Воды мира. Как были разгаданы тайны океанов, атмосферы, ледников и климата нашей планеты: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Кропотливые эксперименты Тиндаля в подвальной лаборатории дали результаты, которые могли объяснить самые значительные с точки зрения времени и пространства изменения, происходившие на Земле. Поглощение тепла водяным паром в атмосфере влияет на климат на всей планете. Тиндаль не побоялся подчеркнуть это и в своей лекции, и в статье, в которой обнародовал результаты исследования. Его статья была зачитана вслух перед членами Королевского общества и выбрана в качестве Бейкеровской лекции года, что было особой честью.

Но Тиндаль недолго наслаждался успехом. Вскоре из Германии пришло письмо от немецкого физика Генриха Густава Магнуса, в котором тот заявлял о своем приоритете на открытие. К этому Тиндаль был готов: еще в мае 1859 г. он подал в Королевское общество предварительное уведомление об изучаемой им теме – как раз на такой случай. Хотя в уведомлении не содержалось описания предполагаемых результатов, этого было достаточно для того, чтобы «застолбить территорию». Однако проблема была куда серьезней: полученные Магнусом результаты исследования водяного пара были диаметрально противоположны тем, что получил Тиндаль. Магнус обнаружил, что сухой воздух поглощает больше (не намного, но все же больше) тепла, чем влажный[58].

В ответ Тиндаль вновь с головой погрузился в работу. Исследование уже потребовало от него «огромного и напряженнейшего труда», но это было ничто по сравнению с новым этапом работы, когда над ним довлело присутствие неожиданного конкурента. По словам самого Тиндаля, в своем рвении он доходил почти до религиозного «самоистязания».

В течение следующих четырех месяцев ученый каждый будний день трудился над тем, чтобы доказать неправоту Магнуса. К его облегчению, чем больше он совершенствовал свой метод и оборудование, тем более четко наблюдал обнаруженное им действие водяного пара. Разница между поглощающей способностью лишенного влаги и насыщенного ею воздуха становилась все более очевидной: если первый отклонял стрелку гальванометра всего на 1°, то второй смещал ее на 48° и даже на 50°.

Тиндаль разработал новые, более продвинутые способы осушения воздуха. Крупный кусок стекла измельчался в ступке до состояния пыли, которая кипятилась в азотной кислоте, промывалась дистиллированной водой и тщательно высушивалась. Затем эта стеклянная пыль смачивалась чистой серной кислотой и вводилась в U-образную трубку таким образом, чтобы предотвратить любой контакт между серной кислотой и закупоривавшей трубку пробкой, поскольку это могло бы ухудшить результаты осушки воздуха. Для очистки воздуха от углекислого газа использовались измельченный чистый белый мрамор и едкий калий. Таким образом, Тиндаль научился отдельно очищать воздух от влаги и углекислого газа. Он ежедневно готовил новые сушильные трубки, чтобы гарантировать их одинаковую эффективность. Он также усовершенствовал гальванометр, чтобы обеспечить еще более высокую точность измерений.

Но Магнуса не убедили и эти результаты: он заявил, что те вполне могут не подтвердиться на пробах воздуха, взятых не в лаборатории Тиндаля, а в других местах. Тиндаль принял вызов. У него было множество друзей, которые были рады помочь ему. Вскоре он получил образцы воздуха пусть не такого кристально прозрачного, как в Швейцарских Альпах, но все же гораздо более чистого, чем в центре Лондона. Друзья прислали ему воздух из Гайд-парка, Примроуз-Хилл, Хэмпстед-Хит и с Эпсомского ипподрома. Он также получил два образца с острова Уайт, один из них – из парка Блэкгэнг-Чайн. Тестирование этих образцов показало, что все они, будучи насыщенными водяным паром, поглощали в 60–70 раз больше тепла, чем без него. Таким образом, Тиндаль сумел доказать, что его открытие распространяется на любую точку планеты, будь то его лаборатория на Альбемарл-стрит, поросшие лесом холмы Хэмпстед-Хит или Альпы.

Сумев убедить физиков, с метеорологами Тиндаль вел себя куда смелее. Он безбоязненно отсылал их к своим результатам, которые называл не иначе как «абсолютно достоверными». В одной из статей ученый твердо заявил, что «в любом регионе с сухой атмосферой вслед за заходом солнца должно наступать быстрое охлаждение», далее открыто (и даже с некоторым хвастовством) признав, что это «всего лишь теоретический вывод». Тиндаль был уверен в результатах своих лабораторных экспериментов и утверждал, что им не противоречит никакой метеорологический опыт. Открытые в лаборатории законы природы не перестают действовать за ее пределами. Поэтому он с уверенностью заявлял, что 10° «всего земного теплоизлучения поглощается водяным паром, находящимся в пределах трех метров от поверхности земли».

Действительно, его выводы о водяном паре объясняли широкий спектр климатических наблюдений. Например, извилистые ленты облаков над великими реками, такими как Нил и Ганг, повторявшие изгибы их русел, были обязаны своим происхождением «охлаждению насыщенного воздуха над рекой в результате излучения тепла из водяных паров». Это также объясняло наблюдаемую на больших высотах резкую разницу температур между воздухом, который зачастую оставался очень холодным, и поверхностью, которая быстро нагревалась под солнцем. Этот эффект его друг Хукер отметил в Гималаях[59], но то же было верно и для Европы. Спускаясь с Монблана по глубокому снегу, можно страдать от слепящего солнца и почти невыносимой жары – несмотря на лежащие вокруг снега и льды. Наконец, это также объясняло, почему в засушливых районах Центральной Австралии суточные колебания температуры в 40° были обычным делом, тогда как в дождливом Лондоне диапазон колебаний был почти в два раза меньше. Соответственно, это объясняло и резкий перепад температур в Сахаре с ее испепеляющей дневной жарой и очень холодными ночами.

Но как бы ни впечатляло представленное Тиндалем объяснение механизма формирования земного климата, не оно было главной целью ученого. Как и в исследовании ледников, предметом его интереса была, прежде всего, молекулярная физика, то, как тепло воздействует непосредственно на молекулы. Говоря о климатических изменениях, ученый подчеркивал, что они раскрывают «влияние атмосферы на солнечное и земное тепловое излучение». И именно тепло было в фокусе его внимания, а атмосфера занимала, главным образом, как препятствие на пути теплового излучения. Эксперименты с газами, проведенные им, были важны тем, что позволяли изучить «более чистый случай молекулярного воздействия», чем это удавалось когда-либо прежде. Он не стремился понять, почему прошлое Земли развивалось так, а не иначе, но хотел узнать, почему «луч тепла останавливается одной молекулой и беспрепятственно проходит через другую».

В отличие от Кролла, Тиндаль не стал выяснять, что может приводить к повышению или понижению содержания водяного пара в атмосфере. Он просто расширил перечень процессов, уже названных Кроллом, подтвердив, что существует множество иных способов охладить и нагреть Землю, нежели предполагаемое Лайелем поднятие и опускание континентов. Хотя ни Тиндаль, ни Кролл не акцентировались на этом моменте, из их работ становилось ясно не только то, что воздействие водяного пара объясняло значительные изменения земного климата в прошлом, но и то, что эти изменения могли происходить в гораздо более короткие сроки, чем считали многие геологи во главе с Лайелем. Тиндаль наглядно показал, что водяной пар может вызывать очень быстрые – в пределах нескольких дней, если не часов – локальные изменения погодных условий.

Тиндаль любил писать о переменчивости небес. Вот фрагмент с описанием попытки восхождения на вершину Галенсток, взятый почти наугад из книги «Часы упражнений в Альпах», повествующей о его приключениях в горах. Мы видим здесь нечто сродни гимну различным формам воды, повсеместно присутствующим в окружающем мире: «Поначалу небо было чистым, а воздух восхитительным, но в земной атмосфере солнце стремительно творит свою магическую работу, а легкая сущность воздуха делает его особенно подверженным переменам. Внезапно появились облака: поднявшись по долине Роны, они покрыли ледник и укутали вершины гор, на какое-то время оставив незатянутой лишь фирновую область, откуда берет исток Рона. Некоторые отказывают Альпам в величественной красоте. Но высотные снежные поля альпийских ледников поистине прекрасны – наделенные не отталкивающим царственным величием, а столь тонким изяществом, что взывают к мысли о женском очаровании». Мы видим, как тесно сопряжено описание Тиндалем атмосферных явлений и ледников с осознанием их переменчивой природы. Именно восприятие окружающего пейзажа не как чего-то неизменного, но постоянно преображающегося наделяло его таинственностью, не отпускавшей внимание Тиндаля. Сами природные явления – облака, ветер, снег и лед – обретали в его глазах свою значимость и силу благодаря пониманию связей между ними, их способности превращаться друг в друга в соответствии с законами природы, которые, будучи постоянными и фундаментальными, порождали явления безграничные и возвышенные.

На мой взгляд, главным достижением Тиндаля стала его попытка установить связь между природными средами и воссозданными им в лаборатории их «уменьшенными образцами». Он упорно трудился над тем, чтобы соединить эти два масштаба действительности и два способа познания и таким образом углубить свое понимание единства природы. Что касается Альп, то они занимали в жизни Тиндаля особое место, служа подчас весьма противоречивым целям. Здесь, в окружении изменчивых пейзажей, среди опасностей горных походов, он искал спасения от удушливой атмосферы Лондона и возможность забыть о проблемах и тревогах, терзавших его ум и душу. Но Альпы также всегда оставались для него полем битвы, на котором он боролся со своими собратьями по цеху за научный приоритет. Он мечтал стать первым ученым – первопроходцем-одиночкой, – кто оставит свои следы на девственно-белой целине снежных и ледяных полей. А это требовало определенной публичности: предпочитая путешествовать в Альпы в одиночку, он должен был позаботиться о том, чтобы об этих экспедициях стало известно всем. Таким образом, он отправлялся в горы, чтобы вырваться из лондонской жизни и бесконечной круговерти мыслей, но также и для того, чтобы первым подняться на новую научную вершину и высечь на ней свое имя. Раздираемый этими двумя противоборствующими желаниями, Тиндаль стремился примирить свое стремление к уединению, покою, почти духовной связи с природой, которая так привлекала его в сочинениях Эмерсона, с жаждой человеческого общения (пусть даже в форме ожесточенного научного спора), действия, борьбы и признания.

В этом отношении его разум был гораздо мудрее сердца. Тиндаль понимал: сила природы в том, что она существует независимо от человеческого ума и души, хотя был при этом всецело убежден, что разум и эмоции являются продуктом природы. Как бы то ни было, собственное сердце было ему неподвластно: он быстро гневался, легко обижался. Живость ума делала его превосходным лектором, живость в движениях – отличным альпинистом, но живость чувств мешала ему в общении с людьми. Склонность к конфликтам превратила его жизнь в череду споров: с религиозными властями – об эффективности молитвы и об отношении к религии в свете космологии, с научным сообществом – о самозарождении жизни, сохранении энергии и, как мы уже знаем, о движении ледников. Неспособность взять под контроль собственную психику и успокоить разум негативно сказывалась и на его личной жизни и здоровье. Страдая бессонницей, он все чаще обращался к лекарствам. Его дневники полны описаний мучительных бессонных ночей, когда он искал облегчения в хлорале, который прописывал ему доктор. Иногда приходилось принимать по две-три дозы, прежде чем его изнуренный ум успокаивался и он погружался в искусственный сон. Один раз жена Тиндаля Луиза по ошибке дала ему лишнюю дозу хлорала. Они оба немедленно поняли, что это значит. «Луиза, ты убила своего Джона», – произнес Тиндаль. Вызванный доктор использовал все доступные в то время способы, чтобы вернуть его к жизни, и даже применил электрический разряд от гальванической батареи, но все было напрасно. Тиндаль скончался вечером 4 декабря 1893 г. в возрасте 72 лет.

Луиза, которой на тот момент было всего 47, никогда себе этого не простила. Следующие 47 лет жизни она посвятила тому, чтобы написать биографию мужа, но, вероятно раздавленная чувством вины, а также объемом материала, так и не сумела осуществить задуманное. Она умерла в 1940 г., когда из поколения Тиндаля уже никого не осталось в живых и его самого мало кто помнил. В конце концов весь собранный Луизой архив вместе с черновыми заметками был передан двоим ученым, которые согласились довести дело до конца. В отличие от его сверстников, после смерти которых потомки или ученики спешили опубликовать традиционные «Биографии и письма» или «Сборники трудов», Тиндаль – у которого не было учеников, осталась лишь убитая горем вдова, – не удостоился подобных посмертных прославлений. Его биография была издана только в 1945 г., но вызвала мало интереса: Тиндаля к тому времени почти забыли, а страна была озабочена куда более важными проблемами восстановления после Второй мировой войны[60].

Сегодня Тиндаль наконец-то получил заслуженное признание. Его открытия кажутся почти пророческими – первыми проблесками в понимании того, как функционирует глобальная климатическая система и как люди непреднамеренно, но радикально могут вмешиваться в ее работу. Разумеется, при более близком рассмотрении становится очевидно, что подход Тиндаля и его современников сильно отличался от современного. Нас не должно вводить в заблуждение кажущееся сходство предметов его пристального интереса – льда, ледников, водяного пара и тепла – с тем, что заботит нас сейчас. Тиндаль изучал тепло, движимый интересом к недавно открытым законам термодинамики, а вовсе не осознанием нашей планеты как живого организма, все более присущим нам сейчас. Не будет преувеличением сказать, что он смотрел на мир через призму второго закона термодинамики, предрекающего космосу и всему сущему в нем неизбежное ледяное будущее.

Сегодня мы глубоко осознаем взаимосвязь всего и вся на планете, но наше понимание того, что она означает, радикально отличается от понимания Тиндаля. Мы больше не смотрим на мир в свете энтропии. Нас не поражают невообразимо долгие временны́е периоды, которые ушли на создание нашей планеты – и которые простираются далеко в будущее всей Вселенной. Сегодня нас беспокоит другое: стремительное иссякание ресурса, некогда казавшегося бесконечным, – самого времени. Мы чувствуем, как оно уходит, пока человечество спешит понять, что за механизмы лежат в основе формирования земного климата и что мы можем сделать, чтобы предотвратить не ледяное, а жаркое будущее.

Ни Тиндаль, ни кто-либо из его современников не предполагали, что люди смогут перенасытить атмосферу таким мощным поглотителем теплового излучения, как углекислый газ, и это начнет менять климат Земли. При всех прозрениях относительно прошлого и возможного будущего земного климата никто из них не мог представить, что человечество уже начало самый масштабный в истории – и самый судьбоносный – эксперимент в области наук о Земле.

Тиндаля никогда не покидало чувство восхищенного удивления природой, благоговения перед бесконечным величием ее красоты, пронизывающим каждую молекулу с почти сверхъестественной вездесущностью. Его поражало, сколь щедро природа одаряла красотой даже самые отдаленные и труднодоступные уголки Земли, казалось бы и вовсе не предназначенные для человеческих глаз. Вопреки (или же благодаря?) его приверженности сугубо материалистическому видению мироздания, из которого Бог как творец был исключен, Тиндаль хорошо знал, что это такое – переживание чуда, и, как истинный ученый, стремился докопаться до его истоков. Отвергая идею чуда как Божьего дара, он испытывал еще большее изумление от осознания того, что в основе всего лежит движение энергии через материю – движущиеся молекулы – и ничего более.

Он проникновенно писал о замечательной силе человеческого воображения, способного заглянуть за завесу, коей скрывает себя природа, но при этом всегда отдавал должное более могущественной силе самой природы. В декабре 1859 г., добравшись со спутниками до занесенного снегом шале на Мер-де-Глас, Тиндаль обратил внимание на очередное свидетельство того, насколько природа превосходит людей: хотя домик был закрыт, снежинки проникли внутрь сквозь крошечные щели и образовали на одном из окон «ажурную занавеску, целиком состоящую из мелких ледяных кристаллов. Это было похоже на тончайший муслин или газ; изысканность ее изгибов и глубина складок были таковы, что их трудно было бы превзойти, если бы вы захотели намеренно добиться такой драпировки»[61]. Природа, казалось без всякой цели и умысла, творила красоту, которая затмевала величайшие достижения человека. «Объясните это!» – Тиндаль вновь и вновь бросал вызов читателям – и самому себе.

Прижимая ладонь к оконному стеклу и растапливая тонкий слой льда, ученый наблюдал за тем, как тот вновь замерзает у него на глазах, как «атом сцепляется с атомом – и по стеклу бегут живые линии, пока все они не превращаются, наконец, в прекрасное и изящное целое. Связь между подобными объектами и тем, что мы привыкли называть чувствами, может не быть очевидной, однако эти изысканные творения природы способны не только взывать к человеческому интеллекту, но и радовать сердце, подчас до слез на глазах»[62]. Понимая всю странность этого утверждения, Тиндаль не мог не обратить внимание на связь между эмоциональным восприятием и существующим в природе порядком вещей. Чувства возникали в нем так же, как образовывалась наледь на стекле от тепла его руки. В обоих случаях работали схожие физические принципы: в этом смысле его переживания и атомы были сродни друг другу, но это не лишало окружающий мир – как и личный мир самого Тиндаля – таинственной сверхъестественности. Как природа могла заставить его испытывать столько чувств, если последние были чем-то вроде молекул? Эта мысль превратилась для него в навязчивую идею, к которой он возвращался снова и снова.

На протяжении всей жизни Тиндаль испытывал целую симфонию чувств, и осознание материальности их природы не влияло на силу переживания. Восприятие красоты природы всегда сопровождалось для него ощущением парадоксальности происходящего: природные явления, порожденные физическими законами, вызывают сильные эмоции у людей, которые сами по себе являются не более чем материей, организованной в соответствии с теми же физическими законами. Ему не оставалось ничего, кроме как удивляться – и продолжать искать разгадку этой тайны. «В применении своих собственных принципов, – эмоционально писал Тиндаль, – Природа часто превосходит человеческое воображение. Ее деяния оказываются смелее наших ожиданий. Так происходит с движением ледников; так было и на Монтанвере в тот день, о котором идет речь»[63].

Прозрачные облака

Когда парусник «Титания» вошел в островную гавань Тенерифе, вершина возникла в просвете облаков лишь на мгновение, но Чарльз Пьяцци Смит был к этому готов. Он не пропустил того «короткого мига, когда облака открыли нашему взору самое прекрасное, что есть на острове, как награду после тяжкого путешествия». Он знал, что в следующий раз сможет увидеть пик, только когда поднимется в горы, и ликовал оттого, что ему была явлена «сфера более высокая и чистая»[64].

Хотя это могло показаться счастливой случайностью, заветная вершина выглянула из-за облаков вовсе не по прихоти ветров. Напротив, такое событие, как писал Пьяцци Смит, было «предопределено» существованием «линии разграничения между облаками над морем и над сушей». Хотя природа этой границы была не вполне ясна, сама она являлась постоянной и даже в известной степени знаменитой особенностью местного пейзажа. Великий немецкий исследователь Александр фон Гумбольдт, прибывший на остров в 1799 г., в самом начале своего легендарного пятилетнего путешествия в Южную Америку, обратил внимание на это любопытное явление – расходящиеся облака, открывающие вершину[65]. Чарльз Дарвин, посетивший остров в январе 1832 г. на корабле «Бигль», также перед отплытием в Южную Америку, стал свидетелем того же метеорологического феномена. «На следующее утро мы видели, как солнце, показавшись из-за причудливых скал острова Гран-Канария, вдруг озарило Тенерифский пик, между тем как лежащая ниже часть острова была скрыта облаками», – писал он в «Путешествии натуралиста»[66].

В своем рассказе о путешествии на Тенерифе, куда исследователь отправился, чтобы изучить возможности астрономических наблюдений в высокогорье, Пьяцци Смит упомянул о существовании научного объяснения таких четко очерченных границ облаков, после чего заметил, что в тот момент, когда он увидел пик, «воздействие на чувства было такой силы, что нашлось бы мало людей, первой мыслью которых было бы найти этому явлению физическое обоснование». Возможно, облака и их движение воздействуют больше на чувства, чем на разум, предположил Пьяцци Смит. Или же есть люди, для которых научные объяснения важнее чувств? Размышляя над этим вопросом, он пришел к выводу, что изумление и благоговейный восторг всегда предшествуют научному пониманию, хотя, как следует из его повествования, сам Пьяцци был, прежде всего, ученым и только потом – восхищенным зрителем.

Тот факт, что облака, наиболее заметное и изменчивое погодное явление, могут вызывать столь сильные эмоции, был для Пьяцци Смита само собой разумеющимся. В первые десятилетия XIX в. английский художник Джон Констебл отвел небу – прежде служившему лишь фоном – новую роль «ключевой составляющей» пейзажной живописи, так как оно «создает определенное настроение и является источником разнообразных человеческих чувств»[67]. Под небом он подразумевал облака. В своих картинах и замечательной серии эскизов Констебл превратил их в важнейший изобразительный инструмент эмоционального воздействия. При этом художник не считал, что в искусстве нет места науке. Напротив, он использовал научные знания для достижения эмоциональной правдивости. Констебл полагал, что «художественное» качество его работ в значительной степени заключается в подлинности вызываемых ими эмоций. Создают ли они у зрителя ощущение, будто он стоит среди поля, наблюдая за разворачивающейся перед ним сценой? Если научный подход помогает усилить эмоциональное воздействие картины, значит, он должен стать неотъемлемой частью живописи.

Превосходный пейзажист, Констебл научился «видеть» облака благодаря не только собственной наблюдательности, но и научным изысканиям британского метеоролога-любителя Люка Говарда. В 1803 г. тот впервые представил классификацию облаков, и это дало новые возможности для отображения их эфемерной реальности в живописи и литературе. Констебл и другие художники были вдохновлены работой Говарда, считая, что научное понимание природы облаков может сделать субъективное переживание более убедительным. Научное же сообщество интересовало другое: Говард не только упорядочил то, что ранее казалось бесконечно изменчивым и хаотичным явлением, не поддающимся систематизации, но и описал превращение одних типов облаков в другие. Его изначально привлекало изучение их изменения, а не фиксированных форм. Какую роль в научных изысканиях Говарда играли чувства, неизвестно. Но ясно было, что одно от другого отделить трудно. Облака вызывали такой интерес именно потому, что стирали границу между объективным и субъективным, наукой и искусством, фактами и чувствами.

[58] О Тиндале и Магнусе см.: Jackson, Tyndall, 166–168.

[59] John Tyndall, «On the Relation of Radiant Heat to Aqueous Vapour,» Philosophical Transactions of the Royal Society of London 153 (1863): 1–12, at 10.

[60] A. S. Eve and C. H. Creasey, Life and Work of John Tyndall (London: Macmillan, 1945).

[61] Tyndall, Glaciers, 205.

[62] Ibid., 206.

[63] Ibid., 205.

[64] Charles Piazzi Smyth, Teneriffe, An Astronomer's Experiment, Or, Specialties of a Residence Above the Clouds (London: Lovell Reeve, 1858).

[65] Alexander von Humboldt and Aimé Bonpland, Personal Narrative of Travels to the Equinoctial Regions of the New Continent During the Years 17991804 (London: Longman Hurst, 1814), 110.

[66] Дарвин Ч. Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль». – М.: Терра-Кн. клуб, 2009.

[67] Цит. в: Kurt Badt, John Constable's Clouds (London: Routledge and Kegan Paul, 1950), 55.