Планета бурь

Олег Фейгин, 2016

Испепеляющий зной пустынь и леденящий полярный холод, многолетняя сушь и «разверзнутые хляби небесные» – все это погода и климат нашей планеты, вызывающие столько озабоченности в последнее время. От чего зависят капризы погоды? Что следует ждать от климата будущего? Как создавать правдивые метеопрогнозы? Можно ли изменить погодные условия к лучшему? Эти и многие другие будоражащие проблемы автор обсуждает с точки зрения современной науки, рассказывая о странностях климатических изменений в истории человечества. В книге рассмотрены парадоксы, связанные с ролью климата в зарождении жизни на нашей планете и его влиянием на организм человека и даже энергетику будущего. Издание адресовано всем, кто интересуется вопросами изменений климата в атмосфере и гидросфере нашей планеты.

Часть 1. Климат планеты

Есть некая случайность, выпавший шанс в игре Вечности. И небесная скала поразила Землю именно в этот момент, вызвав все последствия. Но что, если бы она промахнулась? Если бы Случай решил иначе и космическая бомба миновала бы Землю? Каким был бы сейчас мир?

Гарри Гаррисон. Запад Эдема

Все формы жизни на Земле тесно взаимосвязаны. Мы имеем общую органическую химию, общее эволюционное наследие. И в результате наши биологи крайне ограничены в своих исследованиях. Они изучают только один тип биологии, только одну тему в музыке жизни. Является ли этот слабый и пронзительный мотив единственным голосом на тысячи световых лет? Или существует своего рода космическая фуга с темами и контрапунктом, гармониями и диссонансами, миллиардами разных голосов, исполняющих музыку жизни в Галактике?

Карл Саган. Космос. Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации

Ливни, дожди, засухи… Как много они значат для жизни на Земле, какую огромную роль играли в судьбе человечества в прошлом и продолжают играть еще и сейчас! Нельзя сказать, что зависимость людей, их хозяйственной деятельности от капризов погоды ныне такая же, какой была раньше. Но она есть, и довольно значительная. А ведь люди испокон веков мечтали освободиться от этой неволи. Излишек воды — плохо, недостаток — тоже. Земледелец же, посеяв хлеб, хотел, чтобы он хорошо уродился, не вымок бы, поливаемый бесконечными дождями, или не выгорел под палящими лучами солнца. И молил об этом небо, надеясь на милость Господа. Иногда казалось, что мольба достигла цели: на изнывающее под зноем поле вдруг выпадал благодатный дождь. Если Всевышний оставался глухим и не желал помочь, земледелец покорно винил себя — чем-то, видно, прогневал Бога… Одно же удачное совпадение — то есть когда дождь прошел бы наверняка и без молитвы — подстегивало и мысли, и чувства верующих. Священнослужители ловко пользовались этим.

А где-то в стороне от религиозного мировосприятия и даже нередко вопреки ему, исподволь, из века в век копились наблюдения — основа опытного знания, приобретавшего форму примет. Люди практичные доверяли больше приметам, чем молитвам.

По сути дела, примета — тот же прогноз, только составленный интуитивно, не по науке. Он может осуществиться, а может и нет. И вовсе не только потому, что составлен ненаучно, а потому главным образом, что природа не застрахована от случайностей. Даже сегодня составление прогноза — дело непростое, хотя научная и техническая оснащенность современного специалиста, работающего в этой области, не идет ни в какое сравнение с тем, чем располагали люди прошлого. Надо учесть множество факторов — а многие из них еще не изучены, не выявлены, не все взаимосвязи в природе вскрыты. Нужно переработать гигантский объем научной информации — настолько гигантский, что без помощи мощных компьютеров с ним справиться практически невозможно, — и получить в результате прогноз, надежность которого не всегда, вернее, не стопроцентно гарантирована. Особенно это относится к прогнозам долгосрочным.

Проблема повышения надежности прогноза опасных природных аномалий, подобных всемирному потопу, ураганам и цунами, стоит перед целым комплексом наук, изучающих глобальные геофизические процессы. Наряду с ней метеорологи и геофизики не оставляют свою самую заветную мечту — управлять развитием погодных явлений. Многие ученые все еще считают подобные проекты беспочвенными фантазиями, однако в ограниченных масштабах уже найдены практические решения, такие как распыления особых реагентов над тучами или обстрел их специальными снарядами. Целый ряд подобных успешных экспериментов позволяет надеяться, что здесь можно достичь решающих успехов. Так, рассеивание в атмосфере специальных веществ для прояснения неба над аэропортом или стадионом, заставляющее тучу пролиться дождем или, наоборот, ускорить и усилить конденсацию водяных паров в атмосфере с образованием облачности, является общепризнанной практикой.

Большая часть нашей планеты покрыта водой. Океанами и морями залиты три четверти поверхности Земли, а сушу покрывают бесчисленные реки и озера. Снег и лед на вершинах множества гор является водой в замороженном состоянии. Существенная часть земной воды находится в небе: каждое облако содержит тысячи, иногда миллионы тонн воды в форме пара. Время от времени часть этого пара превращается в капли жидкости и падает на землю — иными словами, идет дождь. Даже воздух, которым мы дышим, содержит определенное количество водяного пара.

Специалисты установили, что сейсмическая активность в восточной части Тихого океана как-то связана с уникальным природным явлением Эль-Ниньо. Эль-Ниньо — это резкое потепление океанских вод и находящихся над ними атмосферных масс, очень необычное течение, сравнимое с Гольфстримом, оно охватывает экваториальные районы океана с интервалами в несколько лет — и так же неожиданно исчезает. По данным геофизиков, несколько последних случаев Эль-Ниньо довольно точно совпадали с возрастанием числа землетрясений в Восточно-Тихоокеанском регионе вблизи острова Пасхи. И хотя полученной статистики еще недостаточно, чтобы полностью исключить случайное совпадение явлений, изучение возможной корреляции между метеоокеанологическими и сейсмологическими процессами в глобальном масштабе вызывает громадный интерес. Между тем последние геологические и палеоклиматологические данные, полученные при анализе колонок льда, поднятых при бурении в Андах, указывают, что явление Эль-Ниньо существует на Земле, по крайней мере, на протяжении последних 100 тысяч лет.

Наблюдения показывают, что при горизонтальном ветре на уровне верхней части облака оно начинает клониться к Земле, и положительный заряд смещается в направлении ветра. Со временем такое смещение приводит к появлению в «передней» части грозы центра с положительным зарядом

Глобальная международная программа изучения непогоды наглядно показала, что во время многих гроз, особенно осенью и зимой, электрическое поле атмосферы приобретает необычное строение. Большинство молний, возникающих на «переднем крае» бури, обладает положительным зарядом, то есть ток течет с облака к поверхности Земли. Однако всего лишь в сотне километров, в «тылу» грозы, большинство молний несет к Земле отрицательный заряд. Такое биполярное строение грозы было обнаружено, когда несколько локальных сетей, измеряющих атмосферное электричество, объединили в единую систему. В качестве предполагаемой причины биполярности гроз называют горизонтальные ветры.

Обычно грозовое облако имеет вертикальное строение: верхняя часть несет положительный заряд, а нижняя — отрицательный.

Экологи уже давно изучают воздействие на состав и свойства атмосферы выбросов судовых двигателей в открытом море. С искусственных спутников Земли легко прослеживаются длинные полосы выбросов, оставляемых проходящими кораблями. Формирующиеся при этом искусственные облака сильно отличаются от природных прототипов и имеют разную отражающую способность. Исследователи установили, что поступающие в воздушное пространство продукты сгорания судовых двигателей заметно меняют характер облачности, которая становится намного мощнее и интенсивнее препятствует уходу тепла с поверхности океана во внешнее пространство, усиливая тем самым парниковый эффект. Это в серьезной мере меняет существующие представления, будто роль отражающей способности облаков, связанных с транспортно-промышленной деятельностью человека, незначительна.

Как все начиналось

Наша Вселенная возникла в чудовищном катаклизме Большого взрыва из загадочного состояния бесконечно малой сингулярности — «запрещенной реальности» — точки со свитым в один сверхмикроскопический клубок пространством — временем. В первые мгновения новорожденная Вселенная представляла собой кипящее варево полей и сил. И лишь позже появились элементарные частицы, из них образовались атомы водорода; облака водорода, сжатые силами гравитации, превратились в звезды первого поколения. Так мрак «темных веков», выражаясь словами астрономов, озарился вспышками первых звезд, в которых зажглись топки реакций ядерного синтеза, превращающего самое распространенное космическое топливо — водород — в гелий.

Прошло еще несколько сотен миллионолетий, и самые крупные звезды после истощения запасов водорода начали взрываться. При этом давление и температура в недрах звезды достигали колоссальных величин. Это создавало необходимые условия для синтеза тяжелых элементов. Все элементы тяжелее гелия, в том числе необходимые для жизни углерод, кислород, азот, фосфор, сера и др., могли образоваться лишь во время таких взрывов. Звезды первого поколения стали фабрикой по производству атомов, необходимых для будущей жизни.

Взрывы первых звезд создали тяжелые элементы и рассеяли их в космосе. Из новых скоплений атомов образовались звезды второго поколения, в том числе и наше Солнце (об этом читатели могут подробно узнать в книге «Взрыв мироздания». СПб., «Страта», 2016). Облака рассеянных частиц, не вошедших в состав центральной звезды, вращались вокруг нее и постепенно разделялись на отдельные сгустки — будущие планеты. Именно на этом этапе мог начаться синтез первых органических молекул, и на далеком горизонте космической эволюции возник призрак живой материи. Таким образом, молодая Земля могла иметь в своем составе большое количество органики уже с самого начала своего существования.

Около 5 млрд лет на месте нашего вселенского дома или, как поэтично сказал выдающийся американский астроном и популяризатор науки Карл Саган, космического зáмка с усадьбой из шлейфа планет, их спутников, астероидов и метеоров вращался колоссальный диск из пыли, газа, собравшегося в гигантские комки на месте будущих небесных тел. Через это газопылевое облако протопланетной туманности тускло светился диск новорожденного Солнца, лучи которого переливались на мириадах кристалликов льда. Именно эти мельчайшие частички застывшей воды и вошли в ядра формирующихся планет, в том числе Земли.

Возможность органического синтеза в протопланетном облаке предполагалась давно, но для этого опять-таки необходимо твердо доказать наличие водных кристалликов льда. При помощи сложных расчетов и компьютерного моделирования ученые показали, что в газово-пылевых протопланетных облаках имеются необходимые условия для синтеза разнообразной органики из водорода, азота, угарного газа, цианистого водорода и других простых молекул, обычных в космосе. Непременным условием при этом является присутствие в жидкой среде мелкодисперсных водных капелек твердых частиц-катализаторов, содержащих железо, никель и кремний.

Протопланетное облако

По мере уплотнения первичного планетарного облака его температура медленно повышалась, и постепенно в формирующемся ядре Земли запускались глубинные физико-химические процессы. На фоне радиоактивного распада и уплотнения исходного вещества там развивались колоссальные давления и температуры, приводящие к сложным превращениям ядерной сердцевины. Все это сопровождалось интенсивной генерацией парогазовых соединений, в своем абсолютном большинстве состоящих из воды или отдельных ее элементов.

В конечном итоге земная кора приняла вид тонкой оболочки, напоминающей некий кислородный каркас из окисленных пород. При этом в ядре планеты стали скапливаться металлогидриды с карбидом железа, из зон высокотемпературного давления начался интенсивный дрейф водорода и углеводородов. Приближаясь к поверхности, эти вещества принялись интенсивно реагировать с приповерхностными окислами, бурно выделяя углекислый газ и водяной пар.

Вместе с Землей возник и круговорот химических веществ в природе. Одни элементы поступали из сдавленных разогревшихся недр Земли, формируя первичную атмосферу и океаны. Другие приходили из космоса в виде звездопада осколков протопланетного облака — астероидов, метеоритов и комет. В атмосфере, на поверхности суши и в водоемах все эти вещества смешивались, вступая друг с другом в химические реакции, и превращались в новые соединения, которые, в свою очередь, тоже вступали в реакции друг с другом.

Гидрогеологи и геофизики утверждают, что подобным образом через жерла вулканов, трещины в разломах коры и гейзеры за всю историю существования твердой оболочки Земли на ее поверхность попало несколько млрд км³ воды с растворенными в ней минеральными веществами. Причем компьютерные модели показывают, что не менее трети выбросов составил водяной пар, значительная часть которого впоследствии распалась под лучами Солнца на водород и кислород.

Оставшееся количество водных соединений путем постоянного накопления составило водную оболочку Земли — гидросферу. С самого начала вместе с парами воды и оксидом углерода выделялось много соединений азота, фосфора, серы, которые были вовлечены в кругооборот нарождающейся живой материи.

Сегодня гидрогеологи оценивают суммарный объем гидросферы приблизительно в 1,5 млрд км³ воды, покрывающей три четверти поверхности нашей планеты. Именно поэтому из космоса Земля выглядит как голубая планета, покрытая проседью облаков с небольшими вкраплениями суши. Если распределить всю воду по поверхности, то она покроет ее трехкилометровым слоем! Правда, лишь чуть больше 2 процентов гидросферы составляет живительная пресная вода — все остальное соленая морская. При этом половина всей пресной воды заморожена в ледниках и полярных шапках, а еще почти столько же воды скрыто в земных недрах. И лишь несколько процентов живительной «сладкой» влаги накоплено в пресноводных озерах, реках и болотах, и еще 13 тысяч тонн воды находится в ближайших слоях атмосферы — тропосфере.

Состав гидросферы

Водный покров Земли надежно скрывает то, что творится в океанской пучине. Этот мир еще ждет своих исследователей, которым предстоит изучить тысячи квадратных километров загадочного ледяного царства мрака и колоссального давления. Надо признать, что пока еще путешествия в морские глубины не менее трудны, чем полеты в космос. Действительно: сравните количество сообщений прессы о стартах пассажирских ракет на орбиту Земли и глубоководных многокилометровых погружений батисфер с батискафами! Открытия на морском дне вполне могут сравниться с космическими сенсациями — так, к примеру, придонные микровулканы, или геотермальные гейзеры, «черные курильщики», способны перевернуть наши представления о зарождении жизни на Земле.

Даже полная и точная карта океанического дна всех морей и океанов появилась только в конце прошлого века, основываясь на данных дистанционного зондирования искусственными спутниками Земли. Но и сейчас, в отличие от картографии суши, детали подводного рельефа все равно имеют погрешность в несколько километров! То, что удалось узнать, показывает: на морском дне скрыты далеко не только однообразные песчаные равнины мелководья. Оно изобилует ложбинами, ущельями, горными хребтами и вершинами, вздымающимися ввысь вплоть до поверхности. А сколько еще там таится завораживающих тайн! Даже поверхности Луны и планет земной группы — Меркурия, Венеры и Марса — изучены гораздо лучше, чем дно Мирового океана.

Довольно долго ученые считали, что уже на глубине нескольких сотен метров начинается безжизненная пустыня, однако в 90-х годах прошлого века было надежно установлено, что глубоководные области морей и океанов изобилуют жизнью. Перед завороженными морскими биологами и ихтиологами предстают мириады червей, копошащихся в придонном иле, рядом с ними кособоко взбираются на подводные гряды миллионы слепых рачков и моллюсков. Сообщество ракообразных дополняют глубоководные угри и гигантские медузы, состоящие на 90 % из воды (водный состав этих желеобразных созданий отлично помогает им выдержать гигантское давление, и популяции медуз составляют до половины всей животной биомассы, населяющей глубины океана).

Тайны глубин гидросферы всегда привлекали ученых, но рассказывать о них долгое время приходилось писателям-фантастам, вспомним хотя бы «Двадцать тысяч лье под водой» Жюля Верна, «Марракотову бездну» Конан Дойла и «Тайну двух океанов» Григория Адамова. При крайней бедности морской флоры фауна глубин поражает воображение необычными формами и исполинскими размерами. Надо заметить, что суровые условия существования накладывают свой отпечаток на глубоководное сообщество рыб, морских животных и ракообразных, все они связаны незримыми нитями питательных цепочек и чем-то напоминают части единого универсального обитателя глубин. Можно вообразить, как это неисчислимое количество (среди которых на 80 % незнакомые виды) бактерий, медуз, червей и рачков общими усилиями преобразует мертвенную пустыню придонного ила в некое подобие цветущего сада. Открывающиеся перспективы исследования глубоководной жизни приводят морских биологов в ажиотаж, ведь только количество неизвестных пока видов глубоководных червей может превысить миллионную отметку!

Получается, что вода не только вырастила семена жизни на эволюционном древе, но и скрывает большую часть его плодов в своей океанской пучине, оставляя над поверхностью лишь краешек кроны.

Впрочем, десятки сотен миллионолетий водная среда нашей планеты оставалась единственной биосферой — сферой первичной жизни, и лишь в последние несколько сот миллионов лет живые организмы начали освоение суши. Но многие из них возвратились назад, так что ныне большинство видов животных все же составляют именно морские обитатели.

Первое звено пищевых цепочек в живом сообществе организмов — биоценозе «черных курильщиков» — составляют бактерии, синтезирующие органические молекулы из ядовитой смеси. В следующих звеньях уже и бактерии, и добытая ими органика служат пищей многощетинковым червям, морским звездам, моллюскам и креветкам

Не так давно ученый мир снова всколыхнули бурные споры о происхождении жизни на Земле, и начало им положило открытие уникальных донных геологических образований, «черных курильщиков». Это гидротермальные источники, напоминающие конические трубы, из которых непрерывно вьются густые черные клубы дыма. Перегретая до 300 °C и насыщенная различными минералами вода поднимается по этим трубам из недр земли, вынося на поверхность солевой раствор марганца, меди, серы и цинка. Первые исследователи, рискнувшие приблизиться к выбросам «черных курильщиков», посчитали, что наткнулись на самую неблагоприятную среду для белковой жизни на нашей планете.

Каково же было их удивление, когда выяснилось, что в окрестностях этих миниатюрных водных вулканов, покрывающих все вокруг слоем ядовитых сернистых отложений, бурлит жизнь глубоководных организмов! И уже вскоре на основании полученных данных родилась теоретическая модель возникновения жизни на Земле в островках геотермальных вод, окружающих древнейшие «черные курильщики». Некоторые биологи даже доказывают, что обитатели этих подводных оазисов, как чемпионы среди экстремалов, вполне могли бы прижиться даже где-нибудь далеко за пределами Земли, скажем, на планетах Солнечной системы. Ведь они не только легко переносят холодную тьму колоссального давления, но и активно размножаются в этих жизненно необходимых им условиях.

Надо сказать, что почти все из этих организмов выглядят крайне необычно — так, у глубоководных креветок вместо глаз на спине расположены инфракрасные рецепторы, напоминающие наши приборы ночного видения. У глубоководных червей отсутствует желудочно-кишечный тракт, и они питаются благодаря симбиозу с серобактериями, поселяющимися в их телах и снабжающими их питательными веществами, синтезированными из сероводорода.

Чтобы по-настоящему разобраться в роли воды при зарождении живого на нашей планете, надо еще раз вернуться к вопросам: что же в действительности представляет собой живая материя и как может происходить ее зарождение во Вселенной?

По одной из наиболее распространенных гипотез первые органические соединения «получились» в первичной атмосфере Земли, насыщенной метаном, аммиаком, водородом, водными парами и пронизанной молниевыми разрядами. Предполагается, что именно атмосферное электричество и ультрафиолетовое излучение подтолкнуло первичную природу к образованию «кирпичиков» жизни около миллиарда лет назад. Под действием молний и потоков ионизирующего излучения эти вещества расщеплялись на активные компоненты — свободные радикалы, случайным образом составляющие все более сложные молекулы.

Ученые-биохимики решили проверить эту гипотезу и в середине прошлого века впервые попытались поставить ряд экспериментов по самозарождению жизни. Они построили лабораторную установку из двух сообщающихся сосудов, в одном из которых была вода, а в другом — модель атмосферы первобытной Земли из смеси газов: водорода, метана, аммиака и водяных паров. Когда ученые создали в такой атмосфере миниатюрную грозу, пропустив серию электрических разрядов, вода в сосуде побурела, а ее химический анализ показал, что там образовалось множество «кирпичиков» живой материи — аминокислот и других органических молекул. При продолжительной циркуляции и непрерывном воздействии электрических разрядов смесь порозовела, а еще через некоторое время потемнела и поменяла цвет на грязновато-красный. Детальные анализы показали, что в ней появились аминокислоты, представляющие собой элементы белковых молекул.

Этот знаменитый опыт, вошедший впоследствии во все учебники биологии, наглядно продемонстрировал, что чисто случайные химические реакции в смеси простых молекул «мертвого» неорганического вещества могут приводить к образованию все более и более сложных «полуживых» органических молекул и веществ, на основе которых построено все живое.

Вспомним теперь об уникальном жизненном ареале морских существ, окружающих «черных курильщиков». Современные опыты биохимиков показали, что смеси газов, выделяющихся в местах прорыва горячей лавы на дне Мирового океана, содержат те же циклы взаимосвязанных химических реакций, которые характерны для живых клеток. Этот новый взгляд на возникновение первичных «кирпичиков» жизни — нуклеотидов, из которых построены все генетические молекулы, существенно дополняет классические эксперименты, в которых так и не удалось получить живые клетки.

Здесь нужно заметить, что со времени открытия глубоководных «черных курильщиков» среди ученых не утихает полемика. Так, гидробиологи-глубоководники на основании своих сенсационных результатов утверждают, что жизнь самозародилась на дне первичного океана при высокой температуре, тогда как ихтиологи продолжают традиционно ссылаться на приповерхностные слои мелководных теплых водоемов, хорошо прогреваемых солнечными лучами. Существует и третья группа аргументов, включающих новейшие астрофизические данные, указывающие на то, что наше светило во времена образования Земли было намного более тусклым, чем сейчас, и поток солнечной энергии так мал, что земной океан вполне мог находиться под ледяным панцирем. Эту ледяную кору постоянно пробивали потоки «строительного материала», оставшегося от протопланетного диска. Сюда входили крупные метеоры и астероиды в виде гигантских глыб льда. Подобная бомбардировка выплескивала потоки лавы, которая приносила в первичный океан органические вещества. Космические удары вместе с извержением вулканов интенсивно перемешивали воды океана и атмосферу.

Конец ознакомительного фрагмента.