Текст книги "Разум побеждает: Рассказывают ученые"
Автор книги: авторов Коллектив
Соавторы: Еремей Парнов,Петр Кропоткин,Игорь Петрянов-Соколов,Виталий Гинзбург,Бонифатий Кедров,Леонид Ефремов,Владилен Барашенков,Владимир Брагинский,Борис Кузнецов,Яков Зельдович
Жанры:
Астрономия и Космос
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 20 страниц)
Ученые рассказывают
Б. М. Валяев, кандидат геолого-минералогических наукРитмы Земли и космоса
В июле 1967 г. английские астрономы приняли с помощью радиотелескопа упорядоченные сигналы, которые исходили со стороны одного из небольших, невидимых в обычные телескопы, звездных источников. Сразу же возникло предположение, что эти сигналы посланы разумными существами с какой-то далекой неведомой планеты.
Такое открытие могло стать поворотным в истории человеческой цивилизации. Рискуя приоритетом, четыре месяца английские ученые не объявляли о своем открытии. Они накапливали данные и еще и еще раз анализировали результаты – не помехи ли это? Нет, упорядоченные сигналы были реальными.
Но на протяжении недель и месяцев всплески на записях были монотонными и повторялись со строгой периодичностью, которая по правильности хода могла соперничать с точными часами. С версией о том, что эти сигналы посылались разумными существами с невидимой планеты, пришлось распрощаться, стало ясно, что открыт неизвестный ранее тип звездных объектов. Они получили название пульсаров. В самом этом названии подчеркнута главная особенность деятельности новых космических объектов – ее резко, но правильно колеблющийся, пульсирующий характер, ее периодичность или цикличность.
По частоте всплесков (от нескольких сотых долей секунды до нескольких секунд, чаще 0,5–1 сек.) и регулярности их повторения пульсары, пожалуй, рекордсмены среди космических объектов. Но в целом повторяемость в ходе, в развитии природных процессов самого разного масштаба – это не какое-то редкое, а скорее, наоборот, обычное явление.
Вспомним приливы и отливы в морях и океанах, смену дня и ночи или времен года на Земле, солнечные и лунные затмения. Геологи могли бы подсказать, что и в изменении лика Земли заметна повторяемость: оледенения и отступления ледников, колебания уровня Мирового океана, формирование, высочайших горных систем, а затем выравнивание, великие вымирания и расцвет новых групп фауны и флоры – все это происходило на протяжении геологической истории Земли неоднократно. Но эти процессы не были строго циклическими. Так, оледенения разделены друг от друга разными отрезками времени, да и по силе (по площади распространения) они резко отличались. Поэтому в большинстве случаев правильнее говорить не о цикличности, а о ритмичности, о повторяемости природных явлений лишь в общих чертах.
Ритмичностью природных процессов в последнее время заинтересовались специалисты самого разнообразного профиля. А произошло это потому, что одинаковая ритмичность оказалась свойственной для, казалось бы, совершенно несопоставимых, не взаимосвязанных процессов. Действительно, что может связывать колебания урожаев пшеницы или уловов сельди в Атлантике с изменением числа пятен на Солнце? Или как может зависеть добыча пушнины на севере от числа полярных сияний? Можно напомнить также, что колебания солнечной активности, наиболее отчетливое из которых имеет И-летнюю периодичность, сказываются на интенсивности роста деревьев, развитии эпидемий холеры, чумы, гриппа, смертности от инфаркта миокарда, нашествиях грызунов, саранчи и др. И тем не менее оказывается, что причинно-следственная цепь, связывающая активность Солнца с жизнедеятельностью растений и животных на Земле, существует. Ныне она уже прослежена геофизиками и биологами.
Ну а как объяснить, что в таких различных явлениях, как частота появления комет, падения метеоритов, вспышек новых и сверхновых звезд, проявляется та же 11– и 22-летняя периодичность, что и для солнечной активности. На основании этого некоторые исследователи, например ленинградские ученые Е. В. Максимов, А. В. Шнитников, приходят к выводу о существовании «таинственных» ритмических импульсов, которые приходят из глубины космоса, вызывая ритмические колебания в Солнечной системе и даже во всей Вселенной.
Такая постановка вопроса правомерна. Но следом за ней начинаются сомнения и даже разочарование. А с чем связана таинственная ритмичность процессов в космосе и насколько она сложна? К сожалению, число таких космических пульсов (равно как и их периодичность) установить пока не удалось. Очевидно, оно должно быть очень большим, поскольку уже сейчас можно назвать десятки и сотни природных процессов, происходящих с самыми различными (от долей секунды у пульсаров до сотен миллионов лет для главных эпох горообразования на Земле) периодами.
Можно ли найти доступное для понимания объяснение ритмичности природных процессов? И тем более можно ли научно объяснить проявление одинаковой ритмичности в, казалось бы, несопоставимых процессах, явлениях? Оказывается, во многих случаях можно.
Семнадцать лет непрерывных наблюдений диска Солнца немецким любителем-астрономом Г. Швабе с целью открытия еще одной наиболее близкой к нашему светилу планеты в момент ее прохождения на фоне диска Солнца не увенчались успехом. Зато в 1843 г. он сообщил, что изменение числа и конфигурации пятен на Солнце происходит с 10-летней периодичностью. Вскоре швейцарский астроном Р. Вольф нашел более точное значение этого периода 11 1⁄9 года и предложил оценивать солнечную активность по особому индексу, получившему его имя. Индекс Вольфа характеризует «запятнанность» Солнца и равен сумме числа солнечных пятен и удесятеренного количества их групп на видимой его стороне.
Уже на протяжении более ста лет индекс Вольфа остается самым простым и удобным критерием для оценки активности солнечной деятельности, так как образование пятен на Солнце находится в тесной взаимосвязи с возникновением других центров активности в солнечной атмосфере – факелами, вспышками, протуберанцами и др. Проведенные за этот период исследования подтвердили и вывод Р. Вольфа, что главным в деятельности Солнца является 11-летний цикл, хотя продолжительность этого цикла и колеблется в пределах от 7 до 16 лет,
Но, пожалуй, еще более интересным оказалось то, что и для многих процессов на Земле характерна та же самая одиннадцатилетняя периодичность. Так, сто лет назад была установлена прямая зависимость между числом магнитных бурь и полярных сияний в атмосфере Земли и изменением числа пятен на Солнце. В то время представлялось совершенно непонятным, как может Солнце с расстояния в 150 миллионов километров «трясти» магнитное поле Земли и зажигать полярные сияния.
Сейчас, когда исследование околоземного пространства производится не только наземными средствами, но и с помощью искусственных спутников Земли, многое стало ясным. Оказалось, что от Солнца к Земле постоянно идет поток заряженных частиц – корпускул – так называемый солнечный ветер. Он «сдувает» силовые линии магнитного поля Земли, образуя протяженный хвост-шлейф в магнитосфере Земли (рис. 1). В шлейфе постепенно улавливаются заряженные частицы и таким образом скапливается значительное количество энергии, которая может освободиться даже от небольшого толчка. Именно таким толчком может оказаться усиление солнечного ветра – например, в связи с выбросом облака плазмы при солнечной вспышке, – а это приводит как бы к закорачиванию силовых линий. Плазма из шлейфа устремляется к Земле. Заряженные частицы движутся вдоль силовых линий, оканчивающихся в зонах полюсов, и вызывают там возмущения – полярные сияния. Вот причина взаимосвязи солнечных вспышек с возмущениями магнитосферы Земли, с северными сияниями, вот причина одинаковой периодичности этих процессов.
Рис. 1. Магнитосфера Земли, деформированная «солнечным ветром».
Еще в конце прошлого века появились работы, в которых была подмечена связь периодичности в солнцедеятельности с цикличностью атмосферных (погодных) явлений. Это касалось температуры и давления воздуха у поверхности Земли, количества осадков и уровней рек и озер, неравномерности возникновения циклонов, ураганов, смерчей, бурь в экваториальной зоне.
Позднейшие исследования подтвердили и детализировали сделанные выводы, выявив, в частности, что микроклиматическим колебаниям свойствен не столько 11-летний, сколько 6– и 22-летний циклы. Так, в большинстве районов мира особенно жестокие засухи повторяются с интервалом около 22 лет, причем, как правило, вблизи минимума солнечной активности, следующего после максимума в четных солнечных циклах[18]18
При переходе от одного 11-летнего цикла солнечной активности к другому полярность магнитного поля пятен в обоих полушариях Солнца изменяется на противоположную, в связи с чем по изменению магнитного поля устанавливается 22-летний (сдвоенный) цикл. В рамках 22-летнего цикла 11-летние циклы подразделяются на четные и нечетные.
[Закрыть]. Кстати, аномальное лето 1972 г., когда в центральных районах европейской части СССР горели леса и торфяники, приходится также на минимум солнечной активности после эпохи максимума (1969 г.) четного двадцатого 11-летнего цикла солнечной активности. 22-летний цикл проявляется и в планетарных колебаниях климата: в максимумах четных циклов атмосферное давление в умеренных широтах повышено, а в приполярной области понижено, а в максимумах нечетных циклов – наоборот.
До последнего времени механизм взаимосвязи пертурбаций погоды и климата с колебаниями солнечной активности оставался неясным. Как известно, Солнце относится не к переменным, а к «спокойным» звездам, характеризующимся высокой стабильностью суммарной излучаемой энергии солнечной постоянной, которая колеблется в пределах 1–2 процентов (почти в пределах точности определения самой постоянной).
Однако солнечные возмущения сопровождаются качественными изменениями спектра излучаемой энергии: резко возрастает доля энергии рентгеновских, ультрафиолетовых и радиоволн, а также электрически заряженных и более «жестких» частиц – корпускул. Высокоэнергичные частицы способны преодолеть и магнитное поле Земли, и верхние слои атмосферы, передавая свою энергию непосредственно в метеорологически активные слои. Правда, количество привносимой при этом энергии не может заметно влиять на температуру и, следовательно, сказываться в циркуляции нижних слоев атмосферы (тропосферы). Но в связи с неравномерным распределением собственной энергии тропосферы и наличием в ней зон неустойчивого динамического равновесия дополнительная энергия может сыграть роль «спускового крючка», провоцирующего лавинообразный процесс нарушения равновесия и перераспределения энергии (а следовательно, и разнообразные метеорологические феномены) в нижней атмосфере.
Рис. 2. Холера в России за 100 лет – с 1823 по 1923 г. (верхняя кривая).
Солнцедеятельность за это же время (нижняя кривая).
Проявление 11-летней ритмичности в биологических процессах также тесно коррелируется с ходом солнечной активности. Основатель нового раздела науки – гелиобиологии – советский ученый А. Л. Чижевский еще в довоенных публикациях отмечал около трех десятков феноменов в органическом мире Земли, изменчивость которых во времени тесно связана с изменениями солнечной активности. В их число попали величины урожаев различных сельскохозяйственных культур, рост древесины, время цветения растений, эпифитии (эпидемические болезни растений), эпизоотии (эпидемические болезни животных), размножаемость и миграции насекомых (саранчи и др.), рыб, животных (грызунов, пушных), разнообразные болезни (гипертония, атеросклероз, инфаркт миокарда, неврозы и т, д.), эпидемии и смертность среди людей и др. В качестве иллюстрации можно привести зависимость между вспышками холеры и солнечной активностью в прошлом столетии (рис 2). Напомним, что и последние вспышки холеры в Одессе и Астрахани (1969 г.) тоже падают на максимум солнечной активности. Воздействие колебаний солнечной активности на биосферу также происходит не прямо, а косвенно через ряд промежуточных звеньев. Один из механизмов проявляется через колебания магнитного поля Земли, провоцируемые пертурбациями на Солнце. К колебаниям магнитного поля чувствительны растения, животные, человек. Эксперименты показали, что электромагнитные волны сверхнизких частот могут непосредственно влиять на мозг человека, поскольку диапазон колебаний излучений Солнца близко совпадает с диапазоном волн электромагнитных излучений мозга человека. Колебания солнечной активности, вызывая изменение погоды, климата – в частности, за счет вариаций увлажненности, – влекут за собой ритмические колебания условий существования в растительном и животном мире.
Не проходят бесследно и колебания в уровне радиации. Численность популяций (количество) животных в пределах отдельных видов тесно связана с изменениями окружающей среды. Неудивительно поэтому, что фиксируется уже упомянутая связь числа убитых пушных зверьков (песцов, лис, зайцев) с количеством полярных сияний. Неудивительно, поскольку вскрыты механизмы влияния и на численность популяций, и на интенсивность полярных сияний солнечной активности, проявляющейся в запятнанности Солнца.
Еще более резко, чем 11-летняя, в биосфере проявляется сезонная и суточная, а также близсуточная (циркадная) ритмичность, механизмы которых, очевидно, связаны с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Живые организмы адаптировались к ритмической смене параметров среды обитания. В процессе эволюции возникли физиологические приспособления, способствующие согласованию функций организма с условиями внешней среды. Смена сезонов определяет рост, развитие и гибель растений. Суточное вращение Земли сопровождается ритмичными колебаниями температуры, освещенности, влажности, давления, электромагнитного поля, уровня радиации и т. д. Суточный ритм определяет условия обмена веществ в растениях, двигательную активность (фазы бодрствования и покоя) животных.
Ритмический характер физиологических процессов живых организмов сформировался благодаря их способности чувствовать время. Опыты показывают, что и в условиях постоянной освещенности или постоянной темноты суточный ритм жизнедеятельности животных и растений сохраняется, хотя и отклоняется незначительно от строгой 24-часовой периодичности. Следовательно, околосуточный и другие ритмы внутренне присущи, свойственны объектам живого мира, то есть являются эндогенными. Известны эндогенные ритмы с частотой от двух тысяч биений в секунду до одного цикла в год и с более длительным периодом. Среди них можно упомянуть нервные импульсы, дыхание, ритмы сердцебиения, пульса, кровяного давления, суточные ритмы физиологической, двигательной, умственной активности, колебания в глубине сна и т. п.
Безусловно, в выработке биохимических ритмов решающую роль сыграл и естественный отбор, поскольку выжить и развиваться могли только те виды растений и животных, внутренние, эндогенные ритмы биологической активности которых были близки к ритмам изменения условий окружающей среды. Параметры же последней в значительной мере обусловлены периодами вращения Земли, а также неравномерностью работы Солнца.
С чем же связана сама 11-летняя цикличность работы нашей слабопеременной звезды – Солнца? Ясно, что какой-то внешний фактор должен вызывать возмущения, повторяющиеся каждые 11 лет. Единственной очевидной причиной может быть лишь возмущающее влияние на Солнце его сателлитов планет. При обращении планет их притяжение должно волновать поверхность Солнца примерно так же, как притяжение Луны вызывает приливы и отливы в океанах и даже в твердой оболочке Земли. Именно такую идею развивал в начале нашего века английский ученый Э. Браун, хотя впервые сама мысль об управлении планетами работой Солнца была высказана Р. Вольфом.
В том, что притяжение планет может вызывать приливные эффекты на Солнце, нет сомнения, но расчеты показали, что эти силы слишком малы, чтобы вызвать появление на Солнце таких огромных центров активности, как группы солнечных пятен размерами в сотни тысяч километров. Однако за последние годы получены новые данные, подтверждающие «виновность» планет в периодических колебаниях солнечной активности.
В 1965 г. американский астроном П. Джозе отметил, что центр тяжести Солнечной системы не совпадает с центром Солнца. По его расчетам получилось, что Солнце должно обращаться вокруг центра Солнечной системы с периодом 178,77 года. Ранее тот же самый 178-летний период был найден для цикличности солнечной активности при обработке всех имеющихся данных о солнечной активности (индексов Вольфа). А вскоре, в том же 1965 г., английские ученые Р. Вуд и К. Вуд, сопоставив уравнения, описывающие движения планет вокруг нашего светила, с уравнениями, отражающими их гравитационное воздействие на поверхность Солнца, обнаружили все тот же отчетливый 11-летний цикл. Его точное значение – 11,08 года. При этом они учли влияние не только внешних больших (Юпитер, Сатурн и др.) планет, как это сделал П. Джозе, но и внутренних (Меркурий, Венера, Земля и Марс).
Они показали, что в результате вращения планет центр тяжести Солнечной системы непрерывно смещается, а Солнце неустанно стремится к нему. В результате несогласованных «действий» планет Солнце испытывает рывки-джерки («jerk»), которые должны приводить к возникновению вспышек на Солнце и образованию пятен. Этот анализ дал возможность прогнозировать ближайшие вспышки на Солнце, причем точность прогноза оказалась поразительной. С помощью электронно-вычислительной машины американский исследователь Д. Кинг-Хили произвел более точные вычисления возмущающих влияний планет на Солнце и дал прогноз солнечной активности (предсказал значение индексов Вольфа) почти на два десятилетия вперед. Если этот прогноз осуществится – а пока он сбывается, – скептикам придется согласиться, что положение планет играет большую роль в ходе природных процессов на Земле.
Каким же образом карлики планеты способны управлять гигантом Солнцем? Безусловно, образование центров активности на поверхности Солнца не обусловлено возмущающими воздействиями планет. Но в условиях неоднородности работы солнечной «машины», резкой неравномерности выноса энергии с различных участков поверхности Солнца там складывается обстановка неустойчивого динамического равновесия. При таком положении и незначительные возмущения от планет могут становиться дополнительным фактором, вызывающим изменения и создание нового, несколько отличного от прежнего динамического равновесия.
Вспомним о приливах. Даже человек, никогда не бывавший на берегах океана, все равно много слышал и читал о приливах. Приливы проявляются не только в водах морей и океанов, приливы захватывают и верхнюю твердую оболочку Земли – литосферу, а также ее воздушную оболочку. На широте Москвы Земля под нашими ногами каждый день поднимается почти на 40 сантиметров, а мы этого даже не замечаем. Другое дело на побережье морей и океанов. Здесь зачастую условия судоходства контролируются ходом приливов и отливов.
Уже в глубокой древности было замечено, что время наступления приливов связано с положением Луны на небосводе, а их сила – с ее фазами. Теперь мы знаем, что приливы на Земле вызываются силой притяжения Луны и Солнца, то есть существуют лунный к солнечный приливы. Луне нужен почти месяц, чтобы совершить один оборот вокруг Земли. И дважды за это время Луна, Земля и Солнце оказываются почти на одной прямой (то есть плоскости орбиты Луны и Земли расположены под небольшим углом друг к другу). Тогда приливные волны от Солнца и Луны складываются и приливы в морях и океанах бывают максимальными. Такие приливы называют сизигийными. А дважды в месяц, когда Солнце и Луна расположены по отношению к Земле почти под прямым углом, приливы в океанах минимальны, так как солнечный прилив вычитается из лунного, как бы частично его гасит.
Но и сами слагаемые, то есть приливные волны, вызываемые Солнцем и Луной, постоянно изменяются, поскольку Луна и Земля вращаются не по круговым, а по эллиптическим орбитам. Когда Луна находится к Земле ближе всего, в точке перигея, лунный прилив усиливается на 40 процентов. Наклон плоскости лунной орбиты по отношению к плоскости орбиты Земли изменяется, и каждые 18,6 года эти плоскости совпадают, а прилив усиливается. При таком положении солнечные и лунные затмения случаются гораздо чаще. Еще в Древнем Египте тайна цикличности солнечных затмений была разгадана, период вращения в 18,6 года был назван «Сарос». Это позволило египетским жрецам составить календарь затмений на много лет вперед и предсказывать их наступление с большой точностью.
Наконец, через каждые 1800–1900 лет Луна, Земля и Солнце входят в полосу «сверхсароса». В это время не только совпадают орбиты Луны и Земли, но Луна находится на своей орбите ближе всего к Земле, а Земля – ближе всего к Солнцу. И тогда наступает эпоха наиболее сильных приливов.
Таким образом, приливы дают прекрасный пример многослойной ритмичности с полусуточным, двухнедельным, 18,6-летним и 1850-летним периодами. Но что любопытно, с такими же периодами на Земле имеется и множество других ритмически повторяющихся природных процессов.
Рис. 3. Схема ритмов увлажненности материков Северного полушария (по Г. К. Тушинскому).
Выше уже упоминалось о «Саросе» – периоде в 18,6 года для ритмично повторяющейся череды солнечно-лунных затмений. Исследования советских географов, и в первую очередь А. В. Шнитникова, позволили выявить резкие колебания в увлажненности, динамике многих компонентов ландшафтной оболочки, происходящие с периодом в 1850 лет. Именно с таким периодом 8 раз за последние 15 тысяч лет наступали и отступали горные ледники. Как выявилось, наступление ледников контролируется не столько отрицательными температурами (усилием морозов), сколько повышением увлажненности. Колебания увлажненности с периодом около 2000 лет (1850 лет) проявились не только в горах, но и имели глобальный характер. Профессор Г. К. Тушинский приводит целый ряд любопытных и неожиданных сведений о колебаниях климата в Африке, Европе и Азии на основании изучения летописей, наскальных рисунков и других остатков былых цивилизаций (рис. 3). Цветущие оазисы на протяжении истории человека неоднократно превращались в пустыни (Сахара, Средняя Азия), а другие оазисы жизни погребались наступающим ледником (Гренландия).
А. В. Шнитников нарисовал стройную картину причинных взаимосвязей, обусловивших ритмическую миграцию границ ландшафтно-географических зон с периодом в 1850 лет. Она включает колебание приливообразующих сил, внутренних волн океанов, температурного режима океана, ледовитости Арктики, атмосферной циркуляции, температурного режима и увлажненности материков (стока рек, уровня озер, увлажненности торфяников, подземных вод, горных ледников, вечной мерзлоты).
Одним из самых больших стихийных бедствий являются землетрясения. Мы не только не в силах пока их предотвращать, но не умеем даже достаточно уверенно предсказывать их наступление. Любопытно, что и в этом случае фазы Луны помогают делать удачные прогнозы. Как показали исследования бакинского ученого Г. П. Тамзаряна, гораздо более часто землетрясения происходят в дни новолуния или полнолуния, то есть когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной прямой и приливные воздействия в твердой оболочке Земли от Луны и Солнца складываются[19]19
Сейсмические толчки – лунотрясения, как показали записи сейсмографов, установленных американскими космонавтами на Луне, характеризуются той же периодичностью.
[Закрыть]. Статистически достоверно устанавливаются периодические изменения в сейсмичности на Земле, обусловленные приливными колебаниями с суточным, годовым и 18,6-летним периодами. Конечно, и в этом случае землетрясения происходят не от колебаний напряжений внутри земной коры, вызванных приливными воздействиями. Но слабые дополнительные приливные усилия могут, видимо, приводить к разрядке интенсивных эндогенных полей напряжения, охватывающих литосферу. Таким образом, приливные воздействия можно сравнить с искрами или детонаторами, которые, не обладая собственной большой силой, могут воспламенять заряды и вызывать огромные разрушительные взрывы.
В последнее время выяснилось, что суточная, сезонная и многолетняя ритмичность, обусловленная приливными эффектами, ощущается и в более слабых проявлениях активности недр, например в виде горных ударов и выбросов газа в рудниках и шахтах. Есть и другие случаи нарушения тонкого динамического равновесия напряженного состояния горных пород в активных сейсмических зонах ничтожными проявлениями дополнительных внешних возмущающих сил. Примером могут служить землетрясения, спровоцированные инженерной деятельностью человека (строительством и заполнением горных водохранилищ), а также колебаниями солнечной активности (числа пятен на Солнце), механизмы которых пока остаются не разгаданными до конца.
