Иногда небеса кровоточат.
Кровавый дождь – явление, известное еще издревле. Например, в «Илиаде» рассказывается, как Зевс пролил кровь на поле битвы – либо в предзнаменование гибели своего сына Сарпедона, либо чтобы ввести греков в замешательство. Плиний писал о «дожде из плоти» над Италией в 461 году до н. э., а Плутарх описывал кровавый дождь, обрушившийся на Фидены, – это был плохой знак, за которым последовали чума и бесплодие[569]. Мало что поменялось. «КРОВАВЫЙ ДОЖДЬ пролился на Россию в результате аномального погодного явления и вызвал панику как от “библейской чумы”», – писал британский таблоид Daily Express в июле 2018 года о ливне ржавого цвета в Норильске[570]. Римский государственный деятель и философ Цицерон, человек прагматичный, возможно, первым поставил под сомнение мифологическую интерпретацию. Он заподозрил, что дождь краснеет из-за «смешения воды с определенными видами почвы»[571]. И разумеется, был прав.
Чаще всего все дело в пыли.
Стоит отметить, что по-настоящему кроваво-красный дождь случается довольно редко. Дождь в Норильске был именно таким – действительно жуть. Как утверждалось, российская горно-металлургическая компания «сделала уборку»: очистила от ржавчины крышу и полы цеха. А потом эту пыль подхватил и унес ветер.
Другие реально красные дожди (а их было немного: согласно одному исследованию, всего 168) связаны с водорослями Chlamydomonas nivalis. Это из-за них, как мы выяснили в прошлой главе, снег становится малиновым [572]. А явление, которое мы наблюдаем в Великобритании, объясняется тем, что песок из Сахары летит на север, а потом оседает, оставляя тонкую пленку на фонарях и припаркованных автомобилях. Осадок этот в лучшем случае желто-оранжевый. (Выглядит пугающе, зато закаты потрясающие.)
В 2020 году одна такая пыльная буря привлекла внимание мировой прессы. Ее окрестили «Годзиллой» за гигантские размеры и огромное количество пыли, которое она несла. Тогда всего за четыре июньских дня сильные ветры подхватили 24 млн тонн пыли и унесли ввысь на 5–6 километров. Там они столкнулись с огромными реактивными потоками, окружающими планету в средних широтах. Те унесли облако пыли через Атлантический океан на более чем 8 тыс. километров – в Карибский бассейн, Центральную Америку и некоторые южные районы США. Это был крупнейший пылевой шлейф за поколение[573]. Воздух от Пуэрто-Рико до Тринидада подернулся розоватой дымкой. Мониторы качества воздуха сигнализировали об угрозе. Людям велели оставаться дома, носить маски и использовать очистители воздуха при наличии.
Но, как ни странно, СМИ описывали шлейф «Годзиллы» как нечто чудесное, а не ужасное. В Daily Mail писали, что «пыль может усиливать закаты и подавлять развитие тропических штормов, да и вообще играет важную роль в нашей экосистеме», а на сайте Vox подробно рассказывали, как пыль удобряет Амазонию[574]. Несколько дней люди видели в пыли символ жизни, а не опустынивания и истощения окружающей среды. Такое же представление было у меня в начале 2016 года. Первое предложение в электронной рассылке, которая превратилась в эту книгу, выглядело так: «Пыль – часть метаболизма Земли».
Давайте же наконец рассмотрим пыль как агента в системах Земли, глубоко взаимосвязанных энергетических потоках и физических, химических и биологических процессах, которые делают нашу планету пригодной для обитания сложных форм жизни. Я утверждаю, что пыль столь же важна для функционирования нашей планеты, как вода, почва или лед. Проследовав за ней вокруг Земли и за ее пределы, мы увидим, что тоже неизбежно являемся частью земных систем.
Представление о Земле как о целостной системе со сложными взаимосвязями зародилось очень давно. В трактате «Тимей», написанном около 360 года до н. э., Платон представляет Вселенную как абсолютно точно живую и разумную, подобно организму, и в ней микрокосм и макрокосм фундаментально связаны между собой. В системах знаний коренных народов по всему свету обнаруживается такая же идея. В современной западной науке ее появление можно датировать 1807 годом. Тогда исследователь и ученый Александр фон Гумбольдт начал описывать свое видение «общей физики мира». В труде «География растений» он рассматривал взаимосвязи природных сил Земли: растительности и солнечной радиации; высоты и погоды; вулканизма и землетрясений; атмосферы, температуры и глубокой геологической истории. Он утверждал, что «общее равновесие достигается за счет бесчисленных механических сил и химических притяжений, которые уравновешивают друг друга». Другими словами, планета Земля – целостная и сбалансированная система[575].
Но именно холодная война сделала науку о системе Земли такой, какой мы знаем ее сегодня, поскольку резко возросло военное финансирование глобальных экологических исследований и мониторинга. За счет этого развились спутниковые технологии, такие как дистанционное зондирование и геопространственное позиционирование[576]. В интеллектуальном плане стратегические требования конфликта привели к акценту на моделировании и системном мышлении. Все это объединилось в области кибернетики, где появилась междисциплинарная основа для обсуждения работы (и регулирования) динамических систем – от биологии и экологии до вычислений, социальных систем и даже разума. Тем не менее это научно-техническое мышление о системах, сторонники которого придерживались новейшего представления о мире как о холсте, поддающемся человеческому контролю, заодно породило своего рода контрсистемы, где оценивались его издержки.
В 1962 году биолог Рейчел Карсон выпустила книгу «Безмолвная весна», где показала, как из-за бесцеремонного использования пестицидов и их распространения по пищевой цепи гибли популяции птиц и насекомых. Команда Массачусетского технологического института разработала компьютерную модель World3 для отражения взаимосвязей между населением, экономическим ростом, производством продуктов питания и экологическими ограничениями. Результаты были опубликованы в 1972 году в докладе под названием «Пределы роста». Он стал самой популярной книгой об экологии в истории. В том же году Джеймс Лавлок выдвинул «гипотезу Геи». Он утверждал, что способность планеты к саморегуляции свидетельствует о том, что живое и неживое вместе образуют сложную систему, где царят взаимовыгодные отношения – по сути, опять же подобно единому организму. В то же самое время астронавты американской космической миссии «Аполлон» сделали культовые фотографии, показывающие прекрасную целостность нашей планеты: «Восход Земли» в 1968 году и «Голубой мрамор» в 1972 году. Некоторые восприняли их как сигнал о хрупкости Земли и увидели в планете драгоценный камень, защищенный лишь тонким слоем атмосферы. Для других же они не стали поводом отказаться от инструменталистского мышления. Наоборот: планета познаваема, и ее можно постичь всю и сразу.
«Наука стала частью нашего образа жизни и нашего подхода к природе», – пишут ученые-экологи Кристина Иноуэ и Паула Франко Морейра. Иногда этот подход соответствует духу высокого технократического модернизма, где весь мир построен на принципах командования и контроля и открыт для человеческого вмешательства. Но в то же время западное экологическое сознание – «нечто возникшее в результате исторической планетарной динамики современности, последствие ее научных революций»[577]. Экология – тоже часть размышления о системах Земли. Ученые НАСА, с которыми я общалась во время написания этой главы, а также экологи и активисты коренных народов, с которыми мы встретимся в главе 9, хотят одного: чтобы мы осознали, насколько все в мире переплетено.
О каких видах пыли мы говорим, размышляя в планетарных масштабах? Как вы уже поняли, в этой книге пылью называются самые разные вещества. Но в этой главе мы сфокусируемся на минеральной пыли – самом массивном аэрозоле в земной атмосфере.
Ежегодно из пустынь и других участков с голой почвой и камнями выдувается около 5 млрд тонн минеральной пыли[578]. Большая часть – из «пыльного пояса», который простирается от Сахары до Индии и Китая через север Африки, Ближний Восток и Центральную Азию. В основном эта книга посвящена пыли, которая появилась из-за человека, однако важно помнить, что три четверти минеральной пыли на планете – естественного происхождения: просто ветры дуют на сухую голую почву[579]. Как мы уже выяснили, основные источники пыли – это чаще всего донья высохших озер или плоские, низменные участки земли, которые неоднократно затапливало. Осадки, переносимые водой, образуют глубокие отложения мелких глин и илистых почв – а это мельчайшие, слабосвязанные частицы, которые при высыхании запросто превращаются в пыль. Но не вся эта пыль состоит из ила. Крошечные существа, известные как диатомеи, наглядно демонстрируют, почему пыль – часть системы Земли. Они сперва питаются пылью, а потом в нее превращаются, тем самым раскрывая необычайные экологические взаимосвязи, существующие в самых неприметных местах.
В 1833 году Чарльз Дарвин плыл на корабле «Бигль» через острова Зеленого Мыса посреди Атлантического океана. Позже он вспоминал, что видимость была минимальной из-за тумана и что «постоянно оседала мелкая пыль, которая немного повреждала астрономические инструменты»[580].
По направлению ветра Дарвин понял, что пыль прилетела с африканского побережья. Он собрал образец и отправил профессору Эренбергу в Берлин. Анализ его поразил: «Собранная мной пыль не заняла бы и четверти чайной ложки, однако в ней содержалось 17 форм [жизни]». Это 17 видов диатомей.
Во время Африканского влажного периода (14,5–5,5 тыс. лет назад) из-за солнечных циклов Миланковича и петель обратной связи альбедо климат в Северной Африке стал намного влажнее – точно такой же процесс мы наблюдали в Гренландии в предыдущей главе. Древние наскальные рисунки того времени изображают пасторальные сцены обильно пасущихся животных: антилоп, зубров, жирафов, слонов и даже гиппопотамов (они полуводные). Немецкий исследователь Генрих Барт, пересекавший пустыню от Триполи до Тимбукту на караване в середине XIX века, был поражен этими сценами. Он написал, что «состояние жизни, о котором свидетельствуют эти произведения искусства, сильно отличается от того, которое мы привыкли видеть в таких регионах»[581]. На юге (территория современных Чада, Нигера и Нигерии) находилось огромное озеро Мега-Чад площадью 361 тыс. квадратных километров – это больше Великобритании и Ирландии вместе взятых. В его пресной воде обитали триллионы диатомей.
Диатомеи – разновидность одноклеточных водорослей или фитопланктона. Они чрезвычайно малы (2–200 мкм), но оказывают колоссальное влияние на функционирование нашей планеты. Это им удается за счет огромного количества: диатомеи живут практически везде, где есть свет и вода одновременно. Речь не только про озера и океаны, но еще и про болота, скалы, мох и даже птичьи перья. Они фотосинтезируют, как и растения, и производят 20 % кислорода на планете[582]. Диатомеи уникальны тем, что их клеточные стенки состоят не из углерода, а из кремнезема – это, по сути, стекло. Поэтому после смерти они схожи с песчинками на пляже. Таким образом, пустыня Сахара неожиданно богата крошечными окаменелыми панцирями диатомей. Их так много, что они образуют белый порошкообразный минерал, известный как кизельгур или диатомит. Под микроскопом видно, как панцири переливаются подобно стеклышкам в калейдоскопе.
Северная Африка – крупнейший источник пыли на планете: 200 млн тонн в год. Шестьдесят процентов минеральной пыли постоянно находится в воздухе[583]. Начинается все в Сахаре. Там сильный ветер харматан поднимает песчинки ввысь. Пассаты подхватывают пыль и уносят на запад. Со спутника эти огромные шлейфы выглядят как охристые пятна в океане.
Но частицы минеральной пыли относительно велики, а потому ветер не может бесконечно их удерживать. Примерно 70 % – 140 млн тонн в год – оседает на тропическую часть Атлантического океана, где пыль обеспечивает морские экосистемы питательными веществами вроде железа и фосфора. Водоросли – диатомеи, а также их родственники динофлагелляты и кокколитофориды (какие названия!) – поглощают эти минералы и активно размножаются, причем до такой степени, что гигантские зеленые завитки видно из космоса. Цвет – от хлорофилла; все эти водоросли тоже фотосинтезируют и производят половину мирового кислорода[584]. Воздух, которым вы сейчас дышите, создается не только в живописных лесах, но и далеко от суши. Когда эти водоросли умирают и опускаются на дно океана, их твердые оболочки поглощают значительное количество углерода. За миллионы лет они спрессовались в минералы (например, известняк), а также в нефть и газ, которые сегодня питают человечество.
Водоросли терраформировали планету. Сначала они сделали возможной человеческую жизнь в принципе, а потом – современную жизнь, дав Великобритании, а затем Западу и всему миру силу окаменелого солнца возрастом в сотни миллионов лет. Пыль – неотъемлемая часть этого жизненно важного биогеологического процесса и как причина, и как следствие обилия водорослей. Тела древних водорослей, унесенные ветром из глубин Сахары, питают цветущие зеленые завитки в океане.
Примечательно, что одна и та же частичка пыли может одновременно нести как жизнь, так и смерть. Через некоторое время после событий в Сахаре случился красный прилив в США, поскольку жаждущие железа водоросли Trichodesmium питались и размножались в сотню раз больше обычного. Изменился уровень азота в воде, что позволило размножаться Gymnodinium breve – другому планктону с дефицитом питательных веществ [585]. Он токсичен: убивает рыбу и отравляет моллюсков вдоль побережья Флориды. Когда ветер гнал волны, клетки этого планктона поднимались в воздух. У людей и животных, которые им дышали, возникали проблемы со здоровьем.
Тем временем высоко в тропосфере, над погодными системами Земли, бактерии и вирусы перемещаются с глобальными потоками аэрозольных частиц и фрагментов минеральной пыли. А потом они падают на другие континенты. Ученые считают, что у такого вида транспортировки пыли есть положительные последствия: увеличивается разнообразие подветренных экосистем и развивается их способность адаптироваться к изменениям окружающей среды[586]. Но пыль также приносит болезни. Например, ветры из Сахары разносят по Карибскому морю споры гриба Aspergillus – из-за этого кораллы и морские веера заболевают и гибнут[587]. «Наша гипотеза заключается в том, что сокращение коралловых рифов в Карибском бассейне главным образом вызвано патогенами, которые летят с пылью из Северной Африки», – заявил американский геолог Джин Шинн в блоге NASA Earth Observatory в 2001 году. Там же он написал: «Надо пожить на Виргинских островах, чтобы полностью осознать, сколько красной пыли местные счищают с парусов, палуб и окон»[588].
Бывали случаи, что целые стаи саранчи вместе с пылью уносило за Атлантический океан – и насекомые при этом выживали. Например, в октябре 1988 года они оказались на Барбадосе, в восточной части Карибского бассейна. Разумеется, вызвали некоторую панику [589].
Пыль взаимодействует с биологическими системами Земли через водоросли и Амазонию. Но она чрезвычайно важна еще и по физическим причинам: она модулирует фундаментальные энергетические потоки планеты. И делает это двумя способами: напрямую и через влияние на формирование облаков.
С первым все просто. Солнечная энергия летит на Землю и отражается обратно – по дороге она сталкивается с пылью. Если вдаваться в научные детали, то пыль влияет на фактор, который называется «радиационным воздействием»: это количество ватт солнечной энергии, которую Земля получает (или теряет) в расчете на квадратный метр. Пыль – всегда неоднозначная – делает это двумя противоречивыми способами. Во-первых, пыль в атмосфере может охлаждать Землю: частицы блокируют солнечные лучи и отражают обратно в космос, тем самым лишая планету части тепла. (Лучше всех аэрозолей с этой задачей справляется белая морская соль. Ее альбедо – 97 %.) Но в то же время частицы могут и согревать Землю: углеродная сажа – черная, то есть вообще не отражает, а только поглощает всю солнечную энергию. (Представьте себе гота в солнечный день.) Одна из главных задач в исследовании пыли прямо сейчас – выяснение общего планетарного баланса рассеяния и поглощения, поскольку от него зависит точность моделирования климата. В исследовании МГЭИК 2007 года говорилось, что воздействие антропогенной пыли на энергетический баланс Земли составляет от –0,3 до +0,1 ватт на квадратный метр. То есть ученые не могли точно сказать, отрицательное это воздействие (охлаждение) или положительное (нагревание)[590]. Совсем скоро мы поговорим об исследовании НАСА, которое решит эту проблему.
Второй способ воздействия пыли на энергетические потоки Земли – «засеивание» облаков. Твердые частицы аэрозоля действуют как ядра, способствующие конденсации газообразного водяного пара в капли – или даже кристаллы льда, если воздух достаточно холодный. В любой момент времени около 60 % поверхности Земли покрыто облаками. Они одновременно охлаждают планету, защищая от солнечного излучения, и согревают ее, предотвращая утечку захваченного тепла. Поведение отдельного облака, как и вида пыли, зависит от размера, цвета, высоты в атмосфере и множества других атмосферных условий. На планете сохраняется стабильная температура, потому что нагревательные и охлаждающие свойства облаков находятся в равновесии: это закон сохранения энергии. Но антропогенные изменения в атмосфере в виде черного углерода и минеральной пыли, а также углекислого газа, метана и других загрязнителей нагревают планету, нарушая это фундаментальное равновесие между Землей и космосом.
От разных аэрозолей появляются разные облака. В нижних слоях атмосферы «гигроскопичные» или притягивающие воду аэрозоли, такие как морская соль, сульфаты и даже переносимый ветром фитопланктон, образуют низколежащие кучевые облака, которые в основном отражают солнечный свет. Чем больше аэрозолей, тем белее и ярче облака и тем сильнее они охлаждают. Более крупные нерастворимые частицы минеральной пыли, напротив, способствуют формированию кристаллов льда и, как следствие, образованию тонких перистых облаков на большой высоте, которые ловят тепло Земли и отправляют обратно на ее поверхность [591]. У 75–93 % перистых облаков за пределами тропиков в Северном полушарии именно такое пылевое происхождение. В основном эта пыль прилетает из пустынь Центральной Азии. Хотя оттуда поступает только 13 % пыли в мире, у азиатских летних муссонов хватает подъемной силы, чтобы доставлять эту пыль в верхние слои тропосферы, где находятся перистые облака.
Аэрозоли считаются хладагентами, поскольку напрямую (через отражение) и косвенно (через образование облаков) почти вдвое снизили потепление от парниковых газов, произведенных человеком с 1880-х годов. В 2010 году НАСА предположило, что всего лишь 5-процентное увеличение отражательной способности облаков могло бы компенсировать весь антропогенный рост выбросов парниковых газов с индустриальной эпохи [592]. (Вот поэтому-то и вырос интерес к управлению солнечной радиацией, то есть к геоинженерии.) Пыль – неотъемлемая часть фундаментальных потоков и равновесия нашей планеты; элемент столь же важный, как кислород, вода или лед. В культурном отношении пыль может быть метафорой времени, разложения и забвения. Но в природе это нечто очень энергичное.
Метеоролог из Университета Рединга Клэр Райдер отмечает, что не только пыль влияет на систему Земли, но и наоборот. Это тоже своего рода петля обратной связи. «Пыль создается погодой, ветрами и поверхностной влажностью, то есть зависит от климата. Но она же оказывает влияние на климат». Меняется он – меняется и мировая пыль.
Еще один аспект этой взаимосвязи – человеческий фактор. По мере изменения климата и засухи люди меняют способы использования земли, и у этих действий могут быть последствия в виде образования пыли. Один из страшных примеров – Пыльный котел 1930-х годов. Тогда снижение уровня осадков и экономическая депрессия объединились и вынудили фермеров использовать для производства больше маргинальных земель. Из-за этого выбросы пыли увеличились, а засуха превратилась в десятилетнюю катастрофу.
Другой пример можно найти в Ираке 1990-х годов. Саддам Хуссейн приказал осушить большие территории Месопотамских болот, чтобы наказать местных «озерных арабов» за антиправительственные восстания. К 2002 году площадь болот уменьшилась с 9 тыс. квадратных километров до всего лишь 760, а количество песчаных бурь возросло десятикратно [593]. Одно исследование показало, что на пике летний ветер шамаль переносил за сутки около 2,5 млн тонн пыли – это «величина того же порядка, что и данные, полученные в результате моделирования на территории ниже по течению от впадины Боделе в Чаде, известной как крупнейший источник пыли в мире»[594]. Такое огромное количество пыли – следствие человеческих решений. Легко списать все на стихийные бедствия, но нет: ключевой посыл этой книги в том, что пыль очень тесно связана с политикой. Восстановит кто-то болота в Ираке или нет, тоже зависит от политического решения.
Вместе с ростом осведомленности о роли пыли в изменении климата и ее влиянии на здоровье человека должно возрастать желание решать проблемы пыльных «горячих точек» мира и участвовать в мероприятиях по восстановлению окружающей среды. Как я уже упоминала, 75 % минеральной пыли в мире – естественного происхождения. Ветра и пустыни делают свое дело с незапамятных времен. Но оставшиеся 25 % – вовсе не мало: от 250 млн до 1 млрд тонн в год. Еще добавляем к этому около 8 млн тонн черного углерода от сжигания ископаемого топлива, а также биотоплива и биомассы при расчистке земель. Эти частицы, может, и легче по массе, но вот последствия от них тяжелые. Из-за повышенной нагревательной способности они – вторые по опасности выбросы в результате деятельности человека после углекислого газа[595]. Мы уже занимаемся геоинженерией нашей планеты. Теперь наш долг – осознать ответственность и действовать намного осторожнее.
Если Земля – целостная система, то, возможно, получится отразить динамику целой планеты в одной вычислительной модели.
В 1956 году метеоролог Норман Филлипс из Принстонского университета создал первую «общую модель циркуляции» атмосферы Земли на компьютере всего с пятью килобайтами памяти (на диске было еще 10 Кб). В конце 1960-х годов в модель добавили океанические процессы (этим занималась Лаборатория геофизической гидродинамики Национальной океанической и атмосферной службы США), в конце 1980-х годов – облака, а в 1996 году – разные виды почвы и растительности[596].
«Пыль – один из недостающих фрагментов мозаики при моделировании климата», – говорит географ засушливых земель Дэвид Томас[597]. В 2007 году в Четвертом оценочном цикле МГЭИК сообщала, что антропогенные аэрозоли (имелись в виду сульфат, органический углерод, черный углерод, нитрат и пыль) «остаются главной неопределенностью» при моделировании того, насколько сильно планета нагревается или охлаждается[598]. Когда Томас и его коллеги из Оксфордского университета в 2010 году выдвинули свой исследовательский проект, не существовало данных о наблюдаемых источниках пыли, которые соответствовали бы масштабу «сетчатых ячеек», используемых для расчетов моделирования климата. Но, как написали они, численные модели – это «единственные инструменты для прогнозирования будущей погоды и климата, которыми мы обладаем», а потому в них необходимо включать пыль, чтобы избежать серьезных ошибок[599].
В то же время пыль – странная и удивительно разнообразная. Нагревает она планету или охлаждает, зависит от множества факторов. Размер имеет значение: так называемые гигантские частицы размером свыше 20 мкм (для пыли это много) нагревают планету сильнее, отмечает метеоролог Клэр Райдер из Университета Рединга[600]. Форма тоже важна: у сферических и несферических частиц могут быть разные отражательные свойства.
Очень важно и расположение – причем настолько, что «все наши предположения о влиянии пыли на атмосферу могут оказаться неверными», говорил в 2020 году климатолог Вассилис Амиридис[601]. В труде его команды выдвигается следующее предположение: если пылинки будут поляризованы (то есть выстроены параллельно, почти что как планки жалюзи), а не направлены в разные стороны, то через зазоры, возможно, будет проникать на 10–20 % больше радиации. У пыли из разных мест могут быть разные последствия. Например, пыль, попадающую в муссонную систему, может сразу прибить дождем, тогда как пыль над пустыней способна оставаться в воздухе гораздо дольше. Так, одно исследование показало, что охлаждающий эффект аэрозольных выбросов из Западной Европы в 14 раз сильнее, чем из Индии[602]. А согласно другому недавнему исследованию, проведенному в Западной Африке, пыль оказывает согревающее воздействие в атмосфере и на ее верхней границе, но при этом охлаждающее – на поверхности Земли[603].
Это самая настоящая математическая сложность. Пыль – масштабная замысловатая система с множеством движущихся частей, поведение которой трудно моделировать из-за количества взаимодействий и петель обратной связи между ней и окружающей средой. Пыль нелинейна. У пыли могут проявляться неожиданные эмерджентные свойства. Таким образом, пыль чрезвычайно сложно описывать как отдельную часть вычислительной модели всей планеты.
К счастью, климатические отчеты МГЭИК созданы на основе многих климатических моделей, а не одной. В рамках каждого цикла группы по климатическому моделированию по всему миру сравнивают свои модели с согласованным набором будущих сценариев выбросов, известных как «Общие социально-экономические пути». Результаты собираются и усредняются. При составлении Седьмого оценочного доклада в 2022 году 53 группы применили около сотни климатических моделей к восьми сценариям – от немедленного сокращения выбросов углерода до безудержного использования ископаемого топлива.
Тем не менее даже модели нового поколения предлагают совершенно разные выводы о том, что делает пыль. В 2021 году Алсид Чжао из Университета Рединга рассмотрел 16 таких моделей и сравнил их со спутниковыми данными и вычислениями [604]. Обнаружился ряд довольно фундаментальных расхождений. Например, смоделированные глобальные выбросы пыли варьировались от 1,4 до 7,6 млрд тонн в год, хотя последние вычисления показывали 5 млрд. Откуда берется эта пыль, тоже нельзя сказать точно: согласно моделям, источником пыли служит от 2,5 до 15 % поверхности Земли – серьезное разногласие. Только одна модель расценивает источники пыли в Южной Азии как значимые, хотя они постоянно негативно влияют на жизнь в Дели и других индийских городах. Кроме того, есть расхождения относительно того, как долго пыль держится в атмосфере: от 1,8 до 6,8 дней – почти четырехкратная разница. Плюс «в разных моделях [выдвигаются] очень разные предположения о размерах пыли».
Более того, Чжао обнаружил: «Чем сложнее становятся модели, тем меньше определенности касательно пылевых процессов». Поскольку пыль связана со многими другими компонентами системы Земли, то, по его словам, разумно предположить, что в моделях, которые полностью учитывают эти связи, проявится еще больше неопределенности и недостатков. Чем больше ученые узнают о пыли, тем больше мы понимаем, как же мало о ней знаем.
Научное понимание мировых потоков пыли само по себе постоянно меняется. Пыль, основная зона неопределенности при моделировании климата, становится одной из самых актуальных и популярных областей исследования на планете. Когда я писала эту главу, я вдруг с изумлением осознала: все, что я знала о перемещениях пыли из Сахары, теперь… ну если не совсем неверно, то уж точно вызывает гораздо больше сомнений, чем несколько лет назад.
Амазония – гигантская экосистема, находящаяся в хрупком равновесии. Там пышный лес, однако почва неглубока и содержит мало питательных веществ, поскольку обильные осадки вымывают из земли растворимые минералы. Один из этих минералов стал загадкой для ученых. Это фосфор, который позволяет растениям преобразовывать энергию солнца для питания клеток. Если он все утекает и утекает в грунтовые воды и реки, то как же тропический лес сохраняет баланс? Оказалось, что все дело в пыли. До 40 мегатонн пыли каждый год летит через Атлантический океан [605]. Удивительно, но суровая, сухая и вроде как бесплодная Сахара поддерживает жизнь одного из самых зеленых мест на планете. Все переплетено. Причем пыль не только участвовала в круговороте фосфора, но еще и модулировала углеродный цикл, помогая лесам расти. «Мы считаем, что зависимость одной крупной экосистемы от другой, отделенной от нее океаном и связанной с ней атмосферой, фундаментально важна для понимания, как функционирует глобальная система», – писал в 1992 году Роберт Своп с коллегами[606].
Считалось, что пыль прилетела из впадины Боделе – низменности в Южной Сахаре. Как и многие источники пыли, описанные в этой книге, когда-то это место находилось под водой. Оно было частью древнего озера Мега-Чад, населенного диатомовыми водорослями, чьи крошечные панцири становились богатым источником фосфора. Два горных хребта закручивают и ускоряют ветер над этой рассыпчатой землей. Из-за этой причудливой топографии в воздух взмывает огромное количество пыли – до 700 тыс. тонн в день. Боделе занимает всего 0,2 % Сахары, но при этом, как считалось, производит 40 % ее атмосферной пыли[607]. Получается, что дно древнего озера питало легкие планеты. «Мир тесен, мы все связаны», – говорил научный сотрудник НАСА Хунбин Ю в интервью газете Independent в 2015 году [608].
Впрочем, исследования за последние пару лет значительно подвергли сомнению эту идею. «Если мы действительно хотим понять, что на самом деле удобряет бассейн Амазонки, мы должны отследить это до источника», – сказала мне исследователь аэрозолей из Лаборатории реактивного движения НАСА Ольга Калашникова. Ее коллега Ян Ю с помощью спутниковых снимков с разных ракурсов проанализировал, как распространяются шлейфы пыли, и выяснил: хоть Боделе и производит много пыли, бóльшая ее часть не достигает Южной Америки. До Амазонии долетает только 400 тыс. тонн. Для сравнения: из низменности Эль-Джуф в Мавритании и Мали, еще одного крупного источника пыли, долетает в девять раз больше[609]. Другое исследование показало, что за последние 7,5 тыс. лет минеральная пыль прилетала в Амазонку из самых разных мест, включая Анды и Южную Африку, а Сахара, кажется, уже перестала быть долгосрочным доминирующим источником [610]. Но одно бесспорно: система Земли динамична.
А что если удобрения, попадающие в Амазонку, на самом деле не являются минеральной пылью? Исследователь атмосферы Энн Баркли недавно обнаружила, что половина фосфора, летящего в Амазонию, принимает форму черного углерода[611]. В тропических регионах, в саваннах Африки и Южной Америки, а также в густых лесах Амазонии и Юго-Восточной Азии люди сжигают растительность, чтобы расчистить землю для сельского хозяйства и избавиться от прошлогоднего урожая перед новым посевом. Кроме того, во многих развивающихся странах для отопления и приготовления пищи используют древесину, сельскохозяйственные отходы и сушеный навоз, поскольку это либо бесплатные, либо легкодоступные источники топлива. На севере России, в Канаде и Америке горят бореальные леса. Все вместе это производит около 60 % всей черной углеродной сажи в атмосфере. Последствия охватывают целые континенты[612]. Черный углерод вносит основной вклад в глобальное потепление, поскольку он очень эффективно поглощает солнечную энергию. Но в то же время содержащийся в нем фосфор растворяется гораздо лучше фосфора из минеральной пыли, а потому он – основной источник удобрений для Амазонии и соседних океанов.
Ситуация еще сильнее осложняется тем, что в воздухе минеральная пыль, сажа и другие аэрозоли часто слипаются, образуя гибридные частицы. Это одна из причин, по которой пыль вносит такую огромную неопределенность в процесс моделирования климата.
Те или иные частицы пыли, путешествующие вокруг планеты, по-прежнему питают Амазонию. В мире все еще полно сложных взаимозависимостей, и нам еще очень много нужно узнать об этой ключевой части системы Земли.
Решить вопрос происхождения пыли призвано новое исследование. В декабре 2021 года я общалась с доктором Робертом Грином из НАСА – главным исследователем программы EMIT, изучающей источники минеральной пыли на поверхности Земли. Проект направлен на создание новой минеральной карты регионов Земли, производящих пыль, путем измерения того, из чего на самом деле состоят основные источники пыли по всему миру.
«Модели – наилучший способ понять, как пыль взаимодействует со всей системой Земли», – сказал мне доктор Грин. Он объяснил, как они с коллегами используют оценки минералов из почвенной карты ФАО ООН. «Люди в разных местах взяли пригоршню почвы и описали ее текстуру и цвет – получилась эта почвенная карта. Там есть данные о составе почвы в любом месте планеты, но это не значит, что люди исходили всю Африку, чтобы их получить, – подчеркивает он. – Многое просто заполняется [на основе существующей информации]. Зафиксировано менее 5 тыс. случаев, когда почву реально доставляли в лабораторию и определяли минералы. То есть, по сути, нынешние модели системы Земли основаны на менее чем 5 тыс. измерений». Этого вообще недостаточно для точного моделирования и прогнозирования – и команда EMIT стремится сделать качественный скачок. «За год мы сделаем миллиард непосредственных измерений», – заявляет доктор Грин.
Это стало возможным благодаря спектроскопии – «пожалуй, самому мощному аналитическому методу» по мнению Грина. «Так мы понимаем нашу Вселенную. Спектроскопия зародилась, когда человек использовал рассеянный свет при поиске ответа на вопрос», – говорит он. Можно описать ее как науку об анализе цвета. У объектов есть цвета, потому что они поглощают одни частоты света и отражают другие. У оксида железа красноватый оттенок, поскольку он поглощает зеленый, синий и фиолетовый свет, а отражает только красный конец спектра. Черный углерод – черный, потому что поглощает практически весь свет. Вообще, у каждого элемента в таблице Менделеева есть уникальный световой спектр, который он отражает или поглощает. Это нечто вроде цветовой сигнатуры, которая определяется кристаллической или молекулярной структурой. Измерьте свет, отраженный от поверхности планеты (или излучаемый звездой), и вы сможете узнать, из каких элементов она состоит. В 1982 году НАСА испытывало свой первый изображающий спектрометр над Невадой. «И тогда обнаружились новые минералы, о наличии которых мы даже не подозревали!» – воскликнул Грин.
Он устроился в НАСА в 1986 году и с тех пор занимается спектроскопией. «Я участвовал в создании изображающих спектрометров, которые побывали на Луне и Марсе. Сейчас мы конструируем еще один, чтобы отправить его на Европу – спутник Юпитера», – рассказывает Грин. За его карьеру очень многое изменилось: «Однажды я заплатил 100 тыс. долларов за диск на терабайт. Теперь они стоят где-то 20 баксов».
На борту МКС закрепят 1,2 тыс. параллельных спектрометров, направленных вниз. Они будут фиксировать показания с поверхности каждые 60 метров. «Мы отснимем все засушливые регионы несколько раз за год, потому что могут мешать облака или пыльные бури. Нам нужна именно поверхность», – говорит Грин. И добавляет: «[При нужных условиях] мы сможем видеть молекулы с расстояния в сотню километров – это поразительно». И правда.
Проект направлен на то, чтобы дать разработчикам климатических моделей возможность прогнозировать будущие источники пыли. «Наш подход – изучить регионы, подверженные риску опустынивания, и попытаться оценить их основную минералогию», – объясняет Грин. Это могут быть места, прилегающие к известным источникам пыли. «Там еще достаточно растительности, поэтому сами по себе они – не источники». Но рядом – дороги, карьеры или фермерские поля, где целостность поверхности нарушена, а это делает почву уязвимой для ветровой эрозии. Команда EMIT тестирует разные климатические сценарии МГЭИК, чтобы понять, что будет дальше. Появится больше растительности или образуется пустынная местность? «Мы в том числе способны просчитать, что может произойти через 100 лет», – отмечает Грин.
Карта минералов улучшит климатические модели, поскольку у ученых появится больше информации о том, как пыль будет нагревать или охлаждать планету – как в обозримом будущем, так и в далеком. У ярко-белой пыли каолинитовой глины совсем не такие радиационные свойства, как у пыли красного гематита. Вот почему так важно знать не только количество и метод транспортировки пыли, но и ее состав. Таким образом, наука о пыли вносит свой вклад в спасение мира.
Есть и неожиданные примеры прямой выгоды от этих исследований. Грин рассказывает: несколько лет назад они проводили измерения в некоторых частях Калифорнии, где в природе может встречаться асбест, с помощью AVRIS – еще одного спектрометрического прибора. Однажды такой сбор данных пригодился в непредвиденной ситуации.
«Когда в 2001 году нас направили выяснить, куда распространился асбест после обрушения башен-близнецов, – говорит он, – [благодаря прибору] мы могли распознать гипсокартон и целлюлозу. Мы полетели 16 сентября и увидели пожары, что все еще полыхали. Передали людям на земле: “Тут-то и там-то видим огонь”. Сообщили им широту и долготу, а также наши выводы о том, насколько эти пожары сильны. Эту информацию можно было использовать для повышения безопасности спасателей».
Недавно ученым помешал коронавирус. «Когда я предлагал построить инструмент, речь не шла об условиях, при которых люди не смогут работать бок о бок», – с досадой отмечает Грин. Создание космического оборудования предполагает тесную работу в чистых помещениях, но кампус Лаборатории реактивного движения НАСА, как и лаборатории поставщиков, полностью закрыли в марте 2020 года. Проект застопорился. В декабре 2021 года все ученые, с которыми я общалась, все еще работали на удаленке. Приехать в НАСА я не могла: доступ оставался строго ограниченным. Но запуск все равно был неизбежным. «Мы нацелились на двадцать пятую миссию SpaceX по снабжению МКС, запланированную на первое мая [2022 года]. Она стартует во Флориде», – сказал мне Грин.
«Что именно о земных системах бы вы хотели донести до большего числа людей?» – спросила я.
«Насколько все взаимосвязано, – ответил он. – Думаю, пылевой цикл – интересный способ это показать, поскольку он связан со множеством разных частей. Пыль удобряет тропические леса и океаны, представляет угрозу для нас, растапливает снег, помогает формировать облака, нагревает и охлаждает. Все это важно. Так что Земля – система взаимосвязанных вещей. И мы можем влиять на эти связи. Нам следует узнать об этом побольше и думать об этом, когда мы оказываемся перед выбором. Так мы сможем находить устойчивые пути».
Я познакомилась с доктором Эрикой Томпсон в математическом лагере, когда нам обеим было по 14. Я после первого семестра передумала учиться на математика, а вот Эрика продолжила и впоследствии защитила диссертацию по климатическому моделированию штормов в Северной Атлантике. Теперь она старший научный сотрудник факультета этики моделирования и симуляции в Лондонской школе экономики и политических наук (LSE). Работая над диссертацией, она увлеклась вопросом, насколько хорошо модели отражают мир – если вообще отражают. Томпсон говорит, что модели функционируют в параллельной вселенной, которую она называет «страной моделей». «Это гипотетический мир, где наши симуляции идеальны. Там все четко определено, все наши статистические методы действительны, и мы можем доказывать и использовать теоремы» – в общем, очень комфортное место для исследователей [613]. Ученые «принимают результаты моделирования за чистую монету», потом выполняют математические вычисления, чтобы исключить явные несоответствия, а затем интерпретируют частоты, предлагаемые моделью, как вероятности в реальном мире. В конце концов, главное, для чего нужны модели – это помощь в принятии реальных решений.
Любой, кто хоть немного знаком с социологическим мышлением, может указать на многочисленные и разнообразные случаи, когда модели должным образом не отражают реальность. Часто они указывают на предубеждения и недостатки своих создателей. Томпсон это признает, но добавляет, что нужно брать во внимание так называемый эффект бражника.
Он дополняет эффект бабочки Эдварда Лоренца, то есть идею о том, что небольшая разница в начальных условиях (например, взмах крыльев бабочки) может серьезно изменить результаты сложной динамической системы. Томпсон заявляет, что эффект бабочки в XXI веке – уже решенная проблема: моделирование должно исходить из множества начальных условий, а не из одного, а затем выдавать распределение вероятностей, а не один конкретный ответ. Когда все уравнения динамической системы достоверно известны, это работает хорошо. А если нет – например, когда мы не знаем, насколько пыль нагревает и охлаждает планету? Тогда «распределение вероятностей, к которому мы придем, будет все сильнее вводить в заблуждение или вообще окажется ошибочным». Постепенные повышения реалистичности модели могут немного улучшить краткосрочное прогнозирование, это правда. Но со временем «немного неправильное» начальное условие все равно может привести к «совершенно неправильным» результатам – это фундаментальное свойство нелинейных динамических систем, таких как пыль и климат.
Должна признать: приятно писать о субстанции, фундаментально непостижимой для вычислительных систем, ведь это так поэтично. Но нам все равно необходимо знать о пыли в системе Земли, если мы хотим понять риски потепления нашей планеты. Так что же делать разработчику климатических моделей?
Томпсон предлагает кое-что интересное. Есть порог перед принятием решения, где уже неразумно проводить дополнительные исследования, уточнять информацию или пытаться уменьшить неопределенность: нужно просто действовать. Разве нам нужны более совершенные климатические модели, чтобы решить, стоит ли изменить экономику с целью перехода к «Новому зеленому курсу» по декарбонизации производства энергии и массовой модификации существующих зданий? Нет! Мы должны действовать – и как можно скорее. Томпсон также подчеркивает необходимость четкого определения собственных ограничений модели и выступает за использование качественных данных, таких как экспертные оценки, для интерпретации результатов модели.
Это может означать демонстрацию результатов моделирования климата людям, которые сталкиваются с прогнозируемыми последствиями, прямо на местах, и вовлечение их в разработку экологических планов и политики для смягчения этих проблем. Кто эти люди? Например, жители Маршалловых островов и нижнего Манхэттена, которые потеряют свои дома из-за повышения уровня моря; фермеры с американских равнин, чьи средства к существованию зависят от осадков и пополнения водоносных горизонтов; арктические охотники, которые больше не смогут кататься на санях по морскому льду. Наиболее уязвимые ландшафты Земли – это в основном земли коренных народов (диспропорция налицо), поэтому соединение нисходящего научного подхода с их традиционными экологическими знаниями здесь особенно важно. Разнообразный местный опыт имеет значение. Что, если бы правительства учитывали все это при принятии решений в области экологической политики? Что тогда?
Я также считаю полезным смотреть на ситуацию через призму термина из области исследований науки и техники: это беспорядок. Социолог науки Джон Лоу описывает «беспорядок» как категорию явлений, принципиально не поддающихся простому и ясному описанию. Одним из примеров, с которым он столкнулся сам, была алкогольная болезнь печени. Лоу стремился отобразить опыт пациентов в медицинской системе, но обнаружил, что объект его исследования ускользает по мере того, как он (Джон) перемещается между различными медицинскими специальностями, пациентами и группами поддержки. Методы определения болезни в каждой точке не просто нейтрально описывали ее социальную реальность, а активно участвовали в ее создании [614].
Точно так же ведет себя пыль, когда мы перемещаемся между областями: как объект исследования она скользкая и несингулярная. Специалисты по аэрозолям говорят о минеральной пыли и саже, токсикологи – о мелких и ультрамелких частицах, а газетные заголовки – о смоге, дыме, дымке и конечно же о «кровавом дожде». Тяжелые металлы и радиоактивные частицы не фигурируют в исследованиях климата, зато находятся в центре исследований здоровья человека. Микропластик недавно стали классифицировать как аэрозоль. Да еще и почти вся активность пыли происходит за пределами поля зрения. Так что да, пыль – не самый удобный объект исследования. Но она напоминает, что мир таковым тоже не является.
Современность стремилась сделать мир измеримым, предсказуемым и управляемым. Пыль обнажает пределы этой эпистемы – и способна побудить нас задуматься поглубже.