Хенрик Свенсмарк - Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата

• Название: Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата
• Автор: Хенрик Свенсмарк
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-91678-093-2

Как образуются облака? Оказывается, «виновники» этого процесса — космические лучи. А от облачного покрова зависит температура нашей планеты. Больше космических лучей — на Земле холоднее. Потоки заряженных частиц из космоса уменьшаются — планета теплеет. Так все просто? Нет, конечно же, не просто; картина куда более сложная и… захватывающая!

В своей книге, впервые выходящей на русском языке, датский физик Хенрик Свенсмарк и английский писатель, популяризатор науки Найджел Колдер объясняют, каким образом наше родное Солнце и далекие галактики участвуют в формировании погоды над нашими головами.

---

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

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

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

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

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

«Кто это заказывал?»

В субатомной толчее, царящей в верхних слоях атмосферы, рождается всего лишь один вид заряженных частиц, способных в большом количестве достигать земной поверхности и терять при этом совсем немного энергии. Эти частицы именуются мюонами, и, что удивительно, физики не подозревали об их существовании до 1937 года. После неожиданного обнаружения новой частицы физик Исидор Раби[19] из Колумбийского университета в Нью-Йорке озадаченно воскликнул: «Кто это заказывал?»[20]

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

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

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

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

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

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

Подтверждение предчувствия

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

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

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

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

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