Текст книги "100 великих тайн Земли"

Удивительные приключения пыли

Пыль. От нее никуда не деться! Она встречается на каждом шагу. Ее можно найти на подоконнике, книжной полке или в шкафу. Мы замечаем ее везде, где по недосмотру не прогулялась тряпка или швабра. Стоит протянуть руку, и на наших пальцах может оказаться она, неизменная спутница человека – пыль.

Пыль буквально преследует нас, и потому кажется: «Уж что-что, а пыль мы знаем!» Увы, расхожее мнение! На взгляд ученых, эта неприметная, невзрачная субстанция, окутывающая все вокруг и проникающая всюду, таит в себе немало загадок.

В нашей жизни пыль на редкость двойственна. Она может отнять у человека здоровье. Так, астмой и аллергией люди болеют в первую очередь из-за пыли – точнее, из-за содержащихся в ней пылевых клещей – крохотных паукообразных длиной около 0,5 миллиметра. Но пыль может и вернуть здоровье. В начале 1990-х годов немецкие ученые доказали, что ребенку тем реже грозит аллергия, чем чаще его иммунная система сражается с микробами, таящимися в пыли. Юный организм сызмальства учится дозировать свою убойную силу. После такого обучения он уже не ответит «истерической» реакцией на безобидные вещества, вроде кошачьих шерстинок.

Пыль способна превратить цветущую местность в пустыню, а то и породить в пустынном месте лес. Частички пыли, подхваченные ветром, минуют высочайшие горы и обширные моря. Ветер непрестанно уносит пыль из африканских пустынь, усеивая ими земли, лежащие за тысячи километров от Африки.

Самым пыльным местом на Земле считается впадина Боделе, расположенная в Сахаре близ границы Судана и Чада и занимающая площадь около 24 тысяч квадратных километров. Мириады окаменелых остатков водорослей и минеральных крупиц, содержащих фосфор и железо, покрывают эту долину – дно высохшего озера, простиравшегося здесь. В древности его воды питали растения и животных Центральной Африки. Сегодня пыль со дна озера служит удобрением для дождевых лесов Южной Америки. Но этот эффект поразительным образом недооценивается.

В природе пыль существует в различных видах

Почти 100 дней в году над Сахарой бушуют песчаные бури. Давно известно, что их отголоски ощущаются даже в Европе. Так, в Средние века панический ужас на европейцев нагоняли «кровавые дожди». Их считали предвестием чумы, а повинна в них была пыль, поднятая в воздух в Сахаре. Она придавала атмосферным осадкам красноватый оттенок. Пыль эта разносилась далеко на север, попадая даже в Скандинавию. Там, оседая на ледниках, она ускоряла их таяние, ведь красный цвет активнее, чем белый, поглощает солнечные лучи.

Всего, по оценке геологов, Сахара ежегодно теряет свыше 500 миллионов тонн пыли, ну а все мировые пустыни – более 2 миллиардов тонн. Огромное количество пылинок, сметаемых ветром в Сахаре, оседает в водах Атлантики. Планктон – основа пищевой цепи в океане – начинает бурно разрастаться. Всюду, где пылевые облака «проливаются» на сушу или океан дождем, возникает богатая органическая жизнь. В 1832 году Чарлз Дарвин, находясь на борту корабля «Бигль», наблюдал за тем, как африканская пыль оседала близ островов Зеленого Мыса. «Пыль эта падает в таком количестве, что загрязняет все на борту корабля и причиняет вред глазам, – писал Дарвин, – бывало даже, что суда садились на мель из-за непроницаемого мрака».

Уже в наши дни ученые доказали, что эта пыль преодолевает куда большие расстояния, усеивая территорию Южной Америки. Около 50 миллионов тонн пыли ежегодно перелетает туда из Африки. Более половины всех необходимых минералов амазонские леса получают вместе с пылью, падающей на них с неба. Африканская пыль питает их, ведь она содержит некоторые химические вещества – калий, фосфор, кальций, что не встретишь в южноамериканской почве. Если бы не эти удобрения – тонны фосфатов, сульфатов и оксидов железа, эти леса захирели бы. Эпифиты – мох, лишайники, орхидеи, – густо усеявшие кроны деревьев, улавливают летящую на них пыль и насыщаются ею. Усваивая «небесное удобрение», растения стремительно растут.

Немецкий геолог Йозеф Райххольф предположил даже, что периодическое расширение и сжатие Сахары, длящееся миллионы лет, может влиять на площадь, занимаемую амазонскими лесами: она то сужается, то увеличивается.

Так прошлое переплетается с настоящим. Так далекая пустыня превращает Южную Америку в цветущий континент.

Кстати, роза ветров у западного побережья Африки такова, что большую часть пыли относит далеко в сторону от амазонских лесов. Например, в летние месяцы почти вся она оседает в водах Карибского моря. Верхние слои почвы на здешних островах в основном сложены из той самой пыли, что порывом ветра когда-то была сметена в Африке.

По предположению исследовательницы Анны Горбушиной из Ольденбургского университета – ее статья опубликована на страницах журнала Environmental Microbiology, – пыль, перелетевшая на землю Америки с Африканского континента, несет не только благо, но и зло. Вместе с ней это путешествие длиной в полторы недели совершают разные микроорганизмы. Выброшенный с неба десант этих «бойцов невидимого фронта», возможно, вызывает внезапные вспышки заболеваний в глухих уголках Южной Америки.

Но вернемся в наши широты. Пыль оседает на землю всюду с каждой каплей дождя, с каждой снежинкой. Если бы дождь не смывал, а ветер не сметал ее, на крышах домов за год скапливались бы тонны пыли. Однако пыль не лежит на месте. Она проникает в любую трещину. Даже в убранной дочиста комнате все пронизано ею: в каждом кубическом сантиметре воздуха снует более тысячи пылинок. Солнечным летним днем на свету хорошо видно, как кружится пыль.

«Естественная фоновая нагрузка» – так называют этот «столп пыли» специалисты – достигает 20 микрограммов на один кубический метр. Именно благодаря пыли – сказываются ее преломляющие свойства – солнечный свет окрашен в столь яркие тона. Мириады пылинок, рассеянных в воздухе, меняют расцветку закатов и рассветов, окрашивая их в пылающе-красные тона.

Пыль меняет и климат. По разным причинам пылинки могут «склеиваться», образуя аэрозоли – твердые частицы, взвешенные в воздухе. Их химический состав, их форма, способ их возникновения очень разнятся. Обычно все начинается с выхлопных газов, выброшенных в воздух автомобилями и самолетами. Встречаются и естественные аэрозоли. Так, при извержении вулканов в атмосферу попадает огромное количество пылинок. Еще один вид аэрозолей образуется над океанами и морями: ветер подхватывает капельки воды и развеивает их; вода испаряется; в воздухе остаются крупицы соли.

Все аэрозоли отличаются одним свойством: вокруг них конденсируются водяные пары. Возникают капли дождя, кристаллики льда или снежинки. Чем больше в воздухе аэрозолей, тем крупнее капли и льдинки – тем плотнее облачная завеса. Облака сильнее отражают солнечный свет; становится прохладнее. Впрочем, аэрозоли могут вызывать и обратный эффект. Недавние исследования показали, что, попав в средние слои атмосферы, аэрозоли не отражают солнечный свет, а, наоборот, поглощают его, то есть способствуют потеплению.

Итак, несмотря на свою микроскопическую величину, пылинки играют очень важную и пока еще неясную роль в формировании климата на планете.Как признают ученые, влияние пыли на атмосферные процессы гораздо сложнее, чем воздействие парниковых газов. Однако зачастую это не принимается во внимание. Как же учесть влияние пыли в наших прогнозах климата?

Есть ли на земле «марсианские микробы»?

Земля живет! Верхние слои ее коры пронизаны жизнью. Мы думаем, что толща земли под нашими ногами числится лишь по ведомству геологии. На самом деле это еще одна обширная экосистема, обитатели которой невидимы, как пустота. Мириады микроорганизмов населяют отложения на дне океанов, застывшую вулканическую лаву, твердь гранита, из которого состоит материковая кора.Они обитают всюду, где есть вода и где жара еще не стала невыносимой даже для микробов.

Очевидно, лишь температурный барьер ограничивает область их обитания. Даже самые жаростойкие микроорганизмы не могут выжить при температуре свыше 113 °С. Эта граница пролегает в 3—10 километрах от поверхности Земли (точное ее положение зависит от теплопроводности тех или иных пород, составляющих кору). Ее не смеет пересечь ни один микроб.

Однако, как ни разнообразно это сообщество подземных организмов, как ни широко оно распространено, оно по-прежнему очень плохо изучено. Весь этот огромный мир жизни, получивший название «глубинная биосфера», во многом остается белым пятном на карте современной науки. Долгое время было укоренено мнение о том, что жизнь может существовать лишь там, где есть солнечный свет и кислород. С этой точки зрения сама идея о том, что живые организмы могут поселиться глубоко под землей, казалась абсурдной.

Вот только факты как будто начали опровергать догму. В образцах грунта, извлеченных при бурении глубоких скважин, неизменно находили сообщества микробов. Долгое время специалисты игнорировали эти находки, ведь их «не должно быть по определению». Как правило, биологи, привлеченные для экспертизы, лишь покачивали головой и говорили, что «микробы занесены с поверхности земли».

Лишь в последние десятилетия старая догма все-таки пала. В 1985 году исследователи из министерства энергетики США во главе с Фрэнком Уоббером проводили бурение в штате Южная Каролина в поисках подходящего места складирования радиоактивных материалов. Благодаря специальным уплотнениям эти образцы грунта невозможно было загрязнить никакими микробами.

Самые примитивные бактерии и архебактерии оказываются поразительно стойкими

И вот при изучении проб, взятых с глубины в полкилометра, выяснилось, что они кишат живыми бактериями. Так родилась сенсация. Наконец, научный мир прислушался к новости, донесшейся из недр планеты. Начались поиски поселившихся там бактериальных сообществ.

Их обнаруживали буквально всюду. Бактерии, вирусы и грибы преспокойно проживали даже на глубине 3,5 километра. Самые крохотные трещины и поры земной коры были заполнены огромным количеством микробов. В одном-единственном грамме грунта или миллилитре грунтовых вод их встречалось до сотни миллионов. Как отмечалось на страницах журнала Science, «самая большая загадка глубинной биосферы – это высокая плотность микроорганизмов, ее населяющих».

По оценке Томаса Голда из Корнеллского университета, масса всех подземных форм жизни на нашей планете, пожалуй, превосходит массу всех наземных организмов. Другие исследователи не столь радикальны, но и они считают, что общая масса глубинной биосферы составляет до трети наземной биосферы. Специалисты полагают, например, что большая часть прокариотов – одноклеточных организмов, у которых нет ограниченного мембраной ядра, – обитает у нас под ногами. Недавно в рудниках Южной Африки найдены и первые многоклеточные представители глубинной биосферы – черви-нематоды.

Эти открытия не могли не повлечь за собой ряд вопросов. Как выживают все эти организмы? Откуда они черпают энергию? Откуда они вообще там взялись? И как выдерживают громадную жару, царящую глубоко под землей? Какие ферменты и протеины помогают им это сделать?

Ошибочно полагать, что глубинная биосфера – это рай для микроорганизмов.Результаты исследований говорят, скорее, об обратном. Каким бы разнообразным и населенным ни был подземный мир, жизнь микробов легкой не назовешь. Там нет ничего, кроме горных пород, воды и некоторой дозы радиации, исходящей от ближайших залежей радиоактивных веществ. Глубинная биосфера – это унылая обочина, на которую в ходе эволюции были оттеснены самые примитивные, самые древние формы жизни. Это – их бункер, где вот уже сотни миллионов лет они скрываются от победителей – светолюбивых организмов, населивших поверхность планеты.

Жизнь готова выдюжить и в таких условиях, но платит за свою неприхотливость особую цену – «цену смирения». Микробы, найденные на большой глубине, долгое время проводят практически в спячке. Эти мнимо омертвевшие – живые! – клетки даже не размножаются. Недостаток питательных веществ, испытываемый ими, вынуждает их вести самый жесткий режим экономии. Другие микроорганизмы размножаются в среднем раз в несколько сотен, а то и тысяч лет. По сравнению с этими «мертвяками»-медляками микробы, населяющие поверхность планеты, живут буквально «со скоростью света».

Глубинная биосфера, как установили ученые, существовала еще во времена динозавров. Некоторые колонии микробов населяют свои подземные «оазисы» от 80 до 160 миллионов лет. Порой они буквально замурованы в крохотных расселинах и порах горных пород, все эти миллионы лет не имея надежды выбраться оттуда. Но как они проникли в свои узилища?

Возможно, одни из них населяли когда-то поверхность планеты, но в результате сейсмических катастроф или вулканических извержений были засыпаны землей и приспособились к новым условиям жизни. Другие семейства микроорганизмов были смыты потоками воды и вместе с ними просочились в глубь почвы, где и обосновались отныне. В пользу этих гипотез говорит то, что большинство микробов, обнаруженных под землей, имеет определенное сходство с организмами, населяющими ее поверхность, и, может быть, даже состоит с ними в родстве.

Но некоторые биологи отстаивают другую – радикальную – гипотезу: жизнь могла зародиться… под землей. Еще несколько десятилетий назад, когда были открыты горячие глубоководные источники, так называемые черные курильщики – уникальный биотоп, расположенный на дне океана, привычная гипотеза возникновения жизни на нашей планете была поколеблена. Согласно ей жизнь появилась на свету. Однако черные курильщики, изобилующие питательными веществами, с полным на то основанием тоже могут считаться «колыбелью жизни». Тем более около 4 миллиардов лет назад наша планета была для жизни «мало оборудована». Смертоносное ультрафиолетовое излучение проникало тогда почти к поверхности Земли – как теперь на Марсе, – уничтожая все живое. Мощные извержения вулканов поливали все вокруг огнем. Метеориты, падавшие бомбами на планету, оставляли громадные кратеры.

Зарождение жизни на фоне «космической бомбежки» было далеко не гладким. Вполне вероятно, что колонии микробов, поселившиеся в «подвале планеты», вовсе не были случайно засыпаны лавой и вулканическим пеплом. Жизнь могла зародиться там, в земных недрах, и лишь впоследствии микроорганизмы выбрались на поверхность, как еще позднее обитатели морей начали завоевывать сушу.

Впрочем, пока мы слишком мало знаем о подземных микробах, чтобы с уверенностью судить о том, не их ли далекие предки положили начало жизни на Земле. Будущие исследования наверняка внесут ясность и в этот вопрос. Если идея зарождения жизни в недрах планеты подтвердится, то почему бы микробы не могли появиться и в марсианском грунте? Может быть, их колонии и теперь процветают там – «глубинная биосфера Марса»?

Вода, снег и лед

С чего начинается дождь?

Моделирование атмосферы Земли и процессов, протекающих в ней, – одна из сложнейших задач, стоящих перед учеными. Как описать поведение 5 квадрилионов тонн воздуха, составляющих оболочку Земли?

Вот простой вопрос: «С чего начинается дождь?» Точного ответа до сих пор нет. Конечно, не будет тучки на небе, и дождиком не покаплет, это известно каждому. Но что происходит за пеленой облаков? Как клубы водяного пара свертываются в капельки? Как заглянуть внутрь дождевой тучи?

Исследовать ее с самолета рискованно. В лаборатории же удается воссоздать лишь пелену тумана объемом в несколько кубических метров. Подобный клочок имеет мало общего с обычными облаками. В нашей средней полосе столп воздуха над каждым квадратным метром почвы содержит от 10 до 50 килограммов водяных паров. Правда, в основном мы не видим их. Лишь оседая на аэрозолях – песчинках и пылинках над сушей или частицах соли над океанами, – водяные пары сгущаются, образуя капли. Если бы не аэрозоли, небо всегда было бы ослепительно-голубым.

Однако, когда содержание аэрозолей в воздухе особенно высоко, это, как выяснили недавно ученые из Гетеборгского университета, ведет к уменьшению количества осадков. Ведь чем больше центров конденсации возникает в облаках, тем меньше размер дождевых капель, образующихся здесь. Порой они вдвое меньше обычного. Между тем дождь начинается, только когда капли достигают определенной величины. Маленькие же капли, хоть их и очень много, попросту не долетают до земли. Как хорошо! Значит, не пойдет дождь?

Не будет тучки на небе, и дождик не покаплет

Никто не любит дождь. Довольно тучки на небе, чтобы настроение стало портиться. Кому охота брести по лужам в холодной, мокрой одежде, прилипающей к телу? Но так ли заслуженна эта скверная репутация дождя? Скажем хотя бы несколько слов в его защиту.

Дождь чистит небо. Струи воды, сбегающие на землю, смывают мельчайшие частички пыли, витающие в воздухе. В жаркие дни завеса дождя приятно освежает, в засушливую пору спасает растения от гибели. Для ученых же дождь по-прежнему таит немало загадок.

Знаете ли вы, что лишь каждое десятое облако проливается на землю дождем? Или что дождевая капля напоминает по форме скорее гамбургер, чем знакомую нам каплю воды? Или что в обычном кучевом облаке скрывается более 150 тысяч тонн водяных паров и льдинок? Попробуем же совершить путешествие в мир дождя, этот серый мир, полный белых пятен!

Нам навстречу спешат капли, и каждая из них преодолевает немалый путь, прежде чем достигнет земли. В среднем после того, как вода испарится над океаном, ее молекулы проводят в воздухе 9,5 дня до того, как водяные пары снова сконденсируются и вернутся на землю дождем. Какие же приключения происходят с ними в небесах?

Итак, любой дождь начинается задолго до дождя. Начинается с того, что в теплую, солнечную погоду в реках, морях, океанах испаряется вода. Обычно ее молекулы движутся хаотически. Однако, получив дополнительную энергию вместе с солнечными лучами, отдельные молекулы преодолевают силу поверхностного натяжения и буквально врываются в атмосферу. Верхний слой воды понемногу растворяется в воздухе, словно… сахар в воде.

Воздушные массы, насыщенные водяными парами, поднимаются, словно в лифте, на небо, поскольку теплый воздух легче холодного. Но чем выше они оказываются, тем заметнее понижаются температура и атмосферное давление. Воздушные массы остывают на один градус через каждые 100 метров. Можно сказать так: испарившись над океаном, вода, разогретая до 20°C, поднимается на высоту 2000 метров и, условно говоря, остывает до 0°. «Условно» потому, что это зависит от влажности воздуха. Чем она ниже, тем быстрее охлаждается воздух.

Когда относительная влажность воздуха достигает 100 %, водяные пары начинают конденсироваться. Их молекулы оседают на крохотных твердых частичках, снующих в воздухе, например пылинках. Так возникают капельки воды. Из них формируется облако.

Процессы, протекающие внутри облака, заметно сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Не так давно группа израильских и российских ученых попыталась выяснить механизм образования дождевых капель. По их расчетам, изложенным на страницах журнала Nature, важную роль играют воздушные вихревые потоки. Они увеличивают частоту столкновений капель, а значит, приближают дождь. Они действуют как центрифуга. Крупные, тяжелые капли вытесняются ими наружу и летят сквозь облако, сталкиваясь с другими каплями и сливаясь с ними. Поначалу капли еще удерживаются внутри облака, но когда их диаметр достигнет 200 микрометров, сила тяжести берет верх. Капли падают на землю – поначалу тонким моросящим дождем со скоростью до полуметра в секунду, а потом, достигнув миллиметровой величины (и миллионы раз столкнувшись с соседками), летят хлесткими струями со скоростью до 9 метров в секунду.

Чаще дожди бывают не теплыми, а холодными. Когда температура в воздушном слое ниже —20 °С, вокруг пылинок скапливаются ледяные кристаллы. На них быстро намерзают капельки воды. Лед буквально впитывает влагу, скопившуюся в воздухе. Зимой так образуются снежные хлопья, а летом – мелкие ледышки града. Под тяжестью собственного веса они, в конце концов, падают на землю. Их форма, размеры, траектория полета резко разнятся; их движение трудно моделировать. В теплую погоду эти крупицы льда по пути к земле тают, окатывая нас холодным дождем.

Кстати, большинство людей считает, что капли дождя имеют округлую форму, как классические капли воды, вытекающей из-под крана. Но они ошибаются. Падая на землю с большой скоростью, дождевые капли встречают такое сильное сопротивление воздуха, что утрачивают свою прежнюю форму – становятся приплюснутыми и теперь напоминают скорее гамбургер, чем маленькую сферу.

Процессы, происходящие на родине этих капель – внутри туч, мы не можем пока детально описать. Поэтому если температуру на ближайший день метеорологи научились прогнозировать, то с осадками часто попадают пальцем в небо. Лишь научившись понимать эти сложные процессы, мы сумеем точнее предсказывать, пойдет ли дождь.

А это становится все важнее! Глобальное потепление значительно усиливает циркуляцию воды на нашей планете. С повышением средней температуры на один градус циркуляция возрастает примерно на 8 %. Меняется количество осадков, выпадающих в различных регионах планеты. Усиливается неравенство в снабжении их водой. В засушливых регионах дожди будут выпадать еще реже, а те области, где осадков выпадало и так много, будут страдать от сильных ливней и наводнений.

В последние годы все чаще регистрируются необычные погодные явления, в том числе и продолжительные, очень сильные дожди. Так, в 2011 году рекордные дожди обрушились на Японию, в 2010 году рекордное количество осадков зафиксировано в Пакистане и Австралии, в 2002 году в Германии, в Рудных горах, всего за одни сутки выпало столько осадков, сколько не отмечалось в этой стране еще никогда до этого. После ливня началось «наводнение столетия» на Эльбе. Компьютерные модели и статистика подтверждают связь между потеплением и аномальным количеством осадков.

Предсказывать же погоду – значит по-прежнему решать задачу со многими неизвестными. Бабочка, взмахнувшая крылышками в далеком Китае, все так же исправно вызывает ураган на Багамах. Две бесконечности сходятся в одной и той же точке – в той, где графа прогноза по-прежнему туманна и неясна.