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

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.