Текст книги "Леденящие звезды. Новая теория глобальных изменений климата"

Автор книги: Хенрик Свенсмарк

Соавторы: Найджел Колдер
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 15 страниц)

Атомы наших тел были выкованы в колоссальном очаге Большого взрыва и кузницах вспыхивающих звезд. Под воздействием космических лучей при температуре минус 250 градусов Цельсия они слепились в необходимые для жизни соединения, включая воду и моноокись углерода. Сама Земля сформировалась в результате столкновений астероидов, врезавшихся друг в друга на огромных скоростях, а океаны, возможно, произошли из кометного льда. Столкновения Земли с астероидами и кометами, хотя и сильно уменьшившиеся в количественном отношении, время от времени продолжают сеять смерть и разрушения на планете.

Недавно астробиологи попытались оценить роль магнитного поля в создании и поддержании условий жизни на Земле, а также, возможно, и на внесолнечных планетах. В 2005 году Европейское космическое агентство разработало долгосрочную программу изучения и мирного освоения космоса. Доклад об этой программе, озаглавленный «Взгляд во Вселенную: космическая наука в Европе в 2015–2025 годах», был подготовлен под руководством итальянского астрофизика Джованни Биньями. Авторы доклада в самом начале своей работы говорят о необходимости понять, какие физические условия влияют на появление жизни во Вселенной, и подчеркивают магнитную взаимозависимость между звездой и ее системой планет:

«Условия жизни на Земле поддерживает медленно эволюционирующее Солнце, которое обеспечивает почти постоянную освещенность планеты, а также защищает нас от высокоэнергетических частиц, поступающих от сверхновых Галактики. Солнечный ветер, срывающийся с горячей солнечной короны, пронизывает всю гелиосферу и выносит вихревые магнитные поля к периферии Солнечной системы, что решительным образом снижает приток космических лучей. Таким образом, чтобы дать полную характеристику условий, необходимых для поддержания жизни, особенно в ее развитой форме, мы должны как можно глубже понять магнитную систему Солнца, ее изменчивость, ее взрывчатый характер, проявляющийся в гигантских выбросах солнечного вещества, и взаимодействия между гелиосферой и магнитосферами и атмосферами планет» [108]108
  G. Bignami et al. Cosmic Vision: Space Science for Europe 2015–2025,ESA BR-247, 2005.


[Закрыть].

Таким образом, вклад космоклиматологии сейчас более чем своевременен, ведь она показала, что во время бурного звездообразования интенсивные космические лучи преодолевают магнитную защиту Солнца. До сих пор жизни удавалось устоять даже в суровые времена «Земли-снежка». Что помогает нашей планете оставаться обителью жизни? Может быть, ее особенное местоположение в Галактике? Или тут работает гелиосфера, окружающая Землю и заботливо охраняющая ее? Если да, насколько необычна наша планета в этом отношении? И произошла ли жизнь на Земле только благодаря отсутствию космических лучей, то есть благодаря сильному солнечному ветру, испускаемому юным Солнцем? Ответы на эти вопросы помогут астробиологам сузить их список планет для поисков внеземной жизни.

Есть еще одна находка, которая рассказывает нам что-то очень важное об условиях жизни на Земле, – пусть даже мы не вполне понимаем, в чем смысл этого рассказа. Существует на удивление тесная связь между крайними значениями интенсивности космических лучей и крайними значениями колебаний в продуктивности биосферы (включая те пики высокой и низкой продуктивности, которые твердо установлены современной наукой) – связь, отчетливо проявляющаяся при подсчете углерода-13. Очевидно, космоклиматологический «стресс» может оказывать как благотворное, так и вредоносное воздействие на продуктивность биосферы. Возьмем для примера цветущие растения. Что вызвало их появление? Может быть, этому способствовало наступление ледников, сопровождавшееся бодрящими погодными условиями, быстрой континентальной эрозией и благодатным распространением питательных веществ?

Ну хорошо, продуктивность биосферы связана с изменениями климата. А какова связь между климатом и биоразнообразием, количеством видов? Ведь биоразнообразие – это еще один показатель благополучия жизни, весьма отличный от биопродуктивности. Как давно известно палеонтологам, исчезновение старых видов и появление новых, более приспособленных к изменившейся окружающей среде, – это свидетельство того, что изменения климата могут подталкивать эволюцию. Но история взаимоотношений земной жизни и космических лучей осложняется вмешательством комет и астероидов. Обрушиваясь на нашу планету, они приводят к колоссальным потерям в биоразнообразии, причем сопутствующие таким катаклизмам массовые вымирания не зависят от состояния климата в ту или иную эпоху. После вымираний появляется большое количество новых видов, пустоты заполняются, и биопродуктивность вновь набирает обороты. Такая жизнестойкость наводит на мысль, что жизнь каким-то образом запрограммирована справляться с кризисами, которые подкидывает нам яростная Вселенная.

Заряженные частицы из космоса также могут влиять на скорость эволюции более непосредственно, вызывая мутации генов. Когда поток космических лучей возрастал особенно сильно, ускоряла ли эволюция свой шаг?

И каковы были последствия этого возрастания для молекулярных часов, которые эволюционисты используют для определения сроков тех или иных событий? Ход часов во многом зависит от незначительных генных мутаций, выявить которые можно путем сравнения измененных и неизмененных участков ДНК, а для этого надо либо непосредственно читать молекулу ДНК, либо изучать небольшие отклонения в белках, создаваемых по указанию генов. Апеллируя к сравнительной геномике и протеомике, космоклиматология выходит на передовой рубеж биологии.

Прочесть руны Солнца

Исследования космических лучей, описанные в этой книге, начались с анализа вариаций в нынешнем поведении Солнца и рассмотрения того, как эти вариации влияют на изменения климата. Европейское космическое агентство выступило за более широкое изучение роли Солнца. В результате этой инициативы родился проект ISAC [109]109
  ISAC, Influence of Solar Activity Cycles on Earth’s Climate (англ.) – Воздействие циклов солнечной активности на климат Земли.


[Закрыть], в котором объединили свои усилия ученые из Имперского колледжа (Лондон), Шведского института космической физики (отделение в городе Лунд) и Датского национального космического центра (Копенгаген). Солнце проявляет себя трояким образом: оно испускает видимый и невидимый свет, гонит солнечный ветер, воздействующий на геомагнитное поле, и модулирует потоки космических лучей. Цель нового проекта – изучить все аспекты этого тройственного поведения и подсказать разработчикам климатических моделей, как они могут учесть влияние Солнца в компьютерных программах, имитирующих изменения климата.

По мнению Свенсмарка, заряженные частицы, проникающие в нижние слои атмосферы, оказывают большее влияние на климат, чем любые другие «агенты солнечного влияния». И уж куда большее, чем природные силы Земли, будь то извержения вулканов или события Эль-Ниньо, которые придают тепла восточной части Тихого океана и миру в целом.

Связь между космическими лучами, облаками и климатом остается сегодня такой же важной, какой она была на протяжении миллиардов лет. Любая попытка предсказать климат на годы и десятилетия вперед будет, следовательно, опираться на возможность прогнозировать вариации космических лучей. На таких коротких отрезках времени вряд ли можно ожидать серьезных перемен в нашем галактическом окружении, поэтому колебания потоков космических лучей, значимые для земного климата, полностью зависят от изменений в солнечном магнитном поле. И если кто-то хочет составить серьезный климатический прогноз, он должен прежде всего научиться предсказывать поведение нашего светила.

Вся ответственность здесь ложится на плечи физиков, специализирующихся на изучении Солнца. От них и так уже требуют предсказывать солнечную магнитную активность, потому что солнечные бури угрожают здоровью и даже жизни космонавтов, работающих на орбите, нарушают работу спутников в космосе и энергетических и коммуникационных систем на Земле. Те, кто планирует отправить пилотируемый корабль на Луну или Марс, тоже хотели бы уменьшить возможные риски и выбрать более спокойный период.

Попытки предсказать количество солнечных пятен в одиннадцатилетнем цикле предпринимаются в течение долгого времени, но успешными их пока не назовешь. В любом случае связь между числом солнечных пятен и частотой солнечных бурь весьма приблизительна. Например, в сентябре 2005 года, когда число пятен снизилось, приближаясь к солнечному минимуму, небольшая группа солнечных пятен разразилась девятью выбросами в течение одной лишь недели, обозначив тем самым начало одной из самых мощных хромосферных вспышек за последние полвека. Дэвид Хатауэй из Национального центра космических наук и технологий в Хантсвилле (штат Алабама, США) был донельзя удручен этим событием: «Солнечный минимум выглядит странно похожим на солнечный максимум» [110]110
  Цит. по: science@nasa, 15 сентября 2005 г.


[Закрыть].

Интенсивность космических лучей также весьма вольным образом согласуется с количеством солнечных пятен. Да, в общем и целом, когда солнечных пятен мало, интенсивность космических лучей достаточно высока, а когда пятен много, приток лучей снижен, и тем не менее здесь нет простого соотношения «один к одному». Реакция космических лучей на поведение Солнца может опережать рост или убыль солнечных пятен либо отставать от этих изменений на год и даже больше. В 2000 году продолжался солнечный максимум, и пятен на Солнце было весьма много, а вот количество заряженных частиц, проникающих в атмосферу Земли, снизилось без соблюдения каких бы то ни было «пропорций» – оно упало до уровня 1979 года, когда солнечных пятен было намного больше.

История космических лучей, рассказанная радиоактивными атомами, предполагает, что у Солнца есть долгие циклы в 200 и 1400 лет, связанные с усилением и ослаблением его магнитного щита. Некоторые доблестные эксперты пытаются прочесть будущее по солнечным рунам, прокрутив циклы вперед. Одни утверждают, что солнечное магнитное поле, более чем удвоившее свою силу в течение двадцатого века, будет оставаться сильным до 2020-х годов, а это означает, что приток космических лучей не увеличится, облаков станет еще меньше, и продолжится рост среднемировой температуры. Другие подозревают, что напряженность поля достигла своего пика и вскоре начнет падать.

Кто прав? Ответ туп и печален: никто. Поведение Солнца пока предсказать невозможно. Даже одиннадцатилетний и двадцатидвухлетний солнечные циклы не поняты до конца. Причины более продолжительных циклов ускользают от исследователей, хотя кое-какие идеи и возникают. Например, было высказано предположение, что все дело – в покачиваниях солнечного ядра, вызываемых гравитационным воздействием планет, которые обращаются вокруг нашего светила. Если мы хотим грамотно предсказывать поведение космических лучей и, таким образом, составлять надежные климатические прогнозы, нужно, чтобы физика Солнца – и теоретическая, и наблюдательная – сделала не один шаг вперед.

Как упоминалось в пятой главе, Юджин Паркер из Чикагского университета, пионер исследований солнечного ветра, хотел бы, чтобы число солнцеподобных звезд, за магнетизмом которых налажено постоянное наблюдение, возросло с десяти до тысячи. Это помогло бы лучше понять поведение нашего Солнца и осознать, на какие крайности оно способно. Исследователи уже зафиксировали на других звездах спады магнитной активности, которые можно сопоставить с малым ледниковым периодом на Земле, но вот пики активности, аналогичные той, которая, возможно, происходила на Солнце при внезапных потеплениях в ходе последнего ледникового периода, пока засечь не удалось.

Ученых, стремящихся научиться предсказывать поведение нашего светила, обескураживает то, как трудно оказалось измерить силу его магнитного поля. Это связано с тем, что области над солнечными полюсами мы видим сбоку – и с Земли, и с большинства космических станций. Космический аппарат «Улисс» ходит по околосолнечной орбите над полюсами и измеряет магнитное поле Солнца в космосе, однако на аппарате нет приборов, способных дистанционно измерить напряженность поля на видимой поверхности светила. Этот недостаток будет устранен при последующих космических полетах к Солнцу.

Космическому аппарату ЕКА «Спутник Солнца» (Solar Orbiter) предстоит долгий путь к нашему светилу. В течение семи лет он будет маневрировать в космосе, используя сближения с Венерой, чтобы в конечном итоге выйти на удобную околосолнечную орбиту, откуда инструменты аппарата увидят один из полюсов Солнца под углом 38 градусов (с Земли этот полюс можно увидеть лишь под углом 7 градусов).

Есть также предложение запустить в космос аппарат «Околополярный спутник Солнца» (Solar Polar Orbiter) с солнечными парусами, который обращался бы вокруг Солнца таким образом, чтобы проходить над северным и южным полюсами светила на расстоянии, равном половине дистанции от Земли до Солнца. Это даст физикам возможность впервые воочию увидеть, как работает магнитное поле на видимой поверхности Солнца. Ученые надеются, что с помощью «Околополярного спутника» они смогут лучше предсказывать солнечное поведение.

Вы рано затаили дыхание. «Спутник Солнца» выйдет в космос не раньше 2015 года, а взглянуть на полюс Солнца под хорошим углом ему удастся только в 2020-м. Что касается «Околополярного спутника», то он пока существует лишь в воображении проектировщиков. Хотя ЕКА запланировало начать его разработку в 2015–2025 годы, ученые и инженеры, привлеченные к конструированию аппарата, будут считать, что им повезло, если их солнечный парусник выйдет в плавание вокруг Солнца к концу этого срока.

Между тем переменчивое настроение Солнца слишком плохо изучено, чтобы делать хоть какие-то прогнозы о солнечной активности, а ведь космические лучи должны стать основой серьезных предсказаний изменений климата в двадцать первом веке. В 2005 году шведские ученые сообщили, что следующий солнечный цикл начнется в 2006 году и будет самым слабым за сто лет. Напротив, американский прогноз, сделанный всего лишь на несколько месяцев позже, гласил, что солнечный цикл начнется в 2007 году и будет очень похож на энергичные циклы 1970-х и 1980-х.

В 2006 году британские математики, специализирующиеся на изучении солнечных процессов, иронично прокомментировали эти потуги. Обратив внимание, что гипотезам не хватает твердого физического обоснования, Стивен Тобиас, Дэвид Хьюз и Найджел Вайсс предложили свою догадку:

«Конечно, интересно размышлять на тему, в каком направлении двинется солнечный магнетизм в будущем. Последние циклы солнечных пятен были исключительно энергичными… Хорошо известно, что в прошлом после подобных эпизодов высокой активности наступали драматические периоды почти полного прекращения магнитной деятельности, такие как Великий Минимум. Хотя мы не осмелимся предположить, что это случится скоро, было бы явно интересно понаблюдать такой коллапс магнитного поля» [111]111
  Tobias et al.: correspondence in Nature.Vol. 443, p. 26, 2006.


[Закрыть].

Часто говорят, что жить в интересные времена – это проклятие. Великий Минимум, упомянутый здесь, – это минимум Маундера, случившийся триста лет назад и совпавший с самой холодной фазой малого ледникового периода. Похожие приостановки в солнечной деятельности довольно часто вызывали оледенения, описанные в первой главе, как те, что время от времени перекрывали Шнидейохский перевал в Альпах. Так как физика Солнца полна неопределенностей, космоклиматологи, возможно, не должны торопиться со своими выводами о том, что случится в двадцать первом веке.

Конструктивный взгляд на сегодняшнее изменение климата

Так как космические лучи – это главная движущая сила изменений климата, любая попытка предложить публике надежный климатический прогноз на десятилетия вперед будет, с точки зрения науки, поспешностью. Неправильно предсказанное повышение или понижение среднемировой температуры может направить политических деятелей по ложному пути и окажет людям медвежью услугу. Джозеф Смагорински еще в 1970-е годы, на заре компьютерного моделирования климата, предупреждал: «Дать неверный прогноз погоды хуже, чем не дать его вовсе» [112]112
  Из личной переписки Джозефа Смагорински и Найджела Колдера, 1973 г.


[Закрыть].

С той поры компьютеры стали намного мощнее, однако допущения и методы, используемые в климатических моделях, кажутся даже более туманными. Возможное влияние двуокиси углерода на среднемировую температуру оставлено на личное усмотрение разработчиков моделей. Несмотря на неоднократные заявления о том, что нужно сузить поле прогнозов, предсказания потепления в двадцать первом веке варьируются в широком диапазоне – от робкого повышения среднемировой температуры на 0,5 градуса Цельсия до скачка на целых 6 °C, однако большинство специалистов предсказывают повышение среднемировой температуры на 3–4 градуса Цельсия. Журналисты, борцы за окружающую среду, политики и некоторые ученые из числа наиболее ярых приверженцев ТГП [113]113
  Теория глобального потепления.


[Закрыть]обсуждают последствия потепления в духе: «Близится конец света!»

Уточнить воздействие двуокиси углерода – не то же самое, что посоветовать беззаботно жечь ископаемое топливо. Это клевета, что любой, кто сомневается в неизбежном ужасном глобальном потеплении, льет воду на мельницу нефтяных компаний. На самом деле есть весомые причины экономить природное топливо: снизить уровень вредного для здоровья дыма, сберечь ограниченные топливные запасы нашей планеты, удержать низкие цены на энергетические ресурсы, чтобы помочь беднейшим нациям. Но это не имеет ничего общего с климатом.

Как было отмечено в третьей главе, форсированное образование облаков за счет воздействия космических лучей объясняет важные черты нынешних изменений климата от десятилетия к десятилетию. Пересмотр климатической роли углекислого газа – это уже вчерашний день. Теперь срочная задача климатологии – объяснить, почему воздействие двуокиси углерода оказывается меньше, чем ожидалось.

Разработчики климатических моделей в последние годы двадцатого столетия сосредоточивались именно на углекислом газе, потому что, казалось, без учета этого парникового газа предсказание климата становилось недостижимым. Якобы, если у вас будут правильные цифры – в смысле, если вы хорошенько оцените вероятное увеличение доли углекислого газа в атмосфере и его влияние на температуру, – то легко сможете подсчитать изменения среднемировой температуры и выведете ожидаемые количества осадков. То, что подобные компьютерные модели страдали врожденными дефектами из-за их неумения учитывать фактор облаков, нисколько не умеряло амбиции разработчиков. Однако и поныне долгосрочные климатические предсказания невозможны в принципе, потому что никто не может сказать, что Солнце будет делать завтра или как оно повлияет на земную облачность.

То, что удручает мнимых предсказателей климата, может приободрить мир в целом. И не только потому, что большинство тревожных прогнозов о глобальном потеплении, похоже, были сильно преувеличены. Если мы будем лучше понимать механизм климатических изменений, то сможем дать более осмысленный совет тем, кто живет в беднейших странах мира и для кого никогда не прекращающиеся изменения климата могут означать нищету или смерть.

Если людям, пытающимся совладать с разрушительным наводнением, или сильной засухой, или страшным ураганом, рассказать, что всему виной глобальное потепление, это даст примерно такой же эффект, как если бы жертвам дорожного происшествия предложили выслушать лекцию о международном положении. Подобные слова не ведут к конструктивным действиям. Что касается предсказаний вероятных наводнений, засух или ураганов, то сегодня компьютерные модели, построенные на том, что климатом управляет углекислый газ, выдают для разных регионов до смешного противоречивые предсказания.

Даже если космоклиматологи не будут предпринимать попытки делать долгосрочные прогнозы и ограничатся средне– и краткосрочными, они должны предложить более обоснованный взгляд на причины и тенденции климатических перемен в различных регионах. Их прогноз должен помочь населению этих районов предотвратить или смягчить тяжелые последствия. Точно вычисленные изменения облачности помогут нам заранее знать, каким будет потепление или похолодание, и Антарктика с ее диссидентским поведением – только один пример преимущества такого знания.

Но, пожалуй, самое важное – это научиться предсказывать азиатские муссоны в тропических и субтропических широтах. Яркий летний свет приводит муссоны в действие, и они покрывают огромные пространства пуховым одеялом облаков. Благосостояние миллиардов людей зависит от муссонных дождей. В прошлом выпадение муссонов вело к массовому голоду, а иногда и к исчезновению цивилизаций. Огромное количество ливневых дождей приводит к катастрофическим наводнениям в Индии, Бангладеш и Китае.

Группа китайских ученых под руководством профессора Ван Юнцзиня из Нанкинского университета изучала сталагмиты в одной из пещер южного Китая. Проанализировав слои годового роста сталагмитов, ученые пришли к выводу, что на протяжении последних девяти тысяч лет прослеживается четкая связь между солнечной активностью и влажностью в сезон дождей. Хотя из доклада группы Ван Юнцзиня, сделанного в 2005 году, следовало, что причиной всему – яркость Солнца, данные тем не менее говорят сами за себя. Высокая интенсивность космических лучей ослабляет муссоны, а низкая интенсивность – наоборот, провоцирует щедрые осадки. Если изучить метеосводки за последние пятьдесят лет, то такую же связь между солнечной активностью и летними дождями можно усмотреть не только в Азии, но и в других регионах, даже в подверженной засухам африканской Сахели.

Более определенно высказался К. М. Хиремат, гелиофизик из индийского Института астрофизики в Бангалоре, изучивший вариации индийских муссонов за последние сто тридцать лет. На конференции по международной программе «Жить со звездой», состоявшейся в Гоа в 2006 году, Хиремат вспомнил теорию Свенсмарка о космических лучах и облачности: «Похоже на то, что причинно-следственная связь между выпадением осадков, солнечной активностью и галактическими космическими лучами все-таки существует» [114]114
  Из рекламного плаката конференции по международной программе «Жить со звездой», Гоа, 19–24 февраля 2006 г.


[Закрыть].

В результате появилась увлекательная задачка о трехсторонней связи между муссонами, Солнцем и событиями Эль-Ниньо, повышающими морские температуры в экваториальной части Тихого океана. Суровые засухи в Индии иногда следуют за событиями Эль-Ниньо, но не всегда, и слепое использование тихоокеанских данных приводит и к ложным тревогам, и к неудачно предсказанным засухам. Метеорологи только выиграют, если примут в расчет Солнце.

И если окажется, как предполагает Хиремат, что циклы влажных и сухих муссонов связаны с двадцатидвухлетним солнечным циклом, тогда можно планировать хозяйственные мероприятия в соответствии с этими данными. Фермеры могли бы решить вопрос с посевами, а оросители – приспособить водоразборные системы к требованиям космических лучей. И для агентств по оказанию помощи пострадавшим от голода или стихийных бедствий совет будет таким же, какой дал Иосиф фараону: запастись едой в урожайные годы, чтобы спастись от неминуемых семи лет голода. Климатическая наука должна быть полезной. Мы бы хотели закончить на этой ноте, а не на длительных размышлениях о продолжающемся парниковом потеплении или похолодании, возможном в том случае, если Солнце вернется к своему угрюмому настроению малого ледникового периода. Желание во что бы то ни было предсказывать будущее еще до того, как процессы полностью осознаны, может сбить ученых с пути. Каждому, кто нетерпеливо ждет предсказаний погоды, следует вспомнить ректора Тюбингенского университета Иоганна Штёфлера, чьи прогнозы были увековечены Вольтером в «Философском словаре».

«Один из самых знаменитых математиков в Европе, а именно Штёфлер, процветавший в конце пятнадцатого – начале шестнадцатого столетий и долго трудившийся над реформой календаря, предложенной еще Констанцским собором, предсказал вселенский потоп на 1524 год. Потопу следовало нагрянуть в феврале месяце. Ничего более правдоподобного и быть не могло – ведь Сатурн, Юпитер и Марс сошлись в знаке Рыб! Все народы Европы, Азии и Африки, услышавшие о предсказании, пришли в смятение. Все ожидали потопа, хотя в небесах сияли радуги. Несколько писателей-современников отметили, что жители приморских краев Германии поспешили продать свои земли за бесценок тем, у кого было больше денег и кто оказался не столь легковерен, как они. Все обзавелись лодками на манер ковчега. Тулузский доктор по имени Ориоль распорядился о сооружении большого ковчега – для него самого, его семьи и друзей. Такие же меры предосторожности принимались почти по всей Италии. Наконец наступил февраль, а с неба не упало ни капли воды: никогда ранее февраль не был столь сухим, и никогда ранее астрологи не были столь сконфужены. Тем не менее ни разочарования в них, ни небрежения к ним с нашей стороны не последовало: почти все князья продолжают обращаться к ним за советами» [115]115
  Цит. и пер. по: Voltaire. The Philosophical Dictionary,translated by H. I. Woolf, New York: Knopf, 1924.


[Закрыть].