Основная, конечная цель комплекса наук о Земле – геологии, географии, геофизики, геохимии и др. состоит в том, чтобы дать обществу возможность наилучшим образом использовать благоприятные и полезные особенности природных условий, совокупность которых образует природные богатства, и вместе с тем изыскать средства защиты от вредных и неблагоприятных стихийных явлений.
Такая цель достигается в каждом конкретном исследовании решением трех основных задач. Первая – наблюдение, описание и анализ природных явлений, вскрытие их генезиса и связи друг с другом. Эта задача по существу исчерпывает большую часть практических требований к науке, в особенности, когда дело касается изучения сравнительно стабильных явлений, изменения которых в течение длительных промежутков времени несущественны.
В иных случаях, когда мы имеем дело с меняющимися природными условиями – такими, как погода, климат, гидрологический режим рек или морей, большое значение приобретает вторая задача, а именно прогноз развития явлений во времени.
Всем ясна огромная практическая значимость правильных прогнозов погоды и других метеорологических и гидрологических явлений. Отсутствие количественной теории заставляет в настоящее время давать прогнозы на основе главным образом качественных знаний. Создание количественной теории атмосферных процессов как основы методов расчета их будущего развития является, без сомнения, наиболее существенной и крайне трудной проблемой современной геофизики. Задача описания и анализа природных особенностей далеко не закончена, а проблема прогноза геофизических явлений только начинает разрабатываться в количественной форме. Однако в настоящее время перед наукой возникает третья задача – изучение возможностей и изыскание средств активного воздействия на геофизические процессы с целью управления их развитием, направления его в нужную человеку сторону.
По мере роста технической вооруженности человеческого общества его зависимость от природных условий уменьшается. Однако это не означает снижения практической значимости природных явлений. Наоборот, технический прогресс заставляет учитывать все более тонкие особенности геофизических процессов.
Конечно, современный корабль не зависит от ветра, как его парусный предок сто лет назад. Однако сложная навигационная техника, применяемая в настоящее время, требует понимания и учета таких явлений, как распространение радиоволн в ионосфере, отражение лучей радиолокатора в облаках и осадках, и многих других. Полеты несовершенных самолетов, которыми пользовались 60 лет назад в очень сильной степени зависели от погоды. Однако для их обеспечения требовались лишь весьма примитивное понимание погодообразующих процессов и очень простые данные о состоянии метеорологических элементов в нижнем 300-500-метровом слое атмосферы. Для этого достаточно было наземных наблюдений.
Современный самолет может летать почти в любых метеорологических условиях, однако для него необходимы гораздо более детальные и более срочные сведения о погоде, и собирать их нужно с огромного пространства, соответствующего дистанции полета. Здесь приходится учитывать направление и скорость струйных течений в нижней части стратосферы, особенности турбулентных явлений в тропопаузе, так же, как и состояние атмосферы в нижних слоях в районах взлета и посадки.
До появления подводных лодок мало кого интересовали тонкие различия в плотности разных масс морской воды. В настоящее время поверхности раздела между водными слоями в океане играют огромную роль: на них может лежать подводная лодка, от них будет отражаться гидроакустическая волна сигнальных приборов.
Пожалуй, с особой отчетливостью рассматриваемое положение выявляется в исследовании верхних слоев атмосферы и ближайшей к Земле зоны космического пространства – области, в которую сейчас вступает человечество. Количества вещества и энергии, участвующие в физических процессах, составляющих предмет этих исследований, ничтожны – по крайней мере по сравнению с теми, которые обычны в метеорологических явлениях, – однако их значение в жизни нашей планеты и в человеческой деятельности не делается от этого малым. Верхние слои атмосферы первыми встречают потоки частиц вещества и лучистой энергии, приходящие к Земле от Солнца и из глубин космического пространства.
Основная часть электромагнитного излучения Солнца приходится на область видимого света, – она проходит через атмосферу и достигает земной поверхности, являясь источником энергии почти всех геофизических процессов и обеспечивая прямо или косвенно энергетические потребности промышленности. Эта основная по количеству энергии часть солнечного излучения, как известно, весьма стабильна.
Незначительная по своей мощности и количеству часть солнечного излучения и вещества подходит к Земле в форме ультрафиолетового и рентгеновского излучения, гамма-квантов и корпускулярных потоков, состоящих из атомных ядер и отдельных элементарных частиц. В отличие от первой, эта часть солнечного излучения весьма изменчива, ее интенсивность тесно связана с некоторыми квазипериодическими процессами на Солнце, объединяемыми под общим понятием солнечной активности. Это излучение не доходит до земной поверхности, а поглощается в верхних слоях атмосферы. Здесь в результате его взаимодействия с разреженными газами возникает ряд фотохимических и электромагнитных явлений (образование ионосферы, возникновение магнитных бурь, полярные сияния и др.), определяющих физическую структуру и весь режим верхних слоев.
Потребность в точных и достоверных данных о строении и режиме верхних слоев атмосферы и ближайшей к Земле области космического пространства резко возросла в последние годы в связи с развитием техники реактивного полета и радиосвязи. Еще не так давно точные данные о плотности вещества на высотах 500 или 1000 кминтересовали только исследователя, занимающегося геофизическими проблемами. Инженер рассматривал это пространство как вакуум и имел все основания считать его вакуумом, пока скорости движения не достигли нескольких километров в секунду. Однако уже при первой космической скорости это пространство представляется своеобразной средой с определенными физическими свойствами, весьма важными для расчета движения.
В настоящее время столь же пустыми кажутся нам отдаленные от Земли области космического пространства. Не нужно обладать особой проницательностью, чтобы предсказать огромное практическое значение, которое приобретут тончайшие особенности его структуры (распределение плотности вещества, строение силовых полей) для космонавтики – для движения со скоростями в сотни и тысячи километров в секунду.
Потребность в сведениях о все более тонких особенностях геофизических явлений неминуемо приводит, с одной стороны, к большому осложнению техники наблюдений и анализа, а с другой, – к необходимости срочно собирать эти сведения с больших пространств. В связи с этим нужна организация специальных сетей наблюдательных пунктов, рационально распределенных по всей поверхности земного шара.
Следует учесть, что практические потребности в учете природных явлений (анализ и прогноз погоды, условий распространения радиоволн и пр.) неизбежно приводят к необходимости непрерывного действия наблюдательных сетей, даже когда задачи исследований механизма процессов уже решены.
Функции наблюдательной сети непрерывно растут и усложняются. Еще 100 лет назад систематические геофизические наблюдения включали измерения значений лишь немногих метеорологических элементов в нижнем слое атмосферы, регистрацию элементов земного магнетизма, регистрацию землетрясений. Известно, насколько многосторонней является деятельность современной мировой сети геофизических станций и обсерваторий.
Вероятно, запуски крупных ракет, поднимающих большой груз научной аппаратуры на высоту в несколько сот километров, чтобы выполнить наблюдения в течение десятков секунд, представляют определенный предел, к которому подошла система геофизических наблюдений в своем усложнении и удорожании. Дальнейшее продвижение в этом направлении может привести к противоречию, когда стоимость исследований, обеспечивающих ту или иную практическую деятельность, чуть ли не превышает прямые затраты на ее проведение. Спутник, по-видимому, разрешает это противоречие. Требуя для своего запуска наиболее мощной и дорогой ракеты, он в то же время может стать наиболее дешевым средством геофизических наблюдений, так как, будучи раз запущен, способен в течение длительного времени собирать огромное количество геофизической информации по всему земному шару. Уже, несомненно, значение спутника для регулярных наблюдений службы погоды. Даже при современном состоянии измерительной техники оказывается возможным определить температуру поверхности Земли, распределение облаков и многие другие данные.
Усовершенствование аппаратуры позволит значительно расширить объем наблюдений. Однако дело не только в аппаратуре. На протяжении более 100 лет все развитие метеорологии основывалось на наблюдениях стационарных пунктов, расположенных на земной поверх­ности. Мы всегда рассматривали атмосферу снизу-вверх. Система из 3-4 спутников дает возможность наблюдать атмосферу сверху вниз, практически с любым разрешением в пространстве и во времени. Для того чтобы реализовать эту возможность, необходимо перестроить привычную систему анализа, использовать новые связи и закономерности. Надо полагать, что эта задача будет не менее трудной, чем разработка методов измерения и аппаратуры.
Выполнение программы Международного геофизического года характерно не только большим размахом исследований, не только широким применением наиболее совершенной техники, но и гораздо большим сотрудничеством различных стран, чем было прежде. Это сотрудничество выражается прежде всего в объединенном плане исследований. Многочисленные обсерватории, экспедиции, станции, действующие в период Международного геофизического года, работают по единой программе, однотипными приборами, так что их результаты можно сравнивать. Сотрудничество выражается также и в проведении совместных исследований – в особенности это относится к изучению Мирового океана и Антарктиды. Здесь экспедиции не только работают по единому плану, но и конкретно помогают друг другу в решении общих задач. Объединенная служба погоды, обмен специалистами между экспедициями разных стран, совместные походы делают международное сотрудничество в исследованиях Антарктики весьма эффективным и полным.
Хороший пример совместных работ представляют исследования высоких слоев атмосферы и космического пространства. Запуск спутника одной страной позволяет всем странам использовать его для проведения разнообразных исследований и наблюдений. Так, полет первого советского искусственного спутника позволил ученым многих стран провести наблюдения, давшие сведения о плотности атмосферы на разных высотах, о структуре ионосферы и другие. Исследования, проведенные с помощью ракет и искусственных спутников Земли, уже позволили получить исключительно ценные данные.
На состоявшейся в июле – августе 1958 г. в Москве Международной ассамблее по проведению Международного геофизического года были рассмотрены первые итоги этих исследований. В частности, были обсуждены результаты определения плотности и давления атмосферы на раз­ных высотах как посредством учета торможения спутников, так и путем прямых измерений специальными манометрами. Установлено, что атмосфера, высота которой ранее предполагалась в 1000 км, простирается гораздо дальше.
Большой интерес представляет состав газов, из которых слагается атмосфера. В итоге различных физико-химических процессов, происходящих при взаимодействии атмосферы с подстилающей поверхностью, с одной стороны, и с потоками вещества и лучистой энергии, идущими от Солнца и из космического пространства, – с другой, состав атмосферы непрерывно изменяется. В различных слоях атмосферы образуются новые химические соединения. Действие силы тяжести способствует расслоению атмосферы, т. е. сосредоточению тяжелых газов внизу, а легких в верхних слоях атмосферы. Вместе с тем непрерывная энергичная циркуляция как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении все время перемешивает атмосферу. Что же получается в результате? Оказывается, что до высоты 80-90 кматмосфера хорошо перемешана. Выше, по-видимому, начинается некоторое расслоение. Оно становится хорошо заметным в интервале высот от 200 до 850 км,где доля ионов тяжелых газов падает с высотой. Установлено, что в верхней атмосфере происходят своеобразные и большие изменения периодического и непериодического характера. Получены существенно новые данные об интенсивности и составе космического излучения, о потоках микрометеоров и о структуре ионизированных областей.
Все эти сведения сильно меняют установившееся ранее на основе теоретических расчетов и косвенных наблюдений представление о внешней оболочке нашей планеты. Характерно, что огромное количество новых данных получено за очень короткий срок и сразу в различных местах земного шара. Все это свидетельствует как о том, что геофизика становится поистине общеземной (глобальной) наукой, так и о том, что ученые различных стран начинают подходить к исследованиям природных явлений единым коллективом. Это позволяет надеяться решить третью из упомянутых ранее задач геофизики – управление стихийными процессами. В настоящее время эта задача становится реальной прежде всего в отношении воздействия на метеорологические явления.
Каким образом возможно преодоление или регулирование стихийных метеорологических явлений и можно ли говорить о какой-то практической целесообразности подобных операций? Перемещение воздушных масс, возникновение циклонических образований на фронтальных разделах, развитие облаков и выпадение осадков связаны с переходом из одной формы в другую огромных количеств энергии. Например, при образовании и развитии нескольких кучевых облаков среднего размера, весьма обычных во вторую половину летнего дня, за 3-4 часа расходуется (на образование конвективных потоков) около 10¹⁴ калэнергии, т. е. столько, сколько смогут выработать за это же время двадцать гидроэлектростанций, по мощности равных Куйбышевской. Для того чтобы свернуть большую воздушную массу с наметившейся траектории ее движения, т. е. изменить характер погоды на несколько дней на территории протяжением примерно 1000 км, нужно затратить около 10¹⁶ -10¹⁸ кал.
Большая энергия атмосферных процессов служит основным препятствием к их преодолению. Именно это обстоятельство заставило большинство геофизиков еще 20-25 лет назад считать, что воздействие человека на метеорологические процессы если и возможно в принципе, то нерационально практически. Такое мнение в основном справедливо и сейчас, если мыслить активное воздействие как прямое преодоление того или иного метеорологического явления.
Очевидно, воздействие на метеорологические процессы должно осуществляться иным путем – по принципу управления. Принцип управления природными процессами состоит в том, чтобы привести в движение в нужном направлении большие количества вещества и энергии. Само же управляющее воздействие должно при этом сопровождаться затратами вещества или энергии в количествах, на много порядков меньших. Принцип управления широко воплощен в современных системах автоматического регулирования в самых различных машинах и устройствах. Он находит свое отражение и в живых организмах, которые в процессе биологического развития сформировали органы и каналы управления. В атмосфере, естественно, отсутствуют готовые каналы управления. Следовательно, мы должны отыскать в сложном комплексе атмосферных процессов возникающие по временам цепи связанных друг с другом явлений, которые можно было бы применить в качестве каналов управления. Мы можем использовать при этом некоторые важные особенности атмосферных процессов.
Атмосферные явления более, чем какие-либо другие, насыщены взаимодействием, борьбой противоречивых начал. С одной стороны, воздушная масса в течение значительного времени сохраняет свои физические характеристики (температуру, влажность, содержание примесей); с другой стороны, этой инерции, или консервативности, противостоит способность воздушной массы трансформироваться и, при некоторых усло­виях, резко менять свои физические свойства. Например, в воздухе, содержащем водяной пар в концентрации, близкой к насыщающей, при весьма небольшом охлаждении образуется туман или облако, что коренным образом меняет оптические свойства воздуха, создает иные условия для теплообмена почвы с атмосферой.
Развитие многих атмосферных процессов зачастую приводит к неустойчивым критическим состояниям, особенно чувствительным к тем или иным вмешательствам. Таково, например, состояние переохлажденного водяного облака. Добавка в переохлажденное облако подходящих ядер кристаллизации в ничтожно малом по сравнению с массой облака количестве (около 1/10⁷—1/10⁹) приводит к переходу облака в кристаллическое состояние, образованию осадков и другим последствиям.
Противоречивый характер развития метеорологических процессов и связанные с этим во многих случаях их неустойчивость и способность изменять свое развитие под влиянием небольшого вмешательства являются благоприятным моментом для изыскания методов управления. Рассмотрим два возможных пути управления.
Первый путь – вмешательство в естественное развитие процессов при неустойчивом их состоянии в некоторый определенный подходящий момент. Этот путь все более широко используется в настоящее время для преобразования облаков и регулирования осадков.
Второй путь – создание устойчивых изменений в деталях атмосфер­ной циркуляции и соответствующих изменений в климате путем, например, преобразования подстилающей поверхности, возведения специальных капитальных сооружений, изменения в морских течениях или при­менения иных длительно действующих средств.
Рассматривая вопрос о регулировании климата, мы должны учесть, что человеческое общество с давних пор оказывало и оказывает определенное, хотя и непроизвольное воздействие на некоторые черты климата. Маркс в свое время отмечал, что культура, если она развивается стихийно, а не направляется сознательно, оставляет после себя пустыню. Еще в конце прошлого века крупный русский ученый Воейков показал, каким именно образом получается пустыня в результате хищнического характера экономики современного ему общества (вырубка леса, неправильная распашка и т.п.). Любопытно, что Воейков рассматривал столь печальные итоги стихийно развивающейся деятельности как результат противопоставления интересов отдельного человека (землевла­дельца, хозяина лесных угодий) интересам всего общества. Как известно, разрушение культурного слоя почвы приняло за последние десятилетия в некоторых странах катастрофические размеры.
В настоящее время в СССР и в других странах осуществлены крупные мероприятия по развитию и улучшению природных ресурсов (создание водохранилищ, орошение больших территорий, осушение болот и т. п.). Подобные работы, безусловно, будут проводиться и далее во все возрастающих размерах. Следствием такого воздействия человеческого общества на природу являются изменения в характере подстилающей, поверхности, играющей, как хорошо знают геофизики, большую роль в метеорологических процессах. Значительный размер территории, на которой осуществляются связанные с этим изменения микроклимата приводит к тому, что и климат в широком смысле этого слова испытывает некоторые, пока несущественные, но уже заметные изменения.
Наряду с преобразованием подстилающей поверхности человеческое общество меняет, притом в гораздо большем масштабе, химический состав и электрические свойства атмосферы. Так, выброс промышленностью в атмосферу СО₂ составляет существенную роль в геофизическом, и геохимическом балансе этого вещества. Эта доля быстро растет. Известно, что углекислота сильно поглощает инфракрасное излучение, и примесь ее в атмосфере заметно меняет баланс лучистой энергии. Взрывы водородных бомб существенно и на долгий срок меняют неко­торые электрические параметры значительной доли земной атмосферы: и, возможно, оказывают некоторое, пока небольшое, влияние на процессы конденсации влаги.
Следовательно, человеческое общество уже стало непроизвольным климатообразующим фактором. Пока его воздействие на климат еще невелико, однако оно растет очень быстрыми темпами, и можно опасаться, что мы рискуем обнаружить существенные, может быть нежелательные и труднопоправимые изменения в климате раньше, чем научимся своевременно их рассчитывать.
Установленная изменчивость в крупных метеорологических и гидрологических процессах большой длительности, их тесное взаимодействие друг с другом и весьма вероятная неустойчивость, а также непрерывно возрастающая все более высокими темпами энергетическая мощь чело­веческого общества позволяют надеяться отыскать в комплексе климатообразующих факторов подходящие каналы управления, доступные нашему воздействию.
Где могут находиться точки приложения такого воздействия?
Целесообразные изменения подстилающей поверхности (как изменения растительного покрова, так и специальные покрытия, изменяющие альбедо) на значительном пространстве можно, очевидно, рассматривать в этом плане. Включение в атмосферу значительных количеств аэрозолей, подходящих по своим оптическим свойствам, может послужить средством изменения баланса лучистой энергии.
Одной из доступных уже в настоящее время операций является рассеяние облачности на больших территориях. Возможно, что оно будет подходящим толчком для некоторого изменения барической ситуации и, следовательно, более крупных синоптических процессов. Очень важно выяснить, имеют ли место критические состояния в процессах влагооборота, которые позволили бы вмешиваться в их течение, роль местных цепей влагооборота.
Большой интерес представляет взаимодействие явлений, разыгрывающихся в верхних слоях атмосферы под влиянием солнечных и космических факторов, с погодообразующими процессами в тропосфере. Механизм этой связи пока не ясен, однако можно полагать, что энергия, передаваемая из стратосферы в тропосферу, во всяком случае невелика. Малое, же количество вещества, находящееся в верхних слоях, и доступность этих слоев средствам современной техники дают возможность существенным образом менять их физическое состояние на значительном пространстве.
Наконец, серьезное значение для рассматриваемой проблемы имеет изучение истории климата и его изменений.
В заключение следует обратить внимание на неправильные, с моей точки зрения, идеи, временами высказываемые в западной научной геофизической литературе. Я имею в виду, во-первых, преувеличение влияния природных факторов, вплоть до полной обусловленности ими развития материальной культуры и сознания человека. Некоторые климатологи доходят в этом до того, что видят источники советского патриотизма в том потеплении, которое охватило в 30-х годах некоторую часть Северного полушария, в том числе ряд областей СССР. Если столь абсурдные утверждения встречаются довольно редко, то общая идея о предопределенности характера развития структуры и даже основных недочетов человеческого, общества под воздействием непреодолимых стихийных сил довольно часто кладется в основу идеалистических социологических концепций («закон убывающего плодородия» почвы и т. д.).
Во-вторых, стоит отметить появившееся в последние годы авантюристическое стремление использовать самые первые (пока еще скромные) успехи в активном воздействии на облака в качестве своеобразного «нового оружия». Я имею в виду рассуждения о так называемой «метеорологической войне», которые проникают, к сожалению, в научную печать. Однако следует отметить, что упомянутые идеи не получили и, будем; надеяться, не получат большого развития в мировой геофизике. Конечно, всякое научное достижение может быть так или иначе ис­пользовано и для разрушительных целей. Однако нужно учитывать общемировой характер метеорологических процессов. Именно это свойство потребовало тщательной координации и сотрудничества метеорологических служб всех стран в их повседневной работе и проведении таких мероприятий, как Международный геофизический год. То, что нужно для анализа и понимания, в еще большей степени потребуется для воз­действия и управления в скольких-нибудь крупных масштабах.
Ценность работ, ведущихся сейчас по программе Международного геофизического года, заключается не только в тех новых данных, которые будут получены. Быть может, еще более важен достигнутый метод их получения – широкое, охватывающее весь земной шар научное исследование, в котором принимают участие почти все страны мира.
Человечество выступает здесь как единое целое против могучих стихийных сил, стремясь их познать и использовать в своей деятельности. Конечно, это лишь небольшой эпизод в истории народов земного шара за последние десятилетия, однако он показывает реальную возможность координации усилий множества различных стран для достижения общей разумной и благородной цели.