 |
Исследовать другие миры и защищать этот
|
|
|
|
Планеты на различных этапах своего развития подвергаются воздействию тех же самых формообразующих сил, которые влияют и на Землю. Следовательно, они имеют сопоставимый геологический состав, а возможно, и жизнь, подобную существовавшей на Земле в прошлом и, возможно, той, что разовьется в будущем. Но, более того, эти силы в некоторых случаях действуют в принципиально иных условиях, нежели на Земле, поэтому должны порождать организмы, не похожие на что-либо, виденное человеком. Ценность подобных материалов для сравнительного анализа слишком очевидна, чтобы ее обсуждать.
Роберт Годдард. Заметки (1907)
Впервые в жизни я увидел горизонт как кривую линию. Его контур подчеркивал тонкий темно-синий край – наша атмосфера. Конечно, это был никакой не «океан», с которым так часто сравнивают атмосферу. Мне было страшно от того, каким хрупким он выглядит.
Ульф Мербольд, астронавт немецкого происхождения, участник программы «Спейс шаттл», 1988 г.
Когда смотришь на Землю с орбиты, видишь милый и хрупкий мир, плывущий в черном вакууме. Но рассматривание клочка Земли через иллюминатор космического корабля не идет ни в какое сравнение с восторгом от вида всего земного шара целиком на черном фоне. Еще лучше, если земной шар проносится у вас перед глазами, когда вы сами плаваете в космосе и стенки космического корабля не мешают обзору. Первым человеком, испытавшим подобное, был Алексей Леонов, 18 марта 1963 г. вышедший из корабля «Восход-2» в открытый космос. «Я смотрел на Землю, – вспоминает он, – и первая мысль была: „А Земля-то ведь круглая!“ Я видел сразу все – от Гибралтара до Каспийского моря… ощущал себя как птица – у меня крылья, я могу летать».
|
|
|
Когда рассматриваешь Землю с большего расстояния, как астронавты с «Аполлона», она визуально уменьшается, и не видно уже почти ничего, только угадывается что-то из географии. Поражаешься, насколько Земля самодостаточна. Иногда ее покинет какой-нибудь атом водорода, в другой раз прилетит горсть космической пыли. Фотоны, рождающиеся в бездонной и беззвучной термоядерной печи глубоко в недрах Солнца, льются во всех направлениях, и Земля получает их в достаточном количестве, чтобы у нас было немного тепла и света на наши скромные нужды. В остальном этот маленький мир существует сам по себе.
Землю видно с Луны, иногда как полумесяц, пусть континенты оттуда и не рассмотреть. Если же смотреть на Землю с самой дальней из планет, то она покажется лишь бледной светящейся точкой.
Будучи на орбите, поражаешься при виде нежной синей дуги горизонта – это тонкая атмосфера Земли, которая отсюда просматривается по касательной. Тогда понимаешь, почему больше не существует «локальных экологических проблем». Что взять с молекул. Промышленные токсины, парниковые газы и вещества, разъедающие защитный озоновый слой, в силу своего крайнего невежества не признают границ. Им нет дела до государственного суверенитета. Поэтому из-за почти сказочной мощи наших технологий (а также из-за недальновидного мышления) мы превращаемся в угрозу для себя самих, в континентальных и глобальных масштабах. Проще говоря, если такие проблемы придется решать, то для этого потребуются согласованные действия многих государств в течение долгих лет.
Я не устаю удивляться той иронии судьбы, из-за которой космические полеты, задуманные в пылу националистических раздоров и ненависти, открыли перед нами ошеломляющие интернациональные перспективы. Достаточно провести совсем немного времени на орбите, рассматривая Землю, и даже самый закоренелый национализм начнет проходить. Покажется стычкой клещей на сливе.
|
|
|
Если мы влюбимся в единственный мир, то замкнемся на этом единственном случае, не узнаем, что еще возможно. Тогда – словно ценитель искусства лишь росписи Файюмских гробниц, стоматолог, ориентирующийся только в коренных зубах, философ, поднаторевший лишь в неоплатонизме, лингвист, изучавший только китайский, либо физик, знающий законы тяготения только для тел, падающих на землю, – мы будем довольствоваться близоруким мировоззрением, узколобыми суждениями, ограниченными прогностическими возможностями. Напротив, стоит нам исследовать другие миры – и мы осознаем, что устройство планеты, когда-то казавшееся «единственно возможным», на самом деле может оказаться где-то в середине спектра самых разнообразных вариантов. Рассматривая эти миры, мы начинаем понимать, что происходит, когда одного ингредиента очень много, а другого не хватает. Мы узнаем, каким образом планета может «сломаться». Мы приобретаем новое понимание, которое предвидел один из пионеров космонавтики Роберт Годдард и назвал это «сравнительной планетологией».
Исследование других миров открыло нам глаза на природу вулканов, землетрясений и погоды. Однажды такие исследования могут коренным образом повлиять на биологию, поскольку вся жизнь на Земле построена по одним и тем же биохимическим чертежам. Если будет открыт хотя бы единственный внеземной организм – даже такой примитивный, как бактерия, – то произойдет революция в нашем представлении о живых существах. Но связь между исследованием других миров и защитой нашего наиболее очевидна при изучении земного климата и растущих угроз, которые представляют для него наши технологии. Другие миры дают нам жизненно важные подсказки о том, каких глупостей не стоит творить на Земле.
Недавно были выявлены три потенциальные экологические катастрофы глобальных масштабов: истончение озонового слоя, парниковый эффект и ядерная зима. Выяснилось, что все три открытия тесно связаны с планетологией.
1. Было очень неприятно узнать, что инертное вещество с широчайшей сферой применения (рабочая жидкость в холодильниках и кондиционерах, аэрозольный пропеллент в дезодорантах), также входящее в состав других материалов, в частности, легкой пузырчатой упаковки для фастфуда и служащее в качестве чистящего агента в микроэлектронике, – список далеко не полон – может угрожать жизни на Земле. Кто же знал?
|
|
|
Речь шла о веществах, которые называются «хлорфторуглероды». С химической точки зрения они крайне инертны, то есть неразрушимы, пока не достигнут озонового слоя, где эти вещества расщепляются под действием солнечного ультрафиолета. Высвобождающиеся при этом атомы хлора реагируют с защитным озоном, разрывая его молекулы. В результате к Земле устремляется все больше ультрафиолета. Такая повышенная интенсивность ультрафиолетового излучения дает целую серию жутких последствий, не только вызывая рак кожи и катаракту, но и ослабляя иммунитет. Наиболее опасно то, что ультрафиолет может вредить сельскому хозяйству и фотосинтезирующим организмам, находящимся у основания пищевой цепочки, от которых зависит существование большинства биологических видов на Земле.
Кто же открыл пагубность хлорфторуглеродов для озонового слоя? Может быть, это было сделано в компании «Дюпон», которая была их основным производителем и проявила корпоративную ответственность? Или в Агентстве США по охране окружающей среды, которое нас защищает? В министерстве обороны? Нет, это сделали двое непубличных научных сотрудников в белых халатах, работавших над совершенно другой проблемой, – Шервуд Роуланд и Марио Молина из Калифорнийского университета в Ирвайне. Этот университет даже не относится к Лиге плюща[51]. Никто не обязывал этих ученых присматриваться к экологическим угрозам. Они занимались фундаментальными исследованиями, имели собственные научные интересы. Их имена должен знать каждый школьник.
В исходных расчетах Роуланд и Молина использовали константы скорости реакций, в которых участвует хлор и другие галогены. Измерение этих значений велось, в частности, при поддержке НАСА. Почему НАСА? Дело в том, что в атмосфере Венеры присутствуют молекулы хлора и фтора, поэтому астрономы-планетологи хотели понять, что там происходит.
|
|
|
Теоретическая работа, подтверждающая роль хлорфторуглеродов в истончении озонового слоя, вскоре была выполнена в Гарварде группой исследователей под руководством Марка Макэлроя. Как вышло, что у них в компьютерах оказались в готовом виде все эти разветвленные сети, описывающие химическую кинетику галогенов? Просто они изучали химию хлора и фтора в атмосфере Венеры. Венера помогла не только открыть, что земной озоновый слой в опасности, но и подтвердить это. Обнаружилась совершенно неожиданная связь между фотохимическими реакциями в атмосферах двух планет. Результат, важный для каждого жителя Земли, был получен от, казалось бы, самой отвлеченной, абстрактной, непрактичной работы – исследования химии мелких примесей верхних слоев атмосферы другой планеты.
Здесь прослеживается связь и с Марсом. Благодаря «Викингу» было обнаружено, что поверхность Марса явно безжизненна и, что примечательно, на ней нет даже простейших органических молекул. Но простая органика должна была там присутствовать, так как Марс бомбардируют насыщенные органикой метеориты из расположенного неподалеку пояса астероидов. Распространено мнение, что органики на Марсе нет именно потому, что там нет и озонового слоя. Микробиологические опыты «Викинга» позволили установить, что органические вещества, доставленные на Марс с Земли и разбрызгиваемые в поверхностном слое пыли, быстро окисляются и разрушаются. Разложение органики происходит из-за присутствия в марсианской пыли веществ, несколько напоминающих перекись водорода. Перекись водорода используется в качестве антисептика, так как проявляет окислительные свойства, убивая при этом микробов. Солнечный ультрафиолет беспрепятственно льется на поверхность Марса, поэтому если бы там и имелась какая-либо органика, то она должна была быстро разрушиться под действием как самого ультрафиолета, так и продуктов окисления. Соответственно, стерильность верхнего слоя марсианского грунта отчасти объясняется тем, что на Марсе существует озоновая дыра планетарного масштаба. Сама по себе эта история служит предостережением нам, так беспечно истощающим и протыкающим земной озоновый слой.
2. Было теоретически предсказано, что глобальное потепление возникает в результате нарастающего парникового эффекта, обусловленного в основном диоксидом углерода, выделяющимся при сгорании ископаемого топлива, но также связанного с накоплением других газов, поглощающих инфракрасное излучение (это оксиды азота, метан, все те же хлорфторуглероды и другие молекулы).
|
|
|
Допустим, у нас есть трехмерная компьютерная модель общей циркуляции для земного климата. Программисты, разработавшие эту модель, заявляют, что могут спрогнозировать, как выглядела бы Земля, если бы содержание того или иного компонента в ее атмосфере повысилось или, наоборот, понизилось. Модель очень хороша в «прогнозировании» современного климата. Но нам не дает покоя одна навязчивая мысль: ведь модель была «отрегулирована», поэтому она и получается правильной – то есть были выбраны определенные значения параметров настройки, и сделано это было не исходя из основных физических закономерностей, а с расчетом на получение верного результата. Нельзя назвать это жульничеством, но если применить ту же самую компьютерную модель к совершенно иным климатическим условиям – например, к сильному глобальному потеплению, – то «регулировка» может оказаться неподходящей. Модель может быть адекватна для современного климата, но не может экстраполироваться на другие.
Один из способов протестировать такую программу – испытать ее в совершенно иных климатических условиях других планет. Позволит ли она спрогнозировать состав марсианской атмосферы и климат на этой планете? Погоду? А что насчет Венеры? Если в этих тестовых случаях программа не сработает, то мы сможем с полным правом не доверять ее прогнозам и относительно нашей родной планеты. На самом деле используемые сегодня климатические модели довольно хорошо описывают климат Венеры и Марса, исходя из основных физических принципов.
На Земле известны колоссальные излияния расплавленной лавы. Их происхождение связывается с суперплюмами, которые в ходе конвекции поднимаются из глубин мантии и образуют обширные плато застывшего базальта. Около 100 млн лет назад произошел особо масштабный случай такого рода – возможно, тот суперплюм выбросил в атмосферу до 10 % ее нынешних запасов диоксида углерода и спровоцировал существенное глобальное потепление. Считается, что такие плюмы эпизодически возникают в истории Земли. Вероятно, подобные подъемы мантии происходили и на Марсе, и на Венере. Существуют веские основания, по которым нам требуется понять, как могут неожиданно происходить масштабные изменения рельефа и климата Земли, причины которых локализованы на глубине сотни километров.
Некоторые наиболее важные новейшие исследования глобального потепления климата были выполнены Джеймсом Хансеном и его коллегами в Институте космических исследований им. Годдарда (это подразделение НАСА, расположенное в штате Нью-Йорк). Хансен разработал одну из главных компьютерных моделей климата и с ее помощью попробовал спрогнозировать, что произойдет с земным климатом, если в атмосфере планеты продолжится накопление парниковых газов. Хансен был одним из первых, кто тестировал эти модели, сравнивая их с различными климатическими условиями, существовавшими в древности на Земле. (Интересно отметить, что во время последних ледниковых периодов повышенное содержание диоксида углерода и метана поразительно точно сочетается со сравнительно высокими температурами.) Хансен собрал большой массив метеорологических данных за XIX и XX вв., чтобы проверить, как именно изменялись глобальные температуры, а затем сравнить их с компьютерной моделью и узнать, что должно было происходить. Данные и модель согласовывались в пределах погрешности измерения и расчетов соответственно. Хансен отважно выступил перед конгрессом наперекор политически мотивированному распоряжению кабинета Белого дома по вопросам управления и бюджета (дело было в годы правления Рейгана), чтобы подчеркнуть неопределенности и минимизировать опасности. Его расчеты относительно извержения филиппинского вулкана Пинатубо и прогноз спровоцированного стихией временного снижения температуры на Земле (примерно на полградуса по Цельсию) попали в самую точку. Ему удалось убедить правящие круги во всем мире, что глобальное потепление – проблема, к которой следует отнестись серьезно.
Как Хансен вообще заинтересовался парниковым эффектом? Его докторская диссертация (защищенная в университете штата Айова в 1967 г.) была посвящена Венере. Хансен соглашался, что большая радиояркость Венеры обусловлена очень высокой температурой ее поверхности, соглашался, что парниковые газы блокируют теплоотдачу, но предполагал, что основным источником тепла на Венере являются горячие недра, а не солнечный свет. В ходе миссии «Пионер-12», отправленной к Венере в 1978 г., в атмосферу планеты были сброшены спускаемые зонды; они прямо показали, что в действительности парниковый эффект возникает именно из-за того, что планета разогревается Солнцем и тепло удерживается толщей атмосферы. Но именно Венера натолкнула Хансена на размышления о парниковом эффекте.
Вы обращаете внимание, что радиоастрономы признали Венеру интенсивным источником радиоволн. Другие объяснения такого радиоизлучения отпадают. Вы делаете вывод, что поверхность планеты должна быть до нелепости горячей. Пытаетесь понять, чем обусловлены такие высокие температуры, эти рассуждения неизбежно наводят вас на тот или иной вариант парникового эффекта. Спустя десятилетия вы обнаруживаете, что эти упражнения помогли вам понять, а затем и спрогнозировать неожиданную угрозу, нависшую над нашей глобальной цивилизацией. Мне известно множество других случаев, в которых ученые сначала пытались разобраться в устройстве атмосфер других миров, а затем совершали важные и исключительно прикладные открытия о нашем. Другие планеты – великолепный полигон для тех, кто изучает Землю. Они требуют как широты, так и глубины знаний, а также хорошего воображения.
Тем, кто скептически относится к идее глобального потепления, вызванного диоксидом углерода, было бы полезно обратить внимание на грандиозный парниковый эффект Венеры. Никто не предполагает, что он случился по вине неблагоразумных венерианцев, сжигавших слишком много угля, ездивших на автомобилях с избыточным расходом топлива и сводивших леса. Я говорю о другом. Следует обдумать климатическую историю нашей планеты-соседки, во многом похожей на Землю, но раскалившейся настолько, что у нее на поверхности течет свинец. Это особенно касается тех, кто утверждает, что нарастающий на Земле парниковый эффект скорректируется сам собой, что не стоит о нем беспокоиться (подобные утверждения встречаются в публикациях некоторых групп, позиционирующих себя как «консерваторы»), что парниковый эффект как таковой – не более чем «утка».
3. Ядерная зима – это гипотетическое потемнение и остывание Земли, которое может наступить после глобальной термоядерной войны. Ядерная зима обусловлена в основном огромным количеством мельчайших частиц дыма, заполняющих атмосферу в результате выгорания городов, нефтеперерабатывающих заводов и нефтехранилищ. Ведутся активные научные споры относительно того, насколько серьезной может оказаться ядерная зима. В настоящее время различные мнения сходятся к одному. Все трехмерные компьютерные модели общей циркуляции показывают, что температуры, которые установятся после глобальной термоядерной войны, должны быть еще ниже, чем в плейстоценовые ледниковые периоды. Последствия такой зимы для нашей планетарной цивилизации – особенно вызванные коллапсом земледелия – будут очень тяжелыми. Именно последствия ядерной зимы почему-то не учитывались гражданскими и военными властями США, СССР, Великобритании, Франции и Китая, когда эти державы накапливали ядерные боеголовки, пока общее количество зарядов серьезно не превысило 60 000. Хотя и нельзя с уверенностью судить о таких вещах, вполне возможно, что концепция ядерной зимы сыграла конструктивную роль (наряду с другими причинами), чтобы убедить ядерные державы, и в особенности СССР, в бесперспективности атомной войны.
Термин «ядерная зима», а также расчеты этого явления впервые появились в 1982–1983 гг. Работа была выполнена группой из пяти ученых, среди которых был и я, чем очень горжусь. Группа получила наименование TTAPS (по инициалам Ричарда Тёрко, Оуэна Туна, Томаса Акермана, Джеймса Поллака и меня). Из пятерых членов группы TTAPS двое были планетологами, а трое других опубликовали много статей по планетологии. Первые подозрения о возможности ядерной зимы возникли в ходе той самой экспедиции «Маринера-9» к Марсу, когда вся планета была охвачена пылевой бурей и мы не могли видеть марсианскую поверхность; тогда установленный на корабле инфракрасный спектрометр показал, что верхние слои атмосферы теплее, а поверхность – холоднее, чем следовало ожидать. Мы с Джеймсом Поллаком сели и попытались рассчитать, чем это может объясняться. В течение следующих 12 лет исследования в этом направлении привели нас от марсианских пылевых бурь к земным вулканическим аэрозолям и далее к вымиранию динозавров – из-за аналога ядерной зимы, который мог возникнуть из-за той пыли, что попала в атмосферу после столкновения Земли с астероидом. Никогда не знаешь, куда тебя заведет наука.
ПЛАНЕТОЛОГИЯ способствует широкому междисциплинарному видению проблемы, которое оказывается исключительно полезным, чтобы открывать и пытаться предотвращать такие надвигающиеся экологические катастрофы. Когда поднатореешь в исследовании других миров, особенно хорошо понимаешь, как уязвима планетарная окружающая среда, и сознаешь, что такие среды могут быть очень разными. Может быть, существуют потенциальные глобальные катастрофы, которые еще только предстоит открыть. Если они есть, то могу поспорить, что ключевую роль в их понимании сыграют ученые-планетологи.
Из всех математических, технических и естественнонаучных дисциплин максимального международного сотрудничества требует область «наук о Земле и космосе» (если судить по признаку соавторства исследовательских статей, написанных учеными из двух и более стран). Изучение Земли и других планет по определению противоречит местечковости, национализму, шовинизму. Люди очень редко идут в эти науки из-за своего интернационализма. Почти всегда они вступают на этот путь по другим причинам, а затем обнаруживают, что превосходная работа, дополняющая их исследования, была выполнена представителями других наций либо что для решения задачи требуется информация или точка обзора (например, для наблюдений южного полушария неба), которых нет в родной стране. Стоит ощутить такое сотрудничество – люди из разных уголков планеты работают на взаимно понятном научном языке и совместно решают проблемы, касающиеся каждого, – и уже сложно себе представить, почему подобного не происходит в других областях, не связанных с наукой. Лично я считаю этот аспект наук о Земле и космосе исцелительным и объединяющим фактором мировой политики; но, полезно такое сотрудничество или нет, оно все равно неизбежно.
Когда я изучаю факты, мне кажется, что исследование планет – одно из самых практичных и неотложных занятий для жителей Земли. Даже если бы нас не воодушевляла перспектива исследования других миров, если бы в нас полностью отсутствовал дух авантюризма, даже если бы мы заботились о себе в самом узком смысле, исследования планет все равно оправдали бы любые усилия.
Глава 15
|
|
|
