Вулканы извергают клубы пепла, который довольно быстро оседает на землю, сернистый газ, порождающий крохотные капли серной кислоты, а также другие «точки». Большая часть серы, выброшенной вулканами, стремительно уходит в стратосферу и некоторое время остается выше того уровня, где обычно происходит образование облаков, но вскоре движение серосодержащих молекул замедляется, и они начинают опускаться, распространяясь по всему миру. Страшный красный закат на картине «Крик» Эдварда Мунка был откликом художника на извержение вулкана Кракатау. Это извержение произошло в Индонезии в 1883 году и было столь мощным, что вулканические выбросы достигли даже норвежского неба.
Большое вулканическое облако может охладить мир на несколько лет, так как пепел не пропускает солнечные лучи к поверхности и Солнце нагревает стратосферу. В 1991 году взорвался вулкан Пинатубо на Филиппинах. Исследования, проведенные с помощью лазеров, показали, что после извержения обратное рассеяние света от стратосферы увеличилось в сто раз. Уровень обратного рассеяния снижался очень медленно и вернулся к норме лишь в 1996 году. Ученые полагают, что количество серы, выброшенной тогда в стратосферу, составило около десяти миллионов тонн.
Океаны в этом отношении действуют как огромные безостановочные водяные вулканы. Они выделяют в нижние слои атмосферы большое количество серы в виде паров диметилсульфида — простого соединения из двух атомов углерода, шести атомов водорода и одного атома серы. Испускание серы морской водой в открытом океане, вдали от берегов, впервые обнаружил английский химик Джеймс Лавлок в начале 1970-х. На самом деле источник серы — не вода, а планктон, плавающий на поверхности моря, — микроорганизмы с экзотическими названиями вроде динофлагеллят и примнезиофитов. Зоопланктон кормится фитопланктоном, мембраны клеток микроорганизмов — протозоа и водорослей — при этом разрушаются, на клетки набрасываются бактерии, которые разлагают их содержимое, и высвобожденный диметилсульфид попадает в воздух.
Пары диметилсульфида обладают определенным ароматом — наше обоняние воспринимает его как запах морских водорослей, выкинутых волной на берег, или отваренных початков кукурузы. Для многих птиц, живущих далеко от земли, например, для качурок, запах диметилсульфида означает возможность подкрепиться. Стоит им почуять его, и они устремляются по ароматному следу к самым богатым пищей местам. Запах со временем слабеет, так как под воздействием солнечных лучей происходят химические реакции, превращающие диметилсульфид в капельки серной кислоты.
Похожий механизм действует при создании капелек азотной кислоты. В воздухе всегда много окислов азота. Они образуются либо во время грозы, когда молнии раскалывают небо, либо в процессе жизнедеятельности бактерий, обитающих в почве. Еще одно соединение, в которое входит азот, — это аммиак: конечный продукт некоторых обменных процессов в животных организмах. Аммиак с удовольствием объединяется с серной кислотой, чтобы произвести на свет крохотные капельки — говоря по-нашему, «точки» — сульфата аммония.
Если вас смутило разнообразие «точек», кружащих в воздухе, то вы просто спросите, какие из них наиболее эффективны и важны с точки зрения изменений климата. Пыль, поднимаемая ветром, безусловно, влияет на климат, так как не пропускает солнечный свет. Но ее частички слишком большие, чтобы стать ядрами облачной конденсации. Даже цветочная пыльца, включая тончайшую пыльцу красавицы-незабудки, великовата по размеру.
С другой стороны, в воздухе в изобилии присутствуют сверхмалые «точки» паров или газов, размером с наименьшую молекулу белка, то есть в несколько миллионных миллиметра. Они слишком крохотные и не могут участвовать в образовании облаков. Но если этим крохам удается скучковаться в более крупные «точки», размер которых составит около ста миллионных миллиметра (или 100 нанометров), — они станут идеальными ядрами облачной конденсации.
По всей планете капельки серной кислоты (для рождения которых требуется немного воды) — самый важный фактор образования облаков. В наши дни главный источник серы на всех континентах — сернистый ангидрид, образующийся в процессе промышленной деятельности человека — главным образом той деятельности, которая выражается в сжигании ископаемого топлива. Если учесть быстрый рост экономики в развивающихся странах, выбросы серы в атмосферу приближаются к отметке сто миллионов тонн в год. Однако выбросы сконцентрированы над промышленными районами, и, несмотря на то что ветер может разносить их на тысячи километров, этого явно недостаточно, чтобы «человеческий» сернистый ангидрид хоть как-то влиял на всю планету.
Над широкими просторами океанов, покрывающих больше половины планеты, образование облаков зависит в основном от серной кислоты, порождаемой диметилсульфидом. И хотя общее количество высвобождаемой океаном серы может быть вполовину меньше того, что выбрасывает в атмосферу человек, океанская сера участвует в формировании погоды на гораздо большей площади. Если вам нужно подобрать лучший в мире природный источник ядер облачной конденсации, то это, конечно, пахучие пары, выделяемые неприметными микроорганизмами пустынных морей.
Главный соперник серы как поставщика ядер облачной конденсации над океанами — это морская соль. Штормовые волны поднимают фонтаны тончайшей водяной пыли, особенно в зимнее время на «ревущих сороковых» и «неистовых пятидесятых»[50], и таким образом в воздухе оказываются крупинки хлорида натрия подходящего размера. Возможно, их не более десяти процентов от всего необходимого количества «точек», но они тоже могут побороться за доступный над океаном водяной пар во время «сборки» капелек серной кислоты.
Когда восходящие потоки в кучевых облаках несут капли воды вверх, в холодные области атмосферы, те замерзают, превращаясь в снежинки или градинки. С другой стороны, на больших высотах водяной пар может «перепрыгнуть» через жидкое состояние и сформировать ледяные кристаллы непосредственно, как это происходит в высотных многослойных перистых облаках. В каждом случае на сцену выходит свой набор «точек», играющих роль ледяных ядер, на которых кристаллизуется вода.
Льдообразующие ядра должны одурачить блуждающие молекулы воды, представив дело так, будто они уже оформились в полноценные кристаллы льда и подбирают себе новых рекрутов. Перебирая ядра кристаллизации льда, природа, кажется, отдает предпочтение микроскопическим частицам глинистого минерала каолинита. Когда люди вызывают искусственный дождь, они распыляют в воздухе йодистое серебро. Этот реагент побуждает холодные облака создавать ледяные кристаллы, выпадающие затем с большей готовностью, чем водяные капли. Вне зависимости от того, естественного происхождения они или созданы человеком, снежинки и градинки обычно тают по дороге к земле.
Рано или поздно ядра облачной конденсации — как бы они ни рождались — исчезают: либо их вымывают из воздуха дождь, град или снег, либо потоки, восходящие с высоких грозовых туч, выносят их в стратосферу, либо же сила тяготения медленно утаскивает эти ядра вниз, к поверхности земли. Их запас необходимо постоянно пополнять. Появившиеся в девяностые годы более совершенные детекторы, умеющие регистрировать сверхмалые «точки» размером всего лишь в несколько нанометров, позволили увидеть, как рождаются рои новых ядер конденсации — эти явления получили название нуклеационных взрывов.
В лесной лаборатории, расположенной в Хютияля неподалеку от Хельсинки, Маркку Кулмала и его коллеги постоянно следят за такими взрывами. Вот, например, одно наблюдение, сделанное весной. В течение всей ночи количество «точек» в воздухе неуклонно снижалось, но в 10 часов утра их число неожиданно начало расти. К полудню количество «точек» увеличилось почти в десять раз. Затем оно стало постепенно уменьшаться, зато сами «точки» продолжали увеличиваться в размерах. Этот процесс длился несколько часов. К заходу солнца количество «точек» опять начало снижаться.
