Гипотезу отстаивают Хенрик Свенсмарк из Датского национального космического института и Джаспер Кёркби из Европейского центра ядерных исследований (CERN). Именно они время от времени помешивают кипящую кашу, не давая гипотезе сойти со сцены.
Архип Куинджи. «После грозы» (1879).
На ускорителе частиц в CERN г-н Кёркби организовал эксперимент с говорящим названием CLOUD для проверки механизмов, ответственных за космическую гипотезу. Энергичные частицы из ускорителя направляются в камеру, находящуюся под пристальным наблюдением, где измеряются любые мельчайшие частицы. Многие из них (например, сажа или морская соль) способны образовывать ядра конденсации, но около половины облаков конденсируется на каплях серной кислоты.
Первые результаты подтвердили, что экспериментальные «космические лучи» действительно способствуют образованию частиц, хотя тем, которым удалось сформироваться, предстоит впоследствии вырасти намного больше, прежде чем они смогут выступить в роли ядер конденсации. Но были и сюрпризы. Во-первых, скорость, с которой образовывались частицы, оказалась значительно ниже наблюдаемой в атмосфере. Во-вторых, несмотря на все попытки предотвратить попадание в камеру Вильсона посторонних частиц, соединения азота проникли почти во все частицы.
В дальнейшем учёные уже намеренно добавили простые азотсодержащие органические соединения (амины) в камеру. Считалось, что амины действительно играют роль в формировании этих частиц, но не было известно, какую. Серная кислота в частицах становится результатом реакции диоксида серы, гидроксида и воды в атмосфере. Чтобы эти сгустки серной кислоты могли вырасти, должен появиться волшебный помощник, который удержит молекулы воедино, то есть не позволит им вернуться в газовую фазу. Хорошо известно, что в таких случаях на помощь приходит аммиак, но эксперимент показал, что ту же роль способны выполнять и амины.
Добавление лишь нескольких частей аминов на триллион (такую концентрацию вы найдёте в атмосфере) повысило скорость образования частиц в камере Вильсона в тысячу раз по сравнению с данными предыдущих экспериментов. Именно такую скорость мы наблюдаем в атмосфере.
Около половины аминов в атмосфере — результат природных (не антропогенных) процессов, а остальное — продукт животноводства. Поскольку концентрация меняется с течением времени или от места к месту, амины могут отчасти объяснить вариативность формирования облаков. Возможно, при отсутствии аминов ту же роль играют другие соединения.
Исследователи отмечают, что один из методов, предложенных для удаления СО2 из промышленных выбросов, основан на использовании аминов, что позволит увеличить их количество в атмосфере. Разумеется, прежде надо выяснить, какое воздействие этот метод окажет на облака.
Но вернёмся к космическим лучам, ведь на самом деле всё затевалось ради них, а не аминов. Так вот: они разочаровали. Когда в камере присутствовало увеличенное количество амина, никаких видимых различий в скорости образования частиц в присутствии или без экспериментальных космических лучей не наблюдалось. Ионизация некоторых молекул влияла на ситуацию только в том случае, когда образовывалось очень мало частиц.
По словам г-на Кёркби, проведённые измерения оставляют открытой возможность образования аэрозолей в атмосфере с участием других газов, на которые космические лучи могут оказывать иное влияние. Однако, поскольку серная кислота остаётся главным игроком на этом поле, возможности воздействия космических лучей на земной климат заметно ограничены.
Джеффри Пирс из Университета штата Колорадо (США), который тоже изучал гипотезу космических лучей, считает полученные результаты интересными: «В присутствии аминов влияние космических лучей на формирование частиц снижается. В более ранних исследованиях, проведённых моей и другими группами, обнаружилось, что, даже если космические лучи вносят серьёзные поправки в скорость нуклеации (например, когда 10-процентное изменение интенсивности космических лучей приводит к 10-процентному изменению скорости нуклеации), изменение скорости образования облачных ядер конденсации очень невелико (менее 1%)».
«Конечно, — добавляет г-н Пирс, — во всех предыдущих штудиях мы исходили из того, что космические лучи не оказывают влияния на количество конденсирующегося материала (например, паров серной кислоты)».
Последнее на сегодня исследование г-на Свенсмарка говорит о том, что такое допущение неверно. Его эксперимент называется SKY2. В отличие от коллеги, он не обрабатывает диффузионную камеру частицами из ускорителя, а полагается на те космические лучи, которые пронизывают здание института естественным образом. Для ускорения процесса, впрочем, применяется радиоактивный цезий.
Г-н Свенсмарк и его коллеги добавили в камеру водяной пар, озон и диоксид серы. Ультрафиолетовое излучение привело к образованию серной кислоты. Число и размер получившихся в результате частиц были измерены. Спрашивается, повлияло ли изменение количества ионизирующего излучения на размер частиц?
При добавлении цезия (когда положение дел менялось намного сильнее, чем это происходит в природе) выросло количество частиц всех размеров. Аналогичного эффекта исследователи попытались добиться с помощью устройства, которое вызывает создание в камере мелкодисперсного тумана из серной кислоты, однако таким образом удалось повысить количество только мелких частиц, но не крупных.
Учёные полагают, что ионизирующее излучение, возможно, способствует увеличению парообразования серной кислоты, окружающей частицы. Если вы создаёте более мелкие частицы, снижая количество пара, частицам всё труднее расти, ибо у них меньше «пищи». Наверное, космические лучи увеличивают производство серной кислоты из диоксида серы, то есть связь между космическими лучами и облаками действительно существует, но она совсем не та, которую предполагали.
Хотя утверждение о том, что флуктуации космических лучей несут ответственность за важнейшие изменения климата, до сих пор не доказано (недавние исследования не обнаружили корреляции между входящими космическими лучами и облачностью последних десятилетий), далеко не всё ясно. Даже если космические лучи сами по себе окажутся на вторых ролях, работы вроде тех, которые проводит проект CLOUD, помогают лучше понять физические и химические основы образования облаков.
Результаты исследования опубликованы в журналах Nature и Physics Letters A.
Подготовлено по материалам Ars Technica.