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 (SO₂) 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.