Средства чудесного оповещения

Многие священные тексты и предания разных времен и культур рассказывают о том, как божества оповещали (или еще оповестят) мир о конце света, своем недовольстве людьми или других важных событиях, творя чудеса и знамения. И некоторые из них вполне реальны — в том смысле, что их можно воспроизвести с помощью техники. Рассказываем, как зажечь на небе рукотворную звезду, нарисовать на облаках всадника и заставить потемнеть солнце.

Зажечь звезду

Человечество пока не научилось создавать настоящие звезды, которые светят благодаря термоядерным реакциям (о прогрессе в этой области можно прочитать в материале «Солнце — в бутылку!»). Однако мы уже умеем создавать объекты, которые выглядят как звезды. Подняв глаза к небу в ясную ночь, вы можете увидеть десятки таких звезд — это космические аппараты, отработавшие ступени ракет и объекты космического мусора, которые так раздражают астрономов. Однако все те же астрономы иногда создают для себя искусственные звезды, причем не утруждая себя космическими пусками.

Даже в хорошую погоду работе наземных телескопов мешает атмосфера. Далекие для наблюдателя с Земли объекты дрожат из-за естественного хаотического движения потоков атмосферного воздуха, что ухудшает точность измерений. Поскольку остановить беспорядочные колебания атмосферы практически невозможно, ученые справляются с ними по-другому — при помощи адаптивной оптики. Решение состоит в том, чтобы найти или расположить по направлению вблизи объекта наблюдений опорный источник света, неискаженная форма изображения которого известна. Тогда, наблюдая за тем, как дрожание воздуха искажает это изображение, можно настроить обработку сигнала так, чтобы восстановить правильную картинку. Затем тот же алгоритм обработки применяется и к полезному сигналу от наблюдаемого источника. Таким образом, система в режиме реального времени адаптируется под атмосферные искажения и подавляет их.

В качестве эталонного объекта астрономы используют лазерные опорные звезды (laser guide stars). Так называют световые пятна, которые создают в атмосфере при помощи подсвечивающих ее лазерных пучков. Длину волны луча подбирают так, чтобы энергия частиц совпала с энергией возбуждения атомов в атмосфере. В современных установках лазеры обычно настроены на подсвечивание натрия, слой которого находится на высоте около 90 километров. Встретив фотон подходящей энергии, атом поглощает и переизлучает его в случайном направлении — в результате часть света возвращается назад, и на небе загорается светлое пятно — искусственная звезда.

Среди космических аппаратов есть и такие, чья главная задача состоит именно в том, чтобы светиться как звезда. Это пассивные — не снабженные (или почти не снабженные) сложным оборудованием объекты с отражающей поверхностью. Как правило, их используют для атмосферных или геодезических измерений, наблюдая за тем, как спутники отражают солнечный свет и световые сигналы. Однако 21 января 2018 года компания Rocket Lab вывела на полярную орбиту спутник Humanity Star, назначение которого было чисто символическим. Как сообщалось на сайте проекта, отражающая солнечный свет сфера из 65 отражающих панелей, видимая (в разное время) со всех континентов, должна была стать «ярким символом и напоминанием для всех жителей Земли о нашем хрупком месте во вселенной».

Компания предполагала, что спутник проведет на орбите девять месяцев, в реальности же искусственная звезда продержалась на небосводе значительно меньше — уже через два месяца после запуска, 22 марта 2018 года, Humanity Star вновь вошла в атмосферу планеты и угасла.

Похожий проект пытались реализовать в России в 2015 году. Энтузиасты разработали и построили малый спутник «Маяк» с пленочным отражателем, который должен был стать самым ярким объектом на ночном небе после Луны. Аппарат запустили в июле 2017 года, но астрономы-любители так и не смогли увидеть его. По одной из версий, спутник не смог раскрыть отражатель из-за утечки топлива из разгонного блока «Фрегат».

Уронить звезду

Еще один тип грозных знамений — звездопады. Необычайно сильные метеорные потоки — сгорающие в атмосфере частицы космической пыли — всегда пробуждали в людях апокалиптические настроения (читайте об этом в нашем материале «Пыль кометных дорог»). Если верить новозаветным текстам, звезды начнут падать с неба перед концом света.

Несмотря на это, мы уже предпринимаем попытки искусственно организовать звездные дожди. 18 января 2019 года токийский стартап ALE Co. Ltd запустил спутник, который может создавать звездопады. Механизм этого аналогичен естественным метеорным потокам: на борту аппарата находится несколько сотен шариков сантиметрового размера, которые в нужный момент сбрасываются и, падая, сгорают в атмосфере, оставляя за собой светящийся след, который с поверхности Земли должен выглядеть, как падающая звезда.

Первоначально планировалось, что первый искусственный звездопад состоится весной 2020 года над Хиросимой, а позже небесное шоу устроят на открытии Олимпийских игр в Токио. Рукотворный звездный дождь пришлось отложить (как и саму Олимпиаду, из-за пандемии ковида) — возможно, мы все-таки увидим его в ближайшем будущем.

Кино в облаках

Множество «классических» чудес и знамений сопровождается появлением в небе различных знаков и фигур — например, видение креста в Иерусалиме в 351 году или Фатимское чудо 1917 года. 

Один из способов получить изображение в небе сегодня — проецировать на облака свет лазеров. Капли и мелкие частицы, составляющие облако, рассеивают и частично отражают излучение — образуется красочное изображение. Тем не менее, создать качественную проекцию удается не всегда: луч частично рассеивается по дороге к облакам и теряет интенсивность, а сами облака иногда плохо отражают свет — в результате на практике метод становится требовательным к условиям: картина хорошо видна лишь при большой мощности лазера, достаточно близком расположении к облакам (то есть либо при использовании в качестве экрана низких типов, либо при установке лазера на высотном здании или природной возвышенности) и при взгляде на нее под подходящим углом (большая часть излучения отражается назад, и наблюдать картину легче вблизи положения лазера). Кроме того, атмосферу «чуда», вероятно, будет нарушать видимость самого луча, который предательски укажет на источник небесной картины.

Оригинальный способ лазерной проекции нашел художник-изобретатель Дэйв Линч (Dave Lynch), который вместе со своей научно-инженерной командой реализовал 2015 году проект Nimbus, на создание которого автора вдохновило прочтение статьи о нелетальном оружии — в ней предлагалось проецировать на облака над осажденным городом изображения разгневанного божества, чтобы напугать жителей.

Вместо того, чтобы проецировать изображение с поверхности земли, Линч конструирует лазерный зоопраксископ, щели в котором заменяются полусферическими линзами, и с его помощью транслирует на облака анимированное изображение зеленого всадника, которое составлено на основе серии фотографий «Салли Гарднер в галопе» за авторством изобретателя зоопраксископа — Эдварда Мэйбриджа.

Заставить море расступиться

Как гласит ветхозаветная книга Исход, еврейский народ под предводительством Моисея избавился от египетского владычества и, уходя от погони, оказался на берегу моря. Моисей простер руку, и «гнал Господь море сильным восточным ветром всю ночь и сделал море сушею, и расступились воды», и сыны Израилевы перешли на противоположный берег. В то же время их преследователям, неразумно пошедших следом, было суждено погибнуть — пропустив спасающихся, морские воды сомкнулись над египтянами.

Ученые неоднократно делали попытки проверить, могут ли воды действительно расступиться под действием сильного ветра, который давил бы на поверхность жидкости и постепенно отгонял воду от подветренного берега. В 2003 году Наум Вольцингер и Алексей Андросов из Института океанологии РАН опубликовали результаты исследования, в котором успешно смоделировали обнажение рифа в северной части Суэцкого залива. Тем не менее, для этого ветру пришлось придать северо-западное (а не восточное) направление, а на достижение стационарного состояния (то есть возникновение стабильного прохода) в симуляции ушло свыше десятка часов.

В 2010 году, Карл Дрюс (Carl Drews) и Вэйцин Хань (Weiqing Han) из Колорадского университета провели более детальную симуляцию, в которой доказали, что восточный ветер скоростью около 100 километров в час (28 метров в секунду) может создать проходимый путь посреди озера Манзала на северо-востоке Египта, оттеснив воду к западу и югу. Сухая область километровых размеров в симуляции формировалась на десятом часу воздействия ветра и сохранялась примерно четыре часа, что, по словам авторов, могло позволить группе людей перебраться на противоположный берег водоема.

Однако чтобы воспроизвести библейское чудо силами техники, нужно еще и создать продолжительный ветер, который дует со скоростью в десятки метров в секунду. Для этой цели можно применить изобретение Филлипа Карлсона (Phillip Karlson), которое тот запатентовал в 1975 году. Идея заключается в том, чтобы соорудить высокую полую цилиндрическую башню и расположить у ее вершины увлажняющую установку. Насыщенный влагой воздух станет плотнее, чем окружающий его сухой, и начнет проваливаться вниз, набирая скорость в поле тяжести — у основания башни можно сформировать быстрый направленный поток влажного воздуха — искусственный ветер, и получать таким образом энергию.

С 1982 года над проектом энергетической башни (energy tower) работает исследовательская группа в университете Технион под руководством Дана Заславского (Dan Zaslavsky), с начала XXI века разрабатываются планы о постройке таких генераторов. Подобные проекты еще не были реализованы на практике, однако результаты вычислений показывают, что установка может работать круглосуточно и при высоте башни около километра можно обеспечить скорость ветра у подножия около 22 метров в секунду.

Для коммерческих организаций такие характеристики делают проект перспективным способом добычи энергии, а для нас — говорят о гипотетической возможности заставить небольшой водоем расступиться под действием искусственного ветра. Хотя, конечно, количество гигантских ветряных установок, которые потребуются для покрытия ветром достаточной площади и преодоления естественного затухания воздушных потоков, сделают такое техническое чудо несоизмеримо дорогостоящим и долгим по сравнению с возведением моста или постройкой корабля).

Дожди кровавые и обычные

Библия и ряд других текстов рассказывают о Всемирном потопе — длительном дожде и наводнении, которые посылались людям в качестве божественного наказания. Сегодня управление дождями освоили на практике — в ходе войны во Вьетнаме армии США удалось втрое увеличить количество осадков в течение сезона дождей, затопив сельскохозяйственные поля и размыв транспортные пути.

К счастью, с тех пор рукотворные осадки больше не использовали с враждебным умыслом — с октября 1978 года воздействовать с такой целью на окружающую среду запрещено конвенцией ООН. Вместо этого технология нашла множество мирных применений — от разгона облаков (то есть преждевременного их опорожнения) до искусственного влияния на недостаточно влажный климат.

Идеи о том, как заставить облака изливать осадки, высказывались еще в конце XIX века. Метод состоит в том, чтобы распылять в облаках частицы и создавать таким образом центры кристаллизации — небольшие области, в которых молекулы воды, находящиеся в метастабильном (то есть долгоживущем, но все-таки неустойчивом) состоянии, начинают спонтанно соединяться друг с другом и образовывать кристалл (это же происходит и при образовании обычного дождя, но путем распыления частиц процесс можно искусственно ускорять).

Когда на этот кристалл намерзает достаточно много льда, давление воздуха перестает компенсировать гравитацию — и льдинка падает. Если по дороге она успеет достаточно нагреться и растаять — на землю прольется дождь, а если не успеет — снег или град.

Технических способов засева облаков известно множество — от распыления вещества с самолетов и других летательных аппаратов до использования модифицированной артиллерии. Самый масштабный проект в этой области реализовали китайские инженеры — на территории засушливого тибетского плато планируют развернуть сеть специальных печей, которые будут выбрасывать в атмосферу йодид серебра. Кристаллики йодида будут уноситься восходящими потоками воздуха и, попадая в облака, вызывать осадки. По словам создателей проекта, к концу марта 2018 года около удалось наладить работу 500 «дождевых установок». Со временем китайцы собираются довести уровень осадков в регионе до 10 миллиардов кубометров в год — это около 1,5 процента от годового потребления пресной воды в стране.

Совсем недавно, в начале декабря 2020, стало известно о новых планах китайцев по управлению погодой. Теперь речь идет не только о провоцировании осадков, но и о переносе влаги в засушливые районы по неким «воздушным коридорам» в тропосфере. Детали технологии не уточняются, однако масштабы снова впечатляют: речь идет о пяти миллиардах кубометров в год.

Другое любопытное применение распылению частиц в дождевых облаках — окрашивание дождей. Подобрав краситель и удачно распылив его, можно, например, организовать искусственный «кровавый дождь» — подобное явление неоднократно упоминается в исторических документах (прежде всего, разумеется, как недоброе знамение).

В 2001 году дождь красного цвета наблюдали на территории индийского штата Керала — по некоторым предположениям, дождь был окрашен пылью от взрыва метеора, а по другим воспринимался как доказательство панспермии, то есть гипотезы о переносе жизни через космическое пространство. Однако согласно официальным отчетам необычный цвет дождю придал вполне земной организм — споры водоросли из рода Trentepohlia, тогда как никаких следов пыли (метеоритной, пустынной или вулканической) в образцах дождевых капель обнаружить не удалось.

Призвать мрак

Обязательный элемент пророчеств о конце времен — приход тьмы. Солнце мы погасить не можем, но сделать так, чтобы его лучи не достигали земли, человечеству вполне по силам. Существуют способы глобального затемнения, которые даже не требуют ядерной войны. Управление освещенностью нашей планеты — одна из задач солнечной геоинженерии, которая призвана уменьшить негативные последствия изменений климата. 

Одна из основных идей тут — распыление в стратосфере (то есть на высоте 10–50 километров над поверхностью земли) аэрозоля, то есть множества частиц размером в микрон или даже его десятые доли. Смешиваясь с воздухом и распространяясь над обширной территорией, такие частицы отражают солнечное излучение обратно в космос, и, таким образом, препятствуют нагреву поверхности планеты.

Одним из перспективных кандидатов на роль экранирующих частиц являются серные аэрозоли, которые известны своей способностью заслонять солнечный свет. Согласно оценкам, для преодоления парникового эффекта потребуется распыление от полутора до пяти мегатонн серы в год — весьма скромное количество на фоне выбросов серы, обусловленных сжиганием ископаемого топлива — за 2000 год, например, это число составило от 55 до 68 мегатонн (подробнее об этом можно узнать в материале «Я тучи разведу руками»).

Реализовать это можно было бы силами гражданской и военной авиации, а также модифицированной артиллерии. Тем не менее, метод по-прежнему остается ненадежным — его проверка ограничивается сегодня моделированием (которое иногда заставляет сомневаться в его эффективности) и опытами в лабораторных условиях, или гораздо более низких слоях воздуха — тропосфере. Последствия здесь могут оказаться самыми неприятными — от глобальных климатических изменений и пагубного воздействия на здоровье человека до локального наступления настоящей библейской темноты, если переборщить с концентрацией аэрозоля.

Есть и более грандиозные задумки. Так, в 2012 ученые из Университета Стратклайда под руководством Рассела Бевика (Russel Bewick) показали, что уровень солнечной освещенности можно снизить, заслонив планету облаком астероидной пыли. Для этого авторы предложили закрепить крупный (тридцатикилометровый) астероид во внутренней точке Лагранжа системы Земля—Солнце, то есть на таком расстоянии от Земли, где притяжение планеты и звезды придают телу синхронную орбиту и фиксируют его относительное положение в пространстве (около полутора миллионов километров). После этого в гравитационном потенциале уже трех тел — астероида, Земли и Солнца формируются новые равновесные точки, в которых могут удерживаться пылевые частицы, искусственно выброшенные с поверхности астероида. Численные оценки показали, что такой способ позволяет снижать освещенность до 6,6 процентов — этого с запасом хватает, чтобы победить парниковый эффект.

Встречаются и еще более фантастические идеи — так, писатель и астрофизик Грегори Бенфорд в 2004 году предложил поместить в ту же точку Лагранжа линзу Френеля тысячекилометрового диаметра, которая отводила бы от планеты часть солнечных лучей. А еще раньше, в середине прошлого века, Артур Кларк в фантастическом романе «Конец детства» описал конструкцию из двух гигантских поляризаторов излучения. Инопланетяне-герои произведения скрещивали их перпендикулярно, подавляя таким образом все колебания световой волны и затемняя пятисоткилометровую область на территории Южной Африки.

Окажутся ли смелые идеи ученых и фантастов решением насущных проблем Земли, или же так и останутся не более чем красивыми идеями, рассудит время. Однако уже сегодня, глядя на достигнутое и достижимое наукой, можно сказать, перефразируя законы Артура Кларка, что достаточно развитая технология не просто неотличима от чуда, но и сама становится одним из чудес — пусть вполне осязаемых и объяснимых, но оттого ничуть не менее удивительных и прекрасных.

Николай Мартыненко