Читать книгу "Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…"

Жители островов увидели гигантский красный шар, взорвавшийся на горизонте в 6:45 утра, – восход солнца с неправильной стороны. А через несколько часов острова начало засыпать белым соленым пеплом.

За день этот «снег с Бикини» покрыл острова, находившиеся на расстоянии свыше 200 км от места взрыва, и дети, которые никогда не видели настоящего снега, стали играть с ним и есть его. Несчастье постигло также случайно оказавшихся поблизости 23 японских рыбака с судна с удачным названием «Счастливый дракон». Через несколько дней рыбаки и островитяне почувствовали головную боль, тошноту и слабость. На коже появилась сыпь, начали выпадать волосы. Дети с ближайшего атолла получили дозу более чем в сотню раз выше, чем получившие максимальную дозу американцы, – эквивалент 10 000 рентгенографий единовременно. У 15 из 18 детей до достижения 21 года развился рак щитовидной железы, у двоих функция железы нарушилась полостью, и они перестали расти, а один ребенок умер от лейкоза. И все это из-за сильного восточного ветра.

Правда о погодных условиях и о правомерности решения проводить испытания до сих пор покрыта туманом. Некоторые утверждают, что фанатик Грэйвс отдал приказ начать испытания, хотя знал, что ветер перенесет радиоактивные осадки на соседние острова. Другие перекладывают вину на военных метеорологов, которые выдали ошибочную информацию, тогда как третьи считают, что, учитывая невероятную силу взрыва и плохие погодные условия, вообще ничего нельзя было прогнозировать. Возможно, случившееся стало результатом сочетания всех этих факторов. Лично я считаю третье объяснение наиболее правдоподобным. В 1950-х гг. метеорологи еще не очень хорошо представляли поведение воздушных фронтов. Из следующей главы мы узнаем, что наша атмосфера – чрезвычайно сложная физическая система и даже в современную эпоху суперкомпьютеров и супербомб точные предсказания погоды весьма редки. Почему это так, если погодные фронты – лишь области теплого и холодного газа, перемещающиеся над поверхностью земли?

Небольшое отступление

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН И «НАРОДНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК»

Дихлородифторметан (CCl₂F₂) в настоящее время содержится в воздухе в концентрации 0,00054 ppm; при каждом вдохе человек поглощает семь триллионов молекул

Многие знают, что работа над созданием ядерного оружия позволила создать первые электронные компьютеры. А вот прелюдией к созданию первой атомной бомбы было усовершенствование обычного холодильника.

Прелюдией к созданию первой атомной бомбы было усовершенствование обычного холодильника.

Однажды утром в 1926 г. Альберт Эйнштейн прочел в газете такое, что чуть не подавился яичницей*. Несколько дней назад в Берлине члены одной семьи, включая нескольких детей, погибли во сне, надышавшись просочившимся из холодильника ядовитым газом. Обеспокоенный 47-летний физик позвонил своему молодому коллеге, изобретателю и ученому Лео Силарду: «Нужно найти другое решение», – прокомментировал Эйнштейн.

Силард, 28-летний человек небольшого роста, шестью годами ранее поразил Эйнштейна тем, что доказал ему ошибочность нескольких его выводов (что случалось нечасто). Кроме того, Силард обладал способностью находить практическое применение изотерическим идеям. Позднее он стал кем-то вроде Томаса Эдисона в физике высоких энергий, предложив конструкцию первого электронного микроскопа и ускорителя частиц. Они с Эйнштейном симпатизировали друг другу отчасти из-за общего интереса к подобным механическим устройствам. Хотя Эйнштейн был теоретиком и часто перескакивал с одной идеи на другую, он происходил из семьи практиков: его дядя Джейкоб и отец Герман изобрели новый тип дуговой лампы и устройство для измерения силы электрического тока, и сам он на протяжении семи лет работал в патентном бюро в Швейцарии. И вот в то утро, когда Эйнштейн позвонил Силарду, они договорились совместными усилиями создать более совершенный и безопасный холодильник.

Ничего странного в этом нет: за предыдущие 50 лет теория охлаждения стала серьезной наукой. Развитие представлений о термодинамике и теплоте привело к формулировке понятия абсолютного нуля – самой низкой возможной температуры, и несколько лабораторий в мире соревновались в том, чтобы достичь этого состояния. Некоторые блестящие научные идеи родились как раз в попытках получить сжиженные формы газов: азота, кислорода, водорода, метана, окиси углерода и окиси азота. На протяжении всего XIX в. этот секстет так называемых перманентных газов не поддавался переводу в жидкую фазу (отсюда и название). Это заставило некоторых ученых предположить, что эти газы невозможно получить в сжиженной форме, поскольку они по какой-то причине отличаются от всей остальной материи. Но другие ученые считали, что это не так и что нужно только разработать новые методы охлаждения. В частности, они полагались на хитроумный циклический процесс, заключавшийся в поэтапном изъятии тепла у вещества.

Суть процесса такова. На первом этапе камеру заполняют каким-либо газом, легко переходящим в сжиженное состояние. Назовем его газом A. Сначала A сжимают поршнем, а затем охлаждают компрессионную камеру, используя внешнюю охлаждающую рубашку с холодной водой. По мере охлаждения газа A открывается клапан, что снижает давление на газ и позволяет ему занять больший объем. Ключевой момент заключается в том, что расширение газа – это работа, на которую затрачивается энергия (представьте выводок щенят: если их выпустить из загона, они займут весь дом и израсходуют массу энергии). Но в данной ситуации у газа A есть только один источник энергии – его собственная внутренняя энергия. Расход внутренней энергии неизбежно ведет к дальнейшему охлаждению A и в конечном счете – к его конденсации при температуре, скажем, около –70 °C.

А теперь начинаются хитрости. На следующей стадии используют камеру с газом B, который менее охотно переходит в жидкую фазу. Опять-таки для начала газ B сжимают с помощью поршня. Но в данном случае охлаждающую рубашку заполняют не холодной водой, а сжиженным газом A. Это снижает температуру газа B до –70 °C. Открытие клапана заставляет газ B расширяться и, следовательно, затрачивать внутреннюю энергию. В результате температура этого газа снижается до –120 °C, и он, в свою очередь, тоже переходит в жидкую фазу.

Теперь сжиженный газ B можно использовать для охлаждения следующего, еще более упрямого газа C и т. д. Такая схема позволяет достичь столь низкой температуры (около минус 250 °C), что сдаются даже «перманентные» газы. Так удалось перевести в жидкую форму все шесть неуступчивых газов*. Необыкновенно красивым оказался жидкий кислород, светящийся слабым голубым светом, как жидкое небо.

Однако сжижение газов оставалось просто забавой до тех пор, пока пивоваренная компания «Гиннесс» не инвестировала средства в развитие этой технологии в 1895 г. До этого пиво обычно варили зимой и целый год его хранили (кстати, слово lager по-немецки означает «хранение»). Холодильники позволили варить пиво круглый год. В скором времени холодильники появились во всех отраслях промышленности, а также в каждом доме. Все современные холодильники работают по тому же принципу охлаждения газов.

Если вы посмотрите на заднюю стенку своего холодильника, вы обнаружите множество трубок. Внутри трубок протекает жидкость (назовем ее Z) с низкой точкой кипения. По мере того как кастрюли и все другие предметы внутри холодильника излучают тепло, Z поглощает это тепло через стенки холодильника и достигает температуры кипения. Затем газ Z начинает перемещаться по трубкам, перенося с собой тепло.

Далее Z попадает в компрессионную камеру, где его сдавливают поршнем (характерный звук работающего холодильника – это звук мотора, заставляющего работать компрессор). Далее компрессор выталкивает теплый газ Z в другие трубки на задней стенке, где тот отдает свое тепло в окружающее пространство. На этот момент газ успешно вывел тепло из холодильника, но, как только он достаточно остыл, он вновь превратился в жидкость. Теперь он проходит через расширяющее устройство, где его давление и температура снижаются. Цикл завершается. Жидкость Z вновь входит в трубки в панели холодильника и начинает всасывать тепло.

Не исключено, что одна деталь этого процесса могла вам показаться подозрительной. Почему, когда жидкость Z закипает, не нагревается все остальное? Да, жидкость нагревается. Но дело в том, что в замкнутом пространстве холодильника она может нагреваться только за счет того, что высасывает тепло из кастрюль: нагревание одного неизбежно приводит к охлаждению другого. А кипение здесь действительно играет ключевую роль. Вспомните объект пристального внимания Джеймса Уатта – скрытую теплоту. На переход жидкости в газ требуется невероятное количество энергии. В двигателе Уатта это было загвоздкой, но в холодильнике является безусловным преимуществом. Холодильник должен поглощать тепло и выводить его во внешнюю среду, и никакой другой процесс не справится с этой задачей лучше, чем превращение жидкости в газ (кстати, по той же причине наше тело охлаждается в жаркий день, когда с него испаряется пот).

В 1920-х гг. в Европе и Северной Америке компрессионные холодильники практически полностью вытеснили бытовые ледники. Но существовала одна проблема. В то время в качестве охлаждающих сред применяли три газа: аммиак, хлорметан и диоксид серы. Поскольку все три ядовиты, люди порой гибли в результате отравления (а хлорметан иногда еще и взрывался). Этим и объясняется желание Эйнштейна «найти другое решение». Он знал, что слабым местом в домашних холодильниках является компрессор, поскольку именно там возникали протечки. И поэтому они с Силардом разработали принцип холодильника без компрессора – так называемый абсорбционный холодильник.

В простейшем варианте абсорбционного холодильника цикл начинается с того, что в камере смешиваются две жидкости: хладагент и абсорбер. При низкой температуре эти вещества хорошо смешиваются. Но при повышении температуры – обычно в результате нагревания камеры слабым пламенем метана – хладагент закипает, превращаясь в газ, а абсорбер остается жидким.

Далее газообразный хладагент начинает долгое и непростое путешествие. Сначала он протекает по трубкам на задней стенке холодильника, где отдает тепло, полученное при нагревании пламенем. При этом он опять превращается в жидкость. Под действием силы тяжести эта жидкость стекает в емкости внутри холодильника и отсасывает тепло из кастрюль. Поглощение тепла опять заставляет жидкость кипеть, и образующийся газ сбрасывает скрытую теплоту, выводя тепло из внутреннего пространства холодильника. В некоторых вариантах конструкции газ поднимается еще выше по трубкам вдоль стенки холодильника, дополнительно сбрасывая тепло.

Тем временем в исходной камере метановая горелка выключается, и абсорбер остывает. Дополнительное охлаждение достигается с помощью рубашки с холодной водой. Абсорбер охлаждается настолько, что поглощает и превращает в жидкость возвращающийся газообразный хладагент. И все начинается сначала: у нас опять есть смесь двух жидкостей, которые можно разделить, включив горелку. В целом компрессионные и абсорбционные холодильники охлаждают продукты одним и тем же способом – путем превращения жидкости в газ. Но рецикл хладагента происходит по-разному.

Возможно, вы снова чувствуете подвох: как пламя горелки может охлаждать пиво? Но именно в этом и заключается волшебное свойство газов. В данном случае пламя не столько греет, сколько совершает физическую работу – разделяет хладагент и абсорбер, превращая хладагент в газ. А как только в системе появляется свободный газ, возникает масса возможностей. Искусство охлаждения заключается в том, чтобы заставлять газ впитывать тепло в одном месте, перенести в другое и отдать в третьем. Используя терминологию Томаса Севери, холодильник Эйнштейна – Силарда можно назвать устройством для охлаждения воды с помощью огня.

Изобретатель цепной ядерной реакции Лео Силард (справа) обсуждает с Альбертом Эйнштейном (слева) различные варианты устройства холодильника (Фотография любезно предоставлена Национальной лабораторией в Лос-Аламосе)

В реальном воплощении холодильник Эйнштейна – Силарда содержал не две, а три жидкости, что немного усложняло схему. Но его конструкция имела несколько преимуществ по сравнению с компрессионным холодильником. Поскольку в холодильнике не было компрессора, не было и шума мотора, и холодильник реже ломался. Кроме того, он работал без электричества (только на метане) и не имел таких сочленений, которые могли бы разъединяться, выпуская ядовитый газ.

Теперь, обсуждая этот эпизод, некоторые историки утверждают, что Эйнштейн участвовал в проекте только формально – ради получения патента и для привлечения инвесторов, а вся реальная работа досталась Силарду. На самом деле ученые работали в паре и вместе получили десятки патентов в шести странах на различные компоненты холодильных систем (американский патентный поверенный был очень удивлен, заметив подпись Эйнштейна). Продав несколько патентов, дуэт заработал неплохую сумму (около 10 000 долларов США в современном эквиваленте). Более того, они даже открыли совместный счет, как супружеская пара. Силард зарабатывал еще около 3000 долларов в год за счет консультаций.

Но, как это бывает и между супругами, они иногда ссорились. Силард любил инженерные хитрости и пытался ввести в конструкцию дополнительные клапаны и трубки. Эйнштейн, напротив, был сторонником простоты и изящества – как в быту, так и в науке (он не смог бы работать с Джеймсом Уаттом). В поисках более простых решений Эйнштейн и Силард сконструировали еще две холодильные установки, работавшие на основе других физических принципов. В одной конструкции они заменили поршень стандартного холодильника расплавленным натрием, который сжимал газы, перемещаясь под действием магнитов. В другом устройстве давление воды из кухонного крана заставляло работать маленький вакуумный насос, а насос охлаждал емкость за счет испарения метанола. Последнее устройство Эйнштейн назвал «народным холодильником» (Der Volks-Kuhlschrank).

Но, к сожалению, ни одно из трех устройств Эйнштейна – Силарда так и не попало ни в одну квартиру. Не удивительно, что расплавленный натрий оказался несколько непрактичным для обычной кухни (хотя позднее нашел применение на атомных электростанциях). Вентильная система не нашла применения, поскольку давление воды в немецких домах было слишком низким для запуска вакуумного насоса. А абсорбционные холодильники сжигали слишком много топлива и обходились дороже компрессионных, так что устройство Эйнштейна – Силарда было эквивалентно двигателю Ньюкомена по сравнению с двигателем Уатта.

И даже главная проблема обычных холодильников – ядовитые газы – в 1930-х гг. постепенно исчезла, поскольку появился новый нетоксичный охлаждающий газ фреон (CF₂Cl₂). За 10 лет буквально весь мир перешел на фреоновые холодильники*, и изобретение Эйнштейна – Силарда осталось исторической реликвией. К сожалению, фреон тоже имел большой недостаток: когда старые холодильники попадают на свалки, фреон вытекает и улетучивается в атмосферу. В атмосфере под действием ультрафиолетового излучения фреон распадается, выделяя свободные радикалы хлора, которые с невероятной эффективностью атакуют молекулы озона: каждый радикал хлора за свою жизнь расщепляет до 100 000 молекул O₃. В результате в озоновом слое образовались дыры, которые существуют до сих пор и не затянутся еще десятки лет, если затянутся вообще. Человечество могло бы избавить себя от большой головной боли, если бы решило охлаждать воду огнем по методу Эйнштейна – Силарда.

Химик Томас Миджли, который изобрел фреон, в 1921 г. первым предложил добавлять в бензин соединения свинца. Это помогало улучшить антидетонационные свойства топлива, но в результате свинец тоже стал попадать в атмосферу и повреждать мозг подрастающих детей. Таким образом, за 10 лет один и тот же человек придумал два самых вредных промышленных продукта XX в. Сам Миджли не узнал о последствиях внедрения своих изобретений. В 1940 г. он переболел полиомиелитом и потерял способность ходить. Тогда он изобрел систему веревок, с помощью которых самостоятельно перебирался из постели в кресло, но однажды в 1944 г. запутался в этих веревках и задохнулся.

А какова судьба холодильника Эйнштейна – Силарда? Был ли этот проект лишь пустой тратой времени и сил? Не совсем. Для Эйнштейна эта работа стала небольшой паузой в бесконечных поисках «теории всего». В стране был упадок, а Эйнштейну приходилось кормить две семьи, так что ему нужны были деньги. Силард еще сильнее нуждался в деньгах, особенно после переезда из нацистской Германии в Лондон в 1933 г. (у него были еврейские корни). Последующие годы он жил за счет своих изобретений и использовал эту неожиданную свободу для длинных прогулок и вынашивания идей о дальнейшем развитии физики. Одна такая идея пришла ему в голову в сентябре 1933 г., когда он прохаживался по тротуару у Британского музея. Он что-то слышал об экспериментах с высвобождением субатомных частиц, названных нейтронами, и начал рассуждать, что будет, если удастся расщепить, скажем, атом урана с высвобождением нейтронов. Соседние атомы будут их поглощать, становиться неустойчивыми, распадаться и, в свою очередь, высвобождать нейтроны. Эти вторичные нейтроны будут дестабилизировать все новые и новые атомы, которые выпустят третичные нейтроны и т. д. Кроме того, каждый расщепленный атом должен выделять энергию – по знаменитому уравнению его патентного партнера: E = mc².

И в тот момент, когда Силард перешел улицу, он уже разработал принцип цепной ядерной реакции. В отличие от хитроумных холодильников, это изобретение оказалось невероятно важным для последующих бурных десятилетий, когда пошатнулась не только вера людей в доброе всемогущество науки, но и вера самих ученых в возможность понять устройство Вселенной.

Глава восьмая
Погодные войны

Йодид серебра (AgI) содержится в воздухе в концентрации 0 ppm (если только кто-то рядом с вами не разгоняет облака)

Химик Ирвинг Ленгмюр был уже лауреатом Нобелевской премии, но никогда раньше во время эксперимента не кричал от восторга. Дело было 13 ноября 1946 г. Ленгмюр стоял на контрольной башне аэропорта Скенектади и глядел вверх на кружащийся над головой маленький самолет. В 4 км над ним его помощник высунулся из окна и бросил в облако крупинки сухого льда. Как прокомментировал один наблюдатель, через несколько секунд облако «как будто начало корчиться от боли». А через пять минут оно исчезло, обратившись дождем.

Хотя этот дождь испарился, не долетев до земли, Ленгмюр в возбуждении забегал кругами с криком: «Это историческое событие!» И еще до того, как самолет приземлился, бросился звонить журналистам. Человечество наконец научилось контролировать погоду.

Если бы подобное заявление поступило от кого-то другого, журналисты, пожалуй, не поверили бы. Однако в те дни Ленгмюр был знаменит не меньше, чем Альберт Эйнштейн, и его мнение уважали. И хотя Ленгмюр был химиком, его обращение к метеорологии никто не считал сумасбродством, поскольку метеорологией интересовались ученые многих специальностей. Химики, исследовавшие поведение газов, изучали погоду, чтобы понять законы поведения воздуха. Астрономы внимательно следили за погодой, чтобы предсказывать оптимальное время для наблюдения за небесными телами. Даже врачи когда-то интересовались погодой, поскольку раньше считалось, что многие болезни возникают из-за плохого воздуха. В списке ученых, в разное время занимавшихся метеорологией, стоят имена Роберта Гука, Джона Дальтона, Джеймса Уатта, лорда Рэлея и многих других. Во время путешествия на «Бигле» Чарльз Дарвин наблюдал за течением Эль-Ниньо, а капитан «Бигля» Роберт Фицрой* в 1861 г. опубликовал в The Times первый в истории прогноз погоды.

Метеорология – бесконечная головная боль науки.

Но Ленгмюр в занятиях метеорологией пошел дальше предшественников: он хотел не только понять погоду, но и научиться ею управлять. Нужно сказать, что ученые, занимавшиеся метеорологией, по каким-то необъяснимым причинам всегда были уверены в успехе. На протяжении многих столетий они безрезультатно пытались понять погоду, но все еще были уверены, что ответ где-то совсем близко. Вот только создадим новый барометр, откроем новую метеорологическую станцию или построим новый мощный компьютер – и сможем точно предсказывать погоду. Метеорология – бесконечная головная боль науки.

Но даже на фоне всех Панглоссов от метеорологии Ленгмюр выделялся каким-то невероятным оптимизмом. Он пришел к метеорологии в период кризиса среднего возраста, а его харизма и опыт убедили еще сотню ученых последовать его примеру. В конечном счете их усилия оказались бесплодными и не привели ни к чему, кроме как к созданию современной версии танца дождя, но пока эта работа продолжалась, они устроили из нее целое представление.[38]38
  Панглосс – вымышленный персонаж из романа Вольтера «Кандид», олицетворение беспочвенного оптимизма.


[Закрыть]

Первым активным сторонником контроля над погодой был американец Джеймс Эспи, прозванный «Королем гроз». В 1830-х гг. этот метеоролог из Кентукки заметил, что костры индейцев иногда вызывают дождь, а дым из фабричных труб в больших городах привлекает дождевые облака. Исходя из железного правила, что связь всегда является причинной, Эспи заявил, что дым вызывает дождь, и принялся разрабатывать схему регуляции осадков в восточной части Соединенных Штатов. Правительству предлагалось только разводить по воскресеньям в Аппалачах большой костер. Скоро погода станет такой же предсказуемой, как морской прибой.

Нужно отдать должное Эспи: он предложил несколько не совсем бессмысленных теорий, главным образом относительно формирования облаков. Если ему верить, облака образуются тогда, когда очаги теплого воздуха поднимаются в холодные верхние слои атмосферы, где происходит конденсация водяных паров. Эта теория была не просто верной, но предвосхитила формулировку одного из важнейших законов современной метеорологии о том, что за изменения погодных условий чаще всего отвечают именно водяные пары. В отличие от концентрации большинства атмосферных газов, концентрация водяных паров (абсолютная влажность воздуха) может изменяться в зависимости от местных условий на несколько порядков величины – фактически от нуля в пустынях до ощутимых процентов в дождевых лесах. Более того, в отличие от других основных компонентов воздуха (кислорода, азота, аргона), которые остаются в газообразном состоянии вплоть до нескольких сотен градусов ниже нуля, вода быстро переходит в лед или пар в обычном для земной атмосферы диапазоне температур. В результате вода все время где-то конденсируется, а где-то испаряется. А одновременно с этим высасывает из окружающего воздуха скрытое тепло или высвобождает его обратно. Эти тепловые потоки вызывают изменения температуры и давления, что, в свою очередь, создает так называемые зоны воздушных фронтов. Столкновения этих зон высокого и низкого давления являются причиной различных погодных явлений, заставляя дуть ветра или вызывая грозы. (Заметим, что термин «атмосферный фронт» возник в годы Первой мировой войны – как аллюзия на столкновения воюющих армий.)

Именно изучение свойств воды подтолкнуло Ирвинга Ленгмюра к изучению погоды. До этого он занимался химией поверхностных процессов в лаборатории General Electric на севере штата Нью-Йорк. В отличие от большинства промышленных лабораторий, здесь можно было работать практически над любой выбранной темой, и во время Второй мировой войны Ленгмюр занялся изучением обледенения крыльев самолетов. Эти исследования привели к серии полевых испытаний в районе горы Вашингтон в Нью-Гемпшире. Метеорологам-любителям гора была известна постоянными ветрами; до 1990-х гг. она держала мировой рекорд по скорости ветра: в 1934 г. здесь были зарегистрированы порывы ветра, достигавшие скорости 372 км/ч. Однако Ленгмюра больше интересовала странная влажность этих мест. Здесь часто возникали «переохлажденные туманы»: хотя столбик термометра опускался ниже 0 °C, вода не превращалась в лед. Что за «кот Шрендингера»³², почему не замерзает вода? Ленгмюру было любопытно, и он решил узнать, в чем тут дело.[39]39
  «Кот Шредингера» – мысленный эксперимент, предложенный создателем квантовой механики Эрвином Шредингером для демонстрации неполноты квантовой механики при описании перехода от мира субатомных частиц к макроскопическому миру.


[Закрыть]

Ирвинг Ленгмюр (слева) и Бернард Воннегут (справа) наблюдают за тем, как Винсент Шефер дышит в холодильник, чтобы получить кристаллы льда: промежуточный шаг в создании искусственного дождя (Фотография любезно предоставлена Музеем инноваций и науки, штат Нью-Йорк)

В качестве помощника он выбрал молодого человека по имени Винсент Шефер. В то время как Ленгмюр обладал многими научными степенями и учился в Париже и в Германии, Шефер сменил учебу в университете на работу в General Electric, чтобы помочь нуждавшимся родителям. Он начал работать в качестве механика и создателя моделей, à la Джеймс Уатт, но счел эту работу слишком скучной и попытался заняться заочным обучением (в какой-то момент он подумывал о том, чтобы заняться уходом за деревьями). Встретившись с Ленгмюром, он заинтересовался естественными науками, а вскоре после этого изобрел устройство для сохранения отпечатков снежинок. В 1946 г. воодушевленный Ленгмюр нанял Шефера в качестве помощника для изучения переохлажденной воды.

Шефер начал с того, что заказал General Electric открывающуюся сверху морозильную камеру за 240 долларов (теперь 3000 долларов США). Он выстелил внутреннюю поверхность черным бархатом, чтобы легче было разглядывать кристаллы льда, и заполнил холодным воздухом для получения переохлажденной влаги. Время шло, но, чего он только ни предпринимал, пар от его дыхания никак не хотел превращаться в лед.

В один жаркий июльский день, когда морозилка из последних сил пыталась сохранить холод, Шефер взял в лаборатории блок сухого льда (замороженный CO₂) и засунул в угол морозилки. И тут все изменилось. В тот самый момент, когда он опустил блок в морозилку, из тумана стали выделяться миллионы кристалликов льда. Они осаждались на черный бархат, как крошечные блестящие бриллианты. Сначала Шефер подумал, что сухой лед запустил какую-то химическую реакцию, но дальнейшие эксперименты показали, что это не так. По-видимому, дело было в температуре. Температура в морозильной камере поддерживалась на уровне минус 20 °C, температура замороженного CO₂ была ниже минус 70 °C. При таком резком изменении температуры даже стойкая переохлажденная вода признавала поражение и превращалась в лед.

Это открытие заставило Ленгмюра задуматься. В то время ученые знали, что облака представляют собой очаги переохлажденной воды. Они также знали, что в большинстве случаев дождь поначалу представляет собой кристаллики льда, которые плавятся при приближении к земле. Ленгмюр предположил, что, если посыпать облака сухим льдом, возможно, удастся превратить переохлажденную воду в лед и вызвать дождь искусственным путем. Это и заставило его нанять самолет и отправить Шефера в полет, снабдив тремя килограммами измельченного сухого льда. Через двадцать минут Ленгмюр бегал кругами и кричал, что изменил историю.

Не откладывая в долгий ящик, он запланировал следующий блестящий эксперимент на 20 декабря, но внезапно обнаружил, что его свобода в General Electric все же не безгранична. Как и в первый раз, в эту пятницу Шефер посыпал облако сухим льдом, и облако начало скручиваться и изгибаться. Но больше ничего не случилось, и все разошлись по домам. Однако ночью на севере штата Нью-Йорк выпало 20 см снега. Машины буксовали, на магистралях образовались заторы. В предрождественские дни магазины потеряли миллионы долларов. Ленгмюр был счастлив. Да, он признавал, что метеобюро прогнозировало снегопад, а «их» облако выглядело «созревшим» и вполне могло прорваться без посторонней помощи. Но он все равно верил, что произвел первую в истории человечества запланированную снежную бурю.

Но юристы General Electric сомневались: эксперимент не казался им достаточно убедительным. Они заставили Ленгмюра признать, что снегопад не был вызван обработкой облака сухим льдом, и запретили ему проводить какие-либо полевые испытания от имени General Electric.

Естественно, такой поворот событий не мог не расстроить Ленгмюра, но он был не из тех, кто долго хандрит. Его команда продолжала трудиться в лаборатории (проклятые юристы!), и вскоре у Ленгмюра возникла столь потрясающая идея, что он забросил все остальные проекты и занялся ее воплощением. Идея обещала не только усовершенствовать процесс стимуляции дождя, но и дать Ленгмюру сверхъестественную возможность контролировать ураганы.

Чтобы пошел дождь, миллионы капель должны слиться в одну, а иначе они так и останутся висеть в воздухе.

Идея Ленгмюра основывалась на теории Джеймса Эспи об образовании облаков. Эспи утверждал, что облака формируются из поднимающихся кверху очагов более теплого и менее плотного воздуха. В какой-то момент содержащиеся в этом воздухе водяные пары охлаждаются настолько, что конденсируются, образуя мельчайшие капельки воды. С земли это выглядит как облако, и на протяжении многих лет метеорологи считали, что каждый раз, когда это происходит, неизбежно начинается дождь. Но выяснилось, что не все так просто. Бо́льшая часть капелек из облака не выпадает в виде дождя, поскольку капельки слишком малы. Как смогли оценить первые воздухоплаватели, воздух обладает немалой выталкивающей силой, действующей на любые предметы, в том числе на капельки воды. А образующиеся на большой высоте капельки так малы (возможно, около одной десятимиллионной грамма), что сила тяжести не может преодолеть выталкивающую силу воздуха и сбросить их на землю. Сила тяжести не выигрывает эту битву до тех пор, пока вес капель не увеличится в миллионы раз и не достигнет десятых долей грамма. Таким образом, чтобы пошел дождь, миллионы капель должны слиться в одну, а иначе они так и останутся висеть в воздухе.

Возникает очевидный вопрос: что же заставляет капли объединяться? Интуитивный ответ заключается в том, что они просто сталкиваются друг с другом и в результате сливаются. Однако такой процесс не очень эффективен, и образующиеся в результате капли недостаточны крупные, чтобы оседать в виде дождя. Гораздо более надежный способ – использовать затравку («семена») – твердые частицы, на которые налипнут капли. По разным причинам, как только несколько капель налипают на твердую основу, их примеру следует множество других. В результате образуются достаточно крупные капли, которые выпадают из облака в виде осадков. Таким образом, чтобы превратить облако в дождь, нужно его «осеменить».