Представьте вид, открывающийся со склона высокого холма в один из солнечных дней, когда по ярко-голубому небу плывут лишь несколько пухлых белых облаков, как будто помещенных для большего разнообразия картины. Если взглянуть вдаль, можно увидеть зеленые деревья, траву и темную землю. Эта сцена освещается солнечным светом – за исключением теней, отбрасываемых на землю облаками. Но солнечный свет, который достиг земли, расстилающейся перед вами, отличается от излучения, испускаемого раскаленным Солнцем. Земная атмосфера поглотила длинные инфракрасные волны и большую часть коротких ультрафиолетовых волн, однако видимый свет проник сквозь атмосферу практически в неизменном виде. Атмосфера уже отобрала волны, которые достигнут земной поверхности, и это видимые световые волны. Для них небо ведет себя как атмосферное окно, беспрепятственно пропускающее их. Для радиоволн есть другое атмосферное окно (именно поэтому радиотелескопы могут всматриваться в космос), но большинство других длин волн блокируются земной атмосферой.
Чем темнее земля, которую вы можете видеть, тем больше видимых волн ею поглощается. А поглощенная энергия солнечного света в конечном счете превращается в тепло. Если в солнечный день прикоснуться рукой к темной земле, вы его почувствуете. Остальной солнечный свет отражается вверх и возвращается в космос через атмосферное окно. Если где-то вовне существуют разумные существа, то этот отраженный солнечный свет позволяет им увидеть нас, землян.
Но вот земля прогрелась и, подобно нагревательному элементу тостера, должна отдавать энергию в виде излучения благодаря повысившейся температуре. Разумеется, это не очень высокая температура, поэтому мы не наблюдаем сияния. Но в инфракрасном свете, характеризующемся большей длиной волны, прогретая земля похожа на светящуюся электрическую лампочку. Вот здесь-то и вступает в действие парниковый эффект. Чистый атмосферный воздух не создает особых препятствий для волн в инфракрасном диапазоне, и они возвращаются в космос. Но некоторые газы – водяные пары, двуокись углерода, метан и озон – становятся непреодолимой преградой на их пути. Несмотря на небольшую долю в земной атмосфере, они очень интенсивно поглощают волны в инфракрасном диапазоне. Эти газы называют парниковыми газами. Если вы присмотритесь к происходящему вокруг, то заметите, что видимый свет отражается от земной поверхности, но не увидите инфракрасный свет. Если бы вы могли его видеть, то обратили бы внимание, как быстро снижается его интенсивность по мере удаления от земной поверхности. Атмосфера активно поглощает инфракрасный свет, отраженный от земной поверхности. Молекулы газа быстро отдают приобретенную ими энергию, излучая ее в окружающее пространство в виде новых волн в инфракрасном диапазоне. Но здесь есть важный момент. Когда эти новые волны излучаются в окружающее пространство, они распространяются равномерно во все стороны. Лишь некоторые из них направляются вверх и в конце концов покидают земную атмосферу, а некоторые устремляются вниз и повторно поглощаются земной поверхностью. Таким образом, часть излучаемой энергии захватывается атмосферой. Этот небольшой дополнительный нагрев делает нашу планету теплее, чем она могла бы быть, обеспечивая наличие на Земле воды в жидком состоянии. В результате должен установиться новый баланс: количество поступившей и ушедшей энергии должно быть одинаковым (иначе земная атмосфера нагревалась бы все больше и больше). Следовательно, Земля нагревается до тех пор, пока сможет отдавать в окружающее пространство достаточное количество энергии инфракрасных волн, чтобы установился баланс «прихода и расхода».
В этом и состоит сущность парникового эффекта[54]. В основном он носит естественный характер: в атмосфере содержится много водяных паров и углекислого газа, причем состояние равновесия наступает при средней температуре земной поверхности, равной 14 ℃. Но при сжигании топлива органического происхождения люди добавляют в атмосферу изрядное количество углекислого газа, в результате чего она захватывает большее количество энергии инфракрасных волн, которая в противном случае могла бы покинуть земную атмосферу. Это приводит к изменению баланса, причем его новое состояние достигается при более высокой температуре земной поверхности. Количество углекислого газа, задействованное в этих процессах, очень мало: в 1960 году на каждый миллион частей атмосферного воздуха приходилось 313 частей CO2, а в 2013-м – примерно 400 частей CO2. На первый взгляд такое увеличение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе кажется незначительным. Но не следует забывать, что молекулы углекислого газа поглощают лишь волны определенной длины. Метан поглощает инфракрасные волны еще интенсивнее, чем углекислый газ. С этой точки зрения указанные газы играют очень важную роль. Именно парниковый эффект привел к возникновению жизни на Земле, однако он может обусловить и существенное изменение температуры на планете. Все это касается волн, которые мы не можем видеть непосредственно. Но уже сейчас можем оценить возможные последствия изменения температурного баланса.
Как указывалось выше, окружающая среда переполнена всевозможными видами волн: радиоволнами, волнами видимого света, океанскими волнами, «тяжеловесными» звуковыми волнами, издаваемыми китами под водой, и высокочастотными сигналами эхолокации, используемыми летучими мышами. Все эти разнотипные волны мирно сосуществуют в общей среде, никак не влияя друг на друга. Но есть еще один вопрос, на который нам предстоит ответить. Что происходит вследствие пересечения однотипных волн? Результат такого пересечения выглядит великолепно, когда вы держите на ладони переливающуюся жемчужину, но представляется крайне нежелательным, когда разговариваете по мобильному телефону.
Двустворчатый моллюск (морская жемчужница) Pinctada maxima обитает на морском дне, на глубине нескольких метров в лазурных водах вблизи Таити и других островов, расположенных в южной части Тихого океана. Когда он питается, две створки его раковины слегка раскрываются, и он всасывает в больших количествах морскую воду (по нескольку галлонов в сутки), отфильтровывает питательные вещества и усваивает их. Очищенная таким образом вода возвращается в океан. Проплывая над моллюском, вы можете даже не заметить его, поскольку его шершавая, бежево-коричневатая раковина превосходно маскируется под окружающую среду. Эти фильтры океанской воды сочетают в себе высокую функциональность и неброский внешний вид. То, что скрывается под их створками, изначально не предназначалось для посторонних глаз. Тем не менее Клеопатра, Мария Антуанетта, Мэрилин Монро и Элизабет Тейлор с гордостью носили жемчужные украшения, изготовленные из загадочного содержимого раковин Pinctada maxima и других жемчужных устриц.
Время от времени между створок устриц попадает какой-то посторонний предмет, не усваиваемый организмом моллюска, но оказывающий на него раздражающее действие. Поскольку моллюск не в состоянии от него избавиться, он окутывает его в безвредную оболочку из такого же материала, каким покрыта внутренняя поверхность створок раковины. Это похоже на то, как нерадивая хозяйка наскоро сметает мусор под ковер, вместо того чтобы выбросить его в корзинку для мусора (к сожалению, даже по прошествии значительного времени мусор под ковром не приобретает большой ценности – в отличие от жемчужины). Это покрытие выполнено из крошечных пластиночек (бляшек), скрепляемых между собой органическим клеем и наслаивающихся друг на друга. Процесс строительства оболочки очень длительный (недавно было обнаружено, что в ходе формирования жемчужины она вращается вокруг собственной оси, причем на один полный оборот уходит около пяти часов). Приливы сменяются отливами, один сезон другим, мимо проплывают акулы, морские скаты и черепахи, а моллюск спокойно лежит на дне, пропуская через себя океанскую воду и медленно проворачивая между своими створками формирующуюся жемчужину.
Такая безмятежность длится годами, пока в один не самый удачный для моллюска день его не достанет с морского дна ловец жемчуга и не вскроет створки раковины. Когда солнечный свет впервые попадает на жемчужину, извлеченную из-под створок моллюска, световые волны отражаются от ее ярко-белой поверхности. Но не просто от верхнего слоя бляшек, а частично проникают в нижние слои бляшек, отражаясь и от них. Может произойти несколько таких отражений, прежде чем свет выйдет наружу. При этом возникает ситуация, когда волны одного и того же типа – пускай это будет зеленая составляющая солнечного света – налагаются друг на друга. Они по-прежнему не оказывают взаимного влияния, но складываются между собой. Иногда зеленая световая волна, которая отразилась от верхнего слоя жемчужины, точно совпадает по фазе с зеленой световой волной, отразившейся от следующего слоя, расположенного непосредственно под верхним. Поскольку эти волны совпали по фазе, их пики и впадины идеально сочетаются друг с другом. В нашем случае это означает усиление зеленой световой волны. Но, возможно, у красной составляющей солнечного света, падающей на жемчужину под таким же углом и отражающейся от разных слоев аналогичным образом, не происходит столь идеального совпадения по фазе: пики от одной красной световой волны совмещаются со впадинами другой красной световой волны; иными словами, эти волны налагаются друг на друга в противофазе. А это приводит к тому, что в данном направлении красный свет вообще не выходит из жемчужины.
Именно благодаря этому слоистому строению жемчуга невзрачный моллюск, мирно коротающий свои дни в южной части Тихого океана, создает нечто крайне притягательное для самых гламурных личностей в нашем обществе. Эти слои настолько тонкие, что способны обеспечивать идеальное совпадение фаз однотипных световых волн, отражающихся от разных слоев, идеальное наложение этих волн и результирующие яркие цветовые эффекты. Под определенными углами волны отраженного света усиливают сами себя, в результате чего мы наблюдаем мерцания красного и зеленого цветов на яркой белой поверхности. Под другими углами можно наблюдать мерцание синего цвета или отсутствие какого-либо цвета, кроме белого. Если жемчужину поворачивать туда-сюда в лучах солнечного света, то мы увидим сверкания, возникающие в результате сложения волн той или иной длины, – это явление называется переливчатостью и производит сильное эстетическое впечатление, за что высоко ценится людьми, но, к сожалению, оно очень редко встреча