Когда в выходной день небо затянуто тучами и льет холодный дождь, ставящий крест на чудесных планах, многие из нас мечтают о возможности просто «выключить» осадки, как воду из крана. Ну, а для сельского хозяйства возможность «призвать» живительную влагу засушливым летом или отогнать портящий посевы град и вовсе была бы настоящим благом. Люди издавна мечтали о возможности «заказывать» нужную погоду. Наши предки жгли ритуальные костры на Масленицу, Белтайн или Ивана Купалу, вымаливая нужную погоду у богов. Но и теперь, вооруженные современной наукой, далеко ли мы ушли от них? Существует ли возможность управлять стихийными явлениями?
От чего дует ветер?
Легкий ветерок, приятно освежающий в жару, порой сменяется сильнейшим ураганом, вырывающим деревья с корнем. Почему так случается?
Воздушные потоки на нашей планете рождаются благодаря Солнцу. Светит оно, конечно, одинаково для всех, но сквозь высокие слои атмосферы его лучи проходят свободно, оставляя пласты холодного воздуха, постепенно опускающиеся вниз. А ближе к земле, где дополнительный прогрев воздуха обеспечивает согретая лучами светила почва и вода, уже легкие теплые массы устремляются ввысь. Эти процессы подчинены строгим физическим законам, однако они настолько сложны, что непосвященному кажутся настоящим хаосом. Прогрев происходит неравномерно – например, над теплым морем ночью воздушные массы поднимаются быстрее, а так как природа не терпит пустоты, на их место стремительным ветром несутся более холодные с другой стороны. Гигантские воронки раскручиваются в вихри, циклоны и антициклоны.
Управлять всей этой мощью человечество желало издревле. Но пока что даже до конца понимать и предсказывать рождение урагана или торнадо со стопроцентной вероятностью ученые так и не научились. А уж о том, чтобы эффективно остановить ветер, приносящий дождевые и градовые тучи, даже современная наука только мечтает. Хотя раз известна причина их возникновения, то почему бы не попробовать?
Разнообразные проекты «тучеразгонителей» появились еще в начале прошлого века. Но предлагаемые гигантские вентиляторы на паровой тяге уже тогда казались ученым бесперспективными. А вот идея попробовать вызвать ветер, приносящий облака, манипулируя нагревом атмосферы и, соответственно, восходящими потоками воздуха, была весьма заманчивой.
Первыми, кто рискнул опробовать эту технологию, оказались французы. В 1954 году в окрестностях города Ланнемезан на поля было вывезено множество бочек с дизельным топливом и соломой. Их расставили на большой площади и подожгли. Образованные такими гигантскими кострами потоки раскаленного воздуха устремились вверх, создав, как и предполагали ученые, искусственную зону пониженного давления – рукотворный циклон, который повел себя так же, как его природный собрат. Над Ланнемезаном, несмотря на солнечную, не предвещавшую никаких осадков погоду, быстро начали сгущаться темные тучи. В те времена еще далеко не так заботились об экологии как сейчас (в наши дни никто не позволил бы проводить подобный эксперимент), и чтобы проследить поведение «своих» облаков, в них распылили аммиак. И анализ осадков в округе показал, что рукотворные тучи, как и естественные, подчинялись всем положенным метеорологическим законам – в предсказанное время, в положенном месте они пролились на землю дождем. Это была настоящая сенсация: управление погодой действительно стало реальностью. А уже в 1961 году Анри Дессен сделал готовое устройство, работавшее по такому же принципу – создававшее мощный поток теплого воздуха, направленного вверх. Сотня форсунок на жидком топливе выдавала тепловую мощность в 700 тыс. киловатт – такой никакими кострами не достичь, да и мобильность системы куда больше, чем у бочек с горючим. Это устройство изобретатель назвал «Метеотрон».
Строго говоря, ни ученые из Ланнемезана, ни Анри Дессен отнюдь не являются первооткрывателями способа создания циклона с помощью прогрева воздуха. Этой технологией давно и успешно пользуются в Африке аборигены из долины Конго. Когда засуха начинает угрожать будущим урожаям (которые напрямую зависят от разливов реки), они в ответ угрожают небу, устраивая гигантские пожары. Сколько киловатт энергии уходит в атмосферу, ученые подсчитать не смогли, но во влажном климате тропиков этого вполне достаточно, чтобы «приманить» дождевые тучи.
Эксперименты такого рода проводились во второй половине ХХ века во всех странах, и СССР, как достаточно богатая и обладающая развитой наукой держава, тоже не остался в стороне. Проблема недостатка влаги достаточно остро вставала для многих регионов. Особенно остро она ощущалась в Армении. Единственный крупный источник воды – высокогорное озеро Севан – стремительно мельчало. Оно пало жертвой попыток «улучшения» климата, проводившихся здесь еще с 30-х годов прошлого века. Отвод воды для нужд сельского хозяйства, углубление русла вытекающей из озера реки Раздан, чтобы поставить на ней электростанцию, наполеоновские планы по освоению осушаемых земель – все это вылилось в принудительное снижение уровня воды на 13,7 м. Уже к 1950 году экологи забили тревогу – и проект был пересмотрен. Осушенные земли оказались неплодородными, появились более современные и эффективные модели гидроэлектростанций, а Севан все еще оставался единственным резервным источником пресной воды в целой республике. И он быстро оскудевал. К тому же количество органических веществ по сравнению с 1930-ми годами возросло в 7 раз, и озеро начало цвести. Тогда и был предложен довольно амбициозный проект – чтобы ускорить восстановление уровня воды, решили не только демонтировать дренажные системы, но и искусственно увеличить количество выпадающих в этом регионе осадков (и без того немалое). Обратившись к изобретению Анри Дессена, советские ученые превзошли его и создали «Суперметеотрон». Титаническое сооружение состояло из 6 реактивных двигателей, снятых с отслуживший свой срок самолетов Ту-104, размешенных на бетонных опорах по краям огромного шестиугольника. Сопла были направлены так, чтобы реактивные струи сходились в одной точке под углом строго 90 градусов друг к другу и попадали в 10-метровую форсажную башню. Расчетная мощность составляла 1 млн. 127 тыс. кВт, которые раскаляли до 1100 °C поток газа, вырывающийся в небо со скоростью в 570 м/с!
В наше время повторять такие проекты уже никто не решится, так как количество выбросов в атмосферу получается колоссальное, и еще неизвестно, что оказалось бы для озера хуже. Да и сжигание тысяч тонн далеко не дешевого авиационного горючего – не самый лучший способ решения подобных вопросов. Зато человек в очередной раз доказал – именно он хозяин природы.
Цифры расходуемой «Метеотроном» энергии действительно впечатляющие. Между тем, это лишь капля в море по сравнению с тем количеством тепла, что воздействует на атмосферу в естественных условиях. По расчетам академика Е.К. Федорова, энергия, затрачиваемая природой на создание кучево-дождевого облака средних размеров, эквивалентна взрыву атомной бомбы! «Суперметеотрон» же смог всего лишь дать начальный импульс, прогревая самые нижние слои воздуха и «проталкивая» его вверх. А дальше уже весь процесс шел самостоятельно, за счет потенциальной энергии «дремлющих» в состоянии шаткого равновесия воздушных масс.
Из чего состоят облака?
Основные «творцы» погоды – это ветер и облака.
То, что облака являются скоплениями водяного пара, нам известно еще из школьного курса физики. Но почему в одних случаях они мирно проплывают мимо, оставляя иссохшую землю без капли дождя, а в других – проливаются обильными ливнями, смывая плодородную почву и затапливая целые районы, а то и вовсе обрушиваются на будущий урожай губительными горошинами града?
Солнце нагревает нашу планету, испаряя с поверхности рек, озер, болот, морей и океанов миллионы тонн воды. Вместе с теплыми восходящими потоками вся эта влага уходит на высоту нескольких километров, где царит вечный холод. Казалось бы, по всем законам физики она должна превратиться в капли или лед и пролиться дождем или снегом обратно на землю. Но все далеко не так просто, как кажется на первый взгляд. Да, пар действительно конденсируется в капли, вот только мощные струи воздуха дробят их на частички диаметром в десятки раз меньше толщины человеческого волоса. И эти микроскопические шарики, хоть и состоят уже не из пара, а из жидкости, обладают совершенно иными физическими свойствами, чем та же вода в больших объемах. При таких крошечных размерах сила поверхностного натяжения каждой такой микрокапли начинает играть огромную роль – и объединяться в обычные капли, чтобы выпасть на землю, вода просто отказывается. Для того чтобы это произошло, необходимы «ядра», вокруг которых конденсировались бы микрокапли. Обычно ими становятся уже замерзшие частички – ведь там, в облаках, практически всегда царят холода. Но и тут есть небольшая загвоздка, долго не дававшая покоя ученым. Так, если нуля градусов по Цельсию вполне достаточно для замерзания лужи, а при –15 С коркой льда покрываются даже реки, крошечные капельки остаются жидкими при гораздо меньших температурах – порой до –30 С и даже ниже! Так что «стерильные» облака (в том числе и искусственные, получаемые в лабораториях) способны блуждать практически бесконечно, не обращая внимания на холода. Как же заставить облако пролиться дождем?
Первые эксперименты были направлены именно на замораживание частиц воды в облаках: раз уж аэрозольная взвесь настолько устойчива к низким температурам, почему бы не попробовать ее охладить до сверхнизких? В дело пошел сухой лед. Замороженный до твердого состояния углекислый газ имеет температуру ниже –78,5 С, и уж он-то должен справиться! Расчеты оказались совершенно верными. При попадании в облако мелких холодных частиц микрокапли действительно стали замерзать, слипаться и собираться в различного размера кристаллы. Но полученным эффектом ученые оказались категорически не довольны: такая технология годилась разве что для того, чтобы «разрядить» неугодную тучу. Предсказать же точно, что из нее пойдет – благодатный дождь или смертоносный для посевов град, – оказалось весьма затруднительно. К тому же обработка облаков была возможна исключительно с помощью авиации – доставить капризный сухой лед на высоту другими способами просто невозможно.
Ученые стали выяснять, что же еще заставляет микрокапли собираться в более крупные образования и превращаться в дождь, снег или град. Оказалось, что такими «ядрами» могут служить и мельчайшие частицы пыли, гари или пепла. Они поднимаются на огромную высоту с восходящими потоками воздуха. Доктор физико-математических наук Горбунов в своей статье «Метеотрон – машина погоды» недаром очень образно сравнил облака с гигантскими пылесосами. Это вполне естественный механизм, которым природа защищает сама себя. Стоит разгореться действительно серьезному пожару, как привлеченные разогретым воздухом тучи соберутся над очагом, а гарь и пепел вынудят их пролиться дождем. И этот механизм срабатывает не только во время сугубо естественных катастроф (вроде того же извержения вулкана, погубившего Помпеи). Так, хорошо известен случай, произошедший в Японии в 1274 году, когда монгольский хан Хубилай попытался высадить первый морской десант на одном из островов архипелага. Когда у монгольских «морских пехотинцев» закончился запас стрел, захватчикам пришлось отступить. Но перед тем как покинуть остров, они подожгли все окрестные деревни и храмы. Однако грандиозный пожар не успел нанести никакого существенного урона: тут же сгустились тучи, поднялся ветер, и горящие постройки залило хлынувшим с небес дождем. Для отступавших монголов последствия его оказались и вовсе печальными – обрушившаяся на них буря потопила все корабли. Самураи восприняли это как божественное вмешательство, защитившее их родину – на деле же войска Хубилая сами оказались повинны в своей гибели. Да и позднее, во время Второй мировой войны, когда 27 июля 1943 года в полночь американские самолеты, сбросив на Гамбург несколько тысяч тонн фугасных и зажигательных бомб, вызвали грандиозный пожар. Несмотря на совершенно сухую, устойчивую погоду, нагретый воздух образовал над городом гигантский восходящий вихревой столб, который даже вырывал из земли деревья. А через несколько минут над Гамбургом образовалось громадное дождевое облако и хлынул сильнейший ливень (который, правда, так и не смог справиться с современными зажигательными средствами).
Но такой природный катализатор, как частицы гари, к сожалению, еще менее пригоден для регуляции погоды, чем сухой лед. Для быстрого реагирования на уже существующие погодные условия он не годится. Хотя его действенность в естественных условиях подтверждается ежегодно и повсеместно – например, недавние большие лесные пожары в Испании и Франции тоже сопровождались проливными дождями, которые, в итоге, существенно способствовали усилиям интернациональных пожарных бригад в борьбе с огнем.
Серебряные дожди
Но для того чтобы выпадение осадков можно было по-настоящему эффективно контролировать, в дело должна была вступить химия. Еще в 1949 году доктор метеорологических наук Бернард Воннегут нашел то самое вещество, которое до сих пор остается основным «регулятором» дождей – иодид серебра. Микроскопические (намного меньше даже тех самых микрокапель, из которых состоит облако) частички оказались замечательным катализатором!
Дальнейшие исследования доктора Воннегута и вовсе совершили переворот в метеорологии. В своей экспедиции в Пуэрто-Рико в 1949 году он провел ряд исследований с облаками, имевшими температуру выше нуля. И сумел доказать, что образование капель вполне возможно даже минуя стадию снега (до этого считалось, что вначале в любом случае образуются микрокристаллики льда, которые после тают и превращаются в дождь).
Это была настоящая сенсация! Иодид серебра открыл огромные возможности в регулировке погоды. Во-первых, он инициировал реакцию в облаках при относительно высоких температурах, заставляя дождь выпадать в нужное время и в нужном месте. Во-вторых, дальнейшие исследования в различных странах позволили разработать методики настоящей манипуляции дождевыми и градовыми тучами. В зависимости от типа облака и необходимого эффекта простой расчет необходимой дозы и подбор способа введения одного и того же реагента позволял или заставить градовую тучу превратиться в дождевую, или дождевую пролиться там, где необходимо.
Россия, США, Аргентина, Франция, Германия, ЮАР, Испания и многие другие страны активно проводят мероприятия по управлению погодой. Особо ценной оказалась разработанная в СССР методика борьбы с градом. Введенный в переохлажденную часть градовой тучи иодид серебра вызывает моментальное образование совсем мелких градин, которые просто тают, не долетая до земли, и не оставляет времени на формирование крупных частиц льда, способных повредить сельскому хозяйству.
Еще одним неоспоримым плюсом является огромный выбор способов доставки реагента к облаку. Его можно распылять с помощью специальных генераторов с самолетов, как это происходит в Европе и США. Можно отправлять в небо с помощью ракет (именно так Китай обеспечил солнечную погоду во время олимпиады в Пекине, пришедшейся на дождливый сезон). А в Армении, Грузии и на Кавказе еще с советских времен на защите виноградников стояли противоградовые батареи из отслуживших свой срок зенитных пушек со специальными снарядами. К сожалению, и военные нашли применение этому чудесному веществу – именно им США в ходе операции «Шпинат» засеивало облака над «Тропой Хо Ши Мина» во время вьетнамской войны, надеясь в буквальном смысле смыть противника с лица земли.
Но даже такой чудесный реагент, как иодид серебра, не лишен недостатков. Во-первых, он достаточно дорогой. И хотя на одну обработку расходуется всего от 10 до 50 г вещества, в масштабах планеты набегают уже целые тонны. Во-вторых, это вещество довольно токсично, что весьма не нравится экологам. Так что, несмотря на все достоинства такого метода управления погодой, используется он только в самых крайних случаях, а ученые активно ищут ему замену.
Стрельба по облакам
Одной из альтернатив вполне может стать звук. Какими бы смешными и нелепыми ни казались нам призывы грозовых ливней с помощью боя в тамтамы или стрельбы из пушек, рациональное зерно в таком методе действительно есть. Мельчайший аэрозоль облаков настолько нестабилен, что заставить его пролиться дождем можно, в том числе, с помощью сильных колебаний воздуха. Патенты на акустические пушки получены во многих странах, в том числе и в России. Еще в 1960–70 годы были проведены испытания противоградовой пушки. Для начала опыты провели в лабораторных условиях с искусственным туманом в камере объемом 500 м3. В качестве источника звука использовали низкочастотный звуковой генератор высокой мощности, и через рупорное устройство направили звуковые волны в камеру. Результат оказался весьма обнадеживающим – колебания с частотой 170–200 герц действительно вызывали снижение плотности тумана в 20–30 раз и смогли изменить его микроструктуру.
После первого же успешного опыта ученые перешли к экспериментам на открытом воздухе. В специальную камеру сгорания подавали газообразную горючую смесь и поджигали электрическим запалом, совершая этакий своеобразный холостой выстрел. Мощная ударная волна со сверхзвуковой скоростью устремлялась к облакам. Но, хотя результат и был положительным, как противоградовая установка акустическая пушка оказалась не особенно эффективной. Дело в том, что звуковая волна достаточно быстро теряет скорость, и ее воздействие ослабляется. Оптимальной дистанцией оказались 30–40 м, причем для этого необходима сила звука в 140–150 децибел (для сравнения: 140 децибел – это громкость взлетающего реактивного самолета). Зато эта технология может весьма неплохо зарекомендовать себя, например, в аэропортах. С ее помощью можно оперативно разогнать туман на летном поле.
Идею второго способа предложил опять-таки доктор Бернард Воннегут. Он еще в 1953 году выдвинул теорию о возможности образования крупных капель просто под воздействием атмосферного электричества. Хотя такое предположение и расходилось с общепринятыми в то время взглядами, на исследования в этой области денег не пожалели. И результат оказался положительным. Действительно, микрокапли с различным зарядом начинали объединяться, превращаясь в дождь, а с одинаковым – отталкивались друг от друга, предотвращая образование града. Дело оставалось за малым – найти способ изменения заряда облаков в естественных условиях, а не в лаборатории.
Наиболее многообещающим агрегатом в этой сфере выглядит лазер. Проходя через атмосферу, его лучи вызывают ионизацию воздуха, создавая из озона и оксидов азота, разбитых мощными импульсами в 3,5 тераватта, азотную кислоту. В столь мизерных количествах она совершенно безвредна для экологии и полностью реагирует с окружающими частицами – земли достигают лишь совершенно безопасные соли, да еще и в микроскопических дозах. Но за недолгое время своего существования кислота успевает выступить замечательным очагом концентрации микрокапель. Группе немецких и швейцарских ученых удалось добиться нужного эффекта в лабораторных условиях, а в прошлом году с помощью мобильной лазерной установки провести и испытания на открытом воздухе. Пока что результаты малоутешительные – удалось добиться только незначительного повышения влажности и легкой мороси. Причину этого изобретатели видят в недостаточной мощности лазера – все-таки подобные технологии у нас пока что развиты гораздо хуже, чем химия. Хотя их американские коллеги, также потерпевшие неудачу на полевых испытаниях, предложили несколько усовершенствованный метод. Чтобы основной луч не так рассеивался и терял мощность в атмосфере, ученые Университета центральной Флориды и Университета Аризоны пытаются заключить его в луч меньшей интенсивности, что обещает в перспективе более низкие энергетические затраты. На данный проект в США уже выделено 7,5 млн. долларов.
Дело в том, что использование лазеров, как минимум, позволит сэкономить на дорогостоящих реагентах и средствах их доставки (что, несомненно, делает этот метод более привлекательным с экологической точки зрения). И даже больше: лабораторные испытания показали, что направленная ионизация различных слоев облаков способна вызвать и совершенно противоположный эффект – вместо выпадения осадков, тучи могут «высохнуть». А это уже действительно почти полный контроль – повернул вентиль, прибавил мощности и получил дождь, а когда надо – повернул в другую сторону, и снова засияло солнышко.
И эта фантастическая картина уже не за горами. Но хочется верить, что прежде чем управление погодой станет доступным и контролируемым процессом, ученые просчитают последствия своих экспериментов на случай, если несколько разных «пользователей» будут тянуть тучу-одеяло на себя.
