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.