Текст книги "100 великих тайн Земли"

Автор книги: Александр Волков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 34 страниц) [доступный отрывок для чтения: 13 страниц]

Самое загадочное вещество во вселенной: лед

Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. Вот он, под тонкой снежной крупой, – так явственно ощутим. А знаем ли мы, что такое лед? На первый взгляд это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности лед таит в себе множество загадок. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить. Другие тайны разгаданы лишь недавно.

Вот, например, бег на коньках. Почему коньки скользят по льду? На других твердых веществах, таких как дерево или бетон, они вовсе не скользят. Еще пару десятилетий назад ученые давали следующий ответ: под узкими полозьями коньков создается высокое давление, и лед плавится. Конькобежец катится не по льду, а по скользкой, залитой водой колее. В это верили поколения физиков и химиков, но такое объяснение было ошибочным.

Ошибка выявилась в середине 1990-х годов, когда американские ученые использовали для наблюдения за происходящим новейшую электронику. Поверхность ледовой дорожки и впрямь была залита водой, но, удивительное дело, она выступала даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре порядка —60 °С поверхность льда становится вязкой. Тогда и скользить на коньках будет проблематично. Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда.

Еще одна любопытная его особенность откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: они склеиваются! Молекулы их поверхностных слоев крепко соединяются, связывая ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома – иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.

Некоторые свойства льда ученые так и не сумели пока объяснить

Кстати, лед льду – рознь. При низких температурах и высоких давлениях мы будем иметь дело с другими модификациями льда. Сколько их, не знает никто. Всего, по данным на 2011 год, известно 16 кристаллических и 5 аморфных форм льда. Последние не имеют кристаллической структуры. В частности, ледяные облака в межзвездном пространстве (их температура составляет —260 °C) состоят из аморфного льда.

Одной из самых экзотичных форм является, наверное, лед Х. Он образуется при давлении, которое в миллионы раз превосходит атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, ежели на игольное ушко взгромоздить автомобиль. Эта модификация льда с симметрично расположенными водородными мостиками была открыта в 1999 году сразу тремя группами исследователей из Франции, Японии и США. Еще до этого было известно, что подобная форма льда должна хорошо проводить электрический ток, разительно отличаясь от знакомого нам льда.

Некоторые модификации льда образуются даже при плюсовых температурах. Предпосылкой к тому – сверхвысокие давления, которые встречаются только в космосе.

В мощном электрическом поле вода может превращаться в лед даже при комнатной температуре. Это показали опыты физика Хён Кана из Сеульского университета, о которых сообщал в 2005 году журнал Physical Review Letters. В его лаборатории вода, точнее водяная пленка, отвердевала в поле напряженностью около миллиона вольт на метр. В естественных условиях столь мощные поля можно наблюдать в грозовых облаках; возникают они и в некоторых нанотехнологических конструкциях.

Удивительно, но лишь одна из этих модификаций не тонет в воде, а плавает по ее поверхности – разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Причина кроется в особенности ее строения: в ее кристаллах молекулы располагаются очень свободно; между ними имеются огромные зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в такой знакомый – и загадочный – лед, или, как называют его ученые, лед Ih, расширяется. Ее объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая», легкая структура. Она представляет собой сеть из шестиугольников с огромными полостями посредине. В такой кристаллической решетке расстояния между молекулами льда заметно больше, чем между хаотично движущимися молекулами жидкой воды. Наличие многочисленных полостей обусловливает малую плотность этой модификации льда. Насколько это важно, показывает простой умозрительный эксперимент. Представим себе, что вода перестанет расширяться при замерзании. Как изменится наш мир?

Для начала хорошие новости: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с минеральной водой. Наконец, плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга – эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.

Теперь новости похуже. Их возвещают крики зверей и молчание рыб. Легко догадаться, что полярных медведей перемена льда ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до толики небольших островов, затерянных в Северном Ледовитом океане, ведь лед, сковывающий его, неминуемо пошел бы ко дну. Погибли бы и рыбы, населяющие реки и озера в северных широтах Евразии и Америки, ведь эти водоемы в зимнюю пору промерзали бы до дна.

Продолжим наше путешествие по Земле изменившегося льда. Здесь стало несравненно теплее. Сейчас льды, покрывающие полярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха, проникшие в них при застывании воды. Подобный лед почти идеально отражает солнечные лучи. Когда огромные массы льда потонут в водах северных морей, поверхность Земли станет темнее. Она будет лучше поглощать солнечный свет, и, как следствие, земная атмосфера разогреется. Постепенно растает ледяной щит, покрывающий сейчас Антарктиду. Уровень моря возрастет. Портовые города скроются под толщей воды.

Пока же из этих городов мы запросто можем отправиться туда, где само море бывает сковано льдом. Морской лед напоминает скорее пористую губку, чем знакомый нам речной лед. Зато он изобилует живыми организмами. По большей части, это – одноклеточные водоросли. По предположению ученых, эти организмы служат центрами кристаллизации льда. Вокруг них формируются кристаллики льда. Потом они всплывают на поверхность моря и скапливаются здесь. Волны нагоняют в эту ледяную кашицу все новые растения, все новые микроорганизмы. Можно сказать, что морской лед насыщен планктоном так же, как и морская вода. Большая часть этих организмов может не только жить в толще льда, но и размножаться здесь. Впрочем, некоторые планктонные организмы в летние месяцы, когда тает лед, высвобождаются из ледяного плена, размножаются в открытой воде, а с наступлением холодов снова укрываются среди льда, какой бы неуютной – низкая температура, высокая соленость, отсутствие света – ни казалась эта среда обитания для всего живого. Эти организмы – от одноклеточных и диатомовых (кремнистых) водорослей до червей и рачков – населяют, прежде всего, многочисленные каналы и полости, усеивающие толщу морского льда и достигающие в поперечнике нескольких миллиметров.

Только в антарктическом паковом льде обитает от 200 до 300 видов диатомовых водорослей, в арктическом льде – еще около 300 видов. В одном литре растаявшего льда можно встретить до нескольких сотен миллионов живых клеток.

В горах льду не место?

Ледники покрывают высокогорные районы нашей планеты. Ими скованы полярные острова и даже целый континент – Антарктида. Они – главные хранители пресной воды. Три четверти всех ее запасов сосредоточены в этих громадных шапках льда, которые нависают над простертыми долинами, подминают под себя обширные области суши, питают многочисленные реки и ручьи. Справедливости ради следует отметить, что 99 % всей этой воды содержится вдали от цивилизации – в Антарктиде и Гренландии.

Эти ледяные колоссы кажутся неколебимыми, но они очень чувствительны к любым изменениям климата. По мере того как средняя температура на планете растет, они все заметнее сдают прежние позиции. Какая судьба ждет ледники в ближайшие десятилетия? Сохранятся ли они? И что страшного в том, что они могут исчезнуть? Может быть, мы понапрасну тревожимся?

Движение ледника

Ежегодно ледники во всем мире (не считая ледяных щитов Антарктиды и Гренландии) теряют около 150 миллиардов тонн льда. Если же добавить и исключенные нами области, то общие потери составят 230 миллиардов тонн в год. Это определили с помощью спутниковых наблюдений, сообщил в 2012 году журнал Nature. Если бы можно было собрать лед, растаявший на планете с 2003 по 2010 год, то всю территорию США удалось бы покрыть слоем воды высотой почти полметра.

Большинство ледников тают уже на протяжении последних полутора веков, но с конца 1980-х годов этот процесс заметно ускорился. Этому способствовало и глобальное потепление и, например, даже то, что поверхность многих ледников в результате нашей промышленной деятельности постепенно покрылась копотью, приносимой ветром. Потемневший лед сильнее поглощает солнечный свет и разогревается.

По прогнозу ученых, к 2100 году исчезнут до 50 % горных ледников. Последствия их таяния драматичны. Привычные для нас пейзажи исчезают. Белое безмолвие гор сменяется серой скукой камня, помноженного на камень. Серебро снега и льда, блиставшее в переливах солнца, теперь тускло темнеет, превращенное даже не в узорчатые черепки – в безликую гальку и пыль. А еще неутомимая работа природных сил перемежается катастрофами. То с грохотом распадется скала, усеивая своими обломками дно разверзшейся перед ней пропасти. То, не остановленный ледником, промчится грязевой поток. То озеро, образовавшееся после таяния льда, прорвет естественную преграду, вставшую у него на пути, и выплеснется в обжитую людьми долину, сметая все подряд. Эти миллионы литров воды, промчавшиеся с огромной скоростью, будут ломать деревья, как спички, скидывать здания, как картонки.

За редкими исключениями ледники тают повсюду. Так, всего за полтора века от ледовых альпийских полей времен Бальзака и Гейне осталось не больше половины. В Австрии освободились ото льда склоны гор, которые были покрыты им на протяжении последних 13 столетий. Но самые важные события впереди. По прогнозу ученых, уже через 15 лет начнется массовое таяние здешних ледников. Их толщина в Альпах составляет в среднем 30 метров. Сейчас каждый год растаивает метровый слой льда, то есть ледники теряют за год примерно 3 % своей массы. Нетрудно подсчитать, что если нынешнее потепление продолжится, то небольшие ледники, как и ледники средних размеров, исчезнут уже к 2050 году.

При этом скорость таяния альпийских ледников, похоже, лишь нарастает. Чем меньше площадь, занимаемая ими, тем меньше солнечного света отражается от их поверхности и рассеивается в околоземном пространстве. Там же, где ледников нет, темный каменистый грунт только сильнее прогревается солнцем. Поэтому соседние ледники тают все быстрее.

Остановить происходящие сейчас изменения уже нельзя, считают многие экологи. Можно разве что их замедлить. А ведь ледники не только украшают Альпы и привлекают сюда многочисленных туристов и любителей горных лыж. Талая вода ледников питает такие крупные реки, как Рона и Рейн. После 2025 года уровень воды в них начнет понижаться.

Таяние ледников в Альпах приведет к появлению здесь новых горных озер. Со временем Швейцария превратится в озерный край. Здесь возникнет еще от 500 до 600 озер. Глубина некоторых достигнет 100 метров. Их вполне можно сравнить с водохранилищем средних размеров.

В то же время эти озера таят немалую опасность. Они могут размыть горный склон и вызвать оползень. Если они прорвут преграду (будь то каменная стена или ледяная гряда), отделяющую их от лежащей внизу долины, это грозит катастрофическим наводнением. Поэтому возле подобных озер надо возводить плотину, но с ее появлением пропадет былое очарование пейзажа.

Опасность же грязевых лавин и оползней возрастает еще и потому, что с исчезновением ледников в горных районах тает и мерзлота, которая порой на пару сотен метров вглубь сковывала и скрепляла здесь грунт. И вот земля, казавшаяся неколебимой опорой, станет вдруг рыхлой и зыбкой. Покосятся и поползут к уступам скал построенные близ вершин домики для отдыхающих; опрокинутся опоры подъемников, служивших любителям горных лыж. Что там эти постройки? Даже каменные глыбы, прежде словно приклеенные друг к другу мерзлотой, теперь расшатаются, станут срываться в пропасть.

Глобальное потепление ускоряет эрозионные процессы в горах. Мощные гряды льда прежде подпирали горные склоны; теперь, оставшись без этой опоры, те начинают обваливаться. Так, в 1997 году рухнула часть одного из склонов Монблана. Осыпалось около 7 миллионов кубических метров снега и льда. В 2004 году обрушилась вершина одной из скал в Южном Тироле – 2 миллиона кубометров камней устремилось в долину.

Несколько лет назад швейцарские ученые, исследовавшие ледники в Альпах, обратили внимание еще на одну опасность, исходящую от них. Они обнаружили в горных альпийских озерах давно не используемые яды – диоксины и ДДТ. Как выяснилось, те попадают сюда вместе с талой ледниковой водой, питающей озера. Почти полвека они пролежали в толще ледника, словно в надежном хранилище, но вот теперь их склад обветшал, прохудился.

Схожие сообщения приходят и из других районов планеты. Ледники отступают повсеместно. Сильнее всего они тают сейчас в арктических областях Канады, на Аляске и в Патагонии – на юге Аргентины и Чили. Так, за последние 40 лет площадь, занимаемая Южным Патагонским ледовым полем, третьим по величине ледником мира (после Антарктиды и Гренландии), сократилась более чем на 500 квадратных километров. Горные системы Центральной Азии пока еще покрыты обширными ледниками, но те тоже постепенно уменьшаются в размерах.

Для сотен миллионов людей в Индии, Китае, Непале и других государствах Центральной и Южной Азии важнейшим источником пресной воды являются Гималаи, поскольку здешние ледники питают многочисленные реки. В последние годы многие опасались очень быстрого таяния этих ледников. Однако из доклада международной группы исследователей, опубликованного на страницах Scienceв 2012 году, явствует, что льды, покрывающие склоны этих величайших гор, тают медленнее, чем ожидалось. Прежние предсказания о том, что большая часть гималайских ледников исчезнет уже к 2035 году, ничем не обоснованы. Можно предположить, что в ближайшие десятилетия их таяние заметно не повлияет на уровень воды в таких крупных реках, как Инд, Ганг и Брахмапутра.

Но это, похоже, лишь временная отсрочка. Ледники словно бегут от нас, оставляя один на один с проблемами, которые нам придется решать десятилетиями, столетиями. На наш век хватит.

Ледники Гренландии: ключ к прошлому и будущему

Невыносимый холод, бескрайние ледники и вольготно разгуливающие белые медведи – такая картина предстает перед нашими глазами, стоит только подумать о Гренландии. Однако этот уникальный ландшафт, хранящий многие тайны прошлого, может исчезнуть. Чем это грозит нашей планете?

На первый взгляд кажется, что с отступлением ледников, которые «держат под спудом» десятую часть суши, территория, пригодная для расселения людей, увеличится. На самом деле со временем она заметно уменьшится. Таяние ледников лишь способствует тому, что уровень Мирового океана растет. Отступая на одном – маловажном – фронте, проигрывая горную войну, вода (лед ведь замерзшая вода) берет реванш у суши на другом – главном – театре военных действий. Вековая борьба двух стихий, воды и земли, вновь закончится ожидаемым разгромом последней. Когда-нибудь океан затопит многие низменности и острова. Мы потеряем лучшее, обжитое. Обретем неприступный камень горных склонов.

В наши дни Земля каждый год теряет неимоверное количество льда. В конце концов, талая вода стекает в море. Однако оценить ее объем до недавних пор не представлялось возможным. Во всем приходилось полагаться на догадки. Ведь на планете насчитывается более 200 тысяч ледников, но регулярные наблюдения ученые вели лишь за несколькими сотнями из них – в основном за ледниками, расположенными в Альпах.

Между тем за последние полтора века уровень воды в Мировом океане ежегодно повышался на пару миллиметров. По большей части этот прирост был вызван тепловым расширением воды, ведь средняя температура на планете за это время увеличилась почти на градус. Однако и таяние ледников внесло свою лепту.

Теперь судьба морей всей нашей планеты решается в Арктике. Дальнейшее повышение уровня Мирового океана во многом зависит от скорости таяния ледников Гренландии. Почти 80 % территории крупнейшего острова Земли покрыто льдами. Их высота достигает трех с половиной километров. Но так ли незыблем их покой?

Страна эскимосов, страна вечного льда, меняется на глазах. Ледники тают, соскальзывают в море. Неужели Гренландия скоро останется безо льда? Самые крупные ее ледники удерживают, словно скобой, ледяной щит, покрывающий остров. И если они растают, то тогда и щит стронется с места, медленно покатится в сторону моря. В таком случае его уровень повысится заметно сильнее, чем принято ожидать.

Но что мы доподлинно знаем об этих ледниках? С какой скоростью они тают? Эти вопросы давно вызывают споры среди ученых. Пока ими исследована лишь часть Гренландии. Соответственно, разнятся и перспективы многих прибрежных областей и городов.

Впрочем, в 2012 году на страницах журнала Scienceбыла опубликована статья, авторы которой отвергли самые мрачные прогнозы. По всей видимости, скорость таяния ледников Гренландии заметно разнится – так же как и скорость, с которой они сползают в море. Основываясь на результатах спутниковых наблюдений, Твила Мун из университета штата Вашингтон и ее коллеги впервые составили карту, на которой указаны скорость движения почти 200 ледников Гренландии, начиная с 2000 года.

Это позволило отбросить некоторые предвзятые гипотезы. Оказалось, что ледники Гренландии тают медленнее, чем предполагалось. Расчеты показывали, что за последние 10 лет скорость их движения на северо-западе и юго-востоке острова, в том числе ледника Кангерлуссуак, крупнейшего в Гренландии, должна была удвоиться. Вместо этого она возросла лишь на 30 %. Кроме того, некоторые ледники за это же время замедлили свое движение или же, в лучшем случае, сохранили свою прежнюю скорость.

Как отмечают исследователи, поведение ледников Гренландии год от года меняется, они пульсируют. Поэтому невозможно предсказать, что произойдет с ними в ближайшие годы, даже зная, как они менялись за последние десятилетия. Мы не знаем, таков приговор, будут ли они и дальше таять или же начнут расти.

Ледники Гренландии представляют особый интерес для климатологов

Так что успокаиваться рано. Известно одно: эти ледники очень чувствительны к глобальному потеплению. Сейчас, например, самые крупные ледники на севере Гренландии почти не тают. Но вполне может быть, что в ближайшие десятилетия произойдут резкие изменения климата, которые как раз и вызовут их бурное таяние.

Между тем в 2012 году на страницах журнала Nature Climate Changeбыла обнародована компьютерная модель. Она показывает, что уже при повышении средней температуры на планете всего на 0,8 °С начнется необратимый процесс таяния ледников Гренландии.«Его не остановить, даже если через много тысячелетий климат снова станет таким же, каким был до начала индустриализации», – отмечает руководитель проекта Андрей Ганопольский из потсдамского Института исследования климата.

Дело в том, что между таянием ледников Гренландии (как и ледников вообще) и климатом есть устойчивая обратная связь. Чем больше сокращается площадь, занятая льдами, тем меньше солнечного света, падающего на них, они отражают. Наоборот, участки земной поверхности, освободившиеся ото льда, интенсивно поглощают солнечный свет, а потому все заметнее прогреваются. Кроме того, верхние слои ледников Гренландии лежат на высоте более 3000 метров над уровнем моря. Чем сильнее будут таять ледники, тем очевиднее будет уменьшаться их высота, а чем ближе мы находимся к поверхности Земли, тем теплее становится воздух, тем сильнее будут таять ледники, тем очевиднее будет уменьшаться их высота, а чем ближе… Маховик потепления раскручивается.

Разумеется, сказанное не означает, что ледяной щит Гренландии растает, как апрельские сугробы за окном, – прямо на наших глазах. Его таяние продлится… 50 тысяч лет (для сравнения: именно столько времени прошло с тех пор, как человек современного типа расселился в Европе).

Но чем выше будет средняя температура, тем быстрее будут таять льды. Например, если мы не сократим выбросы парниковых газов, то температура в Гренландии к концу нынешнего века возрастет в летние месяцы на 8 °С. В таком случае льды Гренландии практически полностью растают «всего» за 2000 лет, причем уже к 2500 году исчезнет 20 % здешних льдов. За последние 2000 лет на нашей планете не происходило ничего подобного этому. Как быстро будет расти уровень океана? Как изменится в этой связи географическая карта мира? Чего ожидать и бояться сотням миллионов людей, проживающих близ побережья? Всё это – важнейшие вопросы, которые интересуют исследователей климата.

Таяние ледяного щита, сковывающего Гренландию, можно рассматривать как одно из самых драматичных последствий глобального потепления. Если он когда-нибудь полностью растает, уровень Мирового океана повысится на 7 метров. «И это уже очень серьезно, – отмечает на страницах журнала “Знание – сила” академик В.М. Котляков. – Тут уже в опасности оказываются и Нью-Йорк, и Петербург, и Голландия, и даже наша Западная Сибирь, которая находится почти на уровне океана».

Другая опасность. Таяние гренландских ледников приведет к тому, что содержание соли в северной части Атлантического океана понизится. Уменьшится плотность морской воды. Она перестанет погружаться в глубь океана близ берегов Исландии. В конце концов, это изменит характер морских течений у берегов Европы. Гольфстрим остановится и не будет больше обогревать побережье Старого Света. Впрочем, пока еще неясно, окажется ли эффект от остановки Гольфстрима сильнее, чем глобальное потепление.