Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом

Облака – давно известное и вместе с тем таинственное явление. Они образуются при конденсации водяного пара в мелкие капельки воды или в кристаллики льда. Некоторые облака между тем извергают целые потоки воды, в то время как из других не проливается ни единой капли. Почему? Мы до сих пор находимся в неведении относительно этого.

Загадка кроется в физическом процессе образования льда. Облака рождают дождь или снег, когда содержащиеся в них капли становятся достаточно большими, чтобы преодолевать атмосферные восходящие потоки. Казалось бы, в основном с неба должны падать замерзшие частицы воды: кристаллы льда растут быстрее, чем водяные капли, а это значит, что они успевают достичь нужного веса до того, как испарятся и исчезнут. Но, как бы странно это ни было, чистая вода в атмосфере может оставаться в жидком состоянии вплоть до температуры –40 °C. Похоже, капелькам воды в облаках требуется какая-то помощь, чтобы из них получился лед. В этом явлении по-прежнему скрыт некий секрет, который связан с молекулярным строением воды и льда.

Помощь приходит в виде «ледяных зародышей» – частиц или аэрозолей, переносимых по воздуху. Молекулы воды группируются вокруг крошечных объектов, создавая решетчатую структуру кристаллов льда. В качестве зародышей могут выступать крупинки соли из брызг океанских волн и пыль, переносимая ветрами, дующими из пустыни – таких частиц всегда много в атмосфере. Но с их помощью можно «посеять» ледяные кристаллы только при температуре ниже –15 °C. А выше этой температуры – характерной для внутренних областей почти половины всех облаков, пролетающих над сушей, – механизм не работает. Очевидно, есть что-то еще в облаках, скрывающееся от нашего взора.

Рис. 6.6. Облакам часто нужна дополнительная «помощь», чтобы они могли разразиться ливнем.

Что же это может быть? В начале 1970-х годов исследователи показали, что одним из катализаторов образования льда, даже в относительно теплых условиях, может быть сиреневый псевдомонас – фитопатогенная бактерия, паразитирующая на листьях растений. Она обладает способностью вызывать быстрое обморожение и таким образом проникать в ткани растения: остроконечные ледяные кристаллы вспарывают клетки листьев, подавая внутрь биогенные вещества.

Весной 1978 года ученый-фитопатолог Дэвид Сэндс из Университета штата Монтана (Бозмен, США) нанял небольшой самолет в исследовательских целях. Он обнаружил, что сиреневый псевдомонас содержится в облаках высоко над землей. Ученый предположил, что эти бактерии могут вызывать как моросящие дожди, так и ливни. Геофизики, исследующие атмосферу, встретили данную идею в штыки.

Примерно через десять лет после этого открытия исследователям удалось выделить один из генов, создающий белок, который провоцирует образование льда. Затем были открыты многие другие виды микроорганизмов, обладающих этой способностью, включая различные виды грибов. Но идею Сэндса всерьез все еще никто не воспринимал.

Такое положение дел начало меняться в 2007 году. Ученые собрали образцы свежего снега со всего мира, чтобы подробно исследовать зародыши образования льда, которые были помещены в чистую воду и охлаждены. Это было сделано для того, чтобы выделить образцы, замерзающие при температуре выше −7 °C. Затем эти образцы нагрели, чтобы уничтожить любые белки; это должно было дезактивировать любые биологические затравки. Когда капельки снова охладили, большинство из них потеряло способность замерзать при температуре выше –7 °C. Это явно указывало на то, что большинство зародышей льда имели биологическую природу. В 2015 году были проделаны аналогичные исследования гигантских градин, обнаружившие, что они тоже обязаны своим происхождением биологическим частицам, которые превратили воду в лед.

И таких биологических «затравок» на самом деле много. В последние годы мы нашли множество микроорганизмов, живущих на большой высоте – там, где они могут влиять на процессы, происходящие внутри облаков. В одном из исследований были взяты пробы на высоте до 10 000 метров над Атлантическим океаном, Карибским морем, Мексиканским заливом и континентальной частью США во время прохождения ураганов Эрл и Карл. В пробах насчитали 314 различных видов бактерий, большинство из которых оказались живы. Было обнаружено примерно такое же количество биологических клеток, как и частиц почвы и пыли.

Рис. 6.7. Чтобы пошел дождь, в облаках, как правило, должны сформироваться ледяные кристаллы. Чистая вода может оставаться в жидком состоянии до –40 °С, но микроскопические частицы могут вызвать образование льда при более высоких температурах.