Нил Шубин – Края Земли. Путешествия к полюсам в поисках понимания жизни, космоса и нашего будущего (страница 4)
Этот гляциологический дзен-буддистский парадокс объясняет странности и особенности льда. Физические свойства молекул воды определяют многие характеристики нашего мира. Вода – чрезвычайно важное вещество, поскольку она существует в твердом, жидком и газообразном состоянии в сравнительно узком диапазоне температур. Понятно, что лед вблизи точки замерзания воды (около нуля по Цельсию) не горячий по температурным показателям. Но из‐за физических свойств молекулы воды лед можно назвать “горячим”, имея в виду температуру, необходимую для его превращения в жидкость. Стальной стержень плавится при температуре около 1200 °C. Чтобы перевести сталь из твердого состояния в жидкое (не говоря уже о газообразном), ее нужно чрезвычайно сильно нагреть. А лед плавится при температуре 0 °C, и это означает, что в обычных условиях он находится гораздо ближе к переходу в жидкое состояние, чем такой материал, как сталь. Для перевода воды из твердого состояния в жидкое требуется лишь незначительное изменение температуры. А поскольку давление и температура связаны между собой физической зависимостью, под давлением лед плавится при еще более низкой температуре. Лед в основании ледников находится под таким давлением, что оказывается непосредственно на границе этого перехода.
Шридхар Анандакришнан в своей стихии
Именно “горячая” природа льда стала причиной одной из самых бурных дискуссий в истории науки. И речь не о каком‐то эзотерическом академическом диспуте – этот конфликт подчеркивает необычность свойств льда.
Епископ города Анси во Франции Луи Рандю интересовался одновременно Творцом и поведением ледников в горах вблизи своего дома на границе со Швейцарией. В 1840 году, поразмыслив о перемещении льдов и разглядывая форму ледников, Рандю выдвинул предположение, что лед движется по наклонной плоскости подобно сгусткам меда. Мед – вязкая субстанция, которая деформируется, когда соскальзывает, растекается и следует топологии поверхности, по которой сползает. Используя эту аналогию, Рандю предположил, что ледниковый лед распространяется так же, заполняя долины со всеми их извилинами и трещинами. Епископ Рандю опубликовал свои выводы в трактате “Теория савойских льдов” и отметил, что ледники обладают “некоторой растяжимостью” и “могут двигаться, как мягкое тесто”. В 1841 году физик Джеймс Форбс узнал о теории Рандю и способствовал ее распространению, выдвинув собственную “вязкую или пластичную теорию передвижения ледников”.
Далее в обсуждение включился лорд Кельвин (Уильям Томсон), позднее прославившийся благодаря своим открытиям в области физики, в том числе в термодинамике. Он работал над теорией поведения ледников вместе с братом. Они обратили внимание, что при повышенном давлении лед плавится при более низкой температуре, чем обычно. Это означало, что в глубинах ледников, где давление выше, лед может превращаться в жидкую воду, при этом оставаясь холодным. В таком случае жидкость в основании ледника служит смазкой между льдом и поверхностью камней под ним, и весь ледник может скользить по этой поверхности. Плавление происходит в любом месте, где лед оказывается под давлением. Внутренности ледника могут плавиться и распадаться на части, и эти части могут сползать вниз с разной скоростью. Братья Томсон предположили, что ледник движется не как единый блок льда; поскольку разные внутренние части ледника находятся под разным давлением и плавятся в разное время, лед трескается и скользит вниз, а при контакте отдельные части могут заново сливаться и смерзаться.
Гордый шотландец, физик Джон Тиндаль, был одновременно активным сторонником идеи Кельвина и ярым противником теории Рандю и Форбса. Вообще говоря, Тиндаль испытывал к Форбсу долгую и глубокую неприязнь. Прежде чем заинтересоваться ледниками, Тиндаль уже атаковал теории Форбса по другим вопросам, в том числе даже по поводу музыкальных инструментов. Тиндаль никогда не упускал возможности напасть на Форбса и выставить его на осмеяние. Тиндаль счел совершенно необоснованным употребление Форбсом термина “вязкий” в отношении ледников. Ему казалось очевидным, что ледники двигаются не как вязкое вещество вроде меда: они трескаются, проскальзывают по жидкой воде в их основании и смерзаются заново, как предположил лорд Кельвин.
Задним числом становится понятно, что все они – Рандю, Форбс, Кельвин и Тиндаль – были в какой‐то степени правы. Выясняется, что ледниковый лед может вести себя и так и эдак. Это не одна материя, это много материй. Частично твердый, частично жидкий, частично пластичный – ледниковый лед может скользить, гнуться, просачиваться и вновь смерзаться. Там, где присутствует жидкая вода, порой происходят странные вещи. Когда находящийся под давлением лед превращается в жидкую воду, отдельные части ледника движутся по отношению друг к другу, как студень. Ледники умеют обтекать препятствия, как река обтекает каменную скалу, а глубокие слои могут выталкиваться на поверхность.
Благодаря многообразию льдов полярные пейзажи очаровывали людей на протяжении тысячелетий. Говорят, что в языке эскимосов есть 52 слова для обозначения снега и льда. Возможно, это конкретное число не соответствует действительности, но эскимосы и правда используют разные сочетания слов и выражений для описания формы, типа, прочности льда и его пригодности для перемещений, приготовления пищи или охоты. По мере кристаллизации, плавления и передвижения полярный лед может принимать самые разнообразные формы. Пространство вокруг Мак-Мердо, как в микрокосмосе, отражает это многообразие ледяного мира. Горная гряда поблизости от Мак-Мердо напоминает пустыню, что понравилось бы Рандю: лед покрывает горы как чистая белая глазурь и стекает, заполняя долины и ущелья. В других местах лед напоминает стекло, разбитое на осколки, полосы или глыбы разных форм и размеров – от маленькой машинки до небоскреба. Море покрыто льдом, в одно время года напоминающим слой пены, в другое – нагромождение многоугольных глыб, а в третье – сложенное одеяло. Благоговейный восторг, который мы испытываем при виде полярных пейзажей, отчасти объясняется тем, что молекула с такой простой формулой, как H2O, способна создавать необычайно разнообразный мир форм и движений.
Структура льда может быть самой разной – от отдельных кристаллов до щитов размером с Северную Америку. Эта сложность – ключ к его скрытому влиянию на ландшафты и изменения всего нашего мира.
Жизнь на льду
В полярные регионы меня привели поиски древнейшей рыбы, которая впервые выбралась на сушу. Может показаться странным, что окаменелости рыбы мы ищем вблизи полюсов, однако перемещения континентов на протяжении всей истории Земли приводили к тому, что горные породы, сформировавшиеся вблизи экватора миллионы лет назад, оказывались на высоких южных или северных широтах. Уже после того, как мы с коллегами в 2004 году обнаружили “рыбу с ногами” (рыбу с передними и задними лапами возрастом 375 миллионов лет) в камнях канадской Арктики, мы нашли научные статьи с описанием аналогичных горных пород в Антарктике.
Через Антарктику проходит Трансантарктический хребет, который, в соответствии с названием, пересекает весь континент. Вершины этих гор напоминают каменистые “верхушки айсбергов”. Горы имеют высоту более четырех тысяч метров от основания, но покрыты слоем льда толщиной в несколько километров, и поэтому камни выступают над поверхностью льда всего на несколько сотен метров. В 1914 году экспедиция Роберта Фалькона Скотта обнаружила в таких камнях окаменелую рыбью чешую. В 1960‐е годы новозеландские исследователи под руководством сэра Эдмунда Хиллари, а через два десятилетия Маргарет Брэдшоу нашли еще больше рыбьих костей и зубов. За более чем полуторавековую историю антарктических исследований Брэдшоу стала одной из первых женщин, руководивших такими дальними экспедициями. В 2018 году мы с моей группой следовали по стопам Брэдшоу, чтобы отыскать в этих горах следы “рыбы с ногами”. Но, как и в любой экспедиции на этом континенте, главным действующим лицом всегда остается лед, и этот лед оказывает влияние на весь наш мир.
В составе любой дальней экспедиции есть проводник-альпинист, который перед походом обучает команду тактике поведения на льду, а в полевых условиях помогает обеспечивать безопасность. Я был научным руководителем экспедиции, но возможности нашего передвижения определял альпинист: мы с ним обсуждали ситуацию ежедневно за утренним кофе, пока остальные еще спали. Я встретился с Форрестом Маккарти по совету ветеранов антарктических исследований еще дома, когда готовился к экспедиции. У него пронзительные голубые глаза, которые видят вас насквозь, и почти детский восторг в отношении работы на льду. К моменту нашего знакомства он сопроводил десятки групп и участвовал в поисковых и спасательных работах в районе Мак-Мердо и на горе Денали на Аляске. Еще с 2017 года, за год до этого конкретного путешествия, мы с Форрестом начали обсуждать необходимое снаряжение и разглядывали снятые с воздуха фотографии, чтобы понять, как попасть в эти места и выполнить работу безопасным образом. Наш план заключался в том, чтобы с запасами пищи и топлива и снегоходами долететь до середины плоского ледника, называемого ледником Обмана, а затем на снегоходах перебраться к месту стоянки у основания гор, в которых могли содержаться окаменелости.