Сара Драй «Воды мира. Как были разгаданы тайны океанов, атмосферы, ледников и климата нашей планеты» - рецензия П. Можейко

«За исключением самого человека, погода, вероятно, является самым изменчивым, ненадежным и нестабильным явлением, к которому человеческий разум осмелился применить научное познание». (Джоан Малкус, статья «Крупномасштабные взаимодействия»)

НАЗВАНИЕ: Воды мира. Как были разгаданы тайны океанов, атмосферы, ледников и климата нашей планеты.

АВТОР: Сара Драй

ОРИГИНАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ: Waters of the World: the story of the scientists who unravelled the mysteries of our seas, glaciers, and atmosphere — and made the planet whole

ISBN: 978-5-00139-434-1

ГОД ИЗДАНИЯ: 2022

ИЗДАТЕЛЬСТВО: «Альпина нон-фикшн»

СЕРИЯ: Фонд «Траектория»

КОГДА МНОЙ ПРОЧИТАНО: Декабрь 2023

ИСТОЧНИК: Оригинальная книга

Погода – хорошая тема для завязывания беседы, но жутко неудобный предмет для научного исследования. То, что мы и сегодня часто жалуемся на несбывшийся прогноз погоды «всего лишь» на ближайшие сутки говорит о том, что мы до сих пор не до конца понимаем и просчитываем даже локальную ситуацию. Но как известно, погода и климат – вещи глобальные и их невозможно рассматривать отдельно, вне контекста всей планеты. Более того, проблема изучения климата заключается еще и в том, что это процесс одновременно географический и хронологический, требующий рассматривать временную шкалу в миллионы лет. Для современного человека нет никакого откровения в глобальном взгляде на климат. Но еще столетие назад все было совсем иначе.

«Еще каких-то 60 лет назад считалось, что климат стабилен и со временем не меняется. Климатология была в первую очередь географической наукой, и работа климатологов заключалась в том, чтобы изучать не изменения климата, а то, как он различается в разных регионах земного шара. Соответственно, ученые занимались описанием и таксономией, а не физическим или математическим анализом. Новая, пытающаяся дистанцироваться от традиционной климатологии наука появилась только в послевоенный период, объединив в себе целый ряд научных дисциплин. В 1977 г. начал издаваться журнал Climatic Change («Климатические изменения»), в редакционной статье которого о ней также говорилось как о существующей на стыке разных наук. В этой новой климатологии объединились не только метеорология, но и антропология, медицина, сельскохозяйственная наука, экономика и экология. Но главная роль отводилась наукам о Земле: океанологии, физике атмосферы, гляциологии, – а также зарождавшейся информатике с ее климатическими моделями. С появлением климатологии в ее современном виде понятие «изменение климата» перестало быть оксюмороном».

В своей книге «Воды мира» американская научная журналистка и писательница Сара Драй (чья фамилия, забавный факт, переводится как «сухая») восстанавливает историю становления климатологии (как науки), и прослеживает трансформацию научного взгляда на климат, как на что-то постоянне и незыблемое, в новое видение климата, как активного процесса планетарного масштаба, подверженного глобальным изменениям, в том числе по вине самого человека. Необычный ракурс на климатологию, который позволила себе автор, определил содержание (и название) книги: это собранные в хронологическом порядке шесть глав о профессиональной деятельности, открытиях и научном поиске выдающихся, но уже подзабытых ученых XIX–XX вв., сделавших важные открытия о глобальном климате, изучая воду в разных ее формах, возможных на планете Земля.

«В этой книге вода несет с собой не поток энергии, а поток человеческих идей и устремлений, воплотившихся в работах Джона Тиндаля и его современников, изучавших нашу планету в XIX в., и в трудах тех ученых, которые создавали науки о Земле в XX в. Это делает науку живой, а также помогает рассказать историю такой междисциплинарной области знаний, как климатология в современном ее понимании. <…> Она повествует о людях, занимавшихся наукой, о том, как они развивали навыки наблюдения, измерения, вычисления и описания, разрабатывали и применяли новые научные инструменты и как их нелегкий труд в сочетании с упорством и опытом приносил результаты».

Книга написана относительно просто и может быть интересна не только любителям науки, но и тем, кто любит приключенческую литературу, потому что исследование климата требовало от ученых настоящих подвигов, среди которых: походы в горы, покорение Антарктиды, полеты сквозь ураганы, спуски в шахты, подводные работы и длительные экспедиции в далекие уголки мирового океана. Названия глав говорят сами за себя, и беглый взгляд на оглавление позволяет понять, с какими формами воды встретится на страницах книги читатель. Так, в «Теплом льде» будет рассказана история первых попыток изучения ледников в Альпах, «Прозрачные облака» расскажут о спектроскопии и поглощении тепла атмосферным паром, «Код муссонов» расскажет об ураганах и огромных грозовых тучах, «Горячие башни» - о циркуляции воды и тепла в атмосфере, а «Быстрые воды» про океанические течения, наконец, «Древний лед» покажет, как хранится климатическая летопись в глубоких льдах Антарктиды и Гренландии.

Стоит отдать должное, Сара Драй не сильно углубляется в биографию своих героев до их научной карьеры. Тем не менее, основу книги составляет не столько история науки и сама климатология, сколько биографии ученых и портреты их личностей, как специалистов в определенной области знаний. К сожалению, автор частенько переходит в популярный у журналистов режим «я вам сейчас расскажу про всех, кого знаю, и покажу, какие они хорошие», за избыточностью которого теряется и размывается собственно научная суть. В этом лишний раз убеждаешься, когда просматриваешь многочисленные иллюстрации в книге. Большинство из них – это не схемы экспериментов или поясняющие теории рисунки, а просто архивные фотографии ученых, никак не помогающие в изучении предмета. Да, чтобы напомнить о них, забытых героях, одну портретную фотографию дать можно, но 2-3-4!.. Зачем? Еще один минус в книге – это раздутое на почти тридцать страниц «Заключение». Оно написано в популярном жанре «обеспокоенность». Но помимо общей тревоги за наплевательское отношение человечества к окружающей среде и глобальному изменению климата, в нем много самоповторов (а не подытоживаний). Такое эссе хорошо смотрелось бы в еженедельной газете или на страничке в Facebook. В хорошем же науч-попе заключение должно быть лаконичным, элегантным и подводящим итог одной звенящей, как колокол важной мыслью, которая и остается с читателем. Тут же оно только уводит от общей темы туманными рассуждениями о будущем. Книге очень не хватает хорошего редактора, причем не такого, который сделал бы текст читаемым (с этим все в порядке), а который бы сделал так, чтобы книга в итоге давала читателю представление о науке, выстраивала цельный взгляд, а не просто знакомила с жизнью людей, которые ей служат.

Самое интересное в книге – это описание витиеватых путей, которыми пробирается к истине научный поиск. Нередко науку вперед толкают совсем уж отстраненные вещи, а главные теории выдвигают специалисты смежных профессий. Так, изучение муссонов спровоцировал голод в Индии, ураганов – война в тропиках, первая метеослужба –родилась из хобби старого моряка, а отбросить ложные взаимосвязи в климатологии помог математик, доведший себя расчетами до нервного срыва. И кто знает, научились бы мы смотреть в сердце циклона, если бы одна смелая женщина однажды не получила удостоверение пилота…

«Для ученых, о которых рассказано в этой книге, поиск научного знания был своего рода увлекательной игрой, а планета – игровой площадкой для исследований. Метание бумеранга, которым занимался Уокер, – самое явное проявление игры из всех описанных здесь. Тиндаль играючи исследовал все и вся – погоду в горах, свою готовность к риску, терпение коллег, которых он втягивал в непримиримые споры, чувствительность лабораторной установки, которой он задавал все более и более сложные задачи… Пьяцци Смит играл с научной репутацией, приборами и способами «правдивого» отображения действительности. Он играл со своей способностью понимать самые эфемерные природные явления, бросая себе вызов и в итоге обращаясь к вере там, где оказывался бессилен разум. Джоан Симпсон играла с облаками на небесной арене, пытаясь всеми возможными способами – используя самолеты, фотографии и рассчитываемые вручную теоретические модели – проникнуть в их физическую суть. Генри Стоммел играл с теоретическими идеями, способами изучения океана и со своим разумом, увеличивая и уменьшая масштабы и обследуя океанический ландшафт в поисках достойных его внимания вопросов. Вилли Дансгор благодаря своей «единственной действительно хорошей идее» превратил гренландские льды в машину времени, на которой он мог путешествовать в далекое прошлое Земли».

Еще один интересный момент книги – это собственно ключевые этапы в науке, внезапные открытия и постепенное объединение разрозненных изысканий в общую картину мира (например, т.н. схему Бретертона), которая включает в себя атмосферу, океан, континенты, космос и антропогенный фактор. Но и она лишь промежуточный итог развития климатологии на сегодня.

«Схема Бретертона, названная в честь председателя комитета (хотя сам Бретертон не принимал непосредственного участия в ее разработке), представляла собой попытку отразить сложный комплекс взаимодействий между различными элементами земной системы. Двойные стрелки были призваны показать, что каждый элемент системы оказывал влияние на другие элементы и сам находился под их влиянием. Все вместе эти механизмы обратных связей и порождали ту самую изменчивость климата, которая была зафиксирована в прочитанной Дансгором ледяной летописи. Примечательно, что схема объединяла биогеохимические и физические аспекты земной системы – жизнь в океане и на суше, а также воздух и воду, от которых зависела эта жизнь. Например, динамика океана была связана с физикой атмосферы и морской биогеохимией, а экосистемы суши – с почвой, водой и химией тропосферы. В центре всей этой сложной системы находилась вода. Именно она делала Землю уникальной планетой в Солнечной системе – планетой изменений».

За каждой стрелкой в этой схеме кроется целый ряд долгих исследований, некоторые из которых описаны в этой книге. Путь к открытию тайн Земли был извилист и труден, но он привел нас к пониманию глобальных взаимосвязей и самое главное, нашей ответственности за свое будущее перед лицом планеты. Теперь климат – это не только что-то, что нам дано, но и что-то, что зависит от нас.

«Открытие того, что изменения являются естественным и неотъемлемым свойством климатической системы Земли, совпало по времени с осознанием того, что люди также могут непреднамеренно вызывать эти изменения, но, кроме того, и целенаправленно регулировать эти процессы. Однако для того, чтобы распознать, какие изменения климата являются аномальными, а какие – нет, требовалось хорошо понимать, как работала эта система в прошлом (изучением чего занимались палеоклиматологи и гляциологи) и как она работает вообще».

Трудно назвать книгу Сары Драй хорошим науч-попом, все-таки за людьми тут потерялась наука. Но это не исключает того, что в ней есть интересные факты. Некоторые из них приведены в цитатнике ниже.

О первопроходце Джоне Тиндале и его открытиях (первое изучение парниковых газов было еще 1,5 века назад!):

«Благодаря исследованиям того, что сам ученый называл поглощением теплового излучения водяным паром, а мы называем парниковым эффектом, которыми он занимался в конце 1850-х – начале 1860-х гг. в своей лондонской лаборатории, сегодня Тиндаль получил признание как основатель науки о климате. <…> Пожалуй, главный вклад Тиндаля в науку заключался в том, что он помог изменить подход к изучению Земли. Отличавшийся энергией и страстностью, заставлявшей его подвергать свою жизнь опасности и предельно концентрироваться на исследуемой проблеме, забывая обо всем остальном, Тиндаль открыл новые способы наблюдения и постижения (а одно от другого неотделимо) главного чуда природы – взаимосвязанности явлений. Никакая другая субстанция, с точки зрения Тиндаля, не могла продемонстрировать эту взаимосвязанность лучше, чем вода, вещество, которое он изучал во всех его формах с почти религиозным рвением».

Джон Тиндаль - автор синтетического подхода к изучению климата.

«Самым важным достижением Тиндаля было объединение двух разных способов познания. Сочетая опыт экспедиций на ледники – с их опасностями и героизмом, с присущими ему восторгом перед красотой природы и особым пониманием природных явлений, которое становится возможным лишь благодаря непосредственному переживанию, – и экспериментальные исследования в лаборатории, «очищенные» от всего вышеперечисленного, Тиндаль утверждал, что именно такой и должна быть наука».

Тиндаль предсказал поглощение воздухом тепла:

«В начале 1859 г. он решил сосредоточиться на поисках ответа на конкретный вопрос: сколько тепла могут поглощать различные газы? В своей лаборатории в подвале Королевского института Тиндаль создал контролируемую искусственную среду, изобретя установку, представлявшую собой комбинацию электрического аппарата и конденсационной камеры. <…> Сначала Тиндаль измерил поглощение тепла воздухом, очищенным от влаги и углекислого газа. Количество абсорбированного излучения оказалось незначительным, что было неудивительно, учитывая результаты по другим веществам. Но затем Тиндаль решил нагреть неочищенный образец воздуха, взятый прямо из лаборатории, – и стрелка гальванометра отклонилась на невероятные 15°! Тиндаль вычел влияние углекислого газа, но результат все равно был поразительным: невидимая влага, присутствовавшая в неосушенном воздухе, поглощала в 13 раз больше тепла, чем чистый кислород. <…> Вывод был следующим: даже очень незначительные изменения в содержании таких основных газов, как водяные пары, углекислый газ и пары углеводородов, могли значительно менять количество тепла, поглощаемого атмосферой, приводя таким образом к изменению температуры на планете».

Идея ледников Луи Агассиса:

«В 1840 г. Луи Агассис выдвинул смелое предположение, навсегда изменившее представление ученых и обычных людей о льде. Синтезировав идеи коллег, Агассис заявил, что эрратические валуны и глинистые отложения могли быть следами гигантского ледяного щита, который некогда покрывал значительную часть Европы и Северной Америки. Гипотеза о ледниковом периоде не только подняла множество вопросов (действительно ли шерстистые мамонты бродили по территории Англии в то время, когда ее уже населяли люди?), но и бросила вызов общепринятой версии истории Земли. Существование в прошлом огромных ледяных щитов казалось большинству людей того времени немыслимым, поскольку это означало, что раньше на Земле было намного холоднее».

В противовес ледникам: теория постепенного охлаждения Земли и противоречивые данные, заставляющие в ней сомневаться.

«Основанные на уравнениях, описывающих поведение энергии и материи, работы Томсона и его коллег обеспечили математическую базу не только для стремительно развивавшихся отраслей промышленности, но и для новых наук о Земле. Одна из ключевых идей, которая проистекала из этой новой научной парадигмы, состояла в том, что Вселенная и все в ней, включая Землю, постепенно и неумолимо охлаждается. Так называемая тепловая смерть Вселенной была неизбежностью, предотвратить которую ничто (кроме самого ее Творца) было не в силах. Это также предполагало, что прошлое Земли представляло собой монотонный процесс устойчивого и равномерного охлаждения – как это происходит с забытой на столе чашкой горячего кофе. Другими словами, в прошлом Земля могла быть только теплее, но никак не холоднее, чем сегодня. Обнаружение на территории Северной Европы ископаемых останков коралловых рифов и раковин моллюсков, таких как наутилусы, ныне живущие в тропических морях, а также теплолюбивых растений, таких как пальмы и саговники, казалось, неопровержимо доказывало, что в относительно недавнем прошлом на Земле было гораздо теплее. Таким образом, расчеты физиков и эти ископаемые находки не оставляли сомнений в том, что теория об остывающей Земле верна. Но сама же Земля предоставляла и противоположные свидетельства. В железнодорожных откосах и туннелях угольных шахт геологи делали находки, подтверждавшие ледниковую теорию Агассиса. Возникал вопрос: как примирить эти кажущиеся несовместимыми данные о прошлом Земли?»

Самоучка Джеймс Кролл открыл влияние на климат астрономических явлений:

«В 1864 г. он опубликовал статью, в которой утверждал, что причины изменений климата – и, следовательно, ледниковых периодов – нужно искать не на Земле. По его мнению, все дело было в прихотливом танце Земли вокруг Солнца. Причем он настаивал на существовании в прошлом не одного, а именно множества ледниковых периодов, чередовавшихся с потеплениями (свидетельство чего в виде пластов органических веществ в гляциальных отложениях не так давно было обнаружено Арчибальдом Гейки). До Кролла некоторые именитые ученые, включая Александра фон Гумбольдта, Чарльза Лайеля и авторитетного астронома Джона Гершеля, уже рассматривали возможность влияния астрономических факторов. Гершель показал, что под действием гравитационных сил орбита Земли с определенной долгосрочной цикличностью меняет свой эксцентриситет, становясь чуть более эллиптической (сплюснутой), что приводит к более долгой зиме и короткому лету. Однако этот факт, по его мнению, не мог объяснить наступление ледниковых периодов, поскольку общее количество солнечного излучения, попадавшего на Землю, всегда оставалось одинаковым – проще говоря, более долгие зимы компенсировались более жаркими летними сезонами. <…> Вместо того чтобы согласиться с утверждением Гершеля, что изменения климата на Земле нельзя объяснить изменениями ее орбиты, Кролл предположил, что этот астрономический фактор может влиять на климат через «вторичные причины», действующие на поверхности Земли и вполне способные приводить к ледниковым периодам. Согласно Кроллу, тепло распространяется по земному шару посредством воды, а «вторичные причины», на которые он указал, возникали в результате сложного взаимодействия ее форм и происходили из ее физических свойств. Даже если общее количество солнечного света в году оставалось постоянным, в более холодные зимы выпадало больше снега. Не успевая растаять за короткое лето, он постепенно накапливался и начинал отражать все больше солнечного излучения обратно в космос, в результате чего Земля получала все меньше тепла и остывала. Увеличение площади снежного покрова способствовало образованию туманов, что создавало дополнительный барьер для солнечного тепла. С возрастанием перепада температур между холодными полюсами и теплыми тропиками пассаты начинали сильнее дуть в направлении экватора, отклоняя Гольфстрим на север, а родственное ему Южное экваториальное течение – на юг, что только усиливало тепловой дисбаланс. Таким образом запускался механизм положительных обратных связей (хотя сам Кролл не использовал этот термин), конечным результатом которого было погружение планеты в ледниковый период».

Кролл предложил глобальный взгляд на климат:

«Предложенная Кроллом теория изменения климата была основана не на геологических, а на физических факторах, действовавших в глобальном масштабе. Он показал, что значительные и устойчивые изменения климата вызывались теплооборотом в атмосфере, океанах и на земной поверхности, а не медленным и монументальным поднятием и опусканием континентов, о чем говорила гипотеза Лайеля».

Первая работа о многократных оледенениях:

«В 1871 г. Джеймс Гейки (с 1867 г. работавший вместе с Кроллом в Шотландской геологической службе) опубликовал научный труд, в котором изложил свою знаменитую теорию ледникового периода, точнее говоря – ледниковых периодов, поскольку ключевое утверждение Гейки состояло в том, что этот период в действительности представлял собой серию сменявших друг друга оледенений и потеплений.

Как движутся ледники? За счет давления массы. Вот одно из первых предположений:

«Эксперименты были прекрасны своей простотой. Джон Тиндаль поручил лаборанту изготовить набор прочных деревянных форм и в них замораживал лед и проводил с ним различные манипуляции, чтобы сымитировать поведение ледника. Он хотел показать, что лед движется за счет чередования процессов таяния и замерзания, которые происходят в таких незначительных масштабах как по объему, так и по времени, что это делает процесс неотличимым от течения жидкости. Но, несмотря на кажущееся сходство с вязкой жидкостью, такой как патока или мед, в действительности лед ведет себя как нестабильное вещество. Под давлением тысяч тонн вышележащих слоев в месте соприкосновения с твердой землей он претерпевает дискретную смену физических состояний – от твердого к жидкому и обратно к твердому. Этот процесс чередующегося плавления и замерзания Тиндаль назвал уродливым словом «режеляция», изначально придуманным его учителем Майклом Фарадеем. Братья Джеймс и Уильям Томсоны добавили в понимание этого процесса еще один критически важный фактор – давление. Они предсказали, а затем экспериментально доказали, что оно снижает температуру плавления льда. Это означает, что таяние легче всего происходит в самых нижних слоях ледника, лежащих под неимоверной тяжестью верхних. Талая вода вытекает из-подо льда, отчего давление постепенно снижается и в результате основание ледника вновь замерзает – до тех пор, пока давление не возрастет опять настолько, чтобы лед начал плавиться. И так повторяется снова и снова. <…> 15 января 1857 г. Тиндаль впервые представил результаты своих исследований научному сообществу».

Спектрография показала единство природы:

«Спектрографические исследования предоставили очередное мощное доказательство единства природы, показав, что Земля и космос состоят из одних и тех же элементов. <…> В 1802 г. физик Уильям Волластон, наблюдая спектр через очень узкую щель, заметил, что поверх цветовой палитры наложена череда черных линий. Он предпринял попытку картировать эти линии, выделив пять наиболее заметных и обозначив их соответствующими заглавными буквами от A до E. В 1824 г. Йозеф фон Фраунгофер, немецкий оптик, специализировавшийся на изготовлении высококачественных оптических стекол, призм и объективов (и, следовательно, интересовавшийся вопросом, что спектр может сказать о чистоте стекла), значительно расширил эту карту, выделив более 500 таких линий и дав им уникальные обозначения, используемые по сей день».

Первая метеослужба старого моряка:

«В 1859 г. адмирал Роберт Фицрой начал эксперимент по прогнозированию погоды. Через телеграфную сеть, созданную им специально для сбора метеоданных, он каждое утро получал показатели давления, температуры воздуха и скорости ветра от двух десятков метеостанций, разбросанных по всей стране. После этого Фицрой систематизировал и анализировал их, опираясь на свою интуицию опытного моряка и проверенные приметы, и уже через полчаса рассылал через телеграф прогнозы. Коротко говоря, адмирал функционировал как метеослужба, состоящая из одного человека. Его прогнозы пользовались огромной популярностью у рыбаков и моряков, а также среди широкой публики, особенно когда нужно было выбрать солнечный день для загородного пикника. Конечно, они часто оказывались неверными, а потому вызывали лавину критики и насмешек: зачем нужна правительственная служба, если она рассылает ошибочные предсказания? К огорчению тех, кто мечтал о развитии прогностической метеорологии, деятельность Фицроя привлекала слишком много внимания со стороны недоброжелателей, которые называли адмирала «пророком погоды» и сравнивали его метеопрогнозы с предсказаниями гадалок на ярмарочной площади. Но все это прекратилось в одночасье в 1865 г., когда адмирал Фицрой внезапно покончил с собой. После его смерти для надзора за деятельностью Метеорологического департамента был создан специальный комитет, состоявший из членов Королевского общества. К несчастью, обнаружилось, что Фицрой управлял правительственным департаментом как личной вотчиной. Он предпочитал все делать сам и почти не вел записей. При составлении своих метеопрогнозов адмирал не применял никаких научных принципов, законов или уравнений и опирался только на интуицию, рассматривая эти прогнозы как дополнение, а не замену знаниям и опыту моряков, привыкших полагаться только на себя».

Новая концепция климата (устойчивые климатические зоны):

«Юлиус фон Ханн, директор Центрального бюро метеорологии и геомагнетизма в Вене, и Владимир Кёппен, директор Германской морской обсерватории в Гамбурге, в полной мере разделяли убежденность Гумбольдта в том, что «лицо Земли» может быть досконально измерено и изучено. Однако они расходились со своим великим предшественником в вопросе о том, что такое климат и, следовательно, как его нужно изучать. Движимые научным любопытством, располагая средствами и ресурсами своих ведомств, Ханн и Кёппен преобразовали подход ученого-одиночки в систематическую дисциплину. Параллельно с этим гумбольдтовское определение климата с его акцентом на взаимосвязи между живыми существами и окружающей средой уступило место новому определению, в котором климат рассматривался с точки зрения устойчивых климатических зон, выделенных на основе усредненных метеорологических данных. Климат, по определению Ханна и Кёппена, представлял собой усредненную погоду. Но еще более важным, чем точное (как показало будущее) определение климата, был тот фундамент, который эти два человека заложили для развития климатологии. Под руководством Ханна и Кёппена она стала наукой строгих измерений, проводимых в строго контролируемых условиях. В 1883 г. Ханн опубликовал «Руководство по климатологии», в котором изложил пошаговую стратегию развития этой науки, отчасти напоминавшую стратегию военного наступления. <…> Времена Ханна и Кёппена телеграфная связь, почтовая служба и издательское дело были такими же важными инструментами климатологической науки, как барометры и термометры. Составление карт требовало отлаженной системы измерений и их передачи, а также, что не менее важно, системы печати и распространения. В первые несколько десятилетий после запуска этот всеохватный климатологический проект поглощал невероятное количество энергии».

Интересная мысль Сары Драй о том, что именно форма правления Британии, как империи, позволила ей наладить повсеместное систематическое наблюдение за погодой.

«Считать ли климатическую систему стабильной по своей природе или изменчивой, зависело от того, кто занимался исследованиями. Но в основе любого из этих подходов лежала идея системы. А она была порождением империи [Британской]».

Как голод заставил ученых изучать муссоны?

«Слово «нехватка», которое использовалось (и продолжает использоваться) в отношении муссонных дождей, подразумевало, что дожди должны идти каждый год. Но на самом деле переменный характер этих осадков – включая полное их отсутствие в течение нескольких лет – был нормальной, а не аномальной особенностью индийского климата. Муссоны всегда отличались непредсказуемым нравом, в одни годы даруя живительную влагу, в другие – нет. В прошлом в засушливые годы также наступал голод, но смертность от него никогда не была настолько высока, как при британском правлении. В 1876–1878 гг. она достигла пика: тогда в Британской Индии и на соседних территориях он унес жизни от 6 до 10 млн человек».

Солнечные пятна и ураганы – есть ли связь?

«Не увидеть цикличность муссонов было так же трудно, как не заметить идущего на вас слона. Гораздо сложнее оказалось определить, от чего зависели приносимые ими осадки. Отправной точкой поисков стало Солнце – единственное природное явление, еще более заметное, чем муссоны. Ученым уже был известен один солнечный цикл, связанный с появлением и исчезновением пятен на его поверхности. Эти темные пятна, впервые замеченные Галилеем, впоследствии внимательно изучались в попытке понять, какое влияние они могут оказывать на Землю. В XVIII в. астроном Уильям Гершель в поисках корреляции сравнил данные о солнечных пятнах с историческими данными о ценах на зерно, приведенными в знаменитом труде Адама Смита «Исследование о природе и причинах богатства народов». В 1830-х гг. в рамках «магнитного крестового похода» в разные точки земного шара были отправлены наблюдатели с магнетометрами, чтобы картировать магнитные токи Земли. В результате было сделано поразительное открытие: флуктуации земного магнитного поля совпадали по ритму с пятнообразовательной активностью Солнца. Интерес к солнечным пятнам возрос еще больше в 1850 г., когда Генрих Швабе опубликовал данные ежедневных наблюдений за солнечными пятнами, которые он вел почти четверть века. Это был самый полный на тот момент набор данных, на основе которых Швабе вывел 10-летний цикл нарастания и убывания пятен. Вскоре эта цифра была пересмотрена до 11 лет, а влияние солнечного цикла пятнообразования на Землю стало еще более очевидным после того, как в 1859 г. мощнейшая вспышка на Солнце привела к отказу телеграфа по всему миру (причем на некоторых телеграфных станциях вспыхнули пожары), «свела с ума» магнитные приборы и вызвала ярчайшие северные сияния даже на экваторе. После этих событий были выделены средства на строительство сети обсерваторий для наблюдения за Солнцем, а также для сбора и анализа данных о возможной связи между земными и солнечными явлениями (отправляясь в экспедицию на Тенерифе, Пьяцци Смит получил от ведущих ученых множество соответствующих запросов). Охваченные предчувствием, что они стоят на пороге раскрытия природных тайн, физики активно искали – и находили – связи между солнечными пятнами и магнетизмом, солнечными пятнами и температурой, солнечными пятнами и ветрами, солнечными пятнами и осадками. Эти связи зачастую можно было описать обезоруживающе простым языком, так что они казались очевидными. Чарльз Мелдрам, астроном Британской государственной обсерватории на Маврикии, так резюмировал свое открытие: «Много пятен – много ураганов; мало пятен – мало ураганов».

Что Гилберту Уокеру дали математические приемы и данные? (о математическом подходе к изучению климата)

«Уокер пришел в метеорологию именно в тот момент, когда та, проделав путь от многовекового традиционного интереса к изучению штормов до недавних попыток анализа данных в масштабах полушарий, была готова предложить ему – и «лучу его прожектора» – весь мир. Как и Бланфорд, Тейсерен де Бор и Гильдебрандсон, Уокер обнаружил в получаемых со всего мира данных о давлении свидетельства осцилляций. Но если представители старой гвардии были ограничены визуальными методами и могли сделать лишь весьма туманные предположения о природе и силе этих связей, то Уокеру коэффициенты корреляции позволяли ранжировать их и исключить менее значимые. Он обнаружил в общей сложности 400 значимых корреляций – тех взаимозависимостей, на которые стоило обратить внимание. После отсеивания ложных осталось «три значительных колебания», отражавших отношения обратной зависимости между давлением. Самое мощное наблюдалось между Тихим и Индийским океанами – Уокер назвал его Южной осцилляцией. Два колебания поменьше, одно – между Исландией и Азорскими островами, другое – между разными участками в северной части Тихого океана, получили соответственно названия Североатлантическая осцилляция и Северо-Тихоокеанская осцилляция. В этих местах области с разным давлением находились в отношениях обратной зависимости. Когда барометрическое давление над Исландией возрастало, над Азорскими островами оно снижалось, и наоборот».

Опровержение влияния на муссоны солнечных пятен:

«Одним из первых факторов, который Уокер проверил посредством своего корреляционного метода, были солнечные пятна. В опубликованной в 1923 г. статье он сообщил об отсутствии значимой корреляции между 11-летним циклом солнечной активности и муссонами».

Так в чем же тайна муссонов? В океане.

«Только в 1969 г., через 10 лет после его смерти, тайна муссонов приоткрылась еще немного, когда скандинавский метеоролог Якоб Бьеркнес показал, чего именно не хватает в уокеровской концепции мировой погоды. Огромным «слоном в комнате», которого не заметил Уокер, оказался океан. Это вторая важнейшая составляющая глобальной системы термической циркуляции, посредством которой температуры океана влияют на температуры воздушных масс над ним. Бьеркнес назвал этот круговорот тепла в восточном и западном направлении циркуляцией Уокера. Ее основной механизм заключался в следующем: холодная вода, поднимавшаяся из глубин в восточной части Тихого океана, охлаждала находящийся над ним воздух, тем самым не давая ему перемещаться вверх. Пассаты переносили этот холодный воздух на запад, где он в конце концов нагревался и поднимался над западной частью Тихого океана. Затем этот воздух возвращался на восток в верхних слоях атмосферы, где, замыкая круг, опускался над восточной частью Тихого океана. Колебания температуры холодной воды, поднимавшейся из глубин океана, не объясненные ни в 1969 г., ни по сей день, предположительно и были причиной того, что в течение нескольких лет эта циркуляция «не обеспечивала» Индию муссонными дождями».

Как война активизировала изучение климата в тропиках?

«К 1942 г. война в Тихоокеанском регионе приняла опасный оборот. Японцы оккупировали Бирму, Малайзию, Голландскую Ост-Индию, Филиппины и Таиланд. Чтобы успешно противостоять японской угрозе, американским ВВС нужно было лучше понимать погодные условия тропической зоны. Тысячи боевых вылетов над тропической областью Тихого океана показали, что погода ведет себя там совершенно иначе, чем в небе над Северной Европой. Внезапные шквалы могли возникнуть при отсутствии каких бы то ни было фронтов, буквально из ниоткуда. Температура в небе была такой высокой, что дожди часто выпадали из водяных облаков, в которых не было ледяных кристаллов. Все это не просто сбивало с толку, но и было опасно. Требовалось обеспечить более точные прогнозы неблагоприятной погодной обстановки. Поэтому, когда Россби предложил помимо девятимесячной программы подготовки курсантов-метеорологов создать специальный институт, командование Воздушного корпуса Армии США согласилось. Вся организационная работа была проведена в кратчайшие сроки, и летом 1943 г. в Пуэрто-Рико открылся Институт тропической метеорологии. Ожидалось, что новые наблюдения и скоординированные усилия позволят добыть новые полезные знания, которые помогут американским летчикам успешнее воевать в небе над тропиками».

Опасения создателя современного компьютера по поводу того, что он станет инструментом климатического апокалипсиса:

«Фон Нейман страстно верил в возможности вычислительной техники, но при этом понимал, что его проект поддерживают не только в надежде сделать жизнь людей лучше, но и ради устрашения. Управление погодой и климатом – классическая технология двойного назначения. В правильных руках она может быть использована для борьбы с засухами и голодом, для повышения безопасности полетов и даже для улучшения климата, чтобы сделать жизнь людей более комфортной. Но в недобрых руках эта технология может стать мощнейшим оружием, способным причинять разрушения невиданных прежде масштабов. «Предполагаемые ужасы ядерной войны могут уступить место другому, еще более страшному сценарию, – предупреждал он. – Когда люди научатся управлять климатом в планетарном масштабе, все наши нынешние проблемы могут показаться детской игрой». Наступление этого момента представлялось неизбежным».

Почему мы до сих пор не можем «просчитать» климат на компьютере?

«Время – еще один важный фактор в климатических моделях. Тогда как использование более широкого шага по времени позволило бы создать модели с гораздо более высоким пространственным разрешением, ученые, как правило, используют для расчета моделей временнóй интервал всего в 30 минут. Поскольку такие модели часто рассчитываются для столетних периодов и больше, это составляет 1 753 152 шага для каждой точки в сетке, для которой необходимо рассчитать серию так называемых параметров модели – значений температуры, скорости ветра, давления, влажности и т. д. Перемножение этих трех наборов чисел – количества шагов по времени, количества точек на сетке и количества параметров для каждой точки – дает колоссальный массив вычислений. Даже самые современные мощные компьютеры с трудом справляются с расчетом моделей общей циркуляции с самым высоким разрешением, используемых в настоящее время. Как правило, удвоение разрешения модели при расчете для столетнего периода увеличивает количество вычислений в десять раз. Как прожорливые гиппопотамы, эти модели поглощают любой прирост вычислительной мощности, увеличивающейся в соответствии со знаменитым законом Мура».

Интересные цифры о теплопередачи Земли:

«Солнце является источником всей энергии на Земле. Форма нашей планеты и угол падения на нее солнечных лучей определяют, сколько солнечной энергии получают разные ее части. На широтах выше 38° в обоих полушариях Земля теряет тепло. Энергетический радиационный баланс положителен только между 38° и экватором – примерно в тех широтах, на которых расположен Африканский континент. Но в целом планета поддерживает свою среднюю температуру на довольно стабильном уровне, то есть передает тепло из области близ экватора к полюсам – в противном случае она начала бы остывать».

«Горячие башни» Малкус и Риля, исследователей облаков и циклонов:

«Идея, основанная на изучении данных радиозондов и довольно смелом предположении, не подкрепленном данными в силу их отсутствия, заключалась в том, что тепло поднимается вверх от поверхности океана не повсюду, а в небольших ограниченных зонах, где возникают чрезвычайно мощные восходящие потоки воздуха. В этих колоннах, или «горячих башнях», названных так Малкус и Рилем потому, что поднимающийся в них вверх водяной пар конденсируется в капли с выделением значительного количества тепла, формируются поистине гигантские кучевые облака. Эти «братья-переростки» обычных пассатных кучевых облаков могут достигать в высоту 10 000 и даже 15 000 м. При этом они представляют собой относительно редкое явление. В любой отдельно взятый момент на всей планете может существовать всего несколько тысяч активных областей образования таких облаков, которые, подобно эскалаторам, переносят огромное количество тепла вверх через нижние энергетически мертвые слои атмосферы с их дующими в направлении экватора ветрами. «Самым поразительным выводом из этой работы, – резюмировали Малкус и Риль, – является тот факт, что для поддержания теплового баланса экваториальной ложбины и, таким образом косвенно, для передачи бóльшей части энергии к полюсам требуется всего около 1500–5000 активных облачных гигантов».

Смотрите мою рецензию на книгу Гэвина Претора-Пинни «Занимательное облаковедение. Учебник любителя облаков» по ССЫЛКЕ!

Загадка океанов и Генри Стомелл:

«Почему основные течения в Мировом океане асимметричны? Известно об этом было давно, однако никто до сих пор не попытался ответить на этот вопрос. Во всех крупных океанических бассейнах земного шара течения на западной стороне были заметно сильнее, чем на восточной. Это было верно и для Атлантического, и для Тихого, и для Индийского океанов, несмотря на совершенно разные береговые линии и донные ландшафты. Если топография не может объяснить асимметричность течений, подумал Стоммел, что тогда может? Вспоминая смелые упрощения Россби, он представил себе океанический бассейн прямоугольной формы, проще, чем у обычной ванны, и возмутил его спокойствие воздействием всего трех факторов – ветра на поверхности, трения на дне и вращения Земли. Затем вручную, с помощью логарифмической линейки, скрупулезно рассчитал влияние этих факторов на океан и, к своему удивлению, обнаружил, что в этой простой модели океана течения также преобладают на западе. Свои результаты он изложил в пятистраничной статье под названием «Интенсификация ветровых океанических течений в западном направлении». Так, когда ему не исполнилось еще и 28 лет, он создал новую науку – динамическую океанологию, целью которой было понять, как движется вода в океане. Стоммел показал, что с помощью физики и математики можно описать крупномасштабное движение океанических вод».

Необычное применение пастернака:

«Выбор пастернака для эксперимента был далеко не случаен. Свойства пастернака таковы, что, если бросить его в океан, он почти полностью погрузится в воду и будет плавать, лишь слегка выглядывая наружу и, таким образом, не подвергаясь воздействию ветра. Благодаря этому свойству обычный пастернак – плавучий и хорошо заметный на воде – оказался отличным материалом для океанографических измерительных буйков».

Как были открыты морские течения?

«Ключевым эпизодом в истории изучения океанических течений стало открытие, сделанное в 1751 г. Генри Эллисом, капитаном английского корабля, на котором перевозили рабов. Эллис заметил, что, если в теплых экваториальных водах опустить ведро на достаточно большую глубину, оно всегда наполняется холодной водой. Единственным объяснением такого присутствия холодной воды в постоянно жарком климате было то, что она перетекала сюда из более холодных широт – с севера или юга. <…> Много лет спустя, в 1860-х гг., английский естествоиспытатель Уильям Карпентер, занимавшийся поиском новых видов морских лилий (иглокожих, обитающих на значительных морских глубинах) в Северной Атлантике, обратил внимание на район между Шетландскими и Фарерскими островами, где теплые и холодные глубинные воды находились в непосредственной близости друг к другу. В результате он разработал теорию, которую назвал «общей океанической циркуляцией» (с акцентом на первом слове, чтобы отличить ее от теории локальной циркуляции). Сделанное им «грандиозное обобщение» состояло в том, что воды Мирового океана перемещались по всей планете. Холодная вода, опускавшаяся на глубину на полюсах, постоянно сменяла теплую воду у экватора, которая переносилась на север такими течениями, как Гольфстрим. Аналогичное перемещение воды происходило и в Южном полушарии».

Значение работы Генри Стоммела:

«Стоммел сосредоточился на воздействии ветров. По размышлении, он пришел к выводу, что та же физическая логика, которая объясняла обилие поверхностных, то есть вызванных действием ветра, течений в западной части океанических бассейнов, предполагала и существование под ними течений, движущихся в противоположном направлении. В результате Стоммел сделал нечто удивительное – составил океанографический прогноз: под текущим на север Гольфстримом должно проходить более глубоководное – и пока не открытое – течение, движущееся в южном направлении. Впервые в истории океанографии силы, перемещавшие воду на поверхности океана и в самых глубинных его слоях, – силы, в 1860-х гг. заведшие Карпентера и Кролла в тупик, – были сведены в единую теорию. Стоммел соединил ветер на поверхности океана с различиями в температуре и солености воды на глубине и таким образом выявил механизм океанической циркуляции. Это открытие изменило образ мышления океанографов. Вместо того чтобы рассматривать Гольфстрим как независимое и изолированное океаническое явление, похожее на льющийся из садового шланга поток воды (каким он виделся даже Россби), Стоммел представил его как часть круговорота воды, охватывающего весь Атлантический бассейн. Другими словами, он показал, что Гольфстрим не существует отдельно от общей системы океанического бассейна и понять его можно только как ее составляющую. В свете этого Гольфстрим – и вся система – получил физическое и математическое обоснование. Но за это пришлось заплатить свою цену: отныне океан можно было рассматривать только как единое целое. В гидродинамическом механизме океана, открытом Стоммелом, все части были взаимосвязаны».

Про вихри в глубоководных океанических течениях:

«Проект MODE показал, что вихри не просто обычное и широко распространенное океаническое явление, но что они несут в себе 99 % (!) всей кинетической энергии океана. Их можно назвать океанической темной материей, огромным слоном в комнате, которого океанография не замечала, пока проект MODE не пролил свет на этот феномен. <…> Благодаря этим экспериментам в 1970-х гг. стало ясно, что ответ на вопрос, где в океане существуют вихри, довольно прост. Океанографы находили их почти всюду, куда бы ни посмотрели. Вихри обнаружились в северной части Тихого океана, в Арктике, в Индийском океане и даже в Антарктике. В 1976 г. Джон Сваллоу и другие задались противоположным вопросом: есть ли в океане такие места, где нет вихрей? Теперь казалось, что подобных мест не существует, и этот факт – вкупе с тем количеством энергии, которое содержалось в вихрях, – наводил на мысль, что вихри были не случайными явлениями в океанической циркуляции, а ее неотъемлемой и важнейшей составляющей».

3D визуализация океанических вихрей от NASA:

Метод определения температуры по изотопам кислорода в воде (как ядерная энергетика помогла изучать климат):

«Образцы воды МАГАТЭ – ВМО позволили доказать, что с помощью анализа изотопного состава кислорода можно, как написал Вилли Дансгор в опубликованной им статье, проследить «схемы циркуляции и механизмы глобального и локального движения воды». Десять лет назад, начав собирать дождевую воду во дворе своего дома, Дансгор сумел показать, что с помощью масс-спектрометра может заглянуть в самое сердце циклона. Теперь же он доказал, что связанные в воде изотопы кислорода позволяют пролить свет на глобальные закономерности испарения и конденсации, на потоки молекул воды, которые перемещают тепло вокруг Земли и приводят в движение океаническую и атмосферную циркуляцию. Когда в районе станций, поставлявших Дансгору пробы воды, падала температура, изотопный анализ обнаруживал повышение содержания более тяжелых изотопов кислорода. Значимая корреляция между более высокой долей тяжелых изотопов и более холодной температурой, обнаруженная им в Копенгагене, сохранялась в самых разных местах по всему земному шару. Он включил в статью график с результатами изотопного анализа образцов воды, собранных на нескольких Тихоокеанских островах, на котором четко прослеживалась зависимость между температурой и содержанием 0О, сохраняющаяся на расстоянии в тысячи километров. Итак, Дансгор доказал, что изотопы кислорода могут быть показателями температуры».

Что показал лед из кернов Гренландии и Антарктиды?

«Поистине ошеломляла детальность информации о климате, содержавшейся в ледяном керне, особенно за «последние 8300 лет». Как и древесные кольца, лед позволял проследить не только годовые, но даже сезонные колебания температур. Однако больше всего потрясала длительность этой ледяной летописи, простиравшейся в прошлое почти на 100 000 лет. Это был самый старый и подробный «архив» земного климата – керны отложений, взятые со дна озер, хотя и имели бóльшие временные рамки, спрессовывали целое тысячелетие в 1 см осадков. В отличие от них ледяные керны упаковывали годовые полосы с плотностью примерно 50 лет на один метр. Прочитать – и просчитать – такие летописи было гораздо проще. В своей сенсационной статье о «тысяче столетий климатических данных», опубликованной в журнале Science в 1969 г., Дансгор и его команда описали серию циклов, или климатических колебаний, выявленных ими в полученных результатах. Эти циклы показывали, что земной климат претерпевал регулярные изменения с периодичностью примерно в 120, 940 и 13 000 лет. <…>

Воодушевленные своим успехом, люди жаждали повторить его в другом месте. Поэтому вскоре после того, как их бур наткнулся на коренную породу под Гренландским ледяным щитом в Кэмп-Сенчури, они отправились в еще одну великую буровую экспедицию – на этот раз в Антарктику, на научную станцию Бэрд, основанную американцами в ходе Международного геофизического года в 1957–1958 гг. Они бурили два года и конце концов извлекли еще один ледяной керн, который охватывал почти такой же период времени, как и гренландский, и с такой же степенью детализации. Результаты изотопного анализа этих двух кернов совпали».

МОЕ МНЕНИЕ ОБ ИЗДАНИИ:

Качественное издание в традиционном для «АНФ» оформлении.

Формат стандартный (145x215 мм), твердый переплет, без суперобложки, 431 страница, иллюстрации.

1 of 4

Достоинства издания: научный редактор (Александр Кислов, профессор, д-р геогр. наук); хорошее качество печати; белая бумага; твердый переплет; наличие колонтитулов; хорошо выделенные заголовки; примечания; предметно-именной указатель; библиография; многочисленные ч/б фотографии.

Недостатки издания: не обнаружено.

ПОТЕРЯЛ БЫ Я ЧТО-НИБУДЬ, ЕСЛИ БЫ ЕЕ НЕ ЧИТАЛ:

Больше нет, чем да. К сожалению, книга оказалась больше про ученых, чем про объект их научного интереса.

КОМУ ПОРЕКОМЕНДОВАЛ БЫ:

Книга будет интересна тем, кого интересуют глобальные процессы на нашей планете и климатология в частности, а также история науки.

ТЕГИ: Нон-фикшн, науч-поп, климатология, физика, климат, Земля, океан, атмосфера, течения, процессы, потепление, ледники, вода.

ВИДЕО В ТЕМУ: Небольшая, но познавательная лекция о циркуляции воды в мировом океане по ссылке ниже:

https://vk.com/pavelmazheikabooksreview

https://t.me/pavelmazheikabooksreview

#PavelMazheikaBooksReview

#PavelMazheikaBooksNonfiction

Другие мои рецензии на страницах:

Группа "ВКонтакте":

https://vk.com/pavelmazheikabooksreview

Канал в "Телеграм":

https://t.me/pavelmazheikabooksreview