Хенрик Свенсмарк - Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата
Их семейному проекту помогло то обстоятельство, что как раз в эту пору начали возрождаться исследования космических лучей, включавшие в себя поиск частиц сверхвысоких энергий, которые прибывают из нашей или даже из других галактик. Космические лучи гигантских энергий щедро льются в атмосферу ливнем вторичных субатомных частиц. В западной Аргентине на огромной площади в 3000 квадратных километров расположилась мощная обсерватория «Пьер Оже», состоящая из многочисленных детекторов, и в 2005 году многонациональный коллектив обсерватории уже праздновал первые полученные результаты.
Другие страны разместили у себя более скромные обсерватории для изучения широких атмосферных ливней частиц. К их числу относится «КАСКАД»[21] в Германии — решетка из 252 станций, оборудованных измерительной аппаратурой. Его название представляет собой аббревиатуру и означает: «Матричный детектор для изучения атмосферных ливней в Карлсруэ». В 1989 году научно-исследовательский центр в Карлсруэ разработал компьютерную программу, позволяющую отслеживать поведение космических лучей в атмосфере, и с тех пор Дитер Хек постоянно ее совершенствует. У этой программы есть собственный акроним — «КОРСИКА»[22]. Предназначение «КОРСИКИ» — рассчитывать сложные изменения на субатомном уровне и реакции, происходящие после того, как первичные космические лучи вонзятся в земную атмосферу. В расчет берется и то, что по мере продвижения частицы к земной поверхности увеличивается плотность воздуха, и то, что на частицу воздействует земное магнитное поле.
Более ста лет физики собирали сведения о десятках различных видов субатомных частиц, и теперь эти данные были заложены в компьютерную программу. В поведении частиц есть большой элемент непредсказуемости — когда, например, они распадаются или когда взаимодействуют с другими частицами. «КОРСИКА» тщательно проверяет большое количество разнообразных возможностей, используя случайные числа, генерируемые компьютером. Неудивительно, что статистики называют этот метод «методом Монте-Карло».
Поскольку задача «КОРСИКИ» заключается в том, чтобы вычислить, какие частицы в конце концов дойдут до наземных детекторов, связь тут с метеорологией совершенно прямая.
Свенсмарк также интересовался теми относительно немногими заряженными частицами, которые способны дожить до нижнего слоя атмосферы. Наиболее важные из них — это мюоны, рождающиеся, как мы помним, в верхних слоях атмосферы и путешествующие достаточно быстро, чтобы благодаря эйнштейновскому растяжению времени успеть добраться до уровня моря.
Для того чтобы дать мюонам необходимую продолжительность жизни, их родителями должны быть высокоэнергетические космические лучи. Таких среди первичных лучей относительно немного, но это с лихвой окупается их большой эффективной массой, когда релятивистский эффект увеличивает ординарную массу высокоэнергетического протона (ядра водорода) в сто раз. При этом выделяется энергия, достаточная для создания широких ливней вторичных частиц, где среди прочих будет и большое количество стремительных мюонов. В какой мере недостаток первичных заряженных частиц компенсируется изобилием рожденных ими атомов — это был вопрос, на который, как считал Свенсмарк, могла ответить именно «КОРСИКА».
«КОРСИКА» оказалась очень большой и тяжеловесной программой, так что Свенсмарку понадобилась помощь, чтобы установить и запустить ее, и тогда к работе подключился его сын, Якоб Свенсмарк. В мае 2006 года отец и сын, исследуя судьбу космических лучей различных энергий, раз за разом запускали «КОРСИКУ». Каждый запуск программы требовал больше часа, и это отнимало у исследователей все их свободное время. Но результаты стоили того.
Расчеты сосредоточились на активности космических лучей в слоях атмосферы, находящихся не выше 2000 метров от уровня земли, то есть там, где образуются низкие облака, главные участники климатических действий. Поразительно, что целые 60 процентов крайне важных мюонов — это «дети» тех космических лучей, чья энергия столь грандиозна, что магнитный щит Солнца не в силах отклонить их. Перемены в солнечном настроении, приводящие к колебаниям климата, не отражаются на них. На протяжении миллионов лет Земля вместе с Солнцем путешествуют по бескрайним галактическим просторам, и вместе с изменением пейзажа меняются и потоки высокоэнергетических лучей. Позже мы увидим, к каким весомым последствиям для климата Земли приводят эти изменения.
Наиболее важные частицы, которые участвуют в образовании облаков в нижних слоях атмосферы, — это мюоны. Они порождаются прилетающими от звезд частицами с очень высокими энергиями. Магнитная оборона Солнца и Земли почти не оказывает им противодействия. Магнитное поле Солнца еще может воздействовать на относительно небольшое количество мюонов, однако совсем немногие из них подчиняются переменам в магнитном поле Земли.Оставшиеся 40 процентов заряженных частиц, вызывающих определенные события в нижних слоях атмосферы, подчиняются приказам солнечного магнитного поля. Этого количества лучей вполне достаточно, чтобы объяснить переключения между уже описанными потеплениями и похолоданиями. Но земное магнитное поле оказывает на них слабое влияние. По результатам подсчетов, из всех мюонов, попадающих в нижние слои атмосферы и создающих там облака, только три процента — «дети» частиц настолько слабых энергий, что геомагнитное поле может воздействовать на них. С другой стороны, большую часть «визиток» — к ним относятся, например, изотопы бериллия (бериллий-10) — оставляют на большой высоте космические лучи средних энергий, подчиняющиеся магнитному полю Солнца. Во многих случаях на них так же сильно влияет и земное поле. Ослабьте резко мощность земного магнитного поля, как случилось во время событий Лашамп, и число изотопов бериллия-10 и хлора-36, как показывают подсчеты Бера и его коллег, возрастет больше чем на 50 процентов. Однако количество мюонов, меняющих климат, увеличится не больше, чем на 3 процента, даже если магнитное поле исчезнет совсем. Таким образом, догадка Свенсмарка о различных видах заряженных частиц из космоса сейчас полностью подтверждена.
Еще раз о ЛашампеХотя Свенсмарк верит, что результаты программы «КОРСИКА» отмели главное возражение против его «облачной» гипотезы, все же поведение космических лучей во время экскурса Лашамп требует детального изучения. Потепление, о котором сообщал Бер, совпавшее с быстрым образованием его «разговорчивых» атомов, может означать, что солнечная активность усиливалась, приостанавливая деятельность космических лучей в нижнем слое атмосферы и, следовательно, сокращая облачность, в то время как земное поле ослабевало, и образование углерода-14, бериллия-10 и других изотопов ускорялось.
Такое вполне могло быть. В общей картине состояния климата эпизод Лашамп относится к событиям Дансгора-Ошгера, неоднократно случавшимся в течение последнего ледникового периода. Для этих событий характерен существенный рост температур, безусловно, связанный с увеличивавшейся солнечной активностью. Но активное Солнце также отталкивало от Земли космические лучи низких энергий, в противном случае во время экскурса Лашамп, когда земное магнитное поле действовало нерешительно, радиоактивных атомов могло бы образоваться гораздо больше.
Тем археологам, которые пытались установить возраст некоторых находок середины последнего ледникового периода, приходилось нелегко. Тот факт, что геомагнитное поле ослабло, привел к увеличению количества радиоактивного углерода, и ошибки археологов в датировке находок могли доходить до пяти тысяч лет. В 2004 году группа ученых во главе с Конрадом Хугеном из Океанографического института Вудз Хоул (Массачусетс) систематизировала данные об углероде-14, полученном с морского дна у берегов Венесуэлы.
Они увидели, что во время экскурса Лашамп количество углерода-14 росло. Быстрое образование радиоактивного углерода продолжалось до момента, отстоящего от нас во времени на 40,5 тысячи лет, а потом, после небольшой паузы, последовало резкое и почти непрерывное падение уровня радиоактивного углерода, закончившееся 37 тысяч лет назад. Согласно данным Бера, именно тогда совпали максимально высокие температуры и минимум образования бериллия-10 и хлора-36. Возможно, последние несовпадения между космическими лучами и климатом исчезнут, когда мы получим более точные данные.
Но, коснувшись темы Лашампа, наша история забежала вперед. С тех пор как Свенсмарк в 1996 году впервые предположил, что космические лучи напрямую воздействуют на климат, возражение Бера было самым убедительным с научной точки зрения. Нам показалось, что будет предусмотрительным пораньше разобраться с вызовом экскурса Лашамп, чтобы не отпугнуть хорошо информированного читателя от дальнейшего обсуждения теории. А сейчас самое время вернуться к открытиям, касающихся других важных персонажей в нашей космической драме — облаков.
