренландского льда намного меньше, и его поверхность не такая ослепительно-белая, как у Антарктики. К тому же ветры и океанские течения связывают климат Гренландии с Северной Атлантикой, да и с миром в целом. И эти факторы в основном, хотя не полностью, перевешивают согревающий эффект, который оказывают облака на льды.

Используя данные эксперимента «Радиационный баланс Земли», Свенсмарк подсчитал, как может измениться температура поверхности нашей планеты на разных широтах, если облачность немного увеличится или уменьшится. Он выяснил, что, если облачность увеличивается на 4 процента, температура на экваторе должна снижаться на 1 градус по Цельсию и подниматься в Антарктике приблизительно на 0,5 градуса. Если же облачность уменьшается на 4 процента, то цифры остаются прежними, только минус меняется на плюс, а плюс на минус, — следовательно, похолодание в Антарктике тогда составит 0,5 градуса. Даже при меньших колебаниях облачности этих цифр с избытком хватает, чтобы объяснить антарктическую аномалию, наблюдаемую в двадцатом веке.

Остается еще один вопрос. Если текущее глобальное потепление объясняется в целом сокращением облачного покрова, почему же Антарктика к концу столетия оказалась «разгоряченнее», чем была в начале века? Свенсмарк считает, что, несмотря на свою изоляцию, Южный континент мог поучаствовать в общем потеплении благодаря тому, что в атмосфере естественным образом увеличилось содержание водяного пара.

Когда воздух земного шара прогрет, вода легче испаряется. Поскольку водяной пар — самый важный парниковый газ, отражающий назад к поверхности тепло, которое иначе сбежало бы в космос, он должен был усилить общее потепление, спровоцированное сокращением облаков в двадцатом столетии. Избыточный водяной пар пробирается в небо над Антарктикой, говорит Свенсмарк, и его теплое воздействие в конце концов перевешивает похолодание, вызванное уменьшением облачности. Антарктическая климатическая аномалия никуда не делась: несмотря на растущие температуры, мы видим ее сбившиеся шаги и запаздывания.

Основная задача анализа, завершенного в 2006 году, заключалась в том, чтобы подтвердить, что именно облака являются движущей силой, воздействующей на климат. Современные компьютерные модели, используемые для прогнозов погоды, исходят из того, что облака играют второстепенную роль, послушно образуясь или исчезая по воле других, главных действующих лиц. Однако Свенсмарк убедительно доказал, что облака руководят погодой, и потепления и похолодания на Южном континенте, противоречащие целой планете, подтверждают это: «Если облачность отвечает за земной климат, антарктическая климатическая аномалия — это всего лишь исключение, подтверждающее правило».

В 2002 году в Антарктике сильно похолодало. Впервые за сорок четыре года морской лед перекрыл дорогу судам, лишив британскую станцию «Галлей» возможности пополнять запасы еды и питья. Но это не помешало климатологам, твердо придерживающимся традиционных взглядов, не признать аномальное антарктическое похолодание. Они уходили от разговоров на эту тему, утверждая, что существующих температурных измерений пока недостаточно. Зато морские перелетные птицы могут дать фору человечеству в определении климатических тенденций, и их поведение убеждает нас в том, что антарктическая аномалия все еще действует.

Часто, когда хотят привести пример глобального потепления в северных странах, вспоминают, что перелетные птицы стали возвращаться домой раньше обычного. В 2006 году Кристоф Барбро и Анри Ваймерскирх из Центра биологических наук Шизе (Франция) изучали данные о пингвинах Адели, капских голубках и других птицах, гнездящихся в восточной Антарктиде. Внимательно просмотрев все записи за последние пятьдесят пять лет, они обратили внимание на то, что сезон айсбергов стал длиться дольше. По сравнению с 1950-ми годами антарктические птицы опаздывали к своим весенним гнездовьям в среднем на девять дней. Но вывод, к которому пришли исследователи, оказался не в духе господствующих представлений о климате. Барбро предположил, что птицы задерживались, так как испытывали трудности в поиске пищи на море.

Делай проще, дурак!

В сущности, проблема климатологической науки заключается в том, что система, управляющая событиями на земной поверхности, достаточно сложна, и теоретики, подобно шахматистам, могут бесконечно долго играть с ней в игры, двигая туда-сюда льды, воду, воздух и даже сами молекулы, дабы объяснить все, что они захотят. Антарктическая климатическая аномалия уходит корнями в далекое прошлое Земли. В течение последних 10 тысяч лет она также хорошо проявилась в моменты резких поворотов климата, когда он сильно накренялся то в сторону очень холодных событий Хайнриха, то в сторону намного более теплых эпизодов Дансгора-Ошгера, о которых мы рассказывали в первой главе.

Оледенения или потепления, соответствующие таким событиям, относятся к Северному полушарию. В Антарктике эти эпизоды проявлялись иначе. Глубинное бурение льда на площадке «GISP-2» в Гренландии и на американской исследовательской станции «Бэрд» в Антарктике обеспечило ученых великолепным материалом для сравнения. Дабы убедиться в том, что сравниваемые слои льда принадлежат к одному периоду, ученые исследовали повышения и понижения концентрации метана в пузырьках воздуха, попавшего в ледовый капкан. Сопоставление колебаний в содержании метана позволило им сделать необходимые выводы о временных соответствиях. Подсчет атомов тяжелого кислорода, присутствующего во льду, также помог раскрыть тайну древних температур Антарктиды. В 2001 году Томас Блюнье из Принстонского университета и Эдвард Брук из университета штата Вашингтон смогли сделать доклад о главных потеплениях и оледенениях, происходивших на протяжении последних 90 тысяч лет.

«В течение этого времени семь основных продолжительных потеплений в Антарктике предшествовали также семи потеплениям в Гренландии, причем шаг между этими событиями составлял от 1500 до 3000 лет. Как правило, антарктические температуры росли постепенно, в то время как гренландские падали или оставались неизменными, и окончание антарктического потепления ясно совпадало с наступлением быстрого потепления в Гренландии».

Стараясь найти объяснение этому феномену, некоторые ученые предположили, что океанические течения в Атлантике могли перестраиваться и, вместо того чтобы относить тепло, как обычно, на север, принимались доставлять его через экватор на юг. Но мы видим, что антарктическая климатическая аномалия действует и сегодня, легко «укладываясь» по времени в десять лет, а это слишком короткий срок для реорганизации океанских потоков. В любом случае придумка с течениями слишком сложна и откровенно умозрительна.

При разработке той или иной гипотезы — во всяком случае, так учат студентов — в серьезной науке принято использовать «бритву Оккама». Это принцип экономии, сформулированный средневековым мудрецом Уильямом Оккамом: Entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem — «Не следует умножать сущности без необходимости». Кто-то из сотрудников НАСА в свое время перевел это латинское изречение на современный американский английский как «Keep it simple, stupid!» — «Делай проще, дурак!». По первым буквам фразы получается KISS — в этом виде старинный принцип получил ныне широкую известность.

Другими словами, всегда следует предпочитать самую простую гипотезу или объяснение, пока это не мешает работать, и не добавлять никаких лишних допущений или украшений, если их можно избежать. Предлагая свое объяснение температурным выкрутасам во времена ледниковых периодов, Свенсмарк использовал бритву Оккама трижды. Сперва он одним махом «отсек» все сложные механизмы, придуманные лишь для того, чтобы обосновать антарктическую климатическую аномалию, так как считал, что необычное согревающее воздействие облаков на льды Антарктики можно объяснить проще.

После второго взмаха бритвы в качестве простейшей причины остались только космические лучи, подчиняющиеся маниакально-депрессивному Солнцу. И наконец, так как Солнце, очевидно, причастно к смене теплых и холодных эпизодов, произошедших после ледникового периода, не нужно привлекать дополнительные факторы для того, чтобы толковать события, происходившие во время ледникового периода. Про бритву Оккама нам придется вспомнить и позже, когда с помощью этого же механизма взаимодействия космических лучей и облаков мы будем объяснять изменения климата на протяжении миллионов и даже миллиардов лет. И если кому-то покажется, что это слишком жадное использование всего лишь одной гипотезы, мы ответим другим высказыванием — любимой американцами поговоркой: «Не сломано — не чини».

Ну и как вы относитесь к двуокиси углерода? — Да, в общем, с прохладцей…

В качестве причин потепления в двадцатом веке сегодня называют два фактора. Во-первых, это изменения солнечной активности, а во-вторых, вызванное промышленной деятельностью человека накопление в атмосфере парниковых газов, особенно углекислого. Каждая из гипотез, по мнению их приверженцев, может объяснить рост средней мировой температуры на 0,6 градуса в период с 1900 по 2000 год. Очевидно, что обе не могут быть верны, или же потепление должно было бы быть в два раза сильнее.

Возможно, у кого-то, ради сохранения спокойной жизни, возникнет соблазн предположить, что одна половина потепления может быть отнесена на счет Солнца, а другая — на счет двуокиси углерода. Но нам нельзя поддаваться этому соблазну. Настоящая наука не должна быть справедливой или спокойной, ее единственная задача — быть точной и последовательной. Сторонники парниковой теории вынуждены требовать себе большую часть нынешнего потепления, дабы поддержать двойную гипотезу о том, что двуокись углерода — главный виновник изменений климата и что мир сейчас стоит перед лицом теплового удара. Половины им не хватит.

Впрочем, для версии Свенсмарка половины также недостаточно. Как вы увидите в последующих главах, в прошлом космические лучи приводили к куда более драматичным изменениям климата, чем то, что происходит на нашей планете с 1900 года. Если удвоение силы солнечного магнитного поля и последующее сокращение космических лучей не возьмут на себя львиную долю сегодняшнего потепления, то будет трудно объяснить, почему так сильно колебались температуры в иные времена.

В 1998 году ученым стали доступны данные о космических лучах за очень продолжительный период. Харджит Ахлувалия из университета штата Нью-Мексико изучил архивы станций в Челтнеме (Мэриленд) и Фредериксбурге (Виргиния). Эти станции — из тех, что были основаны Скоттом Форбушем, — регистрируют космические лучи на малых высотах и хранят данные с 1937 года. В сочетании с результатами, полученными на аналогичной станции в Якутске, эти данные позволили проследить историю космических лучей до 1994 года.

Использовав материалы, предоставленные Ахлувалией, Свенсмарк сравнил колебания интенсивности космических лучей с изменением температур в Северном полушарии. Графики, составленные по данным разных станций, отчетливо демонстрировали: чем меньше космических лучей, тем меньше облаков и, соответственно, тем выше температурные показатели. Эти графики дружно гарцевали по десятилетиям, делали глубокий нырок, как и ожидалось, между 1960-м и 1975 годами, а затем столь же дружно карабкались к более теплым временам ранних 1990-х.

Сейчас некоторые ученые заявляют, что как раз в 1990-е годы, когда магнитная активность Солнца перестала наращивать темп и стабилизировался уровень интенсивности космических лучей, стало очевидным, что именно углекислый газ вызывает глобальное потепление. Действительно, с конца 1980-х графики магнитной активности и космических лучей рисуют плоские линии вплоть до 2006 года, времени написания этой книги. Между тем температуры продолжали расти, и получается (во всяком случае, на словах), что Солнце — а следовательно, и вариации космических лучей — следует исключить из факторов, влияющих на климат.

Однако история о Солнце и растущей температуре не так однозначна, как кажется. Хотя тенденция к росту активности Солнца, прослеживаемая на протяжении XX века, прекратилась примерно к 1980 году, значительного спада солнечной активности все же не произошло, и она продолжала оставаться на прежнем уровне еще двадцать пять лет. Интенсивность космических лучей продолжала ритмично изменяться, как и ожидалось, в течение каждого солнечного цикла, и тот же ритм обнаруживается практически во всех температурных графиках — это особенно видно, если на кривые изменения температур наложить колебания в потоках космических лучей. Измерения температур на поверхности океана и под ней, проведенные со спутников и аэростатов, ясно доказывают, что Солнце продолжает усиленно влиять на изменения климата.

После 1980 года рост температур в Северном полушарии более всего был заметен на графиках приземных температур. Однако если взять иные параметры, то тенденция к потеплению была либо незначительной, либо отсутствовала вовсе, и это говорило о том, что вклад Солнца неким образом выровнялся. Взять, например, поверхностный слой воды в океане глубиной до 50 метров, который удерживает гораздо больше тепла, чем воздух. Вода четко свидетельствовала: ее температура возрастала и снижалась в простом и однозначном соответствии со спадом или ростом потоков космических лучей, как если бы глобальное потепление вообще остановилось.

Это просто головоломка для климатологов — им надо как-то объяснить, почему земная поверхность к северу от экватора нагревается быстрее, чем все остальное в нашем мире, будь то суша, вода или воздух. Если метеорологические данные верны, то, похоже, на суше Северного полушария работает механизм, не представленный больше нигде. Есть несколько кандидатов на роль этого механизма — например, загрязнение воздуха и изменения в землепользовании, — и уж, во всяком случае, на эти факторы океан не реагирует сколько-нибудь значимым образом.

Но более любопытна другая головоломка: если человечество продолжает непрерывно загрязнять атмосферу углекислым и другими парниковыми газами, то почему практически во всем мире это не вызывает предсказанного сильного роста температур. Например, в Антарктике воздействие парниковых газов не смогло перевесить охлаждающий эффект облаков, и с 1978 по 2005 год площадь морского льда там увеличилась на 8 процентов. И это в регионе, который уже долгие годы служит страшилкой, доказывающей стремительность и неотвратимость глобального потепления, спровоцированного человеком.

Колебания подповерхностных океанских температур полностью подтверждают наши предположения, сделанные в рамках гипотезы о связи космических лучей и облаков. А тенденция к потеплению, якобы вызванному парниковыми газами, которые попали в атмосферу за последние полвека, на деле оказывается намного слабее, чем можно было бы ожидать, если бы их эффект был правильно рассчитан.

В этой связи стоит вспомнить, что писал отец современной климатологии Хьюберт Лэм, работавший в Центре исследований климата в городе Норич, еще в 1977 году:

«В конечном счете увеличение двуокиси углерода почти обязательно приведет к потеплению, но, возможно, намного меньшему, чем принято думать».

До конца 1980-х годов среди всех кандидатов на роль «предводителя климата» особенным признанием пользовалось Солнце. Если бы в то время уже была известна теория о космических лучах, то это лишь укрепило бы специалистов в их взглядах. Сторонникам парниковой теории пришлось бы трудно, если бы они попытались распространить свое учение, не говоря уже об их пророчествах: мол, грядет нестерпимое глобальное потепление. Теперь, когда вновь показалось Солнце во всем своем величии, вместе с грузом доказательств вернулись и поклонники углекислого газа, дабы оценить, что именно в современном состоянии климата может поработать на их излюбленный климатический механизм.

И словно бы у нас дежа-вю — мы видим, как парниковый углекислый газ вновь встает в очередь с другими претендентами на главную роль в изменениях климата. Здесь и крупные извержения вулканов вкупе с событиями Эль-Ниньо, и содержание пыли и дыма в атмосфере, и концентрация озона, метана и других парниковых газов, и изменившееся землепользование, и, как это ни странно, общее потемнение поверхности Земли из-за растительности, подкармливаемой всем этим излишком углекислого газа.

На основании спутниковых измерений Свенсмарк и Найджел Марш посчитали, что потепление, вызванное сокращением облачности с 1900 по 2000 год, должно было составить 0,6 градуса Цельсия. Спутниковые данные также смогли подтвердить роль облаков в антарктической климатической аномалии. Что касается двуокиси углерода, то, напротив, довольно весомые противоречия мешают признать за ним главную силу, воздействующую на климат.

По разным подсчетам, если содержание углекислого газа увеличится в два раза, то это приведет к подъему температуры как минимум на 0,5 и как максимум на 5 градусов Цельсия. В реальном мире сторонникам парниковой теории остается лишь заявлять, что текущее потепление работает на их гипотезу, и надеяться когда-нибудь доказать, что его вызвал именно углекислый газ, а не что-либо еще. У них нет данных, совпадающих с результатами измерений, проведенных со спутников и на наземных станциях в Антарктике, — словом, со всем, что безоговорочно поддерживает облачную теорию.

Когда Свенсмарка просят прокомментировать вклад углекислого газа в текущее потепление, он сохраняет спокойствие. Было бы разумнее, по его мнению, не вести квазиполитические споры, где каждая сторона старается набрать очки за счет другой, а более точно вычислить, к каким последствиям может привести излишек двуокиси углерода в атмосфере. Тогда можно было бы говорить о том, что углекислый газ отвечает за какую-то часть текущего потепления.

«После того как будет полностью учтен вклад Солнца в потепление и поборники парникового эффекта взглянут на то, что им удалось сохранить, — воздействие двуокиси углерода может оказаться слишком незначительным. А если так, любое глобальное потепление двадцать первого века может оказаться намного скромнее, чем типичные предсказания о 3–4 градусах Цельсия».

Все десять лет, после того как в 1996 году на встрече в Бирмингеме Свенсмарк и Фриис-Кристенсен вновь заговорили о Солнце как о ведущей климатической силе и рассказали о существующей связи между космическими лучами и облаками, их оппоненты относились с насмешкой к самой идее о том, что заряженные частицы из космоса могут каким-либо образом принимать участие в образовании облаков. Они заявляли, что нет никакого физического механизма, который объяснял бы это. Эксперимент, проведенный в одном из подвалов Копенгагена в 2005 году, лишил их этой линии защиты и продемонстрировал, как именно взорвавшиеся звезды вносят свои коррективы в облачный пейзаж Земли.

В исторической перспективе эксперимент помог окончательно разобраться с тем, что нужно водяному пару, чтобы из него сформировались облака. И эта часть истории начинается в девятнадцатом веке.

 

4. Что заставит поросенка прыгнуть через ограду

В викторианские времена Британия была мировым лидером в промышленном производстве, а заодно в загрязнении воздуха. Именно тогда, в эпоху угля, Лондон стал печально известен своими густыми удушливыми желтыми туманами, особо сгущавшимися в ноябре, — не случайно они получили едкое прозвище «гороховый суп». Солнечные лучи, пробиваясь сквозь туман в Вестминстере, порождали причудливую игру света и тени — мы хорошо видим это на полотнах Клода Моне. А в романе Диккенса «Холодный дом» туман стал метафорой мучительной судебной тяжбы.

«Туман везде. Туман в верховьях Темзы, где он плывет над зелеными островками и лугами, туман в низовьях Темзы, где он, утратив свою чистоту, клубится между лесом мачт и прибрежными отбросами большого (и грязного) города… На мостах какие-то люди, перегнувшись через перила, заглядывают в туманную преисподнюю и, сами окутанные туманом, чувствуют себя как на воздушном шаре, что висит среди туч».

Копоть и едкий сернистый дым, извергавшиеся трубами промышленных и домашних печей, смешивались с осенними природными туманами и мало того что превращали их в грязный и ядовитый смог — они день ото дня усиливали его вредоносное действие, а продолжительность туманов только нарастала.

В 1875 году французский ученый Поль Жан Кулье начал серию экспериментов с воздухом. Независимо от Кулье эти опыты повторил шотландский физик Джон Айткен и пошел намного дальше. Его первые шаги в этом направлении будут впоследствии кратко описаны знаменитым британским эволюционистом и популяризатором науки Альфредом Расселом Уоллесом в книге «Чудесный век»:

«Если пустить струю пара в два больших стеклянных сосуда — один наполненный обычным воздухом, а другой — воздухом, отфильтрованным через хлопковую вату, так чтобы никакие частички твердой материи не проникли в него, — то в первом сосуде всегда будет обычный белый пар, в то время как второй останется прозрачным».

Айткен не был удивлен. Он давно наблюдал за тем, как вещества переходят из одного состояния в другое: из твердого в жидкое и затем в газообразное. Очень чистую воду трудно заморозить, даже если ее температура будет ниже точки замерзания. А если взять раствор, содержащий поваренную соль или другое химическое соединение, и начать выпаривать воду, желая получить кристаллы, то кристаллы будут образовываться крайне неохотно, пока не добавишь маленькое зернышко — только тогда процесс роста пойдет активно. Как понял Айткен, в деле перехода из одного состояния в другое без помощников не обойтись.

Из его опытов по созданию облаков в стеклянных сосудах вытекали весьма полезные следствия. Например, такое: люди научились измерять степень загрязненности городского воздуха, исходя из того, с какой эффективностью в нем формируются капли воды. Это стало оружием для тех, кто вел борьбу за чистоту воздуха, хотя серьезный контроль над дымом и копотью не появится в Лондоне и других городах до середины двадцатого века. Прикладное значение работы Айткена было очень важным, но, помимо этого, шотландский ученый сделал одно из крупнейших открытий в погодной науке.

Желая воспроизвести естественное формирование облака более точно, он наполнил банку холодным воздухом и насытил его водяным паром. Затем с помощью насоса Айткен откачал немного воздуха, так что оставшийся в банке расширился, и охладил его. Это было похоже на то, как влажный воздух поднимается в холодные слои атмосферы, где температура резко падает ниже точки росы, и воздух становится перенасыщенным. Банка с обычным воздухом мгновенно наполнялась рукотворным облаком. Если же Айткен брал очищенный воздух — банка оставалась чистой.

Айткен сделал вывод, что облака не могли бы образовываться и дождя на Земле не было бы, если бы водяной пар не обладал способностью конденсироваться на маленьких частичках, присутствующих в воздухе. Если вы берете в лаборатории отфильтрованный воздух, вам придется вдвойне насытить его водяным паром — иначе говоря, добиться перенасыщения в 100 процентов и даже более, — прежде чем начнут формироваться водяные капельки, и то за счет каких-то иных факторов. В реальной же природной обстановке достаточно одного процента перенасыщения, так как в воздухе всегда присутствует много частичек подходящего размера, так называемых облачных ядер конденсации.

Побочным продуктом этого исследовательского направления стало изобретение вспомогательного прибора для ядерной физики — диффузионной камеры.

Чарлз Вильсон заинтересовался, откуда берутся капельки воды на стенках камеры, если отфильтрованный воздух, содержащийся в ней, подвергнуть резкому расширению. Предположив, что другим источником конденсации могли быть электрические заряды, он подтвердил это с помощью рентгеновских лучей. Эти лучи выбивают электроны из молекул воздуха, порождая тем самым настоящие тучи зарядов. Когда Вильсон обстрелял рентгеновскими лучами свою примитивную облачную камеру — в ней пошел дождь.

Позднее Вильсон обнаружил, что, когда отдельные субатомные частицы проносятся сквозь диффузионную камеру и оставляют позади себя хвост зарядов, они создают следы из капель. Это стало сенсационным открытием. В дальнейшем Вильсон усовершенствовал свою камеру, приспособив ее для улавливания частиц, и многие физики, в том числе Резерфорд, не могли сдержать своего восторга, увидев получившиеся превосходные снимки. Диффузионная камера стала полноправной участницей многих открытий двадцатого века, связанных с изучением космического излучения, — к этим открытиям, безусловно, относится и получение первого образца антивещества.

Длительное увлечение облаками, вдохновившее Вильсона на его опыты, зародилось, когда он, стоя на вершине горы в своей родной Шотландии, наблюдал за тем, как белые флотилии невозмутимо проплывают над его головой и удаляются, сменяясь новыми. Даже когда Вильсон занимался субатомными частицами (эти исследования в итоге принесли ему Нобелевскую премию), метеорология оставалась его первой любовью. И хотя у него никогда не было возможности продемонстрировать это, Вильсон в конце жизни был уверен, что космические лучи каким-то образом должны влиять на погоду. Одним из его предположений было то, что они воздействуют на молнии.

Этот аспект работ Вильсона был забыт на долгие годы, и Свенсмарк не слышал о нем. Но когда он впервые обнаружил, что земная облачность реагирует на космические заряженные частицы, это навеяло ему воспоминания о практических занятиях с диффузионной камерой в старших классах его родной школы в Эльсиноре. Он также вспомнил, что, будучи студентом, видел фотографии, на которых были изображены следы из водяных капель, оставленных заряженными частицами. Он предположил, что в некотором смысле атмосфера Земли подобна гигантской диффузионной камере и отвечает на новые порции космических лучей увеличением конденсации, приводящей к формированию большего количества облаков.

Это было слишком большим упрощением, и Свенсмарк хорошо это понимал. Даже вместе взятые, космические лучи оставляют столь тонкие и фрагментарные следы, что, если бы заряженные частицы из космоса и впрямь нашли для себя в атмосфере сильно перенасыщенный воздух, этого было бы недостаточно, чтобы создать миллиарды тонн водяного пара, которые нужны, чтобы каждую минуту формировать новые облака. Космические лучи должны были каким-то образом усилить это природное действие. Возможно, они влияют на процессы на молекулярном и микроскопическом уровне, когда образуются ядра облачной конденсации, или делают их более дружественными по отношению к каплям. С самого начала Свенсмарк осознавал, что эту взаимосвязь, чем бы она ни оказалась, надо тщательно проследить в лабораторном эксперименте в традициях Айткена и Вильсона.

Но даже сама идея такого эксперимента была встречена враждебно, как и ожидал Свенсмарк. В 1999 году Свенсмарка попросили выступить на встрече в Королевском метеорологическом обществе в Лондоне, и члены общества выстроились в очередь, чтобы раскритиковать своего гостя. В перерыве Свенсмарк столкнулся с одним из высоких гостей — бывшим президентом общества, физиком, специализирующимся на изучении облаков. Съемочная группа записала следующий диалог:

Экс-президент: А какой смысл ставить этот опыт?

Свенсмарк: Просто есть некоторые научные публикации, где обсуждались такие вопросы, как, например: «Откуда на самом деле берутся ядра облачной конденсации? Как они формируются?»

Экс-президент: Да мы и так знаем это!

Свенсмарк: Нет, это пока не известно.

Экс-президент: Вы не должны спорить со мной по вопросам физики облаков!

Небольшое замечание об используемых словах. Объекты, достаточно маленькие для того, чтобы плавать в воздухе, — это, строго говоря, аэрозоли. Их часто называют частицами, но это может сбить с толку, поскольку в нашей истории то и дело встречаются субатомные частицы космических лучей. Пылинка — вполне понятное читателю слово, но оно предполагает твердый материал, тогда как большая часть ядер облачной конденсации — это мелкие капли жидкости. Так что мы решили предпочесть слово точки.

Завтрак для альбатроса

С того времени как Поль Жан Кулье и Джон Айткен продемонстрировали роль аэрозолей в образовании облаков, исследователи без конца подсчитывают содержание различных твердых и жидких веществ в воздухе. Для врачей, а в особенности для их пациентов, страдающих от легочных болезней, токсическое загрязнение воздуха — насущная проблема. Да и у климатологов не меньше причин интересоваться «точками», распыленными в воздухе, поскольку даже если они не участвуют в облакообразовании, эти «точки» тем не менее перехватывают часть солнечного тепла. Лазерные лучи, самолеты и аэростаты, спутники — все они помогают ученым нарисовать более полную картину.

Свой ощутимый вклад в загрязнение воздуха вносит и сама природа. Во-первых, это пыль, поднимаемая ветром с сухой почвы, пустынь и пляжей. Возделывая землю в полупустынных и подверженных частым засухам районах, человек также помогает пополнить запасы пыли в атмосфере. Иногда это приводит к катастрофам, какая, например, случилась в Пыльном котле на Среднем Западе США во время продолжительной засухи тридцатых годов. Подобное часто происходит в Африке и Азии. Когда мир переживал период глобального похолодания в 1960-е, некоторые метеорологи, нашедшие виновника в сельскохозяйственной пыли, назвали этот феномен «человеческим вулканом».

То же касается и сажи, остающейся после лесных и травяных пожаров. Часто причинами возгорания становятся природные явления, например, молнии или вулканы. Но выжигание лесов, травы и сжигание растительного мусора — это обычная практика землеустройства с доисторических времен. И сегодня в сухие сезоны в Южной Азии мы можем видеть, как коричневый дым от сожженных растений и угля тянется от Арабского моря к Бенгальскому заливу.

Метеоритная пыль, занесенная из космоса, также пополняет компанию крошечных частичек, плавающих в воздухе. А еще, оказывается, пыльца, вызывающая аллергию, бактерии и грибные споры в большом количестве забираются на удивление высоко. В нескончаемой череде химических реакций, происходящих в воздухе, участвуют различные элементы и соединения, и эти реакции также порождают бесчисленное множество «точек». Дымка над хвойным лесом, которую вы можете видеть в солнечный день, появляется благодаря тому, что деревья выделяют летучие углеводороды — терпены. Солнечный свет превращает их в некое подобие смога, аналогичного тому, что отравляет большие города, только в городах «работают» уже не хвойные деревья, а автомобили, в выхлопах которых тоже присутствуют углеводороды.

Вулканы извергают клубы пепла, который довольно быстро оседает на землю, сернистый газ, порождающий крохотные капли серной кислоты, а также другие «точки». Большая часть серы, выброшенной вулканами, стремительно уходит в стратосферу и некоторое время остается выше того уровня, где обычно происходит образование облаков, но вскоре движение серосодержащих молекул замедляется, и они начинают опускаться, распространяясь по всему миру. Страшный красный закат на картине «Крик» Эдварда Мунка был откликом художника на извержение вулкана Кракатау. Это извержение произошло в Индонезии в 1883 году и было столь мощным, что вулканические выбросы достигли даже норвежского неба.

Большое вулканическое облако может охладить мир на несколько лет, так как пепел не пропускает солнечные лучи к поверхности и Солнце нагревает стратосферу. В 1991 году взорвался вулкан Пинатубо на Филиппинах. Исследования, проведенные с помощью лазеров, показали, что после извержения обратное рассеяние света от стратосферы увеличилось в сто раз. Уровень обратного рассеяния снижался очень медленно и вернулся к норме лишь в 1996 году. Ученые полагают, что количество серы, выброшенной тогда в стратосферу, составило около десяти миллионов тонн.

Океаны в этом отношении действуют как огромные безостановочные водяные вулканы. Они выделяют в нижние слои атмосферы большое количество серы в виде паров диметилсульфида — простого соединения из двух атомов углерода, шести атомов водорода и одного атома серы. Испускание серы морской водой в открытом океане, вдали от берегов, впервые обнаружил английский химик Джеймс Лавлок в начале 1970-х. На самом деле источник серы — не вода, а планктон, плавающий на поверхности моря, — микроорганизмы с экзотическими названиями вроде динофлагеллят и примнезиофитов. Зоопланктон кормится фитопланктоном, мембраны клеток микроорганизмов — протозоа и водорослей — при этом разрушаются, на клетки набрасываются бактерии, которые разлагают их содержимое, и высвобожденный диметилсульфид попадает в воздух.

Пары диметилсульфида обладают определенным ароматом — наше обоняние воспринимает его как запах морских водорослей, выкинутых волной на берег, или отваренных початков кукурузы. Для многих птиц, живущих далеко от земли, например, для качурок, запах диметилсульфида означает возможность подкрепиться. Стоит им почуять его, и они устремляются по ароматному следу к самым богатым пищей местам. Запах со временем слабеет, так как под воздействием солнечных лучей происходят химические реакции, превращающие диметилсульфид в капельки серной кислоты.

Похожий механизм действует при создании капелек азотной кислоты. В воздухе всегда много окислов азота. Они образуются либо во время грозы, когда молнии раскалывают небо, либо в процессе жизнедеятельности бактерий, обитающих в почве. Еще одно соединение, в которое входит азот, — это аммиак: конечный продукт некоторых обменных процессов в животных организмах. Аммиак с удовольствием объединяется с серной кислотой, чтобы произвести на свет крохотные капельки — говоря по-нашему, «точки» — сульфата аммония.

Запасы надо пополнять

Если вас смутило разнообразие «точек», кружащих в воздухе, то вы просто спросите, какие из них наиболее эффективны и важны с точки зрения изменений климата. Пыль, поднимаемая ветром, безусловно, влияет на климат, так как не пропускает солнечный свет. Но ее частички слишком большие, чтобы стать ядрами облачной конденсации. Даже цветочная пыльца, включая тончайшую пыльцу красавицы-незабудки, великовата по размеру.

С другой стороны, в воздухе в изобилии присутствуют сверхмалые «точки» паров или газов, размером с наименьшую молекулу белка, то есть в несколько миллионных миллиметра. Они слишком крохотные и не могут участвовать в образовании облаков. Но если этим крохам удается скучковаться в более крупные «точки», размер которых составит около ста миллионных миллиметра (или 100 нанометров), — они станут идеальными ядрами облачной конденсации.

По всей планете капельки серной кислоты (для рождения которых требуется немного воды) — самый важный фактор образования облаков. В наши дни главный источник серы на всех континентах — сернистый ангидрид, образующийся в процессе промышленной деятельности человека — главным образом той деятельности, которая выражается в сжигании ископаемого топлива. Если учесть быстрый рост экономики в развивающихся странах, выбросы серы в атмосферу приближаются к отметке сто миллионов тонн в год. Однако выбросы сконцентрированы над промышленными районами, и, несмотря на то что ветер может разносить их на тысячи километров, этого явно недостаточно, чтобы «человеческий» сернистый ангидрид хоть как-то влиял на всю планету.

Над широкими просторами океанов, покрывающих больше половины планеты, образование облаков зависит в основном от серной кислоты, порождаемой диметилсульфидом. И хотя общее количество высвобождаемой океаном серы может быть вполовину меньше того, что выбрасывает в атмосферу человек, океанская сера участвует в формировании погоды на гораздо большей площади. Если вам нужно подобрать лучший в мире природный источник ядер облачной конденсации, то это, конечно, пахучие пары, выделяемые неприметными микроорганизмами пустынных морей.

Главный соперник серы как поставщика ядер облачной конденсации над океанами — это морская соль. Штормовые волны поднимают фонтаны тончайшей водяной пыли, особенно в зимнее время на «ревущих сороковых» и «неистовых пятидесятых», и таким образом в воздухе оказываются крупинки хлорида натрия подходящего размера. Возможно, их не более десяти процентов от всего необходимого количества «точек», но они тоже могут побороться за доступный над океаном водяной пар во время «сборки» капелек серной кислоты.

Когда восходящие потоки в кучевых облаках несут капли воды вверх, в холодные области атмосферы, те замерзают, превращаясь в снежинки или градинки. С другой стороны, на больших высотах водяной пар может «перепрыгнуть» через жидкое состояние и сформировать ледяные кристаллы непосредственно, как это происходит в высотных многослойных перистых облаках. В каждом случае на сцену выходит свой набор «точек», играющих роль ледяных ядер, на которых кристаллизуется вода.

Льдообразующие ядра должны одурачить блуждающие молекулы воды, представив дело так, будто они уже оформились в полноценные кристаллы льда и подбирают себе новых рекрутов. Перебирая ядра кристаллизации льда, природа, кажется, отдает предпочтение микроскопическим частицам глинистого минерала каолинита. Когда люди вызывают искусственный дождь, они распыляют в воздухе йодистое серебро. Этот реагент побуждает холодные облака создавать ледяные кристаллы, выпадающие затем с большей готовностью, чем водяные капли. Вне зависимости от того, естественного происхождения они или созданы человеком, снежинки и градинки обычно тают по дороге к земле.

Рано или поздно ядра облачной конденсации — как бы они ни рождались — исчезают: либо их вымывают из воздуха дождь, град или снег, либо потоки, восходящие с высоких грозовых туч, выносят их в стратосферу, либо же сила тяготения медленно утаскивает эти ядра вниз, к поверхности земли. Их запас необходимо постоянно пополнять. Появившиеся в девяностые годы более совершенные детекторы, умеющие регистрировать сверхмалые «точки» размером всего лишь в несколько нанометров, позволили увидеть, как рождаются рои новых ядер конденсации — эти явления получили название нуклеационных взрывов.

В лесной лаборатории, расположенной в Хютияля неподалеку от Хельсинки, Маркку Кулмала и его коллеги постоянно следят за такими взрывами. Вот, например, одно наблюдение, сделанное весной. В течение всей ночи количество «точек» в воздухе неуклонно снижалось, но в 10 часов утра их число неожиданно начало расти. К полудню количество «точек» увеличилось почти в десять раз. Затем оно стало постепенно уменьшаться, зато сами «точки» продолжали увеличиваться в размерах. Этот процесс длился несколько часов. К заходу солнца количество «точек» опять начало снижаться.

Такого рода пополнения приводят к тому, что в атмосфере над сушей, в тех слоях, где происходит формирование облаков, постоянно присутствует множество ядер облачной конденсации — несколько миллионов на каждый литр воздуха. Даже над открытыми океанами их обычно сто тысяч на литр. Поэтому метеорологи были готовы вообразить, что таких «точек» всегда много, и, следовательно, нет никакой необходимости полагать, будто космические лучи могут что-то изменить.

Урожай сверхмалых капель над Панамой

В конце 1990-х специалисты службы погоды, занимаясь своим обычным делом, то есть оглашая перед публикой климатические прогнозы, прямо-таки источали самоуверенность, и не важно, что именно они предсказывали — дождь либо солнце на завтра или состояние климата на 2100 год. Никому из посторонних не полагалось знать, насколько, по сути, поверхностны и схематичны были некоторые из наиболее фундаментальных представлений об атмосфере. Даже среди самих метеорологов лишь немногие осознавали, что ключевые моменты образования облаков — то, что можно назвать «двигателем погоды» — ускользали от их разумения.

Сама химия атмосферы представляла собой головоломку. Если ядра облачной конденсации, эти зерна, вокруг которых собираются водяные капли, сами представляют собой капельки другого вещества, например, серной кислоты, то как в таком случае они образуются? Разве, для того чтобы они выросли, им не нужно какое-нибудь свое «зерно»? Вспоминается старушка из английской народной сказки, пытавшаяся привести домой поросенка с рынка: «Огонь, огонь, сожги палку! Не хочет палка побить собаку, не хочет собака укусить поросенка, не хочет поросенок лезть через ограду, не успею я засветло попасть домой».

Согласно традиционным взглядам атмосферных химиков, для того чтобы капельки серной кислоты могли успешно создавать облака, им просто нужно время. Теория исходила из того, что в воздухе всегда содержится огромное количество молекул серной кислоты. Им требовалось совсем немного молекул воды, и тогда они медленно начинали соединяться в капли, молекула за молекулой, без всякой помощи со стороны.

Эту теорию постигла внезапная смерть, так как однажды слишком много частиц появилось там, где их никто не ждал. Это случилось в 1996 году над Тихим океаном, куда любят отправляться ученые, чтобы вдалеке от загрязненных промышленными выбросами районов понаблюдать жизненный цикл облаков. Патрульный противолодочный самолет ВМС США «Орион», приспособленный для исследовательской работы агентством НАСА и оснащенный приборами для обнаружения газов, паров и наших крохотных «точек», к тому времени налетал уже много часов среди облаков над тропической частью Тихого океана.

Однажды ранним утром самолет шел низко над океанскими волнами к югу от Панамы. Подобно морской птице, он вынюхивал диметилсульфид. Группа ученых, возглавляемая Тони Кларком из Гавайского университета, выбрала этот регион по той причине, что фауна и флора океана здесь особенно разнообразны. Ученые хотели проследить, как происходит химическое преобразование диметилсульфида в естественных условиях.

Выбрав определенный район, пилот снизился до 160 метров, и приборы, как и следовало ожидать, показали большое количество диметилсульфида. Дул чистый западный ветер, и корабль кружил на низкой высоте целый час. По небу гуляли облака с просветами, иногда встречались дождевые тучки.

Приборы регистрировали ожидаемое преобразование диметилсульфида. Под воздействием солнечного ультрафиолета он вступал в реакцию с водяным паром и образовывал сначала двуокись серы (сернистый ангидрид), а затем пары серной кислоты. Число молекул серной кислоты колебалось довольно сильно, но все еще оставалось слишком маленьким, для того чтобы они стали собираться вместе, согласно господствовавшей теории.

Сюрприз свалился на ученых в два часа дня, когда приборы исследовательского самолета зафиксировали громадное количество сверхмалых «точек». За две минуты их количество подскочило практически с нуля до более тридцати миллионов на литр воздуха. При этом количество свободных молекул серной кислоты, также измерявшееся в этот момент, оставалось низким.

Такого взрывного образования сверхмалых «точек» просто не должно было быть при имевшейся концентрации серной кислоты. Известно, что капельки серной кислоты — главный источник ядер конденсации в процессе облакообразования над доброй половиной земного шара. Здесь же получалось, что концентрации серной кислоты еще не достаточно, а ядер конденсации — уже пруд пруди. Метеорологи не могли объяснить причину этой преждевременной нуклеации. В каком-то смысле они походили на автомеханика, который не понимает, откуда в свече зажигания берется искра. Сделав хорошую мину при плохой игре, НАСА огласило предварительное заключение, где непредусмотренным событиям было придано положительное освещение:

«Ясно одно — это уникальное наблюдение феномена тропической нуклеации обеспечит нас надежной экспериментальной площадкой, на которой можно будет проверять новые теории».

Когда Кларк и его команда попытались понять причины произошедшего, они гадали, может ли азот, поступающий с океанской поверхности, подхлестнуть формирование сверхмалых «точек». Было еще одно оторванное от жизни предположение: мол, серной кислоте и молекулам воды помогли сблизиться электрические заряды, так как во время полета исследователи видели вспышки молний.

Вообще говоря, то, что присутствующие в воздухе электрически заряженные молекулы, атомы и электроны, объединяемые общим названием «ионы», могли дать начало ядрообразованию, не было такой уж новой идеей. Эта теория появилась в 1960-е годы, и в ее пользу говорили наблюдения за сверхмалыми «точками», предвосхищавшие эксперименты группы Кларка, а также несколько скромных лабораторных экспериментов, подкрепленных кое-какими предварительными гипотезами. В 1980-е горячим защитником идеи был Франк Рас, бельгийский химик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, — по его расчетам выходило, что образование микрокапель серной кислоты за счет ионов вполне реализуемо.

Непредубежденные теоретики хранили идею ионного образования ядер конденсации, так сказать, про запас, не исключая ее полностью. Она не будила их воображение до тех пор, пока теоретики не услышали в 1998 году об открытии, сделанном у берегов Панамы, и не почувствовали его подтекст. Затем и другие химики, изучающие атмосферу, начали понимать, что ионное ядрообразование могло бы действительно подстегнуть «поросенка», чтобы он довольно резво перепрыгнул через ограду. Тогда космические лучи могли бы более убедительно вступить в действие, потому что скорее они, а не удары молний, служат важным источником ионов на всех уровнях — и высоко в атмосфере, где образуются облака, и над поверхностью океана, где летал «Орион».

Фанцюнь Юй и Ричард Турко, также работавшие в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, изучали инверсионные следы, остающиеся позади самолета, когда он проносится по небу. Там, в этом самолетном шраме, ядра облачной конденсации тоже формировались гораздо быстрее, чем ожидала от них традиционная теория, предполагавшая, что они будут группироваться постепенно, молекула к молекуле. Очевидно, в результате сгорания топлива образуются заряженные атомы и молекулы, помогающие «точкам» формироваться и расти.

Отсюда недалеко и до умозаключения, которое Юй и Турко сделали в 2000 году: не что иное как именно космические лучи способствуют ускоренному ядрообразованию и, следовательно, формированию облаков. Присутствие электрических зарядов обеспечивает сближение молекул даже при низкой концентрации паров серной кислоты. А затем ионы стабилизируют образующиеся зародышевые «точки», пока те собираются в более крупные капельки. Так научные расчеты объяснили урожай сверхмалых «точек» над Тихим океаном близ побережья Панамы.

Попытки поставить эксперимент

Это своевременное вмешательство атмосферных химиков никого не обрадовало больше, чем физика элементарных частиц Джаспера Киркби, сотрудника ЦЕРНа в Женеве. Когда в декабре 1997 года Колдер читал в ЦЕРНе лекцию об обнаруженной Свенсмарком связи между космическими лучами и облаками, Киркби был среди слушателей. Лекция возбудила его любопытство, и он, отправляясь с семьей на Рождество в Париж, в гости к сводной сестре, взял с собой сборник научных трудов. И пока остальные ходили по магазинам, Киркби изучал публикации. В итоге он убедился, что открытие Свенсмарка действительно было очень интересным.

Поскольку совпадения вариаций космических лучей и колебаний облачного покрова ничего не говорили о существующих здесь причинно-следственных связях, Киркби задумался над тем, как можно было бы установить эти связи и найти механизм, инициирующий образование облаков. И хотя физика высоких энергий не занимается вопросами климата, космические лучи определенно входят в область ее интересов: физики, работающие с элементарными частицами, в изобилии создают искусственные космические лучи с помощью своих ускорителей. Посреди праздников в Париже Киркби нашел время, чтобы набросать план эксперимента. По его замыслу, следовало воссоздать атмосферные условия и, соответственно, условия образования облаков в специально оборудованной камере, воздействовать на нее пучком частиц, разогнанных в церновском ускорителе, и измерить получившийся эффект.

Мало кто знал тогда, но, помимо фундаментальной науки, Джаспер Киркби занимался исследованиями окружающей среды. Если бы он нашел возможную причину изменений климата, для его группы это была бы особая возможность зарекомендовать себя с лучшей стороны и продвинуть исследования на более профессиональный уровень. Подавая в камеру строго отмеренные дозы водяного пара и следовые количества определенных соединений — двуокиси серы, аммиака, азотной кислоты, — ученые намеревались проследить физические и химические эффекты в серии тщательно спланированных опытов и увидеть, сможет ли входящий пучок частиц повлиять на образование ядер облачной конденсации. Из первых букв остроумного названия эксперимента «Cosmics Leaving OUtdoor Droplets» (буквально: «Космические лучи оставляют после себя капельки под открытым небом») Киркби составил акроним — «CLOUD».

Он принялся собирать команду. За два года Джаспер Киркби собрал больше пятидесяти метеорологов, экспертов по солнечно-земной физике и физике элементарных частиц из семнадцати институтов Европы и США. Свенсмарк тоже был среди них. Он отчаялся найти в Дании средства для собственного эксперимента и был рад присоединиться к группе специалистов, набираемой Киркби.

Был здесь и Маркку Кулмала из Хельсинки, бросивший Свенсмарку спасательный круг в море критики в Эльсиноре. Как и многие другие в их команде, он все еще не был убежден результатами Свенсмарка и не считал, что космические лучи прямо участвуют в образовании облаков. В то время Кулмала предпочитал объяснять нуклеационные взрывы тем, что в реакциях участвуют и другие молекулы, помимо серной кислоты и водяного пара. Но, как и остальные, он не смог отказаться от возможности проверить идею ионного ядрообразования в ходе беспрецедентного исследования в области атмосферной химии.

Киркби нашел нишу для своего проекта «CLOUD» в опытном зале церновского протонного синхротрона. Главное место в эксперименте отводилось диффузионной камере полуметрового диаметра, куда синхротрон должен был подавать регулируемые порции частиц высоких энергий. Некоторые члены группы, приехавшие из Хельсинкского университета, Миссури-Ролла и Венского университета, ранее уже имели дело с такими камерами и получали положительные результаты. Используя наработанный ими опыт, инженеры ЦЕРНа смогли построить большую пузырьковую камеру для изучения следов частиц.

Самые современные приборы, располагавшиеся вокруг диффузионной камеры, предназначались для того, чтобы следить за событиями, вызываемыми пучком частиц из ускорителя. Капли влаги, образующиеся в камере, должны были рассеивать свет и тем самым заявили бы о своем присутствии. Фотографии предполагалось делать с помощью высокоскоростной 3D-камеры, используя технологию, которую впервые применили для наблюдения за солнечными затмениями.

Атомы, молекулы и ионы различных видов и масс, присутствующие в воздухе, должны были попадать в поле зрения сразу нескольких приборов. Три разных масс-спектрометра предназначались для того, чтобы идентифицировать их путем точного измерения молекулярных весов. Еще один прибор измерял подвижность ионов и должен был поведать о том, как они взаимодействуют с молекулами воздуха и других веществ, участвующими в эксперименте.

Чего не хватало заявке на проведение эксперимента, так это осмысленной поддержки со стороны специалистов по химии атмосферы, теоретических обоснований той роли, которую космические лучи должны играть в атмосферных процессах, — ничем иным, кроме предположений, сделанных Франком Расом еще в 1980-е годы, атмосферные химики не располагали. Уточненный сценарий Фанцюнь Юя и Ричарда Турко, объясняющий тот неожиданный нуклеационный взрыв близ берегов Панамы, подоспел как раз вовремя. К апрелю 2000 года каждый пункт заявки был тщательно проработан. Заключительные слова этого текста, в сущности, повторяли те мысли Свенсмарка, с которых и началась вся работа.

«Более ста лет назад Ч. Т. Р. Вильсон изобрел диффузионную камеру, чтобы исследовать феномен погоды. Его изобретение стало необходимейшим инструментом для физики элементарных частиц. Сейчас колесо истории повернулось, и мы возвращаемся назад, к идее Вильсона, дабы исследовать вероятность того, что атмосфера Земли действует подобно большой диффузионной камере, в которой эхом отдаются причуды Солнца».

Когда заявка попала на рассмотрение к двум ведущим метеорологам, ответ оказался неутешительным. Один лауреат Нобелевской премии поднял на смех доказательства Свенсмарка и счел необходимым обратить внимание ЦЕРНа на то, что эти доводы используются лишь как оружие в научно-политических спорах, ведущихся на тему глобального потепления. Группа ученых возмутилась: это не могло быть научным аргументом в пользу или против их проекта. Когда ученые обсуждали рецензию между собой, они отметили, что в высказанных возражениях нет логики:

«Если ситуация настолько неприемлема, насколько это изображается [рецензентом], разве не было бы важно — тем более важно! — показать, что гипотеза Свенсмарка ошибочна?»

Другой рецензент вдавался в технические детали и выражал сомнение в том, что ученые смогут в своем опыте воссоздать условия реальной атмосферы. Здесь специалистам Киркби пришлось самым тщательным образом отвечать на все возражения, пункт за пунктом. Они также решили подчеркнуть, что цель эксперимента заключалась не в том, чтобы доказать, будто облака реагируют на колебания космических лучей, а в том, чтобы лишь посмотреть, возможно ли это вообще.

Наиболее весомым техническим возражением было то, что пробный запуск эксперимента слишком ограничен во времени. «Точкам», представляющим собой лишь зародыши капелек, требуется много часов, чтобы сформироваться и вырасти. При пробном запуске капельки довольно быстро осядут на стенки диффузионной камеры — на это потребуется около 24 часов, — и эксперимент закончится. Группа учла замечание, присоединив к большой реакционной камере два дополнительных резервуара (причем с тефлоновыми стенками), объем которых в шестьдесят раз превышал объем диффузионной камеры. Теперь химические реакции могли спокойно продолжаться несколько дней и даже неделю.

В ЦЕРНе есть собственный специальный комитет, консультирующий генерального директора по вопросам научных программ. Этот комитет потребовал, чтобы ему более подробно обрисовали то, как будут проходить испытания. Эксперимент был новинкой даже для атмосферных физиков, не говоря уже о штатных сотрудниках ЦЕРНа, специалистов в области физики высоких энергий. Киркби надеялся, что «CLOUD» будет одобрен до конца 2000 года, поэтому он потребовал, чтобы его эксперты как можно быстрее подготовили несколько дополнений к проекту. Одно содержало чертежи новой реакционной камеры и некоторые детали начальных стадий опыта. В другом дополнении экспериментаторы объясняли, что испытания, возможно, займут нескольких лет, поэтому эксперимент следует считать одним из постоянных направлений ЦЕРНа, где необходимо разместить полустационарную установку для долговременных исследований атмосферы.

Но разве не должен каждый заниматься своим делом? Члены комитета ЦЕРНа, обсуждавшие проект, принялись размышлять, а следует ли лаборатории физики элементарных частиц вообще влезать в изучение атмосферы, поэтому они все тянули и тянули с принятием решения. Тогда группа сосредоточила свои усилия на том, чтобы вызвать интерес к проекту у специалистов по атмосфере.

В 2001 году Европейское геофизическое общество, Европейское физическое общество и Фонд европейской науки совместно организовали в Женеве рабочую группу, чтобы пересмотреть «ионно-аэрозольно-облачные взаимодействия» и обсудить программу эксперимента. Они привлекли больше пятидесяти специалистов со всего мира. При голосовании по вопросу: «Играет ли роль в изменениях климата ионизация, которую вызывают космические лучи?» — мнения разделились поровну между «да» и «не знаю», но все специалисты были единодушны в поддержке проекта Киркби.

Это удачное заседание ненадолго подняло настроение экспериментаторов, однако через год по «CLOUD» был нанесен тяжелый удар. Значительно более дорогой проект ЦЕРНа — самый мощный в мире ускоритель, Большой адронный коллайдер, еще не был завершен. Он почти опустошил международный бюджет лаборатории, и директорат решил «заморозить» все новые эксперименты. К их числу относился и «CLOUD», не такой уж дорогой для физики высоких энергий.

Не сломившись, Киркби отправился в Америку, чтобы найти необходимый для проекта ускоритель. Более всего ему подходил Стэнфордский линейный ускоритель в Калифорнии. В 1970-е годы Киркби работал там и участвовал в исследованиях, которые завершились грандиозным успехом: Мартин Перл открыл одну из важнейших фундаментальных частиц во Вселенной — тау-лептон. Сам Мартин Перл с воодушевлением присоединился к их команде, так же как и Фанцюнь Юй, к тому времени уже работавший в университете штата Нью-Йорк в Олбани.

Увы, отзывы рецензентов вновь оказались слишком враждебными, и трансатлантическое предприятие закончилось ничем.

Проект пролежал замороженным три года, однако научная аргументация тем временем развивалась дальше, и некоторые доказательства научное сообщество уже признало верными. Ближе к концу 2004 года ЦЕРН снова был готов оказывать поддержку новым экспериментам. Киркби отобрал из своей команды «тяжелую артиллерию», чтобы провести переговоры с наиболее важными руководителями исследовательской службы, не дожидаясь собрания комиссии по научным программам, которое было назначено на январь 2005 года. В этот раз Маркку Кулмала провел убедительную презентацию, и комиссия решила, что ЦЕРНу следует предоставить оборудование для проекта «CLOUD». Сообщая об этом Колдеру, Киркби ликовал:

«Сейчас отношение к нам со стороны ЦЕРНа, по существу, доброжелательное. Предоставленных нам [национальных] средств должно хватить, у нас будет настоящий эксперимент „CLOUD“, и мы сможем наконец приняться за физику. У нас на пути еще много препятствий, но самое трудное позади».

С тех пор как Киркби впервые задумал свой эксперимент, прошло семь лет. ЦЕРН рассматривал официальный проект почти пять лет. Команда надеялась, что при хорошем стечении обстоятельств их главный эксперимент принесет впечатляющие плоды к 2010 году.

Короб в подвале

К этому времени в Датском национальном космическом центре Свенсмарк и его коллеги разработали и запустили более скромный собственный эксперимент. Они решили не дожидаться, пока лаборатория ЦЕРНа снизойдет до того, чтобы предоставить пучок частиц, который высвободит электрические заряды в заданном объеме воздуха. Вместо этого они позволили природным космическим лучам, дождем проливающимся над Копенгагеном, сделать эту работу за них. Эксперимент получил название «SKY». В датском языке это слово обозначает «облако», в английском — «небо», сочетание вполне символическое.

Когда мюоны, или тяжелые электроны, — частицы, лучше других заряженных гостей из космоса умеющие проникать сквозь земную атмосферу, — атаковали крышу здания на улице Юлианы Марии, что приютила у себя Космический центр, они не привлекали к себе внимания. Мюоны спокойно проходили вниз, сквозь этажи, столы, компьютеры, кофейные чашки и людей. Перед тем как исчезнуть в земной коре, некоторые мюоны просвистывали через большой короб с воздухом, стоявший в подвале, и помогали команде Свенсмарка, вышибая электроны из молекул азота и кислорода и таким образом создавая ионы.

Эксперимент «SKY» был затеян в 2000 году, когда новости из ЦЕРНа приносили одно расстройство. Это был более простой способ приступить к изучению атмосферных процессов, в которых образуются ядра облачной конденсации. Новые расчеты Фанцюнь Юя и Ричарда Турко, объясняющие удивительный взрыв сверхмалых «точек» в небе над Тихим океаном, подкинули Свенсмарку идею об относительно недорогой системе, которая позволила бы взглянуть на это явление в лабораторных условиях. Ее создание стали рассматривать как пилотный проект, требующий меньше затрат, чем основной эксперимент «CLOUD».

Это было новым направлением для Свенсмарка. Так же как и Джаспер Киркби из Женевы, он был физиком, а не атмосферным химиком. К тому же Свенсмарк был теоретиком и не привык в отличие от Киркби к неторопливой поступи экспериментаторской жизни. Даже просто для того, чтобы подыскать место под короб с воздухом, требовалось определенное время. После того как было найдено подходящее место — чистая комната в подвале, — оказалось, что она занята книгами, и, чтобы их убрать, понадобилось специальное разрешение университетской библиотеки. Что касается средств, Свенсмарку оставалось надеяться лишь на собственное везение.

Поначалу постановка эксперимента двигалась довольно робко — на деньги, полученные в виде двух небольших грантов от частных фондов. Перспективы были столь неопределенными, что для техников, занимавшихся материальной частью проекта, технические задания по эксперименту «SKY» все время оказывались на последнем месте. Работа останавливалась много раз. Датский совет по естественным наукам придал проекту некую устойчивость, вручив Свенсмарку грант в размере шестисот тысяч крон (около ста тысяч долларов США) на три года, но этого не хватило, чтобы закончить подготовку эксперимента и собрать необходимых специалистов. В дело был даже пущен грант от Фонда Карлсберга, чтобы Найджел Марш смог остаться со Свенсмарком до конца.

К 2002 году ситуация стала катастрофической. Срочно были нужны пятьдесят тысяч крон, только для того чтобы проект продержался на плаву еще какое-то время. Свенсмарк вспомнил, что некогда один крупный предприниматель очень заинтересовался его работой. Это было год назад, тогда тот возглавлял комитет, наградивший Свенсмарка премией за исследования в области энергии «Энергия-Е2». После многих попыток дозвониться до предпринимателя Свенсмарку наконец это удалось, и ученый начал объяснять свое затруднительное положение. Бизнесмен немедленно выслал за ним такси, и Свенсмарк вдруг обнаружил, что он стоит, небритый и в сандалиях, посреди комнаты, где сидят люди в деловых костюмах. То, что они сказали, ошеломило ученого.

«Мы решили, что можем дать вам один миллион крон на первый год, — заявили деловые люди, — пятьсот тысяч на следующий и двести пятьдесят тысяч — в третий год».

Это меняло дело! Свенсмарк теперь мог удержать Марша в команде и нанять ученого-экспериментатора из физической лаборатории Института Нильса Бора. Йенс Олаф Пепке Педерсен, специалист по столкновениям быстрых частиц и атомов, стал главным соратником Свенсмарка в деле развития и продвижения эксперимента «SKY». Для полномасштабных действий все еще нужны были дополнительные средства, но в любом случае в 2003 году перспективы стали более радужными.

Датские парламентарии могут финансировать различные специальные проекты, минуя правительственные фонды. Сделав энергичные шаги в этом направлении, Свенсмарк смог получить некоторые средства из национального бюджета. Многим показалось, что правительство совершило большую ошибку, поддержав его исследования, и это вызвало яростные нападки на Свенсмарка в датских средствах массовой информации со стороны как предпринимателей, так и некоторых ученых. Однако сумма в двенадцать миллионов крон — в двадцать раз больше гранта, выделенного Датским советом по естественным наукам на эксперимент «SKY», — обеспечила проекту следующие четыре года работы.

Свенсмарк переименовал свою группу в Центр солнечно-климатических исследований. Помимо Марша и Пепке Педерсена, к команде присоединились Ульрик Уггерхёй, физик-атомщик из Орхусского университета, и аспирант Мартин Энгхофф. Теперь, когда у них был надежный источник финансирования, ученые смогли приобрести все необходимое оборудование, и группа наконец приступила к эксперименту.

Оглядываясь назад на эту небольшую сагу, историки науки могут лишь гадать, почему и Киркби в Женеве, и Свенсмарку в Копенгагене пришлось пережить такую нервотрепку, чтобы получить одобрение и средства на свои проекты стоимостью всего несколько миллионов долларов. Ведь мир каждый год тратит миллиарды долларов на изучение климата. Пищей для дальнейших размышлений историков науки могут послужить также утверждения оппонентов, к числу которых относились иные из очень даже именитых ученых, будто они были уверены в отрицательном результате эксперимента. Свенсмарк сам не знал, какой сюрприз ожидает его, когда после долгих мытарств незадолго до Рождества 2004 года наконец началось систематическое проведение эксперимента.

В мгновение ока

Трубки, насосы, циферблаты и электронные приборы, окружающие двухметровый короб с воздухом, придавали копенгагенскому подвалу вид машинного отделения на корабле. Это впечатление было отчасти верно, потому что, судя по качеству воздуха в коробе, вы вполне могли быть посреди Тихого океана, а не в центре европейского города. Короб, или по-научному «реакционная камера», был сделан из многослойного майлара с тефлоновым покрытием и содержал семь кубических метров обычного воздуха, пропущенного через пять различных фильтров.

Чтобы исключить возможность проникновения сквозь фильтры каких-нибудь примесей, экспериментаторы могли наполнять камеру даже более чистым воздухом, смешав в нужной пропорции азот и кислород из баллонов. Следовало решить и проблему азота — вдруг его молекулы играют какую-нибудь химическую роль в образовании «точек»? Чтобы проверить это, на некоторых стадиях эксперимента азот в «синтетическом» воздухе заменяли аргоном, однако это ни разу не повлекло за собой никаких изменений. Исключение азота позволило ученым отбросить целый ряд возможных реакций с участием положительно заряженных ионов. Вместо этого экспериментаторы сосредоточили свое внимание на самых проворных из отрицательных ионов — электронах.

Температура и влажность воздуха в реакционной камере находились под постоянным контролем, приборы измеряли также следы присутствовавших там двуокиси серы и озона. Роль Солнца выполняли семь ультрафиолетовых ламп, горящих то непрерывно, то периодами по десять минут. Детектор сверхмалых «точек» регистрировал продукты химических реакций.

Эксперимент начался с того, что ученые дали в камеру несколько вспышек ультрафиолета. Это сразу привело к образованию сверхмалых «точек» — они рождались точно так же, как и в естественных условиях над Тихим океаном, в полном соответствии с открытием, сделанным во время того самого полета «Ориона». Ультрафиолетовое излучение способствовало стремительному образованию молекул серной кислоты. И хотя молекул серной кислоты было намного меньше, чем того требовала старая «лобовая» теория каплеобразования, эти молекулы тем не менее быстро собирались в крохотные скопления, или кластеры.

Уже через десять минут (а на самом деле даже немного раньше) детектор начал выявлять новорожденные «точки». Как показал в дальнейшем опыт, в типичных случаях образование «точек» достигало своего пикового значения — около двух тысяч единиц на литр — в течение последующей четверти часа, даже несмотря на то, что стенки камеры «выпивали» изрядное их количество. Но даже с учетом этих потерь образование «точек» шло далее по нарастающей и доходило до десятков миллионов на литр, что совпадало с данными, полученными над Тихим океаном.

Реакционная камера

1 — камера

2 — источники ультрафиолета

3 — сотовый коллиматор

4 — подача воздуха

5 — подача озона

6 — подача сернистого ангидрида

7 — выход газа и аэрозольных частиц

8 — электроды

Эксперимент «SKY» в Датском национальном космическом центре. Космические лучи, проходившие сквозь крышу здания, попадали в пластиковый короб, содержавший семь кубометров очищенного воздуха с примесями сернистого ангидрида (SO 2 ) и озона — именно такой состав присущ незагрязненному воздуху в естественной среде. Количество водяного пара в коробе также строго контролировалось.

Свет ультрафиолетовых ламп содействовал образованию серной кислоты, та соединялась с молекулами воды, и в результате в воздухе рождалось большое количество молекулярных кластеров. Когда на электроды подавалось высокое напряжение и электромагнитное поле «выметало» из короба электроны, высвобожденные космическими лучами, кластеров становилось заметно меньше, а когда гамма-излучение пополняло запас свободных электронов в воздухе, количество кластеров возрастало.

В общем смысле все работало даже лучше, чем ученые ожидали. Но развитие событий от одной стадии эксперимента к другой превращалось в захватывающий сюжет. Главная роль в химической драме, разыгрывающейся в закрытом коробе с воздухом, предположительно отводилась космическим лучам, так как они, пронзая потолок и исчезая в полу, оставляли после себя след из заряженных частиц. Экспериментаторы были сильно удивлены, когда начали понимать, что же происходит на самом деле.

Задумав эксперимент, Свенсмарк хотел получить простой ответ — «да» или «нет» — на вопрос, действительно ли ионы, порожденные космическими лучами, засевают воздух «точками». Чтобы проверить это, он устроил так, чтобы в камере можно было включить сильное электрическое поле, которое вымело бы из исследуемого объема воздуха все заряженные частицы. Поле должно было удалить эти частицы буквально за секунду. А ведь, согласно существующим теориям, заряженным частицам, прилетевшим извне, нужно около восьмидесяти секунд, чтобы произвести заметный эффект. Так что если космические лучи действительно что-то такое делают в воздухе, то при включенном электрическом поле «точки» просто не должны образовываться. Свенсмарк позже вспоминал, что произошло.

«Итак, был уже вечер, и в лаборатории собрались все, кто имел отношение к проекту. Эксперимент был произведен при включенном электрическом поле, и теперь оставалось лишь окончательно проверить, не осталось ли в камере ядер, индуцированных ионами, — во всяком случае, нам казалось, что эта проверка и есть окончательный ответ. Но спустя десять минут вся камера была наполнена сверхмалыми „точками“, как и раньше. Это был очень странный момент. Неужели наша идея потерпела крах?»

Первая реакция: следует все проверить. Правильно ли измеряются концентрации серной кислоты? Хорошо ли откалибрована система подачи ультрафиолета? Достаточно ли гомогенно ультрафиолетовое излучение, проходящее через специальную, тщательно выкрашенную сотовую матрицу, позаимствованную нами у авиационных технологов? Все были на взводе; если что-то не совпадало со спецификациями, страсти накалялись до предела. Несколько недель прошли в технических проверках, прежде чем группа попытала счастья снова.

Увы, электрическое поле никак не влияло на результат. Что их ждет, удача или провал, зависело от того, как быстро они смогут найти объяснение. Свенсмарк размышлял: а вдруг электроны — легкие отрицательно заряженные частицы, выбиваемые космическими лучами из обычных молекул воздуха, — способны формировать ядра каплеобразования намного быстрее, чем это рисовалось ему — или кому бы то ни было еще — ранее? Это могло происходить только в том случае, если бы электроны скакали от «точки» к «точке», бросая одни недостроенные капли серной кислоты и принимаясь за другие, подобно учителю, пытающемуся построить толпу ребятишек парами.

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

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

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

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

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

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

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

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

Электроны сеют семена

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В конце концов престижный лондонский научный журнал «Труды Королевского общества» принял этот доклад, озаглавив его «Экспериментальные доказательства роли ионов в ядрообразовании в атмосферных условиях». И хотя бумажный номер журнала должен был выйти из печати не раньше 2007 года, журнал опубликовал доклад в Сети в октябре 2006-го. Статья сопровождалась комментариями Королевского общества и Датского национального космического центра, от лица которого высказался его руководитель Айгиль Фриис-Кристенсен:

«Многие климатологи считали, что связь между космическими лучами и облаками недоказуема. Некоторые утверждали, что вообще нет мыслимого способа, каким космические лучи могли бы воздействовать на облачный покров. Сейчас эксперимент „SKY“ показал нам, что заряженные частицы способны на это, и нам следует включить космические лучи в список тем международных исследований климата».

Оставляя в стороне все межличностные и научные перебранки 1996–2006 годов, краткое изложение истории выглядит так. Согласно измерениям метеоспутников, облачный покров Земли ритмично изменялся на протяжении нескольких лет, идя след в след за изменением количества пятен на Солнце. А точнее говоря, он ориентировался на эффективность солнечного ветра, регулирующего потоки космических лучей, которые достигают Земли. Это подтолкнуло ученых провести эксперименты в области химии атмосферы. Состоявшиеся опыты продемонстрировали, как электроны, высвобождаемые заряженными частицами, ускоряли процесс образования кластеров молекул серной кислоты — наиболее важного источника ядер облачной конденсации.

Цепочка научных объяснений, протянувшаяся от звезд через облака к климату, сейчас, по существу, выкована, хотя в ней всегда найдется место для новых звеньев. Ими могут стать результаты, полученные в ходе тщательных лабораторных экспериментов, таких как «CLOUD», или при зондировании реальной атмосферы с борта самолета. Эксперимент «SKY» удачно воспроизвел условия в нижних слоях атмосферы, где колебания в интенсивности космических лучей ведут к очевидным изменениям в облачности. Результаты эксперимента придадут уверенности любому человеку, желающему понять, какую роль вечно меняющийся поток космических лучей играет в вечно меняющемся климате нашей планеты. Об этой роли речь пойдет в следующих главах. А пока вы благодарите вашу счастливую звезду за облака, которые поят мир дождями, помните, что в их власти и заморозить всю планету целиком.

 

5. Галактический путеводитель для динозавров

В Балтийском море в 80 километрах южнее Копенгагена лежит датский остров Мён. Фермеры острова всегда будут помнить о том, как некогда они не захотели предложить сено коню Клинтеконгена, чтобы защитить свои посевы. Про Клинтеконгена говорили, что он преемник скандинавского бога Одина, создателя мира, и в обличье птицы защищает остров от врагов. Домом ему служила пещера в утесе Мёнс Клинт, самом впечатляющем из морских утесов Дании.

Взмывающие в небо белоснежные известняковые горы Мёнс Клинт рассказывают геологам не менее захватывающую историю, которая поспорит с любой легендой, о том, как менялся климат в древности и как формировался современный облик мира. Отложения мела накапливались на дне океана 70 миллионов лет назад, когда миром правили тираннозавры и другие гигантские рептилии. На планете было так тепло, что на полюсах не было льда, а динозавры обитали даже в Антарктиде. Уровень моря был очень высоким. Слои карбоната кальция на дне океана предоставляли убежище миллиардам микроскопических водорослей и постепенно нарастали, когда их обитатели погибали. В Балтийском регионе эти накопления образовали отложения мела стометровой толщины.

Мел накапливался по всей планете в широчайших масштабах, отчего этот геологический период и получил название мелового. Не очень далеко от Мёна, в южной Англии, огромный пласт мела позднее вздыбился, и морские ветры и волны вылепили из него Белые скалы Дувра. Там и по сей день слои мела сложены так же аккуратно, как и раньше, когда они много миллионов лет назад лежали на морском дне.

Утесы Мёнс Клинт настолько не похожи на скалы Дувра, что это послужило причиной ожесточенных споров в XIX веке. В 1851 году датский геолог Кристофер Пуггор опубликовал доклад, где выразил свое смятение от того, что он увидел:

«Слои мела скручиваются, извиваются и изгибаются во всевозможных направлениях, в виде букв S или Z, в полукруглой форме или форме стремени, или же их разрезают расселины, образующие глубокие провалы, отчего они переплетаются самым невероятным образом. Примерно посередине обрыва, в месте, называемом Дроннингестоль, неразбериха достигает максимума, и именно там находится вершина утеса… В падении пласта слои также чрезвычайно изменчивы, и в некоторых местах они резко переходят от горизонтального положения в вертикальное».

Споры между геологами, по-разному объясняющими перемещения меловых пластов в северо-западной Европе, не утихали полвека. Некоторые, к ним принадлежал и Пуггор, отстаивали ту точку зрения, что скалы, находящиеся под мелом, опустились или разрушились. Это, по их мнению, приводило к тому, что мел или более молодые слои других пород скользили вниз, сталкивались и падали, как если бы в помещении вдруг обрушился потолок. Другие предполагали, что причиной возникновения высокого откоса могло стать движение льда.

Сегодня картина стала много понятнее. В течение последнего ледникового периода, начавшегося около 70 тысяч лет назад, большой ледник наступал на запад через область, которую сейчас занимает Балтийское море. Язык ледника взломал мел, словно бульдозер, образовав десятка два отколов, каждый толщиной около ста метров. Ледник беспорядочно толкал их перед собой, пока не остановился. Затем наступило длительное потепление, и остров Мён остался стоять как «конечная морёна» в том месте, где ледник сбросил свой груз.

Таким образом, Мёнс Клинт — это дитя двух контрастных состояний мира, условно их можно назвать «парник» и «ледник». Когда планета гостила в «парнике», организмы, производящие мел, нежились и процветали в спокойных водах. Когда пришел черед переместиться в «ледник» — меловые захоронения раскурочила двигающаяся гора льда. Переход от одного состояния к другому был впечатляющим, но не внезапным.

50 миллионов лет назад температуры заметно упали. А 30 миллионов лет назад долговечные льды уже обосновались в Антарктиде. По-настоящему холодные условия в североатлантическом регионе наступили 2,75 миллиона лет назад, и сейчас мы живем в «леднике», где ледовые поля и снежные покровы составляют неотделимую часть пейзажа.

Специалисты по-разному пытаются объяснить эту поразительную перемену в климате. Может быть, виной всему были географические изменения. Континенты, как обычно, перемещались по земному шару, и Австралия отделилась от Антарктиды, оставив ту в одиночестве на Южном полюсе. Это одиночество усугубило Антарктическое круговое течение, отрезавшее Южный континент от теплых океанских потоков, и Антарктика стала идеальным местом для накопления ледяных запасов. Столкновение Индии с Азией подтолкнуло Гималаи и Тибет выше к небу и создало бассейн прохлады в тропиках. По другим предположениям, причиной похолодания стало уменьшение углекислого газа в атмосфере.

Астрофизик из Института физики им. Дж. Рака в Иерусалиме, Нир Шавив, предложил совершенно иное объяснение такого переключения с теплого периода, благоприятного для накопления мела, на холодный, безжалостно это накопление разрушивший. По мнению ученого, ответ на загадку следует искать в Млечном Пути. И главным образом, утверждает он, в той очень светлой области, называемой рукавом Стрельца — Киля, которая хорошо заметна в Южном полушарии зимними вечерами.

Около 60 миллионов лет назад Солнце в компании Земли и остальных планет посетило эту область — тогда, как, впрочем, и сейчас, она была населена яркими, но недолговечными звездами. Солнечная система пришла с дальней стороны того яркого рукава, который мы видим в небе и сегодня, называя его «Млечный Путь». И вынырнула на ближней стороне приблизительно 30 миллионов лет назад. В этом спиральном рукаве было огромное количество взрывающихся звезд, и, соответственно, интенсивность космических лучей, производимых ими, была также очень высока.

Шавив взял на вооружение открытие Свенсмарка о том, что космические лучи могут влиять на климат и остужать мир, создавая низкую облачность. Согласно этой трактовке, в период между отметками на шкале времени «60 миллионов лет назад» и «30 миллионов лет назад» среднемировая температура резко снизилась, и Антарктику сковали льды. Когда рукав Стрельца — Киля отступил, похолодание приостановилось, и снова наступило бы потепление, если бы прогулка по Галактике не привела нашу планету к еще одному району, где сконцентрировались яркие звезды, — рукаву Ориона. Мы и сейчас находимся в нем, все еще в глубине «ледника», в комнатке, где относительно теплые условия позволяют Земле отдохнуть в перерыве между ледниковыми периодами. Нам просто дали отсрочку от оледенения, подобного тому, что перетряхнуло меловые отложения острова Мён.

Работа Шавива была опубликована в 2002 году, и там объяснялся не только самый последний переход от теплой к холодной фазе, но и все четыре главных похолодания, включая и то, когда многоклеточные впервые стали играть заметную роль на планете, что случилось немногим ранее 500 миллионов лет назад.

Все, что мы успели рассказать вам о космических лучах и климате, касается недавних событий, настолько краткосрочных с геологической и астрономической точек зрения, что приток заряженных частиц из Галактики в Солнечную систему можно считать почти неизменным. В течение последних ста тысяч лет основной причиной, по которой менялась интенсивность космических лучей, проникающих в нижние слои земной атмосферы, были изменения в поведении Солнца. Но так как Солнце и Земля путешествуют по обширным царствам времени и пространства, измеряемым миллионами лет и тысячами световых лет, им приходилось сталкиваться и с другими, более значительными и более длительными колебаниями потоков космических лучей.

Послания в метеоритах

Хотя вы не сможете обойтись без телескопа, чтобы рассмотреть в подробностях какую-нибудь из спиральных галактик, поверьте, что они — одно из самых прекрасных явлений на небе. Эти рои из многих миллиардов звезд так организованы, что самые яркие и голубые звезды рассеяны главным образом вдоль изящно изогнутых рукавов, исходящих из центрального шара или перемычки, где находятся более старшие красные звезды. Гравитация сплющивает спиральную галактику, и сбоку она похожа на глазунью из одного яйца (как если бы вы и глазунью рассматривали тоже сбоку) с выпуклостью посередине.

Так как мы с вами находимся внутри нашей Галактики, нам она кажется просто лентой света, идущей по небу, — ее назвали Млечным Путем задолго до того, как люди узнали, что это «островная вселенная», похожая на многие далекие объекты, разбросанные по всему ночному небу. До 1950-х годов, пока один датский радиотелескоп не снабдил ученых данными о распределении водорода в обозримой части Вселенной, астрономы не могли с уверенностью сказать, что Млечный Путь представляет собой спиральную галактику, такую же, как галактика Андромеды, галактика Водоворот и многие другие.

Сила притяжения, действующая между звездами, порождает волны вещества с большей или меньшей плотностью. Эти волны приводят к образованию спиралей, медленно кружащихся вокруг центра Млечного Пути. Волны плотности возмущают межзвездный газ и заставляют его собираться в относительно плотные облака, из которых потом рождаются новые звезды, омолаживая Галактику. В результате рукава украшают массивные яркие голубые звезды, но их жизнь слишком коротка, и они взорвутся и извергнут из себя космические лучи, прежде чем смогут уйти далеко от места своего рождения.

Маленькие звезды, такие как Солнце, живут достаточно долго, чтобы совершить много оборотов вокруг центра Галактики. Но так как их скорость отличается от скорости вращения галактических рукавов, они периодически входят в спиральные рукава, а затем выходят с противоположной стороны. Поток космических лучей достигает максимума в то время, когда Солнце и сопровождающие его планеты выходят из спирального рукава. Причина кроется в том, что в «передней» кромке рукава находится много больших звезд, и они движутся даже немного впереди этой кромки, прежде чем взорвутся. Согласно расчетам Нира Шавива, спиральные рукава должны оказывать колоссальный эффект на климат:

«Изменения потока высокоэнергетических космических лучей, связанные с нашим галактическим путешествием, в десять раз значительнее, чем изменения, вызванные солнечной активностью, при этом именно космические лучи высоких энергий ответственны за ионизацию нижних слоев атмосферы Земли. Если Солнце отвечает за колебания среднемировой температуры Земли примерно на 1 градус Цельсия в ту или иную сторону, то эффект от прохождения через спиральный рукав может составить около 10 градусов. Этого более чем достаточно, чтобы переключить Землю с режима „парник“, когда умеренный климат охватывает полярные области, на режим „ледник“, когда полюса обрастают ледниковыми шапками, которые мы наблюдаем и сегодня. В сущности, можно ожидать, что для периодов, исчисляемых сотнями миллионов лет, главный двигатель изменений климата — это эффект галактических рукавов».

Во время своего тура по Галактике Солнце и Земля пересекают четыре главных рукава, или, если быть точным, четыре сегмента рукавов. Эти рукава названы по именам созвездий, за которыми они кажутся более заметными в ночном небе. Небольшой коридор ярких звезд, называемый рукавом Ориона, где мы находимся сейчас, отходит от главного рукава — Персея, — к которому мы и движемся. Наше вхождение в рукав Персея состоится через 50–100 миллионов лет. В далеком будущем Земля снова посетит рукава Наугольника, Щита — Южного Креста и Стрельца — Киля.

Продвигаясь вместе с Солнцем сквозь спиральные рукава Млечного Пути, Земля подвергается обстрелу космическими лучами различной интенсивности, и, соответственно, условия на планете меняются от парниковых к ледниковым и обратно. Изучение истории изменений климата может помочь избавиться от сомнений относительно точного маршрута Солнца в Галактике и расположения спиральных рукавов, обозначенных на рисунке кривыми линиями и тенями различного характера. (Масштаб дан в килопарсеках (кпк): 15 килопарсеков соответствуют 49 000 световых лет)

Хотя астрофизики пришли к единому мнению относительно скорости Солнца, путешествующего по своей галактической орбите, скорость вращения спиральных рукавов все еще остается предметом научных споров. За последние сорок лет ученые называли разные цифры: от половины скорости движения Солнца до даже большей, чем его скорость. Чтобы связать между собой вхождения в спиральные рукава и изменения климата, происходившие на Земле, необходимо установить, с какой скоростью движется Солнце относительно спиральных рукавов. Эту величину можно определить исходя из того, как часто и когда интенсивность космических лучей падала или росла.

Можем ли мы заглянуть так далеко в бездну времени и пространства, чтобы узнать, что происходило с космическими лучами сотни миллионов лет назад? Шавив дает замечательный ответ: да, можем. Заново проанализировав данные о радиоактивности железных метеоритов, собранные немецкими учеными, он обнаружил ритм, в котором космические заряженные частицы поступали на Землю.

Когда астероиды сталкиваются друг с другом где-то далеко в Солнечной системе, их фрагменты, выбрасываемые в пространство, могут включать в себя кусочки железа. Эти фрагменты продолжают вращаться вокруг Солнца сотни миллионов лет, и, пока они кружатся, под ударами космических заряженных частиц в них образуются радиоактивные атомы. В конце концов некоторые обломки астероидов попадают на Землю — мы называем их «железными метеоритами». Если вы попытаетесь узнать, сколько лет провел метеорит, блуждая в космосе, то, вероятно, вы захотите измерить соотношение атомов радиоактивного калия и стабильных атомов. Однако колебания интенсивности космических лучей в Солнечной системе исказят полученные результаты.

Когда космических лучей мало, часы метеоритов идут медленно и «омолаживают» своих обладателей. Приступая к исследованию, Нир Шавив сперва исключил метеориты, похожие по характеру и возрасту, предположив, что они произошли в одинаковых космических обстоятельствах. После этого у него все еще оставалось около пятидесяти железных метеоритов, возраст которых доходил до миллиарда лет. Тщательно изучив их, Шавив пришел к выводу, что мощность космических лучей росла и падала циклично, и этот цикл длился 143 миллиона лет (плюс-минус 10 миллионов лет), что согласуется с движением Солнечной системы сквозь спиральные рукава Галактики.

Этот результат поразительным образом совпал с многолетними записями изменений климата. За последние полвека геологи многое узнали о медленных чередованиях теплых и холодных фаз климата, и датировка смен этих состояний все время уточнялась. Шавив попытался найти возможную периодичность в изменениях климата и обнаружил климатический цикл в 145 миллионов лет, что оказалось очень близко к его циклу космических лучей.

Анализ Шавива охватывал, как уже упоминалось, последний миллиард лет. Первая часть этого периода включала космические и климатические потрясения другого вида, оставим их до седьмой главы. А в данный момент давайте посмотрим, что может сказать астрономия об испытаниях, выпавших на долю многоклеточных. Окаменелости, хорошо сохранившиеся с кембрийской эпохи, которая началась 542 миллиона лет назад, говорят о появлении и бурном расцвете разнообразных организмов.

Весь временной этап с начала кембрия до сегодняшних дней носит название «фанерозойский эон», что означает «время явной жизни».

Жизнь в спиральной галактике полна стрессов

Пройдя через рукав Стрельца — Киля, Земля наконец вырвалась из ледяных оков. Жесткий климат, кажется, заставил жизнь задуматься над тем, что было бы неплохо разработать некоторые эволюционные новшества. В 1970-е годы Джеймс Валентайн из Калифорнийского университета в Беркли обнаружил, что, конструируя будущие тела животных, природа начала ставить эксперименты уже на первых поколениях червей, ползавших по морскому дну. Черви весьма неуязвимы к сезонным и долгосрочным изменениям климата, без жалости оставляющим других животных голодными.

Когда наступили теплые времена фанерозоя, предшественники всех основных ветвей царства животных уже были на месте. Пока Солнце и Земля двигались по отрезку между двумя спиральными галактическими рукавами, количество космических лучей было низким, а уровень моря — высоким. Жизнь нежилась на континентальных шельфах. Среди великого разнообразия беспозвоночных животных были похожие на головастиков личинки, получившие в дар от природы раннюю половую зрелость. Они основали династию, потомками которой стали рыбы и все остальные позвоночные.

Теплые условия сохранялись и в ордовикский период, но затем Солнечная система нанесла визит в рукав Персея. Около 445 миллионов лет назад ордовик внезапно закончился, на Землю пришла стужа, и уровень моря упал. Хотя этот период был относительно недолгим, ледники стартовали сразу, как по сигналу, — по схеме Шавива, это произошло, как только Солнечная система вышла из рукава Персея и попала в район максимальной интенсивности космических лучей.

В силурийский период вместе с теплом, вернувшимся после того ужасного перерыва, объявились и новые обитатели суши — первые растения и животные. Тогда же появились и костные рыбы, ставшие наиболее удачливыми из всех позвоночных животных. Следующий, девонский, период также был теплым.

В первом варианте работы Шавива оставались неточности, касающиеся местоположения следующего спирального рукава, куда предстояло отправиться Земле. Астрономические прогнозы расходились с предположениями Шавива, основанными на изучении им железных метеоритов. Впоследствии он разработал более четкую интерпретацию рисунка спиральных рукавов, и расхождения сошли на нет. Во всяком случае, метеоритные данные, касающиеся космических лучей, теперь вполне совпадали с геологическими данными, свидетельствующими о сильном похолодании, максимум которого пришелся на конец каменноугольного периода, около 300 миллионов лет назад.

Этот эпизод «ледника», давно известный геологам как пермско-каменноугольное оледенение, длился довольно долго. Он накрыл каменноугольный период, названный так из-за больших залежей угля, откладывавшегося в болотистых лесах. Тогда появились первые рептилии и позвоночные животные, способные жить исключительно на суше. Леса разрастались, но при этом ледовые поля и ледники наступали на континенты, лежавшие в те времена ближе к Южному полюсу. «Ледник» продолжился и в начале пермского периода.

Конец пермского и весь следующий за ним триасовый период Солнечная система провела в темном пространстве между галактическими рукавами, в условиях «парника». Катастрофа разразилась в конце пермского периода, 245 миллионов лет назад. Предположительно ее вызвало столкновение Земли с кометой или астероидом, грубо нарушившим все правила игры, и это привело к массовому вымиранию видов. Комета возвестила наступление мезозойской эры, самой известной из всех благодаря динозаврам. Но Земля все еще не покинула «парник», что в данном случае говорит об отсутствии связи между эволюционными изменениями и климатом.

Проход через рукав Центавра вновь принес с собой холод, державшийся в течение юрского и раннего мелового периодов. Среди новых видов, появившихся тогда, были первые цветковые растения и первые птицы. Приблизительно 120 миллионов лет назад холод сменился «парником» позднего мелового периода, что возвращает нас к началу этого рассказа, к белым скалам Мёнс Клинт.

Любой, кто радуется тому, как сходятся друг с другом научные дисциплины после целого столетия разделения на узкие специализации, наверняка получит удовольствие, увидев, как тесно связаны между собой названия спиральных рукавов Млечного Пути и холодные геологические периоды, во время которых Земля посетила эти места.

Рукав Персея — от ордовикского периода до силурийского.

Рукав Наугольника — каменноугольный период.

Рукав Щита — Южного Креста — юрский период и начало мелового периода.

Рукав Стрельца — Киля — эпоха миоцена, почти сразу (по геологическим меркам) переходящая в

Рукав Ориона — от плиоцена к эпохе плейстоцена.

События и эволюционные последствия перехода к рукаву Ориона мы рассмотрим в седьмой главе. А пока мы хотели бы привести ошеломительный пример того, как астрономический прогноз был сразу же поддержан и геологическими свидетельствами, и найденными окаменелостями. Речь идет о происхождении птиц.

Перья, чтобы не замерзнуть

Когда 230 миллионов лет назад первые маленькие динозавры и млекопитающие впервые выступили на арену, Солнце и Земля были приблизительно там, где они находятся и сейчас. В течение этого времени Солнечная система сделала полный оборот вокруг центра Галактики. И большую часть путешествия динозавры были властителями Земли, оставив млекопитающих на низшем уровне, хотя самим динозаврам так и не удалось завершить великое путешествие.

Путешествие началось в теплый триасовый период. Путеводитель по Галактике для динозавров, учитывающий потоки космических лучей, сообщил бы, что приближается рукав Щита — Южного Креста, и пообещал бы «ледник» в юрском и меловом периодах. До сих пор поколениям студентов и поклонников гигантских рептилий говорили, что на протяжении всей динозаврьей мезозойской эры условия жизни на планете были едва ли не курортными: тепло, льда на суше практически нет. Если какие-либо геологические представления и входили в противоречие с расчетами космических лучей, то это были именно стереотипы, сложившиеся вокруг мезозоя, и Нир Шавив это хорошо понимал.

«Когда я начал работать над этой идеей, я искал данные по оледенениям и в одной книге, выпущенной в 1970-е, нашел сводку данных, в которой никакое среднемезозойское оледенение не фигурировало. Я подумал: „Ну что ж, космические лучи не объясняют все изменения климата“. Только позже я обнаружил другой обзор, где говорилось, что средний мезозой был холоднее, чем эпохи до и после него. Улыбка не сходила с моего лица целый день, так как я нашел потерянную ледниковую эпоху. Тогда я понял, что моя теория верна».

В 2002 году, когда Нир Шавив впервые рассказал свою историю о спиральных рукавах, нашлись и отчетливые материальные следы среднемезозойского похолодания — они обнаружились на океанском дне, среди обломков пород, принесенных дрейфующими льдами. Еще в 1988 году Ларри Фрейкс из университета Аделаиды представил свидетельства того, что дрейфующий лед сбрасывал песок и гравий в субполярных областях. Но так как ничто не говорило о том, что на суше тоже был лед, среднемезозойское оледенение оставалось наименее убедительным из всех.

Всего через несколько недель после публикации Шавива, в начале 2003 года, из университета Аделаиды поступило известие, что ученым впервые удалось отыскать следы наземного льда в меловой период. Невилл Элли и Ларри Фрейкс сообщили, что поблизости от хребта Флиндерс в Западной Австралии обнаружены глина, мелкие камни и зерна кварца, перемешанные ледником. А датируются они ранним меловым периодом, то есть им 140 миллионов лет. Так что динозаврам действительно пришлось покататься на климатических «американских горках», как верно предсказала астрономия.

Если вы предпочитаете живое доказательство того давнего похолодания, посмотрите на птиц. Они — единственные уцелевшие из всего великого племени динозавров и обязаны своим существованием холодному среднемезозойскому периоду. В ту пору небольшие рептилии нашли пристанище на деревьях или в болотистой местности и тем самым смогли избежать челюстей своих грозных собратьев, но тут крылся и подвох. Они теряли тепло намного быстрее, чем большие животные. У крохотных млекопитающих были меховые шкурки, а маленькие динозавры в холодный ранний меловой период научились сохранять тепло, преобразуя чешуйчатую кожу в пух и перья.

Одновременно с австралийским открытием было найдено доказательство в Китае, не оставляющее сомнений в том, что в среднемеловой период существовали маленькие, покрытые перьями динозавры, затем эволюционировавшие в современных птиц. Следы их существования сохранились на дне бывших озер в провинции Ляонин в северном Китае. Человек, нашедший ископаемых птиц в этой области, Чжоу Чжунхэ из Института палеонтологии позвоночных и палеоантропологии в Пекине, ясно понимал значение своей находки:

«Новые открытия позволяют предположить, что перья не уникальная принадлежность птиц и что полет как таковой мог взять свое начало от планирующих прыжков, которые совершали создания, обитавшие на деревьях».

Когда вы любуетесь птицами, поющими в ваших садах, радуйтесь, что пернатым созданиям хватило времени, чтобы утвердиться в роли нового класса позвоночных до того, как 65 миллионов лет назад ужасные события смели с лица Земли всех динозавров — и больших, и маленьких. Многие птицы, равно как и млекопитающие, пережили массовое вымирание, когда небесное тело — комета или астероид — врезалось в Землю в области, которая ныне именуется Мексикой, и огромное количество лавы выхлестнулось из вулканов в Индостане по другую сторону планеты. Оледенение, случившееся за 75 миллионов лет до этого, побудило маленьких динозавров поэкспериментировать с перьевым жакетом и определить, для чего еще он мог бы им понадобиться.

Непосредственно из ледника: в Китае найден ископаемый эмбрион птицы в своем собственном яйце. Находке 121 миллион лет. У эмбриона видны даже перышки, более четко прорисованные художником при обработке фотографии. Холодный климат, воцарившийся на Земле, после того как планета нанесла визит в один из спиральных рукавов Галактики, заставил мелких динозавров искать средства утепления, — и ящеры нашли их, обретя перья. Впоследствии кое-кто из динозавров нашел перьям иное применение, но это уже другая история — история птиц. (Чжоу Чжунхэ, Институт палеонтологии позвоночных и палеоантропологии, Пекин)

Первые свидетельства удара, уничтожившего динозавров, появились в 1980 году. В Италии, в ущелье неподалеку от Губбио, в слое красной глины, врезанном в пласт известняка, были обнаружены вкрапления редких элементов внеземного происхождения. Это всего лишь одно из вмешательств небесных тел в ход эволюции, но были и другие, вызвавшие более продолжительные изменения глобального климата. После промежутка хаоса, сопровождающего каждый удар, климат всегда возвращался к холодным или теплым условиям, господствовавшим до того, как комета или астероид врезались в Землю. На стенах ущелья близ Губбио явственно видно: цвет пласта известняка над слоем глины лишь чуть-чуть отличается от цвета породы под полоской глиной — как будто ничего значительного не произошло.

Размолвка по поводу диоксида углерода

Журнал «Дискавер» назвал работу Нира Шавива по проблемам Галактики и климата лучшим научным открытием 2003 года. По мнению ученого, его идея была хороша тем, что представляла собой рискованную попытку вступить на неизведанную территорию, где, казалось, он никому не сможет наступить на ногу. Сам Шавив и не представлял, что его рассказ о космических лучах может иметь какие-то последствия в свете нынешних дебатов об изменениях климата, пока израильский ученый не присоединился к команде выдающегося геолога Яна Вейзера.

Основное место научной деятельности Вейзера — университет Оттавы, но он также работал в Рурском университете в Бохуме (Германия). Вейзер собрал большую коллекцию ископаемых раковин, хозяева которых обитали в тропических океанах в течение последних 550 миллионов лет, и подсчитал в них количество атомов тяжелого кислорода. Согласно этим данным, температура поверхностного слоя морской воды в тропиках поднималась и падала приблизительно на 4 градуса Цельсия, более или менее идя в ногу с переходами от условий «парника» к «леднику» и наоборот.

В 2000 году совместно со своими коллегами из Льежа Вейзер понял, почему его данные противоречат широко распространенному поверью, будто содержание углекислого газа в атмосфере повинно в температурных колебаниях. Это особенно ясно, если обратиться к оледенениям, случившимся 150 и 450 миллионов лет назад. Концентрация двуокиси углерода в воздухе была высока, и морским температурам следовало быть значительно выше тех, о которых рассказывает коллекция раковин Вейзера. Однако ракушки настаивали на том, что температура меняется циклично и что цикл этих колебаний составляет примерно 135 миллионов лет. Температурный цикл Вейзера был очень похож на цикл Шавива в 143 миллиона лет. Готовя к публикации в 2003 году расширенную версию своей работы о спиральных рукавах, Шавив включил туда и графики Вейзера.

Затем астрофизик и геолог поняли, что, объединив свои усилия, они могли бы более точно подсчитать, насколько сильно космические лучи влияют на климат. Ученые совместно написали провокационную статью под названием «Небесные силы как главный фактор фанерозойского климата?», которую Геологическое общество Америки (ГОА) опубликовало в весьма популярном среди геологов журнале — «ГОА сегодня». Помимо того, что они представили свои собственные данные о связи космических лучей и климата, ученые рассказали и о результатах, полученных Свенсмарком. Возможно, тогда многие читатели впервые услышали о датском ученом и его исследованиях.

Шавив и Вейзер пришли к заключению, что связь между климатом фанерозоя и космическими лучами не подлежит сомнению, в то время как влияние двуокиси углерода на климат древности должно быть меньше, чем обычно заявляют. Они внимательно изучили геологические данные, обращая внимание на несоответствия между уровнями двуокиси углерода и морскими температурами, и сделали вывод, что в будущем повышение температуры, связанное с удвоением содержания двуокиси углерода, будет намного ниже, чем предсказывала Межправительственная группа экспертов по изменению климата. И в одну секунду Шавив и Вейзер оказались персонами нон грата.

Спустя шесть месяцев группа из одиннадцати ученых яростно напала на их ересь, опубликовав статью в геофизическом журнале «Эос». Ведущим автором был Штефан Рамшторф из Потсдамского института климатических исследований. Статья начиналась с того, что ставила под сомнение влияние космических лучей на климат, опираясь при этом на возражения, уже успевшие устареть. И поскольку критики даже собственную статью не прочитали внимательно, Шавив и Вейзер легко опровергли многие пункты, просто повторив то, что они написали изначально.

Споры были слишком запутаны и темны, чтобы излагать их здесь, но один пример даст вам почувствовать их аромат. Рамшторф и его собратья по критике предположили, что данные о морских температурах были подтасованы, чтобы выделить колебания, совпадающие с вариациями космических лучей. Здесь приведено опровержение Шавива и Вейзера, поставившее критиканов на место: «Рассчитанные тренды температур… были уже опубликованы Вейзером и др. в 1999 и 2000 годах, при полном неведении относительно будущей работы Шавива».

«ГОА сегодня» выпустило более обоснованный комментарий, озаглавив его: «СО2 как главный фактор фанерозойского климата». Авторами выступили пять ученых под руководством Даны Ройера из университета штата Пенсильвания. Они утверждали, что график температур, основанный на содержании тяжелого кислорода в древних отложениях карбоната, должен быть уточнен с поправкой на кислотность морской воды в те времена. Тогда, как предполагали авторы статьи, связь между температурами и двуокисью углерода станет намного очевиднее:

«Колебания потока космических лучей могут воздействовать на климат, но не они играли ведущую роль в течение многих миллионов лет».

Решайте сами, кто прав. Уровень двуокиси углерода опускается и поднимается только дважды за 550 миллионов лет, в то время как на графиках космических лучей вы можете увидеть по четыре всплеска и падения. И так как было четыре основных холодных и четыре теплых периода, модель безоговорочно поддерживает Шавива и Вейзера, когда они утверждают, что космические лучи — главная движущая сила климата. Но ледниковые периоды были не одинаковы по своей мощности, и, следовательно, помимо космических лучей действовали и иные силы.

Попытку прекратить разногласия о том, что важнее — космические лучи или углекислый газ, — предпринял Клаус Вальман из Института морских исследований ГЕОМАР в Киле (Германия). Он написал в журнал «Геохимия Геофизика Геосистемы» статью, где заявил, что не мог бы воспроизвести диаграммы температур с поправкой на кислотность без добавления охлаждающего эффекта космических лучей. С другой стороны, по его словам, двуокись углерода играет значительную роль в усилении или ослаблении изменений климата:

«Теплые периоды (кембрий, девон, триас, меловой) характеризуются низким уровнем космических лучей. Холодные периоды, от позднего каменноугольного до раннего пермского и поздний кайнозойский [следовательно, настоящее время], отмечены высоким притоком космических лучей и низким значением двуокиси углерода. […] Два умеренно холодных периода, совпадающие с ордовикско-силурийской и юрско-раннемеловой эпохами, характеризуются и высоким содержанием двуокиси углерода, и большим количеством заряженных частиц, так что парниковое потепление компенсировалось охлаждающим воздействием низких облаков».

Как сильно влиял углекислый газ на климат далекого прошлого? Когда мы видим провалы в графиках, 300 миллионов лет назад и в сегодняшней ледниковой эре, количество двуокиси углерода в воздухе составляет всего лишь несколько сотен частиц на миллион, но на подъемах оно вырастает до 5000 и 2000 частиц на миллион. Если захотите перевести это на язык, используемый для современного описания изменений климата, вам придется спросить, насколько поднимутся температуры, если содержание двуокиси углерода возрастет с 280 до 560 частиц на миллион — то есть увеличится в два раза по сравнению с уровнем, существовавшим до промышленной революции? Межправительственная группа экспертов по изменению климата полагала, что цифры будут в пределах от 1,5 до 4,5 градуса Цельсия.

Первоначально Шавив и Вейзер, основываясь на данных за 500 миллионов лет, предполагали, что чувствительность климата к двуокиси углерода могла составить 0,5 градуса Цельсия. Однако они согласились с тем, что следует откорректировать цифры с учетом кислотности морской воды, хотя и полагали, что Дана Ройер с коллегами переоценивают ее влияние. Шавив и Вейзер также подчеркивали, что подсчет атомов тяжелого кислорода, используемый для определения температуры, должен быть скорректирован с поправкой на количество льда в мире, потому что если образуются ледовые щиты, то в морской воде остается больше тяжелого кислорода. Шавив и Вейзер пересмотрели свою оценку чувствительности климата к двуокиси углерода, и в этот раз она составила 1,1 градуса Цельсия.

Их оценка совпала с мнением знаменитого метеоролога Ричарда Линдзена из Массачусетского технологического института о сегодняшнем состоянии атмосферы. Линдзен неоднократно высказывался об умеренном влиянии на климат двуокиси углерода. Как он объяснил в выступлении перед английской Палатой лордов в 2005 году:

«Если главные парниковые субстанции — водяной пар и облака — остаются неизменными, то удвоение количества СО2 приводит, согласно простым расчетам, к повышению среднемировой температуры в среднем на 1 градус Цельсия».

Итак, древние ископаемые дали Шавиву и Вейзеру возможность получить цифры, очень близкие к расчетам Линдзена, который основывался на исследованиях современной атмосферы. Есть над чем задуматься. Свенсмарк не был уверен, стоит ли учитывать климатическую эффективность двуокиси углерода в своих расчетах. Его также интересовало, оставалось ли количество углекислого газа постоянным на протяжении всей истории и, если его концентрация была разной, как это могло отражаться на климате. Как бы то ни было, результаты Шавива и Вейзера убеждают нас в том, что климат не настолько чувствителен к увеличению углекислого газа, чтобы тревожные предсказания о неминуемом глобальном потеплении, спровоцированном промышленной деятельностью, выглядели убедительными. И, таким образом, эти результаты добавили Свенсмарку оптимизма в его размышлениях о причастности космических лучей к судьбе планеты в промышленную эпоху.

Ракушки в качестве телескопов

Когда в 2002 году вышли в свет любопытные расчеты Нира Шавива, говорящие о той роли, которую сыграли космические лучи в истории земного климата, Свенсмарк решил взяться за написание собственного труда. Однако доступные ему геологические данные были неполными, и это сильно затрудняло работу, до тех пор пока на встрече на Гавайях в 2005 году Шавив не указал ему на более качественную базу данных. Эксперимент в подвале также сильно отвлекал Свенсмарка. Однако начиная с момента, когда были обработаны первые результаты эксперимента «SKY», Свенсмарк смог уделить больше внимания тем мелодиям, которые с незапамятных времен напевают камни и звезды; ему нужно было лишь постараться расслышать созвучия в их песнях.

Колебания климата в прошлом, увязанные с движением Солнца по Млечному Пути, помогут усовершенствовать наши астрономические знания о Галактике.

Свенсмарка поразили противоречивые мнения астрономов о Млечном Пути и тех временах, когда, по их предположениям, Солнечная система проходила через галактические рукава. В каком-то смысле это разочаровывало даже больше, чем любые геологические данные, не соответствующие изменениям климата. Свенсмарк решил подойти к проблеме с другого конца и использовать данные Яна Вейзера о морских температурах, «записанных» в ископаемых, чтобы помочь астрономии. «Шутки ради, — заметил Свенсмарк, — я назвал это: „Как измерить массу Галактики с помощью термометра“».

Обитатели морских раковин действуют как чувствительная природная аппаратура, записывая события, происходящие в вечно меняющейся звездной среде, окружающей нас, и они начали выполнять эту работу задолго до того, как человек изобрел астрономические инструменты. С позиций сегодняшнего дня мы можем рассматривать их как телескопы, которые фиксировали интенсивность космических лучей путем усвоения тяжелого кислорода в процессе жизнедеятельности. Так что идея использовать морские ракушки для астрономических целей — не пустая прихоть.

Согласно показаниям окаменелостей, температуры моря колебались, и амплитуда этих колебаний была относительно невысока, зато ритм был более частый, чем тот, который задают климату спиральные рукава. А дело в том, что наше Солнце ведет себя как игривый дельфин. Двигаясь по орбите, оно к тому же как бы выпрыгивает из галактического диска, затем погружается обратно и вновь выпрыгивает, и так все время. Срединная плоскость диска — не просто математический вымысел. Там концентрируются заряженные частицы, поскольку магнитное поле, управляющее ими, удерживается на месте гравитацией — той же самой силой притяжения, которая не дает звездам и газовым облакам разбегаться от диска.

Итак, когда бы Солнце ни пересекало срединную плоскость, идет ли оно наверх или катится вниз, Земля в это время страдает от всплеска космических лучей, и это происходит с интервалом в 32–34 миллиона лет. Когда Солнце покидает срединную плоскость, оно поднимается «в гору» по склону длиной 300 световых лет, доходит до «хребта» и начинает спуск вниз. На этой фазе поток космических лучей слабеет. Такие колебания происходят независимо от того, находится Солнечная система внутри или вне спирального рукава. Но если Солнце заходит в спиральный рукав, то там цикл космических лучей ускоряет свой шаг из-за более высокой концентрации межзвездного газа. Морские температуры позволяют довольно точно устанавливать границы временных отрезков, так как самые холодные периоды каждого геологического цикла с продолжительностью 32–34 миллиона лет совпадают с тем, когда Солнечная система пересекала срединную плоскость Галактики.

Свенсмарк не хотел узнавать заранее, насколько быстро движется Солнце по отношению к спиральным рукавам. То был один из вопросов, которые он хотел выяснить сам. Для этого ему было нужно взять температурные данные Вейзера за последние 200 миллионов лет и «примерить» их на Галактику. Это было похоже на то, как человек, купивший костюм в магазине готового платья, ходит и ищет того, на ком костюм будет сидеть идеально. И нашлась только одна комбинация ключевых цифр, правильно отображающая волнообразное движение Солнца.

Анализ Свенсмарка позволил получить цепочку ответов на вопросы о ближайших к нам областях Млечного Пути и движении Солнца. Относительно вращающихся спиральных рукавов Галактики Солнце перемещается со скоростью 12 километров в секунду. Визит в рукав Щита — Южного Креста Солнце нанесло 142 миллиона лет назад, а в рукав Стрельца — Киля — 34 миллиона лет назад. Ширина рукавов приблизительно 1170 и 910 световых лет соответственно. Плотность вещества в спиральных рукавах на 80 процентов выше, чем в областях между рукавами. Вот уж действительно: колебания температуры позволили измерить Галактику!

Ни одна из цифр не противоречит предыдущим предположениям. Но там, где до этого было много неясного, окаменелости подсказывают астрономам, какие цифры более верны. Этот удачный перевертыш аргументации — от климата к астрономии — подтверждает, что климат Земли прочно находится во власти галактического термостата. Следующая глава расскажет о том, как благодаря двум большим открытиям, сделанным в последние десятилетия, ученые убедились, что звездное небо наносило куда более жестокие удары по климату Земли.

 

6. Звездные взрывы, льды в тропиках и… в общем, нам повезло

Для тех, кто мечтает найти внеземную жизнь, на первом месте всегда стоял Марс. Но сегодня любопытство ученых возбуждает одна из лун гигантской планеты Юпитера — Европа. Она полностью покрыта льдом, однако ученые предполагают, что под ним скрывается вещество в жидком состоянии — океан. Исследователям космоса очень хотелось бы проковырять поверхностный лёд, чтобы увидеть там возможные признаки жизни. И пусть вам покажется, что это звучит совершенно неправдоподобно, знайте: в далеком прошлом Земля не раз выглядела так, как сегодня Европа. Межпланетный путешественник, просверливший лед в такой период на нашем шарике, чтобы узнать, есть ли кто-нибудь дома, обнаружил бы экипаж планеты в виде микробов, съежившихся там, чтобы пережить суровые времена «Земли-снежка».

Впервые столь экстремальные условия, существовавшие на нашей планете, стали предметом научного обсуждения в 1960-е годы. Снежные покровы и ледники обычно стараются держаться поближе к полюсам, делая исключение только ради высоких гор. В суровые времена не самых давних ледниковых периодов лед покрывал обширные территории и оказывался даже ближе к экватору, чем остров Манхэттен. Однако Брайан Харленд из Кембриджского университета заметил, что свидетельства оледенения, произошедшего около 600 миллионов лет назад, распространены по всему миру, как если бы вся планета была ледяной.

Могли ли вечно перемещающиеся континенты сбиться в кучу около полюсов, где наличие льда никого не удивит? Эта вероятность была проверена и исключена. Горные породы хранят магнитную память о том, где в прошлом находились континенты. Если бы они сформировались около полюсов, их магнитная ориентация была бы скошена вниз, а если вблизи экватора, то эта ориентация была бы примерно горизонтальной. Судя по магнетизму скал, континенты толпились вовсе не возле полюсов, а в тропиках.

В 1986 году в Австралии Джордж Уильямс и Брайан Эмблтон, исследовав магнетизм зерен окиси железа, сброшенных на дно дрейфовавшим когда-то льдом, доказали, что лед этот дрейфовал всего в нескольких градусах от экватора. Несколько лет спустя Джозеф Киршвинк из Калифорнийского технологического института подтвердил эти результаты, изучив другие пласты горных пород в Австралии, образованные движениями льда, и определив их возраст в 700 миллионов лет. Он назвал полученные свидетельства «пуленепробиваемым доказательством»:

«Сейчас кажется очевидным, что эти пространные отложения на уровне моря… были сформированы грандиозными континентальными ледниками, находившимися в нескольких градусах от экватора. Эти данные трудно объяснить чем-то иным, кроме как масштабным экваториальным оледенением».

Для этого состояния климата, от которого кровь стынет в жилах, Киршвинк придумал название «Земля-снежок». Представьте себе ледовый панцирь на суше, шапки ледников и скованные морозом моря даже на экваторе. Ученые не пришли пока к единому мнению о том, насколько сильно промерз тогда океан. Некоторые исследователи воображают бесконечную череду ледовых пластов толщиной с километр и даже больше, другие — земной шар с шугой, дрейфующим льдом и айсбергами. В любом случае по жизни на Земле был нанесен очень серьезный удар.

Свидетельства, полученные на всех континентах, говорят о том, что в период между отметками 750 миллионов и 580 миллионов лет назад Земля, возможно, трижды побывала в состоянии «снежка». У червей, выживших за счет того, что они питались наносными отложениями на дне моря, уже появлялись новые черты в строении тела (подобие оболочки или скелета), о чем мы упоминали в прошлой главе. Благодаря этому, когда 542 миллиона лет назад в кембрийский период в мир вернулось относительное тепло, стало возможным быстрое развитие животной жизни.

Этот период — геологи называют его неопротерозойской эрой — не единственный случай, когда лед становился главным участником радикальных событий, разворачивавшихся на Земле. К концу двадцатого столетия геологи собрали свидетельства из Южной Африки, Канады и Финляндии, подтверждающие, что в палеопротерозойскую эру, в период между отметками 2,4 миллиарда и 2,2 миллиарда лет назад, было еще два эпизода «Земли-снежка». Наша планета тогда была вдвое моложе, чем сегодня.

К замечательным сувенирам того времени относятся самые большие залежи железа и марганцевой руды, появившиеся в результате воздействия кислорода на эти металлы, растворенные в морской воде. Вся планета тогда ржавела. Безжалостное оледенение уничтожило многие клеточные линии древних бактерий, однако новые микроорганизмы, получившие название эукариотов, пережили эту расправу.

Среди уцелевших были одноклеточные грибы, водоросли и другие планктонные организмы. Они отличались тем, что нашли хитроумное применение клеточному ядру, запрятав свои гены под его оболочку. 1,8 миллиарда лет назад некоторые эукариоты подчинили себе бактерии, перерабатывающие кислород, и те стали служить им станциями по выработке энергии — так же, как это происходит в клетках современного вида, из которых сегодня состоят все растения и животные. Потомков этих бактериальных жильцов можно найти и ныне — они живут в вашем организме и называются митохондрии. Их древнее происхождение не подлежит сомнению. Они возникли задолго до того, как появился пол, и генный материал митохондрий вы унаследовали только от своей матери.

Важные геохимические и биологические события, происходившие в условиях экстремального холода, вызвали споры о том, что стало их причиной и каковы были последствия. По одному сценарию палеопротерозойского оледенения, фотосинтезирующие бактерии чересчур активно вырабатывали кислород, это привело к «ржавлению» планеты, а следовательно, изменило состав атмосферы и послужило причиной «обморожения» Земли.

Но главный вызов для любого, кто хочет объяснить события «Земли-снежка», — это ответ на вопрос, почему они случились именно тогда, когда случились, выбрав из всей долгой истории Земли два относительно небольших временных «окошка» 2,3 миллиарда и 700 миллионов лет назад. А чтобы картина была совсем полной, неплохо будет также объяснить, почему между этими эпизодами наша планета была практически свободна ото льда на протяжении 1,4 миллиарда лет.

Леденящие звезды — вот единственное объяснение эпизодов «Земли-снежка», причем это объяснение дает ответ не только на вопрос, почему они происходили, но и на вопрос, почему они случились именно в указанные окошки. После того как Нир Шавив из Иерусалима, проанализировав данные за 500 тысяч лет, сделал вывод о том, что смена холодных и теплых периодов климата связана с посещениями спиральных рукавов Млечного Пути, его следующим шагом стала попытка увязать события «Земли-снежка» с эпизодами активной звездной рождаемости в Галактике. Именно звезды вывели космические лучи на такой исключительно высокий уровень, что Земля стала облачной и тусклой и с головой завернулась в снежное одеяло.

Всплеск рождаемости среди звезд

Пока геологи удивлялись своим находкам и представляли себе Землю в виде гигантского снежка, астрономы были поражены не меньше, обнаружив галактики более теплые, чем все привыкли думать. Впервые их засекла в 1983 году Инфракрасная орбитальная обсерватория IRAS — засекла именно потому, что эти галактики испускали сильные, хотя и невидимые — инфракрасные — лучи. В 1998 году, когда Космическая инфракрасная обсерватория ISO проанализировала сотни таких сверхсветящихся объектов, Райнхард Гензель из Института внеземной физики общества Макса Планка в Гаршинге объявил о выводах астрономов:

«Мы впервые можем доказать, что большая часть светимости сверхсветящихся инфракрасных галактик связана с активным образованием звезд. Как именно происходит столь бурное звездообразование и как долго оно может длиться — сейчас это один из интереснейших вопросов в астрофизике».

Носители такой бешеной активности получили название «галактики взрывающихся звезд». Источником инфракрасного излучения при этом служит теплая пыль, образовавшаяся в результате взрывов огромного количества массивных, но недолговечных звезд. Часто, если не всегда, звездные взрывы случаются из-за столкновений галактик. На фотографиях, сделанных большими телескопами, мы видим много таких изумительных дорожно-транспортных происшествий.

Даже если каждая галактика — участница ДТП состоит из многих миллиардов звезд, ее «пассажиры» — собственно звезды — настолько удалены друг от друга, что вероятность их прямого соударения маловероятна. Но так как галактики несутся на высокой скорости, столкновения облаков межзвездного газа создают ударные волны, которые сильно сжимают газ, что приводит к рождению новых звезд. Более спокойные, «долгоиграющие» возмущения, которые привели к появлению ярких спиральных рукавов нашей Галактики, порождают в среднем примерно две новые звезды в год. В «галактике взрывающихся звезд» рождаемость может быть в пятьдесят или даже сто раз выше.

Большие скопления галактик легко вальсируют друг с другом. Нам дано увидеть лишь статический снимок космического танцевального зала, потому что на каждое па может уходить несколько сотен миллионов лет. Хореографом здесь выступает гравитация — причем не только лишь та гравитация, что представляет собой взаимное тяготение множества звезд и черных дыр, составляющих галактики, но и намного более сильная гравитация таинственной темной материи, которая способна удерживать скопления галактик. Помимо «галактик взрывающихся звезд», активных ныне, существуют большие галактики, которые пережили подобную бурную молодость и в некоторых случаях настолько истощили запасы межзвездного газа, что образование в них новых звезд и вовсе прекратилось.

В плотно упакованных группах галактик столкновения неизбежны. Судьба многих массивных звезд — стать сверхновыми, и интенсивность космических лучей в «галактиках взрывающихся звезд» настолько высока, что нам остается только гадать, могла бы уцелеть жизнь на поверхностях их планет. Еще хуже то, что большая группа галактик ловит в капкан почти все космические лучи, образованные в галактиках-участницах, вместо того чтобы позволить заряженным частицам свободно выскользнуть во Вселенную.

Вероятно, жизнь могла бы сохраниться только в малонаселенных областях космоса, где она меньше подвержена влиянию больших звездных взрывов и долгоживущих космических лучей. Наша Галактика, Млечный Путь, — везунчик в этом смысле. Хотя телескопы обнаружили «по соседству» с нами около пятидесяти галактик в области пространства с поперечником примерно пять миллионов световых лет (все вместе мы называемся «местная группа»), большинство из них очень маленькие.

Только три близлежащие галактики можно увидеть невооруженным глазом. Большое и Малое Магеллановы Облака — небольшие галактики, но они находятся довольно близко от Земли, и в 1519 году в южном небе их легко смог заметить Фернан Магеллан. Они выглядят как неаккуратные клочки, оторвавшиеся от Млечного Пути. На севере есть довольно тусклая галактика Андромеды, обнаруженная персидскими астрономами в X столетии. Сегодня мы знаем, что это большая спиральная галактика — сестра Млечного Пути, находящаяся от нас почти в трех миллионах световых лет. Сейчас галактика Андромеды движется в нашем направлении. Не исключено, что она столкнется с Млечным Путем и в конце концов сольется с ним в грандиозном звездном объятии, но это может случиться лишь через пять миллиардов лет.

Впрочем, чтобы началось образование звезд, не обязательно ждать прямого столкновения. Когда две галактики проходят близко друг от друга, гравитация подливает масла в огонь каждой из них, вызывая приливы и сжимая межзвездный газ. Некоторые маленькие галактики в местной группе служат спутниками больших, как, например, Магеллановы Облака, которые ходят по орбите вокруг Млечного Пути. Они самые вероятные кандидаты для столкновения, способного вызвать звездные взрывы. Хотя силу звездных взрывов в Млечном Пути нельзя сравнить с тем, что происходит в инфракрасных галактиках, эти всплески энергии могут в достаточной степени увеличить скорость рождения и умирания звезд, чтобы интенсивность космических лучей заметно возросла.

Чтобы узнать, когда изменилась скорость звездообразования, астрономы взялись за перепись звезд. Если вы находите в определенном человеческом сообществе необычайно большое количество ровесников, вы понимаете, что они родились на всплеске рождаемости. Так же и со звездами. Но чтобы подсчитать возраст звезд, астрономы сначала должны узнать, насколько далеко они находятся. Им помог в этом европейский спутник «ГИППАРКОС», собравший сведения, на основании которых в 1997 году была составлена карта звездного неба.

Астрономы из Бразилии и Финляндии использовали эту карту, чтобы сравнить возрасты пятисот ближайших к Земле звезд. В 2000 году Элиу Роша-Пинту и его коллеги сделали доклад, где говорилось, что за свою долгую историю Галактика пережила несколько всплесков рождаемости звезд. Те звезды, которые мы можем видеть и сегодня, несомненно, относятся к числу благопристойных долгоживущих звезд. Они пережили своих массивных сестер, быстро взорвавшихся в период активного звездообразования и исторгнувших из себя стаи заряженных частиц.

Один из таких всплесков рождаемости произошел 2,4–2 миллиарда лет назад. Доказательством этому служит необыкновенное количество звезд-ровесниц в Малом Магеллановом Облаке. Их одинаковый возраст указывает на то, что, вероятно, по соседству проходила какая-то галактика, причем проходила достаточно близко, и это вызвало ответную реакцию в Млечном Пути. С другой стороны, некоторые астрономы подозревают, что нарушителем спокойствия было Большое Магелланово Облако. Пока у нас есть весьма приблизительные сведения о том, как сближаются и расходятся Магеллановы Облака и другие наши небольшие соседи в своем неуклюжем танце. Столь же приблизительно и расписание «перигалактиконов», то есть приближений к нашему Млечному Пути других галактик. В 2015 году космический телескоп «Гайя» должен будет предоставить астрономам более точные измерения ближайших к нам галактик. Но до этого времени любые графики будут оставаться приблизительными.

Между тем все еще стоит вопрос о том, как связаны между собой первый эпизод «Земли-снежка», случившийся 2,3 миллиарда лет назад, и обнаруженный Роша-Пинту взрыв звездной рождаемости, произошедший 2,4–2 миллиарда лет назад. У нас есть все основания подозревать, что эти два события объединяет необычайно интенсивная атака космических лучей, обрушившихся на Землю. Но если это было больше, чем случайное совпадение, тогда последующий период, освободивший планету ото льда, должен быть связан с низкой звездной рождаемостью. Для Шавива это было ключевым моментом в его доказательствах: «Долгий период между двумя миллиардами лет назад и миллиардом лет назад, в течение которого не происходило известных нам оледенений, совпадает с очень низкой скоростью звездообразования».

Последний эпизод «Земли-снежка», начавшийся около 750 миллионов лет назад, также можно привязать к подъему звездной рождаемости, только уже другому. Перепись звезд, произведенная Роша-Пинту с помощью «ГИППАРКОСа», подтверждает, что в период между двумя миллиардами лет назад и миллиардом лет назад действительно рождалось крайне мало звезд. Однако, судя по переписи, и после этого затишья скорость рождения звезд была не очень значительной. Более убедительно выглядят результаты другого исследования, объявленные в 2004 году Раулем де ла Фуэнте Маркосом из мадридского филиала университета Саффолка и Карлосом де ла Фуэнте Маркосом из Мадридского университета Комплутенсе. Они изучили данные об определенных группах звезд, так называемых «открытых кластерах» — под этим именем они уже много лет фигурируют в астрономических каталогах, — и, получив немало иных результатов, ученые также высчитали скорость, с которой шло звездообразование приблизительно 750 миллионов лет назад. Двое де ла Фуэнте Маркосов отметили актуальность этих расчетов для исследования, проводимого Шавивом.

«Судя по всему, сценарий „Земли-снежка“ связан с самым сильным эпизодом звездообразования, зафиксированным в окрестностях Солнечной системы за последние два миллиарда лет».

Для нас очень существенно, что еще одна группа ученых поддержала идею о крайне важной роли космических лучей, влиявших на климат на протяжении всей истории Земли. Когда гипотеза ложна, новые опыты и наблюдения обычно вступают с ней в противоречия, но если теория верна — имеет место обратное. И, по мере того как уточняются факты, она становится лучше и лучше.

Парадокс слабого молодого Солнца

Во время эпизодов «Земли-снежка» планета подверглась бы еще более глубокой заморозке, если бы солнечный магнитный щит в далеком прошлом не был столь крепким. Поток космических лучей, достигавших Земли 750 миллионов лет назад, был на несколько процентов ниже, чем это было бы сегодня, если бы подобные взрывы звезд повторились, потому что солнечный ветер тогда был сильнее. А 2,4 миллиарда лет назад солнечный щит мог понизить приток лучей даже на 20 процентов.

Уходя дальше в глубину веков, мы замечаем, что Солнце было не таким, как сегодня. Астрономы знают это благодаря теориям о внутреннем строении Солнца и наблюдениям над молодыми звездами солнечного типа. Когда наше светило вместе со своей семьей планет только родилось из газо-пылевого облака около 4,6 миллиарда лет назад, оно вращалось со скоростью, по меньшей мере в десять раз превышающей сегодняшнюю. Его магнитная активность была очень щедра, и солнечный ветер был плотнее. В результате практически никакие заряженные частицы не могли проникнуть в окрестности новорожденной Земли.

Это было только к лучшему с точки зрения климата, потому что молодое Солнце было холоднее и испускало много меньше солнечного света, чем сегодня. Оно разгоралось постепенно, на протяжении миллиардов лет, по мере того как ядерные реакции в его жарком сердце наполняли расширяющуюся оболочку нарабатываемым гелием. В начале своей жизни Солнце светило слабее — его светимость составляла только 70 процентов от нынешней. Камни на земной поверхности были поначалу, вероятно, расплавлены, но как только они остыли в достаточной мере для того, чтобы удержать на себе жидкую воду, юная планета могла бы замерзнуть из-за слабости Солнца. Этого не случилось.

Молодая кора была почти полностью разрушена, и ей приходилось постоянно восстанавливаться под тяжелыми бомбардировками комет и астероидов — материалом, оставшимся после строительства планет. Эта ужасная эра, или гадейский эон — так его окрестили геологи, — длилась 800 миллионов лет. Лишь несколько зерен минералов сохранилось с поры младенчества Земли — в основном это кристаллики циркона, которые находят в Австралии. Самому старому из них, идентифицированному в 2001 году, — 4,4 миллиарда лет. Циркон часто встречается в граните, для формирования которого требуется вода в жидком состоянии, и высокое содержание атомов тяжелого кислорода в цирконе более чем подтверждает его водное происхождение.

С архейского эона, периода, начавшегося 3,8 миллиарда лет назад, до наших дней дошло много больше пластов горных пород. Они также часто свидетельствуют о том, что зарождались на дне древнего моря. К тому времени мощь Солнца возросла до 75 процентов от сегодняшней силы, но по современным стандартам оно было все еще очень слабым. При прочих равных средняя температура поверхности Земли была бы не 10 градусов Цельсия, как сейчас, а минус 15. Даже по наступлении протерозоя 2,5 миллиарда лет назад сила Солнца достигла лишь 83 процентов от сегодняшней, обещая среднемировую температуру около минус 5 градусов. Если бы геологи, еще не зная о том, как иногда было тепло на нашей планете в прошлом, наткнулись на свидетельства того, что 2,4 миллиарда лет назад Земля была полностью оледеневшей, они, вероятно, не удивились бы. Им оставалось бы лишь винить слабое Солнце за очень холодные условия.

Вместо этого геологам пришлось решать сложную задачу. С 1972 года, когда американский астроном Карл Саган и его коллега Джордж Маллен впервые привлекли внимание ученых к «парадоксу слабого молодого Солнца», специалисты пытаются объяснить, каким образом в ранний период истории Земли сохранялись теплые условия. Некоторые предполагали, что Солнце развивалось не так, как его аналоги, но поступавшие новые сведения о внутреннем устройстве Солнца не позволяли согласиться с этой идеей. Еще выдвигалась гипотеза, что земная атмосфера была плотнее, чем сегодня. Высокое содержание водяного пара, углекислого газа, метана и/или других газов, возможно, создавало значительный парниковый эффект, позволяющий удержать достаточно высокие температуры, чтобы вода на планете не замерзала. Эту гипотезу так часто повторяли на протяжении тридцати лет, что некоторые принимают исконное парниковое состояние Земли за доказанный факт.

Из чего состояла атмосфера, когда Земля только вылезла из младенческих пеленок, никто не знает. Ученые составляли и обсуждали самые разные рецепты, полет их фантазии ограничивали лишь свидетельства камней, других планет и лун в Солнечной системе. Но даже если бы вам подарили моментальный снимок ранней атмосферы, он не был бы достоверным, потому что беспрестанные жестокие бомбардировки во времена гадейского эона своими ударными волнами, вероятно, сносили прочь раннюю атмосферу. Что и в каком объеме они могли поменять в составе воздуха — неизвестно. Самые древние из доступных данных, запечатленных каменными породами, говорят о том, что концентрация углекислого газа в атмосфере была очень высока и, как предполагают некоторые эксперты, именно двуокись углерода сделала океаны кислотными. Ян Вейзер из университета Оттавы полагает, что есть доказательство, подрывающее эту версию.

То, что в пору юного слабого Солнца вода находилась в жидком состоянии, — уже действительно очевидно. И лишь один выход из этого парадокса не требует придумывания специальных обстоятельств или изобретения особого климатического механизма. Как следует из всего, что было уже сказано о космических лучах и облаках, в те времена из-за магнитной активности юного Солнца очень мало заряженных частиц достигало нижних слоев атмосферы, следовательно, тогда должно было быть очень мало низких облаков, чтобы охлаждать Землю.

Эта идея пришла в голову Ниру Шавиву в Иерусалиме, когда он прокручивал назад во времени климатическую историю жизни в Галактике, пробираясь сквозь ледниковые эры, связанные с прохождениями Солнечной системы через спиральные рукава, и эпизоды «Земли-снежка», происходившие в связи с активным звездообразованием. Окончательный вывод Шавив сделал в 2003 году:

«Стандартные солнечные модели предполагают, что яркость Солнца увеличивалась постепенно и возросла приблизительно на 30 процентов за последние полтора миллиарда лет. Учитывая слабость Солнца, большую часть своего существования Земля должна была находиться подо льдом. Однако уже в ранние периоды истории Земли мы видим следы текущей воды. Эта тайна… может быть частично объяснена, если мы примем во внимание охлаждающий эффект, который, как мы подозреваем, оказывают космические лучи на глобальный климат, и признаем, что солнечный ветер юного Солнца должен был быть более сильным, чтобы не пропустить космические лучи на Землю».

Свенсмарк уже размышлял о «тайне слабого Солнца» за несколько лет до публикации работы Шавива, но отложил решение загадки на будущее. Теперь, вернувшись к ней, Свенсмарк попытался оценить, насколько выигрышным для климата могло быть такое поведение Солнца. Сегодня низкие облака отражают или поглощают около 5 процентов поступающего солнечного света. Если детство Земли не было омрачено облаками, то в этом случае до земной поверхности доходило столько солнечного света, сколько дало бы Солнце, если бы оно было на миллиард лет старше и ярче. Тогда 3,8 миллиарда лет назад средняя температура на планете поднялась бы с отметки минус 15 градусов Цельсия до приблизительно минус 10 градусов. В этом случае в самых теплых частях света вода точно могла находиться в жидком состоянии, а вклад парниковых газов должен был быть значительно меньше.

Недоедание или переедание? Диагноз ставят атомы углерода

Черные крупинки углерода, найденные в породах Гренландии, — их возраст составляет 3,8 миллиарда лет, — вероятно, самые древние из известных следов жизни на Земле. Их обнаружили в толстых слоях глины, медленно скапливавшейся на дне первобытного моря. Сейчас пласты этой глины обнажились — их можно увидеть между кромкой ледяного щита и побережьем океана недалеко от города Готхоб на западном побережье Гренландии. Огромное количество микроскопических шариков графита в глине — это, по всей вероятности, останки бактерий, процветавших в воде, когда мир был молодым.

По мнению гренландца Миника Росинга, директора геологического музея в Копенгагене, эти крупинки демонстрируют разборчивое отношение живых существ к различным атомам углерода, основного жизненного элемента. Сегодня, когда бактерии и водоросли планктона в приповерхностном слое океана растут, поглощая растворенную в воде двуокись углерода, они предпочитают молекулы, содержащие обычные атомы углерода, углерод-12. Судя по всему, тяжелый углерод-13, который встречается довольно редко (из девяноста молекул двуокиси углерода лишь одна содержит этот изотоп), им не по вкусу.

Таким образом, получается, что в живых организмах содержится намного меньше углерода-13, чем в окружающем мире. В гренландских гранулах содержание тяжелого углерода было очень низким, и Росинг предположил, что его черные крупинки тоже некогда были живыми:

«Изначально наносы органического происхождения, включающие графитовые гранулы, могли более или менее постоянно складываться из планктонных организмов, оседавших с поверхности воды».

В 1999 году Росинг продолжил свою детективную работу по выяснению характеристик «места происшествия» — древнего моря, где жили первые организмы. К 2004 году он и его коллега Роберт Фрей показали, что в древности морская вода, очевидно, содержала свободный кислород. На этот раз ключиком послужили следы свинца различных атомных весов, получавшегося в результате распада тяжелых радиоактивных элементов. Пропорции различных атомов свинца показывают, что 3,8 миллиарда лет назад уран присутствовал в морской воде, а торий — нет. Эти два элемента всегда выступают дружными компаньонами, пока не появляется кислород, в присутствии которого соли урана становятся растворимыми.

Можно сделать вывод, что в те времена замысловатые живые существа — бактерии — уже появились на планете. А некоторые бактерии начали использовать метод фотосинтеза, когда энергия солнечного света расщепляет молекулы воды, — и произошло это на миллиард лет раньше того срока, который некоторые эксперты отводят появлению фотосинтезирующих организмов. После расщепления водяных молекул водород соединяется с углеродом, создавая вещества, необходимые для производства энергии и строительства клеток, а молекулы кислорода утекают в окружающее пространство.

К тому времени, когда создавались древнейшие дошедшие до нас осадочные породы, жизнь на планете уже не была случайной гостьей или презренным мусором. Некоторые специалисты высказывали предположение, что ранняя жизнь полагалась не на солнечный свет, а на химическую энергию недр планеты — то, что можно наблюдать сегодня вблизи гидротермальных источников на океанском дне. Но картинка из Гренландии рассказывает нам о живых организмах, входивших в состав развернутой масштабной системы, вполне достойной называться биосферой — в том смысле, что поверхность Земли, а также области непосредственно над ней и под ней были полны жизни. Росинг нисколько не сомневался в правильности такого толкования древней жизни, и его убежденность только окрепла, когда он сопоставил результаты своих исследований углерода-13 и урана. «Что это доказывает? — задавал он риторический вопрос. — Только то, что не 3,7 миллиарда лет назад, а гораздо раньше Земля уже имела действующую биосферу».

Несмотря на слабость юного Солнца, его свет нес в себе огромную энергию, необходимую для функционирования биологической системы. Именно с тех самых древнейших времен жизнь, питаемая Солнцем, стала главным участником геологического действа на планете. По мнению Росинга, признаки первородного континентального гранита не случайно обнаруживаются в тех же районах Гренландии, где отыскиваются и черные крупинки, указывающие на наличие жизни.

Погрузившись в историю едва ли не до истоков жизни, мы теперь можем пуститься в обратный путь, от прошлого к настоящему, и найти еще одну, столь же будоражащую воображение связь между космическими лучами и переменами в жизни как таковой. В течение своей долгой истории биосфера иногда процветала, а иногда приходила в упадок, словно раскачиваясь на гигантских качелях между обжорством и голодом. Для геолога, путешествующего по времени, атомы углерода-13, которые в первую очередь служат свидетельством прироста органики на планете, могут конспективно воспроизвести полную картину земной жизни — со всеми ее взлетами и падениями.

Гренландские крупинки, в которых оказалось крайне мало углерода-13, произошли от микроскопических морских растений, бактерий или водорослей, в процессе роста вбиравших в себя двуокись углерода из окружающей воды. Когда жизнь чувствует себя вольготно, морская вода заметно обогащается отвергнутым всеми тяжелым углеродом. Воспоминания об этом изобилии хранит известняк — древние карбонатные породы, вобравшие в себя двуокись углерода своего времени. В отличие от растений, увлеченных процессом фотосинтеза, раковины не столь разборчивы в отношении атомов углерода.

Независимо от того, был ли известняк образован морскими раковинами или получился в результате чисто химических реакций, он — в соответствии с пропорцией углерода-13, оставшегося в воде, — отражает общую активность морской жизни. Геофизики начали собирать данные об углероде-13 полвека назад, приступив к исследованиям тяжелого кислорода, или кислорода-18, в отложениях известняка. Кислород-18 должен был помочь ученым измерить температуры прошлого, и им было нетрудно одновременно собирать данные по углероду-13. Сначала исследователи не знали точно, о чем поведают им результаты. Вскоре они поняли, что углерод-13 дает им возможность заглянуть в прошлое и распознать перемены в общем состоянии жизни на планете — иными словами, понять, как изменялась продуктивность биосферы.

Каждый год на планете образуются миллиарды тонн нового органического вещества; исходя из этого, можно было бы ожидать, что жизнь наиболее продуктивна во времена теплого, благодатного климата. Однако это не так. Пиковые значения углерода-13 говорят о том, что самая высокая продуктивность биосферы за последние 500 миллионов лет пришлась на последнюю часть каменноугольного периода, то есть 300–320 миллионов лет назад. Тогда Земля как раз наведалась в рукав Наугольника, интенсивность космических лучей была высока, и на континенты наползли обширные ледяные щиты.

Почему же тогда должна была благоденствовать жизнь? Возможно, по тем же причинам, что и в сегодняшнюю ледниковую эру. Температурный контраст между теплыми тропиками и заледеневшими полюсами создает сильные ветры и стремительные океанские течения, и их воздействие на жизнь Земли заметно даже из космоса. Спутники могут оценить продуктивность жизни на морской поверхности, измерив количество содержащегося там хлорофилла. Они наблюдают огромные площади субтропических океанов, где на каждый квадратный километр приходится гораздо меньше жизни, чем в штормовых средних широтах и субполярных морях, поверхность которых лучше пополняется необходимыми питательными веществами, например, фосфором. Для более спокойных периодов в истории Земли характерен недостаток питательных веществ, и это ограничивало развитие биосферы — полнота жизни хотя и сохранялась, но была все же весьма умеренной.

Неудивительно, что для карбонатных пород, формировавшихся во время эпизодов «Земли-снежка», то есть в периоды, отделенные от нас 2300 и 700 миллионами лет, свойствен чрезвычайно низкий уровень углерода-13: в те холодные времена наземный лед практически остановил процесс фотосинтеза и мертвые организмы возвращали природе накопленный ими углерод-12. Но эти времена упадка жизни перемежались взрывами яркого и бурного роста. Когда бы ни наступал перерыв в чрезмерном оледенении, жизнь в море тут же энергично восстанавливалась. Помимо того что при этом высвобождаются питательные вещества (не важно, в каменноугольный период или в наши дни), происходит обогащение органического материала соединениями углерода за счет необыкновенно высокого уровня углекислого газа, — именно это, возможно, подстегивало рост жизни в паузах между эпизодами «Земли-снежка».

Эти ремарки к драме жизни, вписанные атомами углерода, заставили Свенсмарка по-новому взглянуть на миллиарднолетнюю историю переменчивой фортуны нашей планеты. Оказалось, что звездное окружение Земли в Млечном Пути не только решает, куда должна крениться продуктивность океанской жизни — в сторону изобилия или в сторону скудости, но и задает наклон этого крена.

Изменчивость жизни и космические лучи

Колебания жизни были значительны — она то почти исчезала, как во времена «Земли-снежка», то нагуливала жирок, как это происходило в продуктивные времена наподобие каменноугольного периода, и этому соответствовали вполне логичные изменения в уровне углерода-13. Однако, помимо «углеродной» логики, работало что-то еще. Беспрерывные колебания жизни заставляют думать о каких-то тонких, неустойчивых, еле уловимых взаимосвязях между геологией, климатом и биологией. Причем интенсивность самих этих колебаний изменяется от одной фазы в истории Земли к другой.

В 2005 году Свенсмарк заметил, что вариабельность углерода-13 тесно связана с вариабельностью морских температур, определяемых с помощью кислорода-18. На протяжении последних 500 миллионов лет частые изменения климата сопровождались большими и тоже частыми переменами в продуктивности жизни. Но когда Свенсмарк заглянул в еще более далекое прошлое, он увидел, что изменчивость биосферы была временами не в пример значительнее.

Свенсмарк изумился, осознав, что изменчивость биосферы достигла максимума в период между отметками 2,4 и 2 миллиарда лет назад — это примерно соответствовало первому эпизоду «Земля-снежок». Как раз в то время интенсивность космических лучей была особенно велика вследствие звездных взрывов в нашей Галактике. Тогда Свенсмарк взял отрезок времени в 3,6 миллиарда лет, разделил его на сегменты по 400 миллионов лет и сравнил изменения в вариабельности углерода-13 с расчетными показателями интенсивности космических лучей.

Совпадение было почти невероятным и составило 92 процента. 100 процентов означало бы прямолинейную корреляцию. Одной из причин такого подобия графиков могло быть то, что, когда интенсивность потоков заряженных частиц очень высока, колебания этой интенсивности также происходят в довольно широком диапазоне. А вывод здесь вот какой: на Земле не просто холодно, когда космических лучей много, — увеличивается сам размах колебаний климата между указателями с надписями «теплее» и «холоднее», по мере того как Солнце и Земля обращаются вокруг центра Галактики и контраст между спиральными рукавами и межрукавными областями становится более сильным.

Эти очень похожие диаграммы, поступившие из совершенно разных сфер — астрономии и геологии, — показывают, что изменчивость жизни на нашей планете зависит от галактического окружения Земли и общей интенсивности космических лучей. Верхняя диаграмма демонстрирует приток космических лучей на разных этапах истории в сравнении с современным уровнем, принятым за единицу, а «изменчивость изобилия биосферы» — это статистический индикатор, дающий представление о колебаниях доли атомов углерода-13 в морских отложениях.

Около 3,4 миллиарда лет назад действия юного Солнца по отражению космических лучей были весьма успешны, интенсивность заряженных частиц оставалась на низком уровне, и продуктивность жизни, как свидетельствует углерод-13, колебалась в малых пределах. Между отметками 3,2 и 2,8 миллиарда лет назад скорость звездообразования была такая же, как сегодня. Похожими были и колебания биологической продуктивности в океане.

Как любопытно! Тогда существовали только бактерии, а сейчас трудятся целые флотилии куда более совершенных организмов, поддерживая пищевые цепочки, идущие снизу вверх — от простейших до высших рыб и китов. И все же общая чуткость первых бактерий и современной экосистемы к переменам климата примерно одна и та же, если судить по отклонениям в ту и другую стороны от средней скорости поглощения организмами двуокиси углерода, требуемой им для роста.

Около 2,8 миллиарда лет назад интенсивность космических лучей сильно возросла, принеся с собой значительное изменение климата, и жизнь стала активнее. На пике звездных взрывов, произошедших 2,4–2,2 миллиарда лет назад, вместе с которыми началось превращение Земли в «снежок», космические лучи все еще были сильными, так же как и колебания углерода-13, на что впервые обратил внимание Свенсмарк.

Между отметками 2 и 1,2 миллиарда лет назад поток космических лучей опять оставался на низком уровне, и продуктивность биосферы изменялась незначительным образом. Зато следующий всплеск звездной рождаемости побудил жизнь собрать все свои силы и вызвал изменения, продолжавшиеся даже тогда, когда 750 миллионов лет назад вся планета покрылась льдом. Это было время «большого взрыва» в эволюции, которая изобрела многоклеточные эукариоты — предшественников животных и высших растений. 800 миллионов лет назад вариабельность биосферы была относительно высока. После этого она пошла на убыль и вернулась к показателям, существовавшим 3 миллиарда лет назад.

Эта новая история биосферы, рассказанная путем истолкования данных об углероде-13 с привлечением астрономической хроники, очаровывает и озадачивает своей простотой. Содержание истории открыто для широкого обсуждения. Например, уровни содержания углерода-13 задаются не только ростом живых организмов. Высокая скорость оседания органического материала на морское дно может увеличить пропорцию углерода-13 за счет вытеснения углерода-12. Когда же трупы мертвых существ растворяются в морской воде и возвращают ей углерод-12, пропорция углерода-13 идет вниз. И еще: уровень углерода-13 в морской воде связан с преобладанием в атмосфере двуокиси углерода.

Также можно сказать, что периоды в 400 миллионов лет, предложенные Свенсмарком, — слишком длительные сроки, в течение которых и биосфера, и ландшафт планеты могут сильно измениться. Эти периоды в шесть раз шире пропасти, отделяющей нас от времени вымирания динозавров. За 400 миллионов лет континенты не раз могут перегруппироваться, а Солнце и Земля могут дважды или трижды забежать в гости в разные спиральные рукава Галактики.

Представления о том, как земная жизнь реагирует на льющиеся на нее потоки заряженных частиц, поможет по-новому взглянуть на историю Земли. Появление многоклеточных, после того как климат резко накренился в сторону последнего «снежка», позволяет говорить о том, что сильно изменчивый климат, в отличие от «обычных» климатических перемен, может подтолкнуть живых существ к радикальным нововведениям. С другой стороны, менее изменчивый климат позволяет природе проводить не столь резкие, зато более изысканные усовершенствования, и в результате получается красочное разнообразие видов, которых отлично устраивает господствующий климат. Возможно, даже чересчур устраивает. Перед созданиями, прекрасно приспособившимися к имеющимся условиям жизни, встает угроза пасть жертвами грядущих изменений климата.

Другая цепочка взаимодействий осталась пока нераскрытой. Эту главу мы начали с рассказа о скорости звездообразования в Галактике и о переменах в работе нашего Солнца. Эти чисто физические факторы влияют на приток космических лучей, и таким образом, похоже, именно они управляют климатом Земли, а следовательно, определяют условия жизни на планете. Тут есть некоторая тонкость: сейчас представляется, что более холодные условия сильнее раскачивают продуктивность биосферы. Когда Свенсмарк рассказывал о том, что обнаружил связь между углеродом-13 и космическими лучами, он был в полном восторге: «Если связь подтвердится, то окажется, что развитие жизни на Земле жестко сопряжено с эволюцией Млечного Пути».

Результаты этого анализа должны дать биологам пищу для размышлений. Собственно, анализу подверглись перемены, происходившие на протяжении сотен миллионов лет, а это все равно что усреднить трилобитов и саблезубых тигров. Но если вы повнимательнее рассмотрите космические лучи, климат и эволюцию на протяжении всего нескольких миллионов лет — перед вашими глазами вспыхнет экран, на котором начнется четкий, яркий фильм, рассказывающий о том, как звезды влияли на климат и к каким драматическим последствиям это привело. Словом, давайте увеличим масштаб.

 

7. Мы — дети сверхновой?

Светилась ли она близко к Южному Кресту, так чтобы яркий космический фонарь висел низко над горизонтом, как нам это видится из тропической Африки? Или она горела высоко в северном небе, перещеголяв своих товарок среди Семи Сестер? Астрономы будут спорить об этом, пока не появится твердое доказательство какого-либо одного варианта. Но эти двое — самые подходящие кандидаты на роль той звезды, у которой более 2 миллионов лет назад закончилось топливо, и она взорвалась неподалеку от Земли. В то время Земля все еще была планетой обезьян.

Сверхновая, должно быть, озадачила приматов и сильно беспокоила их по ночам. Она была достаточно близко, чтобы светить ярче, чем полная луна, и сияла целые недели напролет. Не было ни шума, ни удара, ни какой-либо разрушающей жизнь лучевой болезни, чего вполне можно было ожидать, если бы взрыв был ближе. Однако в течение тысяч лет остатки сверхновой опыляли Землю колоссальными количествами заряженных частиц.

Эта же звезда одарила нашу планету большим количеством редких изотопов, полученных в результате ядерных реакций во время звездного взрыва. Они смогли достичь Земли только потому, что сверхновая оказалась от нас на расстоянии не больше ста световых лет, и это делает ее самой близкой из всех сверхновых, о которых мы знаем. Именно редкие изотопы позволили немецким астрономам узнать о произошедшем событии. И их открытие повлекло за собой дискуссию о том, какую роль, возможно, сыграли космические лучи, когда приматы делали первые шаги в развитии от обезьян к людям.

Геологи, палеонтологи и генетики уже нашли четкую связь между резким похолоданием, случившимся 2,75 миллиона лет назад, и изменением окружающей среды, которое привело к появлению первых орудий труда и отчетливо человеческих генов. Это ключевой момент для каждого, кто стремится осознать свое существование как мыслящего создания в хаотичной Вселенной. И если кому-то удастся найти надежное объяснение — оно станет жемчужиной в короне науки о климате, да и настоящим подарком для исследователей околоземного космоса.

До недавнего времени ученые, выстраивая различные гипотезы о причинах того похолодания, не отводили звездам никакой роли. В геологической ретроспективе оно было всего лишь очередным шагом вниз по лестнице все более усиливающегося холода, начавшего свое наступление 50 миллионов лет назад. 14 миллионов лет назад большая часть Антарктики была покрыта снегом, и вскоре (по геологическим меркам) Гренландия стала также оледеневать. Менялся и облик нашей планеты.

Огненное кольцо, где за последние несколько миллионов лет Солнце и Земля подверглись мощной атаке космических лучей от взрывающихся звезд, хорошо известно астрономам как Пояс Гулда. Основной «противник» — это массивные короткоживущие звезды, рассеянные по Поясу Гулда в скоплениях, именуемых ОВ-ассоциациями, но возможно, что и Плеяды, расположенные ближе к центру кольца, добавили свои залпы к артобстрелу.

В Африке по обеим сторонам Великой рифтовой долины поднялись высокие купола гор, перераспределив доступные осадки и тем самым обделив дождями Восточную Африку. Тем временем Индия втискивалась в южную часть Азии и подталкивала ближе к небу Гималаи и Тибетское плато. Так в субтропиках появился бассейн прохлады. Сближение Австралии с Азией преградило маршруты тропических океанских течений. И около 3 миллионов лет назад Северная и Южная Америки после долгого одиночного плавания соединились Панамским перешейком. Это оборвало существовавшую ранее связь между Атлантикой и Тихим океаном и заставило океанские течения работать по-новому.

Такая смена декораций, без всякого сомнения, помогла подготовить сцену для похолодания, выход которого из-за кулис состоялся 2,75 миллиона лет назад. Но географические изменения происходили постепенно, со скоростью дрейфующих континентов, а это примерно та же скорость, с которой отрастают ваши ногти. Предыдущий период, начавшийся 5 миллионов лет назад, был довольно теплым, уровень моря был на десять или двадцать метров выше сегодняшнего, а температуры — на несколько градусов выше, чем сейчас. Так кто же включил холодильную установку?

Такой импульс вполне могли послать звезды. В предыдущих главах мы постарались обосновать утверждение, что космические лучи — движущая сила изменений климата. Они объясняют разгульное поведение климата нашей планеты на протяжении миллиардов лет и рисуют очень подробную картину того, как он менялся в течение последних тысячелетий и последних десятилетий. Исключительно интересный эпизод смены климата, произошедший 2,75 миллиона лет назад, не соответствует ни той, ни другой временной шкале, однако нет никаких причин, по которым космические лучи следовало бы исключить из этой части нашего рассказа. Наоборот, они наверняка играли очень важную роль.

В своих блужданиях по Млечному Пути — о них говорилось в пятой главе — Солнце и Земля пришли к кромке рукава Ориона. Охлаждение, которому подверглась Земля, было вполне закономерным, так как космические лучи уже прошли свой путь от взорвавшихся родительниц, преодолели магнитное поле Галактики и теперь поджидали нашу планету. Близость сверхновой придала истории особую драматичность и причудливость.

То давнее вхождение Земли в рукав Ориона совпало с небольшим всплеском звездообразования — в космосе возникло взрывное кольцо огня, остатки которого мы видим сегодня как опоясывающую небо нить звезд, называемую Поясом Гулда. Последние несколько миллионов лет Солнечная система была похожа на компанию пожилых леди в маленькой лодчонке, по ошибке попавшей в самый центр Трафальгарского сражения.

Ясности ради в этой главе сначала будет дана хроника климатических и эволюционных событий, пока еще без астрономических пояснений, которых они могут потребовать. Затем мы вернемся к сверхновой, оказавшейся исключительно близко к Земле, о чем говорилось в самом начале книги — во введении, озаглавленном «Вкратце». В течение некоторого времени казалось, что эта сверхновая — самый подходящий кандидат на роль пускового механизма, вызвавшего грандиозное похолодание 2,75 миллиона лет назад, но сегодня это кажется менее вероятным. А закончится глава рассказом о том, как астрономы все еще ищут другие сверхновые, некогда бывшие близкими к Земле.

Когда Сахель стала пыльной

В 1995 году в Атлантическом океане к западу от Шотландии буровое судно «ДЖОЙДЕС Резолюшн» добыло керн грунта с километровой глубины на плато Роколл. Когда керн был доставлен в Бременский университет, Карл-Хайнц Бауман и Роберт Хубер приступили к исследованиям и в том, как один цвет в отложениях сменял другой, разглядели ясные признаки наступления холодного периода. Время, когда дрейфующие льды достигли широт Роколла и сбросили свой груз, — это начало нынешней фазы в климатической истории Земли. С тех давних пор и по сей день значительная часть северных земель укрыта ледниковым покровом. Довольно часто лед расползался, охватывая большие площади, — мы называем эти периоды ледниковыми.

Чужеродные примеси впервые появились на банке Роколл 2,75 миллиона лет назад. Мы можем точно установить возраст слоев морского дна в этой части керна благодаря инверсии магнитного поля Земли, произошедшей в точно известное время. Предыдущие бурения в этом районе выявили наличие ледников, датируемых тем же периодом, — об этом говорит резкое повышение пропорции тяжелого кислорода в морской воде. 2,7 миллиона лет назад тяжелые ледяные ковры улеглись на Евразию и Северную Америку. Не вызывает сомнений, что климат тогда изменился кардинальным образом и мы до сих пор ощущаем на себе последствия этого изменения.

Чтобы увидеть, как сказалась перемена климата в тропиках, давайте отправимся от Роколла по Атлантическому океану на юг — к берегам Западной Африки. Моряки, следующие этой дорогой, привыкли к постоянной раздражающей пыли, которую ветер доносит с далекого берега. Это признак пустынь и полупустынь — за последние несколько миллионов лет они сильно разрослись и покрыли значительную часть континента.

Сахель, где осадки очень редки, а люди очень часто страдают от голода, — это район, окаймляющий Сахарскую пустыню с юга. В засушливый сезон северо-восточный ветер несет пыль Сахели далеко в море. В 1986 году было произведено бурение атлантического дна. Отложения, находящиеся на пути этого ветра, в 1500 километрах от берега, рассказали ученым о том, когда этот район стал безводным. Большие количества переносимой ветром пыли впервые появились на океанском дне около 2,8 миллиона лет назад. Вот тогда на континенте и начала воцаряться сушь.

В кернах, поднятых на других буровых площадках, ближе к побережью Западной Африки и у берегов Аравийского полуострова к востоку от Африки, можно видеть, что нанесенная ветром пыль фигурирует и в более ранние периоды. Это неудивительно: некоторые пустыни существовали даже тогда, когда мир был теплым. Однако начиная с момента, удаленного от нас на 2,8 миллиона лет, пиковые значения пылевых наносов возрастают, а ритм колебаний количества пыли замедляется. Питер Деменокал из Наземной обсерватории Ламонт-Доэрти близ Нью-Йорка изучал опустынивание Африки, исследуя пыль на морском дне. Свой первый доклад он сделал еще в 1995 году, но и после этого ученый продолжил свои поиски и сравнил океанские данные с результатами исследований окаменелостей, найденных на африканской суше. Он не скрывал своих мотивов: «Мы занимаемся этими изысканиями в надежде доказать, что изменения климата играли важную роль в происхождении человека».

Все меньше осадков выпадало в Африке. Площади, занимаемые лесами, сокращались, и человекообразным обезьянам стало труднее отыскивать плоды смоковниц и прочую растительную пищу. На открывшихся пространствах обнаружилось много крупной дичи, однако челюсти приматов были плохо приспособлены к пережевыванию мяса. В сущности, как раз перемены климата и побудили предшественников человека вооружиться каменными орудиями с острыми краями, чтобы разрезать жесткое сырое мясо, доступное в африканских угодьях.

Рубила и новые жевательные мышцы

В 2000-м и 2001 годах были найдены ископаемые кости человекоподобных существ, умевших быстро передвигаться на двух ногах. Возраст находок определили в 6 миллионов лет. Это сильно озадачило исследователей, ведущих упорный поиск предков современного человека. Археологи стали находить похожие окаменелости в самых разных местах — в Кении, в Эфиопии, даже в Чаде, что было совершенно неожиданным, — и это породило горячие споры о том, где же все-таки возник человек, какую из современных стран следует считать его родиной. К сожалению, этот международный конкурс «Мисс Ева» показал лишь то, что умение встать на задние конечности еще не дает гарантии дальнейшего развития.

Различные виды первых обезьянолюдей, с любовным тщанием описанных палеонтологами, подготавливались природой несколько миллионов лет. По сравнению с их собратьями, обычными обезьянами, обезьянолюдей было совсем немного. Размер их мозга был маленький, поведение и питание оставались такими же, как и у обезьян. Если бы вы повстречали одного из этих двуногих, созданных в экспериментальной лаборатории матушки-природы, вы посчитали бы его всего лишь длинноногим шимпанзе.

Бассейн эфиопской реки Омо знаменит тем, что там найдены останки предчеловека и раннего человека. Данные об ископаемых животных, найденных там же, сообщают, что некогда в этом регионе росли обширные леса. Деревья начали потихоньку исчезать 3,5 миллиона лет назад. Когда мир значительно охладел, а это случилось 2,8 миллиона лет назад, число животных, приспособившихся к жизни на травянистых, кустарниковых равнинах, стало стремительно расти, и за какие-нибудь четыреста тысяч лет они превзошли численностью обитателей лесов. Именно в тот период человеческие существа сделали свой первый шаг к успеху.

Жизнь в целом приноравливалась к новым возможностям, открывшимся вместе с разрастанием африканских пастбищ. Грандиозное количество новых видов антилоп привлекало больших кошек и других потенциальных мясоедов. Но строение челюстей у обезьян и обезьяноподобных людей обрекало их на вегетарианский образ жизни. Чтобы есть сырое мясо, вам нужны либо острые клыки, либо острые режущие инструменты.

Самые древние доказательства человеческих навыков — это каменные орудия, обнаруженные в Эфиопии в 1990-е годы. Некоторым из них почти 2,6 миллиона лет. В бассейне реки Када Гоно многие орудия найдены вместе с отколотыми фрагментами, словно бы там было нечто вроде мастерских по производству инструментов для разделки животных. Каждое законченное орудие — так называемое рубило — представляло собой кусок камня с острой гранью. Делали их из небольших, размером с кулак, галек, вытащенных из местной речки. Для придания камню нужной формы требовались твердая рука и верный глаз. Неподалеку от Када Гоно, в отложениях Боури, были обнаружены кости животных с весьма необычными повреждениями, доказывающими, что древние люди использовали рубила, чтобы срезать с костей мясо и извлекать костный мозг. Ведущий эфиопский исследователь доисторических орудий, палеоантрополог Силеши Семау, работающий в университете Индианы, подчеркивал важность этого открытия в докладе, сделанном в 2000 году:

«Применение обработанных камней было технологическим прорывом, позволившим нашим предкам более эффективно использовать доступные пищевые ресурсы, к числу которых относились высокопитательное мясо и костный мозг животных. Обломки костей с надрезами, найденные в отложениях Боури, явным образом свидетельствуют о том, что мясо входило в рацион гоминидов позднего плиоцена 2,5 миллиона лет назад».

Похожие рубила, но датируемые более поздним временем, ассоциируются с останками, которые, по общему мнению, считаются уже вполне человеческими. Речь идет о костях Homo habilis — человека умелого, которые в 1960 году раскопал в Танзании Джонатан Лики. Есть предположение, что эти первые люди питались, главным образом, подъедая добычу, оставленную другими хищниками. Около двух миллионов лет назад человек умелый сосуществовал с человеком рудольфским (Homo rudolfensis), персоной более значительной, хотя бы в силу своих размеров.

Почему же мозг человека достиг больших размеров, чем мозг человекообразных обезьян? В 2004 году ученые-медики, занимавшиеся исследованием мышечной дистрофии, сообщили об одном генетическом изменении, которое вполне могло инициировать рост мозга. Группа ученых под руководством Ханселла Стедмана из университета Пенсильвании идентифицировала общий для всех обезьян и приматов ген, получивший обозначение myhl6, который отвечает за толщину и силу волокон жевательной мышцы. Эта наиболее мощная из всех мышц жевательного аппарата словно бы сдавливает череп и ограничивает его рост.

Каждый живущий сегодня человек имеет мутированную форму этого гена, за счет чего его жевательные мышцы меньше, чем у приматов. Более слабые челюсти означают более плоское лицо, более мелкие зубы и более округлый череп. По мнению Стедмана, мутация дала мозгу человека возможность роста. С помощью генетических методов ученые решили определить, когда произошло это изменение, и получили ответ: приблизительно 2,4 миллиона лет назад.

Генетическая датировка недостаточно точна, чтобы сделать однозначный вывод относительно того, кто сотворил первейшие инструменты. По одному сценарию, это были обезьянолюди, жившие в те времена в Эфиопии, — они получили название австралопитеков гархи (Australopithecii garhi). Генетическая мутация могла в них закрепиться, потому что эти создания с маленьким мозгом уже имели рубила и могли выжить даже со слабыми челюстями. По другой версии, сначала произошло изменение челюстей, а затем более умные люди придумали рубила, хотя останки человека умелого или человека рудольфского датируются тем же временем, что и древнейшие найденные рубила.

Вот такой была эта удивительная последовательность событий — от наступления льда на севере до изменений жевательных мышц у приматов в Африке несколько сотен тысячелетий спустя. Понятно, почему поиск причины похолодания стал такой сложной задачей. И когда ученые обнаружили, что в дело вмешалась сверхновая, оказавшаяся слишком близко к Земле, — это добавило и ажиотажа, и противоречий.

Липучка для звездных атомов

Следы сверхновой были найдены на дне Тихого океана в виде редких, необычайно тяжелых атомов железа. В конкрециях нашей, земной металлической руды, усеивающих дно океана, они сохранились как чужеродные сувениры. В 1870-е годы английские океанографы, работавшие на борту корабля Ее величества «Челленджер», обнаружили в глубинах моря железо-марганцевые отложения — они либо выстилают дно плоской коркой, либо лежат в виде округлых желваков. Сто лет спустя вокруг этих отложений поднялась большая шумиха: посыпались предложения организовать их добычу для извлечения марганца, столь нужного промышленности.

В 1976 году немецкое исследовательское судно «Вальдивия» подняло с глубокого тихоокеанского дна образцы конкреций. В то время никто даже представить себе не мог, что железо-марганцевые отложения действуют подобно липкой бумаге, к которой приклеиваются прилетевшие со звезд атомы, и, следовательно, они сохраняют для нас хронологию событий, происходивших в далеком космосе. Но оказалось, что это именно так, когда в конце 1990-х команда, возглавляемая Гюнтером Коршинеком из Мюнхенского технологического университета, стала искать доказательства того, что за последние несколько миллионов лет по соседству с нами существовала хоть одна сверхновая звезда.

На бескрайних просторах Вселенной взрывающиеся звезды играют роль алхимиков. Ядерные реакции превращают одни элементы в другие, создавая строительный материал для планет и живых существ. Получившиеся в результате атомы рассеиваются в космосе, и некоторые из них могут в конце концов попасть на поверхность Земли. Однако ученые из Мюнхенского университета столкнулись с серьезными трудностями, когда попытались идентифицировать эти атомы.

В глубинах космического пространства звездное вещество становится чрезвычайно разреженным. Даже если бы сверхновая находилась действительно близко, очень немногие из вновь образованных атомов достигли бы Земли. Более того, наша планета и все, что на ней есть, вылеплены из элементов, произошедших из похожих источников — из звезд, что жили и умерли еще до того, как Солнце и его выводок планет появились на свет. Вы не сможете отличить обычный атом железа с недавно взорвавшейся сверхновой от такого же, но попавшего на Землю во времена сотворения мира.

Фокус заключался в том, чтобы найти такие атомы, попавшие к нам с взорвавшейся звезды, у которых сегодня на нашей планете не было бы двойников. Иначе говоря, они должны быть радиоактивными, но их возраст должен быть намного меньше возраста Земли — ведь аналогичные атомы, присутствовавшие при рождении планеты, давным-давно трансформировались в другие атомы. С другой стороны, слишком быстро распадающиеся радиоактивные атомы не смогут достичь Земли или исчезнут вскоре после своего прибытия, и современные следопыты не найдут их. Поле для поисков сузилось, и на нем остались атомы со средней продолжительностью жизни, а ученым лишь оставалось надеяться на то, что взрыв близлежащей сверхновой случился относительно недавно, так что хотя бы некоторые из атомов смогли выжить.

Самым лучшим кандидатом стал изотоп железа — железо-60, который значительно тяжелее обычных атомов железа-56. Период полураспада железа-60 составляет 1,5 миллиона лет, а его следы сохраняются еще более 10 миллионов лет. Физики определили, что атомы железа-60, вероятнее всего, зарождаются на сверхновых.

Чтобы найти такие атомы, пойманные в ловушку Земли, нужна исключительная квалификация, но Коршинек и его соратники, работавшие в своей лаборатории в Гаршинге, научном пригороде Мюнхена, обладали всем необходимым для работы. Огромный ускоритель частиц, совмещенный с масс-спектрометром, сортировал атомы по их весам, разгоняя частицы до высоких скоростей и заставляя отклоняться с помощью мощного магнита. Техника ловко наводила порядок среди атомов почти одинакового веса. Даже если бы на десять квадриллионов атомов нашелся всего один изотоп железа-60, аналитическая система в Гаршинге сумела бы распознать его.

Сенсационная новость была опубликована в октябре 2004 года, когда группа получила первое отчетливое свидетельство того, что некогда поблизости от Земли действительно находилась сверхновая. Железо-60 было обнаружено в образце железо-марганцевых отложений, помеченном ярлыком «237kd», он был приятно плоским, и, очевидно, формирование его шло по всем правилам подводной геологии. Около тридцати лет прошло с тех пор, как «Вальдивия» подняла его с пятикилометровой глубины и привезла на станцию на юго-западе Гавайев.

Это был не первый образец, исследованный Коршинеком и его группой. В 1999 году они нашли заметный след, оставленный несколько миллионов лет назад атомами железа-60 в образцах железо-марганцевой руды из другой части Тихого океана. Они изучили только три поверхностных слоя, данных было очень мало, а неточностей оставалось много. Но это раннее исследование служит важным доказательством того, что сверхновая оставила свои следы во многих местах, чего от нее вполне можно было ожидать.

Применение тонких технологий позволило провести более детальный анализ образца «237kd». На дне океана корка железо-марганцевых отложений набирала толщину очень медленно, со скоростью один сантиметр за 4 миллиона лет. Исследователи смогли определить возрасты двадцати восьми различных слоев, охватив период в 13 миллионов лет. Когда они посчитали атомы железа-60 с помощью масс-спектрометра, те в основном концентрировались в трех соседних слоях, приблизительно соответствующих возрасту 2,8 миллиона лет.

До этого само существование железа-60 в космосе было лишь теоретическим предположением, хотя и были косвенные указания на то, что атомы такого железа входили в состав древних метеоритов. Спутник НАСА «РЕССИ» обнаружил железо-60 среди звезд как раз тогда, когда мюнхенская команда отыскала следы сверхновой в образце железо-марганцевой корки. Атомы железа-60 смешиваются с другими распознаваемыми продуктами недавних звездных взрывов в Млечном Пути, однако их можно выявить благодаря гамма-лучам, испускаемым в процессе радиоактивного распада. После вывода на орбиту в 2006 году спутника Европейского космического агентства «Интеграл» дело обнаружения в космосе железа-60 было поставлено на твердую основу.

«Космическая зима»

Астрофизики, все еще пытающиеся в полной мере понять звезды и получше разобраться в ядерных реакциях, происходящих во время разнообразных звездных взрывов, очень обрадовались найденному в космосе железу-60. Брайан Филдс из Иллинойсского университета давно предполагал, что близкорасположенные взрывающиеся звезды должны были оставить атомные следы на Земле. Он с энтузиазмом приветствовал результаты из Мюнхена:

«Это экспериментаторский триумф и веха на пути наших исследований…» «Обнаружение железа-60 дает ученым надежду, что продолжение поиска радиоактивности в глубинах океана поможет лучше понять природу сверхновых звезд. Можно развернуть рассуждения в обратную сторону и использовать рисунок наблюдаемой радиоактивности, чтобы изучить „пепел“, оставшийся от ядерного горения сверхновой, — он может многое рассказать о ядерном огне, питающем энергией взрывающиеся звезды».

Если же говорить о самих атомных детективах, то они пришли к четкому пониманию того, что сверхновая оказала воздействие на обитателей Земли и, возможно, имела отношение к происхождению человека. Об этом ясно говорит фраза, которой Гюнтер Коршинек и его коллеги завершили свой официальный доклад: «Взрыв сверхновой мог спровоцировать изменение климата и, возможно, внес значительные поправки в эволюцию гоминидов».

В своей работе они также ссылались и на теорию Свенсмарка о космических лучах, облаках и климате, говорящую о возможной связи между взрывами сверхновых и жизнью на Земле. Похожие соображения о роли, которую сыграла сверхновая, взорвавшаяся в относительной близости от Земли, уже высказывались и ранее. За несколько лет до описанных событий Брайан Филдс из Иллинойсского университета и Джон Эллис, теоретик из лаборатории физики элементарных частиц в ЦЕРНе, выдвинули предположение, что взрыв сверхновой мог вызвать то, что они назвали «космической зимой». О возможном влиянии космических лучей на облака Эллису рассказал другой физик из ЦЕРНа, Джаспер Киркби, который в свою очередь услышал это от Свенсмарка. Киркби уже занимался подготовкой проекта «CLOUD», и ему хотелось заручиться поддержкой коллег. Вот так и крутится колесо открытия, мало-помалу набирая обороты…

Гюнтер Коршинек и его команда в Мюнхенском технологическом университете пытались как можно более точно определить время, когда железо-60 попало на Землю, поэтому они со всем вниманием отнеслись к идее космической зимы. Коршинек обратился за консультацией к Эрнсту Дорфи из Института астрономии Венского университета — крупному специалисту по космическим лучам, испускаемым сверхновыми, — и тот подсчитал, что природные «ускорители частиц» в расширяющихся остатках взорвавшейся звезды должны выпекать заряженные частицы как блины в течение нескольких сотен тысяч лет после взрыва, поэтому интенсивность потока, омывавшего Землю, могла быть на 15 процентов выше обычного. Клаус Кние, ведущий автор работы об атомах железа-60, опубликованной в 2004 году, сделал публичное заявление, в котором следующим образом выразил свое мнение о возможной связи между взрывом сверхновой и историей рода человеческого: «Бомбардировка земной атмосферы космическими лучами, сопутствующая взрыву сверхновой, могла вызвать одновозрастное глобальное похолодание, которое запустило важнейшие процессы в эволюции человека».

Сообщение мюнхенских ученых о сверхновой вызвало широкий интерес — ведь, по их данным, взрыв произошел примерно 2,8 миллиона лет назад, и это событие как нельзя более подходило, чтобы вызвать мощное похолодание и наступление льда, начавшиеся 2,75 миллиона лет назад. Но затем группа применила более точную технику для изучения другого образца железо-марганцевой корки и выяснила, что взрыв сверхновой случился позже. Это означало, что звезда взорвалась, когда оледенение уже началось на Земле. Вспышка сверхновой могла повлиять лишь на «зубец» похолодания 2,1 миллиона лет назад. Обезьяны, обезьянолюди и первые люди в любом случае не пропустили бы сияния в небесах.

Сторонники идеи космической зимы пережили временное разочарование. Определенно, это была не единственная сверхновая в нашем окружении, и, даже если она была ближайшей к нам, это не обязательно означает, что она была и самой влиятельной. Задача астрономов — распознать события, явленные в окружающем нас космическом пейзаже, и начать им следует с вопроса: где взорвалась звезда, существование которой подтвердили ученые из Мюнхена.

Возможные виновники

Чтобы доставить на Землю свои атомы железа-60 с расстояния, немногим превышающего сто световых лет, сверхновая должна была находиться в 20, максимум в 30 раз дальше от нас, чем ближайшая к Солнечной системе звезда — Альфа Центавра, довольно ярко сияющая на ночном небе (правда, в Южном полушарии). Сегодня все массивные звезды, готовые вот-вот переродиться в полноценные сверхновые, находятся намного дальше.

Одна из них светит с расстояния 400 световых лет. Это красный гигант Бетельгейзе — огромная звезда, украшающая плечо охотника Ориона (если, конечно, созвездие вообразить в виде человека). Масса Бетельгейзе, в пятнадцать раз превышающая массу Солнца, обрекает эту звезду на короткую жизнь и зрелищную смерть. Она уже раздулась до огромного красного шара, а значит, до взрыва ей остался только шаг. Чтобы вы могли составить себе представление о том, что такое световой год, приведем такой пример: если бы Бетельгейзе стала сверхновой на этой неделе, свет взрыва увидели бы только наши потомки, да и то не раньше двадцать пятого столетия.

Бетельгейзе принадлежит к так называемой ассоциации Орион ОВ1, куда входят яркие звезды из пояса Ориона. Ассоциации — это группы звезд, родившиеся в одно время и все еще находящиеся недалеко друг от друга. Масса одной такой звезды составляет от 10 до 30 масс Солнца. Эти жаркие звезды голубого цвета испускают сильное излучение. Так как они живут недолго, от 30 до 100 миллионов лет, ОВ-ассоциации — это наиболее вероятная сцена для выступления сверхновых. Спутник НАСА «Комптон» выявил в скоплении Орион ОВ1 гамма-излучение, характерное для алюминия-26, «выпеченного» звездными взрывами за последний миллион лет.

Пояс Гулда назван в честь Бенджамина Гулда (1824–1896), американского астронома, первым привлекшего внимание ученых к этом звездному скоплению еще в 1870-е годы, когда он работал в Аргентине. В Поясе Гулда несколько ОВ-ассоциаций, соединившихся в эллиптическое кольцо длиной 2400 световых лет и шириной 1500 световых лет. Поскольку Солнце и его планеты находятся внутри Пояса Гулда, то небо вокруг нас просто усеяно взрывными ОВ-звездами.

В скоплении постоянно происходят своего рода цепные реакции: солнечные ветры и ударные волны от массивных звезд одного поколения уплотняют разреженный газ, заполняющий пространство между звездами; этот сильно сжатый газ порождает новые ОВ-звезды, которые тоже взорвутся в свой черед. В том участке галактического рукава Ориона, где находится сейчас Солнечная система, взрывы сверхновых заменили обычно холодный межзвездный газ намного более разреженной плазмой из наэлектризованных атомов, настолько горячих, что они излучают рентгеновские лучи. Астрономы назвали эту область «Местный пузырь». Кое-кто предпочитает название «Местный дымоход», так как сейчас ученые знают, что разреженный газ пересекает весь галактический диск, где сосредоточены звезды Млечного Пути. Горячая плазма фонтанирует в межгалактическое пространство.

В какую же эскадрилью звезд входила та, что взорвалась достаточно близко от Земли, чтобы забрызгать ее атомами железа-60? В течение последних нескольких миллионов лет взаиморасположение Солнца и его буйных соседей постоянно менялось. Временами зона звездных боевых действий оказывалась ближе к Солнечной системе, чем в нынешнюю эпоху. Спутник «ГИППАРКОС» составил довольно точную карту расположения и движений звезд, которая помогла астрономам разобраться в том, где же все-таки должен был находиться виновник.

Ученые выяснили, что наиболее вероятный кандидат — это скопление звезд, располагающееся в направлении Южного Креста и, таким образом, не наблюдаемое в Европе или Северной Америке. Речь идет о подгруппе Нижний Центавр — Южный Крест в ОВ-ассоциации Скорпион — Центавр, находящейся от нас сегодня на расстоянии около 400 световых лет. Согласно расчетам Хесуса Маиса Апельяниса из университета Джонса Хопкинса (штат Мэриленд, США), эта подгруппа всего несколько миллионов лет назад была ближе к Земле на 100 световых лет. Одна из внешних звезд этого скопления могла подойти к нам на расстояние 120 световых лет и затем взорваться.

Или же банда преступных звезд может скрываться на другой стороне неба, в созвездии Тельца. Самая известная там группировка — это Плеяды, ранее упоминавшиеся как Семь Сестер. Они расположены вне Пояса Гулда, но со звездами, входящими в пояс, их объединяет общее происхождение. Плеяды достаточно близко расположены, чтобы вы могли невооруженным глазом увидеть семь ярких голубых красавиц в сопровождении почти ста кавалеров. Расстояние до Плеяд все время увеличивается, а это значит, что раньше они были к нам ближе.

Самых больших ОВ-звезд в этом скоплении уже нет — они взорвались, не дожив до наших дней. Возможно, за последние двадцать миллионов лет как раз двадцать звезд и взорвались. Томас Бергхёфер из Гамбургской обсерватории и Дитер Брайтшвердт из Института внеземной физики общества Макса Планка в Гаршинге предположили, что ответственность за всплеск атомов железа-60 лежит на одной из исчезнувших звезд Плеяд.

Решение этого вопроса, вероятно, откладывается до обнаружения большего количества редких радиоактивных изотопов и в небе, и на Земле. На сегодняшний день сверхновая, разыскиваемая учеными из Мюнхена, — все еще загадка для астрономов. Оба варианта — Нижний Центавр — Южный Крест и Плеяды — могут оказаться ошибочными.

Барабанная дробь звезд

Искать другие сверхновые — самая последняя из забот. Хватило бы одной или двух, оказавшихся достаточно близко, чтобы оросить Землю экзотическими изотопами, поиск которых все еще продолжается — и в древних антарктических льдах, и на морском дне. Тем не менее даже если другие сверхновые в Поясе Гулда были слишком далеко, чтобы поставлять на Землю атомы, они все же могли спровоцировать рост космических лучей.

Статистические данные о Поясе Гулда позволяют предположить, что барабанная дробь звездных взрывов могла вызвать несколько таких скачков в течение последних трех миллионов лет, и каждый был способен повлечь за собой более или менее суровую «космическую зиму». Содержание тяжелого кислорода в микроокаменелостях на морском дне говорит о том, что было несколько особенно сильных похолоданий: 2,7 миллиона лет назад, 2,1 миллиона лет, 1,3 миллиона лет, 700 тысяч лет и 500 тысяч лет назад. Но чтобы связать их со сверхновыми, от астрономов требуется не статистика — от них требуются даты.

Прежде чем приступить к определению возрастов взорвавшихся звезд, необходимо их распознать, и наземные и орбитальные телескопы предлагают несколько способов решения этой задачи. Самое очевидное, с астрономической точки зрения, — это просто «увидеть» остатки сверхновых: они представляют собой облака звездных обломков, все еще полыхающие в видимом и невидимом свете. Однако собранный по всему небу урожай из 250 объектов сможет рассказать историю, простирающуюся в прошлое лишь на несколько тысяч лет.

Или же нужно хорошенько потрудиться, разыскивая радиоактивные атомы, оставшиеся после взрывов и все еще «засоряющие» небо. Эти атомы обнаруживают себя, испуская гамма-лучи определенных энергий, которые можно уловить с помощью орбитальных гамма-телескопов. Так, например, с помощью данных, полученных спутником НАСА «Комптон», Роланд Диль с коллегами из Института внеземной физики общества Макса Планка нашли различимые приметы алюминия-26, рассеянного по всему диску Млечного Пути рядом со скоплениями больших звезд. Гамма-лучи также говорят о радиоактивном излучении, поступающем из Пояса Гулда — в частности, от ассоциации ОВ-звезд Скорпион — Центавр — теперь эту группу также подозревают в том, что она могла быть источником железа-60, достигшего Земли.

Группа Роланда Диля прибегла к помощи европейского спутника ИНТЕГРАЛ, чтобы с высокой точностью просчитать эти гамма-лучи и вычислить общую массу алюминия-26, рассеянного в космосе: она в три раза превысила массу Солнца. Чтобы образовалось такое количество столь редких атомов, нужно, чтобы в Галактике каждые пятьдесят лет взрывалась одна массивная звезда, — и эта цифра совпадает с ожиданиями астрофизиков.

Пояс Гулда выгодно отличается от других групп звезд, потому что он расположен под углом к основному диску Галактики. Дальнейшая работа ИНТЕГРАЛа позволит уловить достаточно гамма-лучей, чтобы точно определить те области Пояса Гулда, где повышена концентрация алюминия-26 и других элементов, — такие области должны соответствовать остаткам сверхновых, которые не распознаются иными методами. Затем можно будет определить соотношение разных радиоактивных элементов и, таким образом, установить, как давно произошли взрывы.

Третий способ определения возраста сверхновых связан с нейтронными звездами. Нейтронные звезды — это сильно сжатые остатки ядер взорвавшихся массивных звезд. Их открыли в конце 1960-х благодаря тому, что для этих объектов характерно особое пульсирующее радиоизлучение (почему их и назвали радиопульсарами). С тех пор обнаружено более тысячи нейтронных звезд. Однако большинство этих скрытных особ звездного неба, возможно, молчаливы в радиодиапазоне, зато их можно распознать как пульсирующие источники рентгеновских и гамма-лучей.

Первым образцом такой радиомолчаливой нейтронной звезды стала Геминга, обнаруженная в 1973 году как яркий источник гамма-излучения в созвездии Близнецов. Ее отделяют от нас 500 световых лет, а несется она сквозь Галактику на огромной скорости. Геминга могла остаться от сверхновой, взорвавшейся около трехсот тысяч лет назад в созвездии Ориона — на расстоянии 1300 световых лет. В 1990-е годы спутник «Комптон» зарегистрировал двадцать неопознанных точечных источников гамма-лучей в Поясе Гулда, и среди них могли быть нейтронные звезды. Более точные результаты следует ожидать от спутника НАСА ГЛАСТ, выведенного на орбиту в 2008 году.

Поднять исследовательский дух могут два любопытных небесных объекта, которые служат весьма необычным доказательством существования сверхновой интересующего нас возраста. Если взрывается гигантская звезда, имеющая звезду-компаньона, кружащую по орбите вокруг нее, то выживший компаньон убегает со сцены, иногда даже с очень большой скоростью. Одного такого дезертира мы можем видеть сейчас невооруженным глазом в созвездии Змееносца. Это массивная голубая звезда Хан, или Дзета Змееносца. Линию полета дезертира можно проследить в обратном направлении до пересечения с траекторией другого беглеца — это уже нейтронная звезда: пульсар J1932. Оба происходят из подгруппы ассоциации Скорпион ОВ2 в Поясе Гулда. Так и видится картина: сверхновая выбрасывает из своего чрева нейтронную звезду, а компаньон Хан тут же уносится прочь, подобно камню, выпущенному из пращи. Ученые из Лейденской обсерватории в Нидерландах сделали необходимые расчеты и утверждают, что взрыв этой сверхновой произошел примерно миллион лет назад.

На этой условной карте, нарисованной голландскими астрономами, запечатлена ситуация, сложившаяся в Поясе Гулда миллион лет назад после взрыва сверхновой. Придя в ужас от коллапса, в бегство пустились две звезды — пульсар J1932, невероятно уплотненное ядро взорвавшейся звезды, и бывший массивный спутник звезды, ставшей сверхновой, — Дзета Змееносца, известная также как звезда Хан. (По данным Ронни Хогерверфа, Йоса де Брёйне и Питера Тима де Зеу, Лейденская обсерватория)

Может быть, со временем конкретные эпизоды похолоданий будет проще связать с увеличением заряженных частиц, извергнутых во время звездных взрывов. Как астроном, много лет изучающий гамма-лучи и пытающийся отыскать следы сверхновой, Роланд Диль размышляет об их значении для биосферы:

«Биологи говорят об экологических возмущениях, имея в виду то воздействие, которое ураганы, извержения вулканов и прочие стихийные бедствия оказывают на разнообразие форм жизни. Широко обсуждаются столкновения Земли с кометами и астероидами. Однако надо полагать, космические возмущения звездного происхождения тоже частенько играли определенную роль в истории Земли. Каков был эффект таких возмущений — это надо еще изучать. Увязать астрономию звездного окружения Солнечной системы с геологией и палеонтологией — трудная работа, но мы уже начали этот путь».

Мало научных исследований имеют столь же сильную мотивацию: ведь ученые обещают пролить свет на те космические обстоятельства, которые способствовали появлению человека. С 1946 года, когда Фред Хойл в Кембридже призвал по-новому взглянуть на происхождение химических элементов, стало уже общим местом говорить, что мы произошли из звездной пыли. За исключением изначального, первородного водорода, каждый химический элемент в человеческом теле порожден той или иной звездой. Возможно, пришла пора нового осмысления нашей истории — истории, в которой мы, как разумные создания, обязаны своим существованием свету, более не сияющему в небесах. Неужели мы — дети сверхновых из Пояса Гулда, изменивших наш климат?

Ожерелье новых знаний

В этой главе мы побывали на морском дне близ берегов Африки и посмотрели на звезды Южного Креста. Среди экспонатов этой главы — заточенные каменные ножи и беглецы-пульсары. Предыдущие главы провели нас по оледеневшему перевалу Швейцарских Альп, по магнитной империи Солнца, по теперь уже удаленным спиральным рукавам Млечного Пути и соседним галактикам, все еще беспокоящим наш звездный мир. Мы спустились с вами и на уровень атомов, и лабораторный эксперимент раскрыл нам химические тайны обычных облаков. То, что мы предложили вам, — это ожерелье новых знаний, нанизанных на нитку космических лучей.

В течение девятнадцатого и двадцатого веков научные изыскания, нацеленные на то, чтобы понять, как же устроена природа, раскололись на множество узких специализаций. Таблички на дверях лабораторий с надписями «Антропология», «Астрофизика» или «Атмосферная химия» — это притязания на независимость. Ученым, придерживающимся традиционных взглядов, широкомасштабные исследования, описанные в этой книге, скорее покажутся смехотворными. И каким же образом, — спросят эти ученые, — маленькая группка людей, вовлеченных в эту работу, надеется внести сколь-нибудь заметный вклад в столь большое количество областей специализированных знаний? Наш ответ будет таков: когда учителя разделили содержание науки на легкоуправляемые и, казалось бы, самодостаточные предметы, они слишком мало знали о связях, созданных природой.

С каждым разом, с каждым шагом вперед независимость специализированных областей оказывается иллюзией. В двадцатом веке химия была вынуждена слиться с квантовой физикой, биология — с кристаллографией, геология — с исследованием планет, лун, астероидов и комет. Естествоиспытатели из поколения наших прадедушек сильно удивились бы, узнав о межнаучных связях, которые в наши дни стали уже привычными и проявляются даже в названиях научных дисциплин — таких как астрохимия, молекулярная экология или физика мозга. Исследователи, работающие на переднем крае науки, ныне понимают, что им пора перестать вести себя подобно членам эксклюзивных клубов и начать обмениваться имеющимися у них информацией и идеями. Криминалистика прошла путь от ручных луп и сравнения отпечатков пальцев до использования телекамер наблюдения и анализа ДНК. Так же и те, кто пытается отворить еще не открытые двери природы, должны соединить на своей связке ключи самого разного типа.

Начав с относительно простого утверждения, подкрепленного спутниковыми данными, о том, что космические лучи могут влиять на облачность, Свенсмарк волей-неволей втянулся в разработку новых тем: от физической химии рождающейся в небе серной кислоты до развития Галактики и от аномальной температуры в Антарктике до вечно меняющейся продуктивности биосферы. Ожерелье из космических лучей, облаков и климата почти готово, однако на нитке еще много места для других жемчужин. Изучение уже сделанных открытий и обоснование необходимых выводов могли бы обеспечить работой десятки научных руководителей и аспирантов. Некоторые из таких возможностей будут обрисованы в последней главе.

 

8. Программа действий для климатологии

Летом 2006 года Свенсмарк с помощью своего сына Якоба продолжил вычисления параметров, описывающих судьбу космических лучей в земной атмосфере. Немецкая программа «КОРСИКА» помогла им с большой точностью рассчитать, что ослабление магнитного поля Земли не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на климат. Как уже было объяснено во второй главе, космические лучи, рождающие те мюоны, которые проникают в нижние слои атмосферы, обладают столь высокими энергиями, что практически «не замечают» никаких изменений в магнитном поле Земли. Если земной магнетизм и влияет на потоки мюонов, то лишь в пределах 3 процентов от общего количества этих частиц, рожденных космическими лучами.

Расчеты, сделанные с помощью программы «КОРСИКА», также пролили новый свет на иные астрономические и солнечные процессы, которые управляют заряженными частицами и климатом, и эти процессы оставляют далеко позади все вопросы, связанные с магнитным полем Земли. После того как несколько остававшихся загадок были решены и многие сомнения растаяли словно по волшебству, Свенсмарк торжествующе воскликнул: «Доказательств множество; наша история похожа на сказку, воплощающуюся в жизнь».

Космические лучи, порожденные каким-либо близким источником, например, сверхновой (именно о них шла речь в предыдущей главе), — это лишь часть общей картины. В гораздо большей пропорции космические лучи содержат в себе другие высокоэнергетические частицы, рожденные очень далеко: многие из таких частиц, покидая Галактику, тоже попадают на Землю. Расчеты показывают, что если взять две равные дозы тех и других космических лучей, то частицы, испущенные взорвавшейся поблизости сверхновой, породят в атмосфере в три раза больше мюонов, чем фоновые космические лучи галактического происхождения. Подсчет бериллия-10 и других специфических атомов, оставленных космическими лучами относительно слабых энергий, которые «работают» лишь на больших высотах, приведет к заниженной оценке воздействия сверхновой на климат. Есть и обратная сторона той же медали: когда магнитное поле Земли ослабевает, число атомов бериллия-10 резко возрастает, однако на высокоэнергетических мюонах, участвующих в облакообразовании и таким образом влияющих на климат, это изменение земного магнетизма почти не отражается.

Магнитное поле Солнца гораздо более влиятельно, чем земное. Расчеты, сделанные Свенсмарком с помощью программы «КОРСИКА», предсказывают, что вариации в ходе одиннадцатилетнего цикла солнечной активности должны приводить к существенным колебаниям в количестве мюонов, достигающих нижнего, двухкилометрового слоя атмосферы, — отклонения могут составлять до 10 процентов. Это совпадает с тем, что фиксируют датчики мюонов близ уровня моря, и объясняет тот факт, что в течение солнечного цикла изменения в облачном покрове составляют 3–4 процента.

Другая загадка, ответ на которую сейчас уже найден, немного напоминала проблему с магнитным полем Земли. Время от времени намагниченная ударная волна, порожденная большим выбросом на Солнце, вызывает резкое снижение числа заряженных частиц, попадающих на Землю, — на 5–10 процентов, а иногда и больше. Как мы рассказывали во второй главе, такие явления получили название Форбуш-эффектов — в честь Скотта Форбуша, их открывшего, — и они должны были бы приводить к заметным сокращениям земной облачности.

Но, как правило, этого не происходит, и отсутствие видимых связей послужило аргументом против гипотезы о том, что космические лучи влияют на образование облаков. Расчеты, сделанные с помощью программы «КОРСИКА», опять подтверждают, что солнечные ударные волны воздействуют на частицы, образующие мюоны, куда в меньшей степени, чем на общий поток космических лучей. Потому-то Форбуш-эффекты и не влияют напрямую на облака, чего от них можно было ожидать. Тем не менее иногда они все же воздействуют на климат. Так, отзываясь на некоторые события, происходившие на Солнце в 1991 году, облачность на Земле действительно уменьшилась.

Занимаясь экспериментальной и теоретической работой одновременно, Свенсмарк, как человек-оркестр, часто работал дома по вечерам и выходным. Маленькая группа его соратников в Датском национальном космическом центре была в основном занята экспериментом «SKY» и изучала химию облакообразования, вызываемого космическими лучами. Не меньше времени отнимали и встречи, разработка документации и прочие подготовительные мероприятия для приближавшегося эксперимента в Женеве. Весной 2006 года Найджел Марш, бок о бок проработавший со Свенсмарком восемь лет, улетел в Норвегию.

Несмотря на эти трудности и постоянные хлопоты, связанные с поиском денег для проекта, Свенсмарк радовался, потому что видел: его работа, начавшаяся в 1996 году, движется вперед и открывает новые темы, которые привлекают разных специалистов из других стран. Космические лучи и их связь с климатом стали предметом быстро развивающейся, полноценной области науки. Свенсмарк придумал для нее название и предложил создать Центр исследований по космоклиматологии.

«Эта новая область научных исследований изучает внеземные события, воздействующие на климат Земли на всех временных шкалах — от долей секунды до миллиардов лет, — и рассматривает влияние этих событий на земную жизнь — в прошлом, настоящем и будущем».

Курс научных изысканий, видимый уже сейчас, далеко выходит за рамки традиционного обмена «твердой», вошедшей в учебники информацией между специалистами в различных областях знаний. При каждом повороте этот курс прямо выводит нас к передовым рубежам науки, будь то химия атмосферы, астрономия, геология или биология.

Молекулярный механизм формирования облаков

Любой, кто все еще полагает, что исследование связи между космическими лучами и облаками — экстравагантное отступление от традиционных метеорологии и климатологии, предпринятое несколькими чудаками, должен учесть, что в ЦЕРНе сооружается специальная установка для эксперимента «CLOUD», осуществляемого под руководством Джаспера Киркби. На момент написания этой книги к эксперименту привлечены пятьдесят специалистов из семнадцати институтов Австрии, Дании, Финляндии, Германии, Норвегии, России, Швейцарии, Великобритании и США. Мы будем последними, кто объявит, будто численная весомость — надежный индикатор научной добротности, и все же проект с использованием ускорителя частиц, проект, побудивший принять участие в исследованиях такой широкий круг известных специалистов по атмосфере и солнечно-земной физике, вряд ли можно считать легкомысленным. То, что эксперимент проводится именно в ЦЕРНе, вселяет в ученых особый оптимизм.

«Космические исследования уже показали, как „большая наука“, соединяя специалистов разных дисциплин, может самым поразительным образом умножать наши знания об окружающем мире».

Эксперимент «CLOUD» начнется в Женеве в 2010 году. Первым делом ученые повторят эксперимент «SKY», поставленный Свенсмарком, но на усовершенствованном оборудовании, сам же проект «CLOUD» рассчитан на несколько лет. Заряженные частицы, разгоняемые ускорителем, будут имитировать космические лучи, и это позволит лучше понять, какую роль играют реальные космические лучи в создании «точек» облакообразования на всевозможных высотах в атмосфере. В группу вошли пытливые и увлеченные исследователи, прекрасно понимающие, что заря космоклиматологии только начинается.

В ходе эксперимента «CLOUD» ученые будут прослеживать электрические и молекулярные события, которые происходят на отрезках времени, измеряемых долями секунды, часами и днями. Казалось бы, это исчерпывает доступный диапазон временных шкал. Однако экспериментаторы надеются расширить диапазон до миллиардолетий: они получат возможность испытать действие космических лучей в специальных смесях газов, которые воспроизведут атмосферу Земли, существовавшую в древнейшие времена, когда ее состав сильно отличался от сегодняшнего.

В небо поднимутся исследовательские аэростаты и самолеты, несущие специальное оборудование для охоты за «точками». Они должны будут подтвердить: то, что исследователи видят в своих лабораторных экспериментах в Копенгагене или Женеве, происходит также «взаправду», на открытом воздухе. Усовершенствование наших представлений об атомных и молекулярных механизмах формирования облаков — это другая задача. Успех придет только тогда, когда исследователи смогут хорошенько обсчитать воздействие космических лучей на образование облаков и их свойства. Причем обсчитать в такой степени, чтобы точно оценить вклад этих лучей в нынешние изменения климата — как в глобальном, так и в региональных масштабах. Вклад, меняющийся в соответствии с колебаниями потоков заряженных частиц, которые вынуждены подчиняться прихотливому магнитному настроению Солнца.

Лучше узнать Галактику

Астрономам также предстоит немало сделать, чтобы отшлифовать свой вклад в космоклиматологию, и речь идет не только о сверхновых Пояса Гулда, которыми завершилась предыдущая глава. Самое интересное начинается, когда мы задаемся вопросом: откуда вообще берутся заряженные частицы, которые разгоняются в космических ускорителях остатков сверхновых? Сейчас распространено мнение, что производство этих частиц достигает пика через сто тысяч лет после взрыва звезды.

Система наземных гамма-телескопов в Намибии, получившая название HESS, — очень чувствительный инструмент. С его помощью были обнаружены несколько неизвестных ранее объектов. Возможно, это газовые облака, подвергшиеся атакам космических лучей, которые были испущены остатками давней сверхновой, только сейчас вступающими в «рабочий режим». Как было объявлено в 2006 году, один яркий участок неба — яркий в гамма-лучевом смысле — лежит почти точно по направлению к центру Млечного Пути. Астрономы, работающие на HESS, полагают, что космические лучи в этом районе Галактики интенсивнее и быстрее тех, что достигают солнечных владений. Джим Хинтон из Института ядерной физики общества Макса Планка в Гейдельберге сообщил, что идентификация этого яркого объекта была лишь первым шагом:

«Конечно, мы все еще продолжаем направлять наши телескопы на центр Галактики и будем работать не покладая рук, чтобы точно определить, где находится космический ускоритель. Я уверен, что нас ждет еще много восхитительных открытий».

Орбитальные рентгеновские телескопы «Чандра» и «Ньютон» детально исследовали близлежащие и относительно молодые остатки сверхновой. Хотя эти источники, возможно, еще не стали солидными фабриками по производству космических лучей, они уже показывают ударные волны такого типа, который предположительно разгоняет частицы до очень высоких энергий. Космические обсерватории обнаруживают рентгеновское излучение, испускаемое ускоренными электронами. В 2005 году «Чандра» представила первое убедительное свидетельство ускорения в космосе отдельных протонов и атомных ядер.

«Чандра» также устремила свой взор на остатки сверхновой Тихо Браге, вспыхнувшей на земном небе в 1572 году. Эту сверхновую отнесли к типу 1а, а не к тем типам массивных сверхновых, которые полагают ответственными за большую часть космических лучей в Галактике. Пусть так, однако и остатки сверхновой Тихо Браге подбросили свою загадку: астрономы «Чандры» обнаружили, что атомное вещество, выброшенное из звезды, перемещается в космосе с гораздо большей скоростью, чем это предсказывают стандартные теории. Джессика Уоррен из Рутгерского университета (штат Нью-Джерси, США) подозревает, что теории придется менять:

«Наиболее вероятное объяснение такому поведению — это то, что значительная часть энергии ударной волны, направленной наружу, уходит на разгон атомных ядер до скоростей, приближающихся к скорости света».

Магнитные поля, пронизывающие Млечный Путь и направляющие космические лучи в наши пределы, должны быть точнее отмечены на карте, для того чтобы мы представляли себе, с каким потоком космических лучей придется столкнуться Земле, когда она будет проходить через спиральные рукава. Ключом к магнитному полю может служить направление колебаний радиоволн (говоря более научно, направленное колебание векторов напряженности электрического поля или напряженности магнитного поля), то есть их поляризация. Ученым, занимающимся исследованиями в этой области, поможет мощный радиотелескоп «SKA». В рамках этого глобального проекта, пока окончательно не утрясенного, на огромной площадке в Австралии или Южной Африке будет построено множество радиоантенн, совокупная площадь которых позволит улавливать самые слабые радиосигналы из космоса.

Неясным остается также вопрос о концентрации заряженных частиц в плоском диске Млечного Пути, куда Солнце ныряет и откуда выныривает каждые 32–34 миллиона лет. Движение Млечного Пути в межгалактическом пространстве вызывает ударные волны, порождающие галактические космические лучи. Порой даже высказывались предположения, что именно магнитное поле Галактики экранирует нас от многих частиц, составляющих подобного рода потоки. Если это так, то Земле должно доставаться больше высокоэнергетических космических лучей, когда Солнце поднимается выше или опускается ниже срединной плоскости диска. По мнению Свенсмарка, климатические данные свидетельствуют об обратном, потому что как раз пребывание Солнечной системы вне срединной плоскости галактического диска связано с теплыми периодами на Земле, соответствующими низкому уровню космических лучей.

Приключения Солнца и Земли в их путешествии по Млечному Пути говорят нам о том, что бывают разные ситуации, влияющие на приток космических лучей и, соответственно, на климат Земли. Однако наши представления о том, что делали наши соседи-звезды и вся Галактика в далеком прошлом, все еще очень поверхностны.

Каждый раз, когда Солнце входит в относительно плотное облако межзвездного газа во время своего путешествия по Галактике, происходит сжатие гелиосферы и содержащегося в ней солнечного магнитного поля. Эта картина заставляет предположить, что, проходя через такое облако, Земля подвергается атаке большого количества заряженных частиц, и подтверждение этому находится в виде бериллия-10, попавшего в гренландский и антарктический льды приблизительно 60 тысяч и 33 тысячи лет назад. Столкновения с «Местным пухом» — небольшими плотными газовыми облаками в той области Местного межзвездного облака, по которой Солнечная система летит в настоящее время, — могут уменьшить гелиосферу на четверть ее сегодняшнего диаметра и удвоить интенсивность галактических космических лучей.

Присцилла Фриш из Чикагского университета рассмотрела воздействие газовых облаков на космическую среду, окружающую Землю, и на то, что она назвала «галактической погодой». Сегодня Солнце находится в той области, где межзвездный газ необычайно разрежен. В принципе, реконструкции прошлых столкновений Солнечной системы с газовыми облаками должны бы стать частью общего анализа истории космических лучей в масштабе геологического времени, но, если говорить о практической стороне дела, события, произошедшие более миллиона лет назад, могут быть недоступны для научного поиска. Что же касается будущего, то новые прохождения Солнечной системы через «Местный пух» весьма вероятны. Однако, изучив карту Галактики, Фриш пришла к утешительному выводу: «Траектория Солнца позволяет предположить, что Солнечная система, возможно, не столкнется с большим плотным облаком по меньшей мере еще несколько миллионов лет».

Если говорить о вкладе астрономии в космоклиматологию, то самый важный из намечающихся проектов — это европейский спутник «Гайя», который станет преемником «ГИППАРКОСа», уже составившего карту звездного неба с небывалой доселе точностью. «ГИППАРКОС» скрупулезно измерил расстояния до звезд и тем самым дал астрономам возможность уточнить их возраст, благодаря чему ученые узнали о всплесках звездной рождаемости, а эти «детские бумы», как выяснилось, непосредственно связаны с чрезвычайно холодными периодами «Земли-снежка». Тем не менее «ГИППАРКОС» охватил не так много звезд («всего» миллион), и в его измерениях присутствуют неточности, а это означает, что история звездообразования все еще неполна. Более того, пока нам доступна для анализа лишь та «провинция» Млечного Пути, где находится наша Солнечная система, а это небольшая область диска, сильно удаленная от центра Галактики.

Будучи выведена на орбиту, «Гайя» превзойдет «ГИППАРКОС» в точности и масштабе исследования звезд. Международная команда ученых, собравшаяся в проекте «Гайя», намеревается поведать миру всю историю формирования звезд в Млечном Пути за десять с лишним миллиардов лет его существования — и в центральной перемычке, и в различных кольцах диска, и в звездном гало. Только тогда можно будет получить ясный ответ на вопрос: был ли процесс образования звезд относительно ровным и непрерывным, или же он представлял собой крайне хаотичную цепочку случайных эпизодов? Чем более эпизодичным будет представляться этот процесс, тем шире будет поле поиска тех эффектов, которые мощные потоки космических лучей производят на Земле.

Наградой за долгое ожидание станет для нас более детальное представление о спиральных рукавах. «ГИППАРКОС» составил очень неплохую карту локального рукава Ориона, где сейчас находится Солнце. «Гайя» же отметит все главные рукава на ближайшей к нам стороне Галактики и определит местоположение новорожденных звезд, которые их населяют. Высокоточные измерения дадут наконец ответ на вопросы: с какой скоростью спирали обращаются вокруг галактического центра и что представляет собой орбита Солнца — круг или эллипс. Тогда мы сможем вернее рассчитать, когда Солнце и его планеты посещали спиральные рукава и испытывали на себе воздействие космических лучей, повинных в ледниковых периодах геологического времени.

К сожалению, пока «Гайя» не вышла на орбиту, нельзя ожидать значительного расширения наших знаний о темпах звездообразования на протяжении того срока, что существует планета Земля. Спутник будет запущен не раньше 2012 года, и понадобится не менее пяти лет, чтобы он завершил свою программу. Тем не менее астрофизики уже предоставили нам достаточно информации, включая данные о других спиральных галактиках, чтобы теоретикам было над чем поразмышлять. Например, они могут попробовать разобраться в том, почему столь контрастно поведение галактического магнитного поля и потоков космических лучей в ярких спиральных рукавах, с одной стороны, и в темных областях между ними — с другой.

Другая важная задача — лучше понять гравитационный танец Большого и Малого Магеллановых Облаков и других соседних маленьких галактик, таких как Карлик Стрельца, что гостит сейчас на дальней стороне нашей Галактики. Это помогло бы определить, как и когда схватки с этими галактическими соседями запустили процесс звездообразования в Млечном Пути. Более точные вычисления станут возможны, если ученые научатся делать поправки на невидимую темную материю, значительно увеличивающую массу маленьких галактик. Так как поиск темной материи — одна из важнейших задач астрофизики, это еще один пример того, как прогресс в климатологии будет зависеть от фундаментальных достижений в самых различных областях науки.

Озадачивающие ритмы планеты

Изучив непосредственно Землю и ее геологическую историю, мы смогли обобщить свидетельства, доказывающие, что на протяжении миллиардов лет космические лучи сильно влияли на климат нашей планеты. Но пока мы получили лишь приблизительную картину. Для детального анализа необходимо принять во внимание много иных процессов, также воздействующих на климат. К ним относятся: рост континентов, горообразование, хоровые выступления вулканов, движения континентов, влияющие на океанские течения и околополярные ледовые щиты, изменения в составе атмосферы, геохимические процессы и столкновения Земли с кометами и астероидами.

Есть немало проблем, не дающих ученым покоя. Один из примеров такого рода — это эффект Миланковича, названный по имени сербского инженера, климатолога и геофизика Милутина Миланковича, который в 1920-е годы предложил свое объяснение последних ледниковых периодов. Он показал, что поступление солнечного света в разных областях земного шара и в разные сезоны менялось на протяжении веков. Причина этого, как полагал Миланкович, заключается в том, что гравитационное воздействие других объектов Солнечной системы изменяет положение Земли в космосе и, соответственно, параметры ее орбиты.

В нынешнюю эпоху Антарктика всегда покрыта льдом, следовательно, критические моменты связаны с наступлением и отступлением льда в Северном полушарии. А это зависит (так гласит теория) от того, достаточно ли сильно светит летнее Солнце, чтобы растопить лед, образовавшийся за зиму. Иногда Солнце находится относительно близко и стоит высоко в небе в течение северного лета — тогда ему под силу прогнать снег и лед прочь. Однако низкое Солнце, находящееся дальше, может посмотреть на лежащий снег сквозь пальцы — и тот будет накапливаться год от года, собираясь в ледовые пласты.

Астрономы могут просчитать эти изменения. Ось Земли медленно колышется, как у неустойчиво вращающегося волчка (это называется прецессией), что устанавливает для сезонного солнечного освещения в Северном полушарии ритм примерно в 20 тысяч лет. К тому же Земля покачивается, как корабль, соответственно покачивается и мачта, то бишь ось (такие долгопериодические колебания угла наклона земной оси к плоскости ее орбиты носят название нутации), и это задает еще один цикл — примерно в 40 тысяч лет. Наконец, есть третий, более медленный цикл — приблизительно в 100 тысяч лет, — в ходе которого меняется форма орбиты (так называемые долгопериодические колебания эксцентриситета орбиты), и Земля в разные сезоны оказывается то ближе, то дальше от Солнца.

В середине 1970-х годов исследователи обнаружили, что содержание тяжелого кислорода в кернах, поднятых с морского дна, четко отражает ритмы Миланковича. К этим морским приключениям некоторое время был причастен и Найджел Колдер — ему тогда очень хотелось принять участие в научной экскурсии. В 1976 году американские и английские ученые назвали изменения земной орбиты «ритмоводителем ледниковых периодов». С тех пор подтверждения ритмов Миланковича обнаружились в самых древнейших отложениях, уходящих в прошлое на сотни миллионов лет — даже в те эпохи, когда не было никаких ледниковых периодов. В сущности, геологи наших дней используют эти ритмы как камертон, чтобы настраивать свои временные инструменты. Нет никакого сомнения в их истинности.

С другой стороны, роль эффекта Миланковича в последние ледниковые периоды, с которых началась наша научная история, выглядит менее выразительной или, во всяком случае, более озадачивающей. Самое поразительное, что за прошедший миллион лет переключения с ледниковых интервалов на относительно теплые промежутки и обратно происходили приблизительно каждые сто тысяч лет. Загадка в том, почему довольно слабые изменения в эксцентриситете земной орбиты должны были вызывать столь трагические последствия. Так или иначе, кажется, что влияние солнечного освещения сильно преувеличено.

В климатическом дневнике планеты записаны более короткие интервалы потеплений или похолоданий, и они твердо ассоциируются со значительными изменениями в потоках космических лучей. Эти потепления и похолодания скорее были связаны с магнитной активностью Солнца, чем с его положением в небе. Эффекты, производимые высокой или низкой интенсивностью космических лучей, четче всего прослеживаются в периоды прошлых оледенений и потеплений, а вот нынешняя тепловая интерлюдия в этом смысле не столь типична. Вероятно, Земля могла изменить свою чувствительность по отношению к климатическому воздействию любого рода, будь то солнечное освещение по Миланковичу, космические лучи или любой другой агент.

Следовательно, если мы установим, почему изменилась климатическая чувствительность Земли, мы сможем решить загадку, которую задают нам ритмы планеты. Первый очевидный фактор — это уровень моря, который во времена ледникового периода был крайне низким, так как на создание ледовых покровов на Земле ушло колоссальное количество воды. В те времена огромные площади континентальных шельфов были свободны от воды — в частности, Ла-Манш, Северное, Ирландское, Адриатическое моря, Берингов пролив и значительная территория северной Сибири, называемая Берингией, Южно-Китайское море. Большинство морских путей между островами Индонезии также «пересохли», и ход важных океанских течений был нарушен. Если уровень моря был низкий, это помогает понять, почему мир во время ледниковых периодов был более чувствителен к климатическим воздействиям, а вот объяснить быстрое переключение на теплые условия межледниковья гораздо труднее.

Разобраться в эффекте Миланковича — одна из важных задач в списке дел космоклиматологии. Подойти к решению этого вопроса можно путем создания простых теоретических моделей, в которые будут заложены вариации космических лучей и добавлены некоторые другие процессы, происходящие на земном шаре. Теоретиков должен воодушевить тот факт, что ледниковые периоды последних двух миллионов лет исключительно хорошо изучены геологами: легкодоступные отложения на небольших океанских глубинах, керны, извлекаемые при бурении ледниковых щитов, поверхностные слои земной коры дали ученым массу разнообразных сведений. Но чем глубже вы спускаетесь под землю и чем дальше уходите назад во времени, тем темнее и туманнее становится ваше понимание изменений климата и их возможных причин.

Узнать лучше Землю

Первый известный ледник мелового периода — ледник, которому около 140 миллионов лет, — был открыт в 2003 году. Это открытие положило конец спорам между геологами о том, приходилась ли эпоха царствования динозавров на ледниковую эру. До 1990-х годов не было надежных свидетельств о том, что в древности Земле пришлось столкнуться с ужасным холодом, который полностью заковал ее в ледяной панцирь. Эти важные находки, обнаруженные так недавно, иллюстрируют то, как мало мы знаем о климатической истории Земли. Какие еще сюрпризы припасли для нас древние горы?

В 1960-х началось активное бурение морского дна и ледниковых щитов, благодаря чему мы имеем сегодня большую часть сведений о климате прошлого. Однако древнейшему океанскому дну лишь около 180 миллионов лет, а керны, извлекаемые из ледниковых щитов, покрывают еще более короткие промежутки времени. Возраст старейших горных пород — 3,8 миллиарда лет, таким образом, 95 процентов земной истории могут быть объяснены лишь за счет геологических изысканий на континентах, а эти изыскания сопряжены с колоссальными трудностями.

На суше возможности геологов ограничены: они могут изучать лишь те породы, которые случайно оказались доступными. Это могут быть пласты, обнажившиеся благодаря эрозии, или подповерхностные слои, сквозь которые пробиваются шахтеры, горнопроходчики и нефтеразведчики. На суше очень редко бурят скважины чисто в исследовательских целях. Как астрономы испытывают потребность в создании более мощных телескопов, так и геологам нужны новые возможности, чтобы лучше исследовать земную кору. В 2004 году симпозиум по климату прошлых эпох, организованный Национальным научным фондом США, призвал разработать грандиозную программу континентального бурения, взяв за образец успешный опыт бурения в океане.

Пока суд да дело, можно попытаться обработать уже имеющуюся информацию с помощью простых расчетных моделей, которые соединили бы данные об интенсивности космических лучей со сведениями о других действующих агентах. Уже прозвучало предложение датских ученых расширить временной охват таких моделей и выйти за пределы двух миллионов лет. Начать следует с эпохи фанерозоя (это последние 500 миллионов лет) — здесь связь климата с теми периодами, когда Солнечная система пересекала спиральные рукава, достаточно понятна, — затем перейти к протерозою с его эпизодами «Земли-снежка» и, наконец, добраться до ранних гадея и архея, когда под относительно слабым Солнцем на Земле зародилась жизнь.

Удивительно, что, несмотря на некоторые погрешности, сигналы, оставленные космическими лучами, недвусмысленно звучат во всех геологических данных. Среди агентов, которые могли бы воздействовать на климат, космические лучи — единственные, которые оставляют четкий след при любом временном масштабе, будь то миллиардолетия или месяцы.

Что ж, пусть бремя ответственности теперь лежит на тех, кто хочет ввести в климатическое действо других участников — дрейф континентов, вулканы, падения комет и астероидов, океанские течения, парниковые газы, — но только они должны продемонстрировать, каким образом на разных этапах истории эти участники изменяли или отменяли приказы леденящих звезд.

Жизнь в яростной Вселенной

В начале двадцать первого века одна из важнейших задач для исследователей — поиск жизни на других планетах. Ученые продолжают искать следы живых организмов (существующих ныне или существовавших в прошлом) на Марсе, Европе и других «жизнепригодных» объектах Солнечной системы. Но, помимо этого, астробиологи ищут планеты, которые, подобно Земле, обращаются вокруг других звезд. И Европейское космическое агентство, и Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства вынашивают честолюбивые планы отправить в космос целые флотилии телескопов — реализация этих планов начнется с 2015 года. Телескопы будут «обучены» распознавать инфракрасные лучи, испускаемые водяным паром и другими газами в атмосфере внесолнечных планет, а присутствие этих составляющих может послужить признаком существования там жизни.

Философские вопросы о существовании иной жизни в нашей яростной Вселенной перестают быть уделом умозрительных рассуждений — в наши дни они тесно увязываются с развитием космонавтики, обеспечивающим возможность конкретного поиска жизни вне Земли. Современная астрофизика хорошо знает, что Вселенная устроена парадоксальным образом: чтобы плодиться и размножаться, живым организмам нужны мягкие и теплые условия, но само создание и дальнейшее поддержание таких условий сопряжено с событиями, в высшей степени опасными для жизни, — это противоречие существует от начала времен.

Атомы наших тел были выкованы в колоссальном очаге Большого взрыва и кузницах вспыхивающих звезд. Под воздействием космических лучей при температуре минус 250 градусов Цельсия они слепились в необходимые для жизни соединения, включая воду и моноокись углерода. Сама Земля сформировалась в результате столкновений астероидов, врезавшихся друг в друга на огромных скоростях, а океаны, возможно, произошли из кометного льда. Столкновения Земли с астероидами и кометами, хотя и сильно уменьшившиеся в количественном отношении, время от времени продолжают сеять смерть и разрушения на планете.

Недавно астробиологи попытались оценить роль магнитного поля в создании и поддержании условий жизни на Земле, а также, возможно, и на внесолнечных планетах. В 2005 году Европейское космическое агентство разработало долгосрочную программу изучения и мирного освоения космоса. Доклад об этой программе, озаглавленный «Взгляд во Вселенную: космическая наука в Европе в 2015–2025 годах», был подготовлен под руководством итальянского астрофизика Джованни Биньями. Авторы доклада в самом начале своей работы говорят о необходимости понять, какие физические условия влияют на появление жизни во Вселенной, и подчеркивают магнитную взаимозависимость между звездой и ее системой планет:

«Условия жизни на Земле поддерживает медленно эволюционирующее Солнце, которое обеспечивает почти постоянную освещенность планеты, а также защищает нас от высокоэнергетических частиц, поступающих от сверхновых Галактики. Солнечный ветер, срывающийся с горячей солнечной короны, пронизывает всю гелиосферу и выносит вихревые магнитные поля к периферии Солнечной системы, что решительным образом снижает приток космических лучей. Таким образом, чтобы дать полную характеристику условий, необходимых для поддержания жизни, особенно в ее развитой форме, мы должны как можно глубже понять магнитную систему Солнца, ее изменчивость, ее взрывчатый характер, проявляющийся в гигантских выбросах солнечного вещества, и взаимодействия между гелиосферой и магнитосферами и атмосферами планет».

Таким образом, вклад космоклиматологии сейчас более чем своевременен, ведь она показала, что во время бурного звездообразования интенсивные космические лучи преодолевают магнитную защиту Солнца. До сих пор жизни удавалось устоять даже в суровые времена «Земли-снежка». Что помогает нашей планете оставаться обителью жизни? Может быть, ее особенное местоположение в Галактике? Или тут работает гелиосфера, окружающая Землю и заботливо охраняющая ее? Если да, насколько необычна наша планета в этом отношении? И произошла ли жизнь на Земле только благодаря отсутствию космических лучей, то есть благодаря сильному солнечному ветру, испускаемому юным Солнцем? Ответы на эти вопросы помогут астробиологам сузить их список планет для поисков внеземной жизни.

Есть еще одна находка, которая рассказывает нам что-то очень важное об условиях жизни на Земле, — пусть даже мы не вполне понимаем, в чем смысл этого рассказа. Существует на удивление тесная связь между крайними значениями интенсивности космических лучей и крайними значениями колебаний в продуктивности биосферы (включая те пики высокой и низкой продуктивности, которые твердо установлены современной наукой) — связь, отчетливо проявляющаяся при подсчете углерода-13. Очевидно, космоклиматологический «стресс» может оказывать как благотворное, так и вредоносное воздействие на продуктивность биосферы. Возьмем для примера цветущие растения. Что вызвало их появление? Может быть, этому способствовало наступление ледников, сопровождавшееся бодрящими погодными условиями, быстрой континентальной эрозией и благодатным распространением питательных веществ?

Ну хорошо, продуктивность биосферы связана с изменениями климата. А какова связь между климатом и биоразнообразием, количеством видов? Ведь биоразнообразие — это еще один показатель благополучия жизни, весьма отличный от биопродуктивности. Как давно известно палеонтологам, исчезновение старых видов и появление новых, более приспособленных к изменившейся окружающей среде, — это свидетельство того, что изменения климата могут подталкивать эволюцию. Но история взаимоотношений земной жизни и космических лучей осложняется вмешательством комет и астероидов. Обрушиваясь на нашу планету, они приводят к колоссальным потерям в биоразнообразии, причем сопутствующие таким катаклизмам массовые вымирания не зависят от состояния климата в ту или иную эпоху. После вымираний появляется большое количество новых видов, пустоты заполняются, и биопродуктивность вновь набирает обороты. Такая жизнестойкость наводит на мысль, что жизнь каким-то образом запрограммирована справляться с кризисами, которые подкидывает нам яростная Вселенная.

Заряженные частицы из космоса также могут влиять на скорость эволюции более непосредственно, вызывая мутации генов. Когда поток космических лучей возрастал особенно сильно, ускоряла ли эволюция свой шаг?

И каковы были последствия этого возрастания для молекулярных часов, которые эволюционисты используют для определения сроков тех или иных событий? Ход часов во многом зависит от незначительных генных мутаций, выявить которые можно путем сравнения измененных и неизмененных участков ДНК, а для этого надо либо непосредственно читать молекулу ДНК, либо изучать небольшие отклонения в белках, создаваемых по указанию генов. Апеллируя к сравнительной геномике и протеомике, космоклиматология выходит на передовой рубеж биологии.

Прочесть руны Солнца

Исследования космических лучей, описанные в этой книге, начались с анализа вариаций в нынешнем поведении Солнца и рассмотрения того, как эти вариации влияют на изменения климата. Европейское космическое агентство выступило за более широкое изучение роли Солнца. В результате этой инициативы родился проект ISAC, в котором объединили свои усилия ученые из Имперского колледжа (Лондон), Шведского института космической физики (отделение в городе Лунд) и Датского национального космического центра (Копенгаген). Солнце проявляет себя трояким образом: оно испускает видимый и невидимый свет, гонит солнечный ветер, воздействующий на геомагнитное поле, и модулирует потоки космических лучей. Цель нового проекта — изучить все аспекты этого тройственного поведения и подсказать разработчикам климатических моделей, как они могут учесть влияние Солнца в компьютерных программах, имитирующих изменения климата.

По мнению Свенсмарка, заряженные частицы, проникающие в нижние слои атмосферы, оказывают большее влияние на климат, чем любые другие «агенты солнечного влияния». И уж куда большее, чем природные силы Земли, будь то извержения вулканов или события Эль-Ниньо, которые придают тепла восточной части Тихого океана и миру в целом.

Связь между космическими лучами, облаками и климатом остается сегодня такой же важной, какой она была на протяжении миллиардов лет. Любая попытка предсказать климат на годы и десятилетия вперед будет, следовательно, опираться на возможность прогнозировать вариации космических лучей. На таких коротких отрезках времени вряд ли можно ожидать серьезных перемен в нашем галактическом окружении, поэтому колебания потоков космических лучей, значимые для земного климата, полностью зависят от изменений в солнечном магнитном поле. И если кто-то хочет составить серьезный климатический прогноз, он должен прежде всего научиться предсказывать поведение нашего светила.

Вся ответственность здесь ложится на плечи физиков, специализирующихся на изучении Солнца. От них и так уже требуют предсказывать солнечную магнитную активность, потому что солнечные бури угрожают здоровью и даже жизни космонавтов, работающих на орбите, нарушают работу спутников в космосе и энергетических и коммуникационных систем на Земле. Те, кто планирует отправить пилотируемый корабль на Луну или Марс, тоже хотели бы уменьшить возможные риски и выбрать более спокойный период.

Попытки предсказать количество солнечных пятен в одиннадцатилетнем цикле предпринимаются в течение долгого времени, но успешными их пока не назовешь. В любом случае связь между числом солнечных пятен и частотой солнечных бурь весьма приблизительна. Например, в сентябре 2005 года, когда число пятен снизилось, приближаясь к солнечному минимуму, небольшая группа солнечных пятен разразилась девятью выбросами в течение одной лишь недели, обозначив тем самым начало одной из самых мощных хромосферных вспышек за последние полвека. Дэвид Хатауэй из Национального центра космических наук и технологий в Хантсвилле (штат Алабама, США) был донельзя удручен этим событием: «Солнечный минимум выглядит странно похожим на солнечный максимум».

Интенсивность космических лучей также весьма вольным образом согласуется с количеством солнечных пятен. Да, в общем и целом, когда солнечных пятен мало, интенсивность космических лучей достаточно высока, а когда пятен много, приток лучей снижен, и тем не менее здесь нет простого соотношения «один к одному». Реакция космических лучей на поведение Солнца может опережать рост или убыль солнечных пятен либо отставать от этих изменений на год и даже больше. В 2000 году продолжался солнечный максимум, и пятен на Солнце было весьма много, а вот количество заряженных частиц, проникающих в атмосферу Земли, снизилось без соблюдения каких бы то ни было «пропорций» — оно упало до уровня 1979 года, когда солнечных пятен было намного больше.

История космических лучей, рассказанная радиоактивными атомами, предполагает, что у Солнца есть долгие циклы в 200 и 1400 лет, связанные с усилением и ослаблением его магнитного щита. Некоторые доблестные эксперты пытаются прочесть будущее по солнечным рунам, прокрутив циклы вперед. Одни утверждают, что солнечное магнитное поле, более чем удвоившее свою силу в течение двадцатого века, будет оставаться сильным до 2020-х годов, а это означает, что приток космических лучей не увеличится, облаков станет еще меньше, и продолжится рост среднемировой температуры. Другие подозревают, что напряженность поля достигла своего пика и вскоре начнет падать.

Кто прав? Ответ туп и печален: никто. Поведение Солнца пока предсказать невозможно. Даже одиннадцатилетний и двадцатидвухлетний солнечные циклы не поняты до конца. Причины более продолжительных циклов ускользают от исследователей, хотя кое-какие идеи и возникают. Например, было высказано предположение, что все дело — в покачиваниях солнечного ядра, вызываемых гравитационным воздействием планет, которые обращаются вокруг нашего светила. Если мы хотим грамотно предсказывать поведение космических лучей и, таким образом, составлять надежные климатические прогнозы, нужно, чтобы физика Солнца — и теоретическая, и наблюдательная — сделала не один шаг вперед.

Как упоминалось в пятой главе, Юджин Паркер из Чикагского университета, пионер исследований солнечного ветра, хотел бы, чтобы число солнцеподобных звезд, за магнетизмом которых налажено постоянное наблюдение, возросло с десяти до тысячи. Это помогло бы лучше понять поведение нашего Солнца и осознать, на какие крайности оно способно. Исследователи уже зафиксировали на других звездах спады магнитной активности, которые можно сопоставить с малым ледниковым периодом на Земле, но вот пики активности, аналогичные той, которая, возможно, происходила на Солнце при внезапных потеплениях в ходе последнего ледникового периода, пока засечь не удалось.

Ученых, стремящихся научиться предсказывать поведение нашего светила, обескураживает то, как трудно оказалось измерить силу его магнитного поля. Это связано с тем, что области над солнечными полюсами мы видим сбоку — и с Земли, и с большинства космических станций. Космический аппарат «Улисс» ходит по околосолнечной орбите над полюсами и измеряет магнитное поле Солнца в космосе, однако на аппарате нет приборов, способных дистанционно измерить напряженность поля на видимой поверхности светила. Этот недостаток будет устранен при последующих космических полетах к Солнцу.

Космическому аппарату ЕКА «Спутник Солнца» (Solar Orbiter) предстоит долгий путь к нашему светилу. В течение семи лет он будет маневрировать в космосе, используя сближения с Венерой, чтобы в конечном итоге выйти на удобную околосолнечную орбиту, откуда инструменты аппарата увидят один из полюсов Солнца под углом 38 градусов (с Земли этот полюс можно увидеть лишь под углом 7 градусов).

Есть также предложение запустить в космос аппарат «Околополярный спутник Солнца» (Solar Polar Orbiter) с солнечными парусами, который обращался бы вокруг Солнца таким образом, чтобы проходить над северным и южным полюсами светила на расстоянии, равном половине дистанции от Земли до Солнца. Это даст физикам возможность впервые воочию увидеть, как работает магнитное поле на видимой поверхности Солнца. Ученые надеются, что с помощью «Околополярного спутника» они смогут лучше предсказывать солнечное поведение.

Вы рано затаили дыхание. «Спутник Солнца» выйдет в космос не раньше 2015 года, а взглянуть на полюс Солнца под хорошим углом ему удастся только в 2020-м. Что касается «Околополярного спутника», то он пока существует лишь в воображении проектировщиков. Хотя ЕКА запланировало начать его разработку в 2015–2025 годы, ученые и инженеры, привлеченные к конструированию аппарата, будут считать, что им повезло, если их солнечный парусник выйдет в плавание вокруг Солнца к концу этого срока.

Между тем переменчивое настроение Солнца слишком плохо изучено, чтобы делать хоть какие-то прогнозы о солнечной активности, а ведь космические лучи должны стать основой серьезных предсказаний изменений климата в двадцать первом веке. В 2005 году шведские ученые сообщили, что следующий солнечный цикл начнется в 2006 году и будет самым слабым за сто лет. Напротив, американский прогноз, сделанный всего лишь на несколько месяцев позже, гласил, что солнечный цикл начнется в 2007 году и будет очень похож на энергичные циклы 1970-х и 1980-х.

В 2006 году британские математики, специализирующиеся на изучении солнечных процессов, иронично прокомментировали эти потуги. Обратив внимание, что гипотезам не хватает твердого физического обоснования, Стивен Тобиас, Дэвид Хьюз и Найджел Вайсс предложили свою догадку:

«Конечно, интересно размышлять на тему, в каком направлении двинется солнечный магнетизм в будущем. Последние циклы солнечных пятен были исключительно энергичными… Хорошо известно, что в прошлом после подобных эпизодов высокой активности наступали драматические периоды почти полного прекращения магнитной деятельности, такие как Великий Минимум. Хотя мы не осмелимся предположить, что это случится скоро, было бы явно интересно понаблюдать такой коллапс магнитного поля».

Часто говорят, что жить в интересные времена — это проклятие. Великий Минимум, упомянутый здесь, — это минимум Маундера, случившийся триста лет назад и совпавший с самой холодной фазой малого ледникового периода. Похожие приостановки в солнечной деятельности довольно часто вызывали оледенения, описанные в первой главе, как те, что время от времени перекрывали Шнидейохский перевал в Альпах. Так как физика Солнца полна неопределенностей, космоклиматологи, возможно, не должны торопиться со своими выводами о том, что случится в двадцать первом веке.

Конструктивный взгляд на сегодняшнее изменение климата

Так как космические лучи — это главная движущая сила изменений климата, любая попытка предложить публике надежный климатический прогноз на десятилетия вперед будет, с точки зрения науки, поспешностью. Неправильно предсказанное повышение или понижение среднемировой температуры может направить политических деятелей по ложному пути и окажет людям медвежью услугу. Джозеф Смагорински еще в 1970-е годы, на заре компьютерного моделирования климата, предупреждал: «Дать неверный прогноз погоды хуже, чем не дать его вовсе».

С той поры компьютеры стали намного мощнее, однако допущения и методы, используемые в климатических моделях, кажутся даже более туманными. Возможное влияние двуокиси углерода на среднемировую температуру оставлено на личное усмотрение разработчиков моделей. Несмотря на неоднократные заявления о том, что нужно сузить поле прогнозов, предсказания потепления в двадцать первом веке варьируются в широком диапазоне — от робкого повышения среднемировой температуры на 0,5 градуса Цельсия до скачка на целых 6 °C, однако большинство специалистов предсказывают повышение среднемировой температуры на 3–4 градуса Цельсия. Журналисты, борцы за окружающую среду, политики и некоторые ученые из числа наиболее ярых приверженцев ТГП обсуждают последствия потепления в духе: «Близится конец света!»

Уточнить воздействие двуокиси углерода — не то же самое, что посоветовать беззаботно жечь ископаемое топливо. Это клевета, что любой, кто сомневается в неизбежном ужасном глобальном потеплении, льет воду на мельницу нефтяных компаний. На самом деле есть весомые причины экономить природное топливо: снизить уровень вредного для здоровья дыма, сберечь ограниченные топливные запасы нашей планеты, удержать низкие цены на энергетические ресурсы, чтобы помочь беднейшим нациям. Но это не имеет ничего общего с климатом.

Как было отмечено в третьей главе, форсированное образование облаков за счет воздействия космических лучей объясняет важные черты нынешних изменений климата от десятилетия к десятилетию. Пересмотр климатической роли углекислого газа — это уже вчерашний день. Теперь срочная задача климатологии — объяснить, почему воздействие двуокиси углерода оказывается меньше, чем ожидалось.

Разработчики климатических моделей в последние годы двадцатого столетия сосредоточивались именно на углекислом газе, потому что, казалось, без учета этого парникового газа предсказание климата становилось недостижимым. Якобы, если у вас будут правильные цифры — в смысле, если вы хорошенько оцените вероятное увеличение доли углекислого газа в атмосфере и его влияние на температуру, — то легко сможете подсчитать изменения среднемировой температуры и выведете ожидаемые количества осадков. То, что подобные компьютерные модели страдали врожденными дефектами из-за их неумения учитывать фактор облаков, нисколько не умеряло амбиции разработчиков. Однако и поныне долгосрочные климатические предсказания невозможны в принципе, потому что никто не может сказать, что Солнце будет делать завтра или как оно повлияет на земную облачность.

То, что удручает мнимых предсказателей климата, может приободрить мир в целом. И не только потому, что большинство тревожных прогнозов о глобальном потеплении, похоже, были сильно преувеличены. Если мы будем лучше понимать механизм климатических изменений, то сможем дать более осмысленный совет тем, кто живет в беднейших странах мира и для кого никогда не прекращающиеся изменения климата могут означать нищету или смерть.

Если людям, пытающимся совладать с разрушительным наводнением, или сильной засухой, или страшным ураганом, рассказать, что всему виной глобальное потепление, это даст примерно такой же эффект, как если бы жертвам дорожного происшествия предложили выслушать лекцию о международном положении. Подобные слова не ведут к конструктивным действиям. Что касается предсказаний вероятных наводнений, засух или ураганов, то сегодня компьютерные модели, построенные на том, что климатом управляет углекислый газ, выдают для разных регионов до смешного противоречивые предсказания.

Даже если космоклиматологи не будут предпринимать попытки делать долгосрочные прогнозы и ограничатся средне- и краткосрочными, они должны предложить более обоснованный взгляд на причины и тенденции климатических перемен в различных регионах. Их прогноз должен помочь населению этих районов предотвратить или смягчить тяжелые последствия. Точно вычисленные изменения облачности помогут нам заранее знать, каким будет потепление или похолодание, и Антарктика с ее диссидентским поведением — только один пример преимущества такого знания.

Но, пожалуй, самое важное — это научиться предсказывать азиатские муссоны в тропических и субтропических широтах. Яркий летний свет приводит муссоны в действие, и они покрывают огромные пространства пуховым одеялом облаков. Благосостояние миллиардов людей зависит от муссонных дождей. В прошлом выпадение муссонов вело к массовому голоду, а иногда и к исчезновению цивилизаций. Огромное количество ливневых дождей приводит к катастрофическим наводнениям в Индии, Бангладеш и Китае.

Группа китайских ученых под руководством профессора Ван Юнцзиня из Нанкинского университета изучала сталагмиты в одной из пещер южного Китая. Проанализировав слои годового роста сталагмитов, ученые пришли к выводу, что на протяжении последних девяти тысяч лет прослеживается четкая связь между солнечной активностью и влажностью в сезон дождей. Хотя из доклада группы Ван Юнцзиня, сделанного в 2005 году, следовало, что причиной всему — яркость Солнца, данные тем не менее говорят сами за себя. Высокая интенсивность космических лучей ослабляет муссоны, а низкая интенсивность — наоборот, провоцирует щедрые осадки. Если изучить метеосводки за последние пятьдесят лет, то такую же связь между солнечной активностью и летними дождями можно усмотреть не только в Азии, но и в других регионах, даже в подверженной засухам африканской Сахели.

Более определенно высказался К. М. Хиремат, гелиофизик из индийского Института астрофизики в Бангалоре, изучивший вариации индийских муссонов за последние сто тридцать лет. На конференции по международной программе «Жить со звездой», состоявшейся в Гоа в 2006 году, Хиремат вспомнил теорию Свенсмарка о космических лучах и облачности: «Похоже на то, что причинно-следственная связь между выпадением осадков, солнечной активностью и галактическими космическими лучами все-таки существует».

В результате появилась увлекательная задачка о трехсторонней связи между муссонами, Солнцем и событиями Эль-Ниньо, повышающими морские температуры в экваториальной части Тихого океана. Суровые засухи в Индии иногда следуют за событиями Эль-Ниньо, но не всегда, и слепое использование тихоокеанских данных приводит и к ложным тревогам, и к неудачно предсказанным засухам. Метеорологи только выиграют, если примут в расчет Солнце.

И если окажется, как предполагает Хиремат, что циклы влажных и сухих муссонов связаны с двадцатидвухлетним солнечным циклом, тогда можно планировать хозяйственные мероприятия в соответствии с этими данными. Фермеры могли бы решить вопрос с посевами, а оросители — приспособить водоразборные системы к требованиям космических лучей. И для агентств по оказанию помощи пострадавшим от голода или стихийных бедствий совет будет таким же, какой дал Иосиф фараону: запастись едой в урожайные годы, чтобы спастись от неминуемых семи лет голода. Климатическая наука должна быть полезной. Мы бы хотели закончить на этой ноте, а не на длительных размышлениях о продолжающемся парниковом потеплении или похолодании, возможном в том случае, если Солнце вернется к своему угрюмому настроению малого ледникового периода. Желание во что бы то ни было предсказывать будущее еще до того, как процессы полностью осознаны, может сбить ученых с пути. Каждому, кто нетерпеливо ждет предсказаний погоды, следует вспомнить ректора Тюбингенского университета Иоганна Штёфлера, чьи прогнозы были увековечены Вольтером в «Философском словаре».

«Один из самых знаменитых математиков в Европе, а именно Штёфлер, процветавший в конце пятнадцатого — начале шестнадцатого столетий и долго трудившийся над реформой календаря, предложенной еще Констанцским собором, предсказал вселенский потоп на 1524 год. Потопу следовало нагрянуть в феврале месяце. Ничего более правдоподобного и быть не могло — ведь Сатурн, Юпитер и Марс сошлись в знаке Рыб! Все народы Европы, Азии и Африки, услышавшие о предсказании, пришли в смятение. Все ожидали потопа, хотя в небесах сияли радуги. Несколько писателей-современников отметили, что жители приморских краев Германии поспешили продать свои земли за бесценок тем, у кого было больше денег и кто оказался не столь легковерен, как они. Все обзавелись лодками на манер ковчега. Тулузский доктор по имени Ориоль распорядился о сооружении большого ковчега — для него самого, его семьи и друзей. Такие же меры предосторожности принимались почти по всей Италии. Наконец наступил февраль, а с неба не упало ни капли воды: никогда ранее февраль не был столь сухим, и никогда ранее астрологи не были столь сконфужены. Тем не менее ни разочарования в них, ни небрежения к ним с нашей стороны не последовало: почти все князья продолжают обращаться к ним за советами».