Сара Драй - Воды мира. Как были разгаданы тайны океанов, атмосферы, ледников и климата нашей планеты

В одну из суббот июня 1952 г. Вилли Дансгор вышел во двор своего дома в центре Копенгагена, поставил на землю бутылку из-под пива и вставил в ее горлышко воронку. Массивный грозовой фронт, протянувшийся на тысячу километров до самого Уэльса, обрушил на датскую столицу обильные затяжные дожди [320] Многие биографические сведения о Дансгоре взяты из его мемуаров: Willi Dansgaard, Frozen Annals: Greenland Ice Cap Research ( Odder, Denmark: Narayana Press, 2004). . Через пару часов Дансгор снова вышел во двор, взял почти полную бутылку, перелил содержимое в небольшую емкость, запечатал ее и опять поставил пустую бутылку на газон. После этого вернулся в дом, написал на емкости дату и время – как это делает любой метеоролог, собирающий дождевую воду, – и поставил ее рядом с другими такими же емкостями на кухонный стол.

Он собирал дождевую воду на протяжении всех выходных, просыпаясь для этого даже среди ночи. Дождь, принесенный обширным теплым фронтом, за которым следовал резко очерченный холодный фронт, все не прекращался. В конце концов у Дансгора закончились специальные емкости, и он принялся собирать воду в кувшины и горшки. Рано утром в понедельник Дансгор погрузил свою коллекцию в автомобиль и осторожно повез в лабораторию.

Там его ждал масс-спектрометр – прибор, позволявший превратить этот сбор дождевой воды в нечто более важное, нежели упражнение в любительском наблюдении за погодой. Это был любимый инструмент Дансгора с тех пор, как он вернулся в Копенгаген из Гренландии. Проведя на острове несколько лет, Дансгор влюбился в его суровую красоту и ледяные просторы, но ему предложили хорошо оплачиваемую исследовательскую должность в Копенгагенском университете, от которой он не смог отказаться. Его задача заключалась в том, чтобы с помощью масс-спектрометра изучить возможности использования так называемых стабильных изотопов для медицинских и биологических целей. Радий и родственные ему нестабильные элементы вот уже почти полвека использовались для лечения рака, помогая разрушать больные клетки и отслеживать развитие опухоли, но при этом они также повреждали здоровые ткани организма. Дансгору нужно было выяснить, можно ли применять в лучевой терапии более устойчивые нерадиоактивные изотопы кислорода и азота, которые не имели таких опасных побочных эффектов.

Его исследования возможностей медицинского применения стабильных изотопов не увенчались успехом, однако благодаря этой работе в распоряжении ученого оказался замечательный прибор, который он мог использовать – до известной степени – по своему усмотрению. Дансгор знал, что в дождевой воде кислород присутствует в виде нескольких изотопов – разновидностей элемента, отличающихся количеством нейтронов в ядре: более легкого и энергетически активного 0O и его более тяжелых собратьев 0O и 0O. Изотоп 0O – самый распространенный среди них: образуемый в недрах звезд в конце термоядерного синтеза гелия, он составляет более 99,7 % всех молекул кислорода в земной атмосфере. На каждую молекулу 0O приходится около 300 молекул 0O. Разница в несколько нейтронов между изотопами не влияет на их химические свойства, однако дает им разную массу.

Благодаря этому масс-спектрометр позволяет с относительной легкостью разделить почти неразличимые изотопы и обнаружить даже те из них, что присутствуют в минимальных количествах. Именно это и требовалось Дансгору. Известно, что вода испаряется при более высоких температурах и конденсируется при более низких. Одной из форм этой конденсации является дождь. Дансгор также знал, что для более тяжелого -0О вероятность конденсации примерно на 10 % выше, чем для 0О. И наоборот, для более легкого 0О вероятность испарения на 10 % выше, чем для 0О. Дожди выпадают из атмосферных фронтов, где чередуются массы теплого и холодного воздуха. Когда исследователь сопоставил эти две идеи, ему пришла в голову мысль: что, если дождевая вода имеет характерный изотопный состав, подобный отпечатку пальца? Может ли этот изотопный состав меняться от дождя к дождю или даже в ходе одного дождя?

Бутыли, позвякивавшие в его автомобиле, содержали в себе моментальные «снимки» изотопного профиля дождя, только что пролившегося на Копенгаген несколькими сантиметрами осадков. Исследовав эти образцы с помощью масс-спектрометра, Дансгор получил удивительные результаты: он будто поднес стетоскоп к сердцу ливня и услышал его биение – пульсацию изотопного состава кислорода. Доля 0О в собранной в им дождевой воде возрастала по мере того, как теплый фронт проходил над Копенгагеном и все больше «тяжелой» воды конденсировалось в виде дождя [321] Willi Dansgaard, "The Abundance of 18 O in Atmospheric Water and Water Vapour," Tellus 5 (1953): 461–469. .

Это был ключ к тайне дождя, и, чтобы раскрыть ее, требовалось измерить меняющийся температурный профиль дождя, зафиксированный в изотопной прогрессии. Дансгор понял, что ему нужно попасть внутрь облака. Только так можно узнать, что происходит в его центре, на верхней границе и на нижней и как это соотносится одно с другим. Он предполагал, что кучевые облака могут действовать как гигантские небесные конденсаторы, разделяя водяной пар и направляя более теплый воздух, насыщенный молекулами воды с 0О, вверх, где те в конце концов снова испаряются, а более холодный воздух, насыщенный молекулами воды с 0О, – вниз.

Приятель, имевший связи в Королевских ВВС Дании, помог Дансгору договориться насчет самолета. Его жена Инге заявила, что не хочет остаться молодой вдовой, и настояла на том, чтобы полететь вместе с ним. Они залетели внутрь кучевого облака и с помощью холодных ловушек с сухим льдом постарались собрать капли воды, подвешенные в мощных воздушных потоках на разных высотах. Эти образцы были слишком малы для количественных измерений, но результаты изотопного анализа подтвердили гипотезу Дансгора. Теперь ему требовалось получить более весомые образцы, которые послужили бы и более весомым доказательством. В представлении Дансгора погода была трехмерным явлением: не просто выпадавшими на землю осадками или температурами, измерявшимися в определенных точках, а движущимися массами газа и жидкостей, облаками, заполняющими пространство подобно актерам на сцене. Облака имели форму, глубину, плотность. Они постоянно двигались и менялись. И они были полны стабильных изотопов кислорода.

Весь круговорот воды становился объектом его исследования. За что взяться дальше? Внимание Дансгора привлекли реки, по которым можно было судить о средних уровнях осадков, выпадавших на значительных отрезках времени и пространства. Что изотопный состав рек мог сказать о средней температуре того обширного региона, в котором они собирали свои воды? И что эти средние температуры могли сказать о климате в целом? Протестировав идею изотопного термометра на одном дождевом облаке, ученый искал способ измерить с помощью нового инструмента всю Землю. Но для этого Дансгору требовалась глобальная сеть сбора образцов воды. И вновь ему помог приятель, имевший хорошие связи в Восточно-Азиатской компании – крупнейшей датской торговой компании с филиалами по всему миру. Вскоре Дансгор стал обладателем огромной коллекции бутылок с тщательно собранными и закупоренными образцами осадков, взятыми в разных точках земного шара – от тропиков до Арктического региона.