Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

Саббаг Карл

«До нашей ближайшей соседки Андромеды 2,5 миллиона световых лет. И опять-таки мы видим не ту Андромеду, которая существует сейчас, а ту, какой она была 2,5 миллиона световых лет назад» ( www.scienceray.com, сайт о различных вопросах науки).

«Свет покинул проксиму Центавра 4,3 световых года назад, поскольку свет перемещается со скоростью света, а звезда расположена от нас на расстоянии 4,3 световых года» (сайт фирмы «Sky-Watcher», производящей телескопы).

«Если наша Галактика вращается, то можно ли будет, когда она окажется по другую сторону круга, в точке, противоположной нашему нынешнему местонахождению, увидеть Землю, какой она была миллионы световых лет назад?» (вопрос в разделе «Спросите у астронома»).

Хотя последний вопрос был задан дилетантом, отвечал на него профессиональный астроном, который даже не указал собеседнику на ошибку.

Самый древний в мире ядерный реактор

Построить атомную электростанцию стоит в среднем около 1,5 миллиарда фунтов стерлингов. Посреди станции располагается ядерный

реактор — тонкое и сложное устройство, снабженное системами контроля, чтобы отслеживать события, занимающие всего лишь долю секунды, и обеспечивать постоянную выработку тепла, которое приводит в действие турбины, производящие электричество. В некоторых типах реакторов исходным веществом в процессе выработки электричества служит уран. Общеизвестно (ведь именно это многие считают существенным недостатком использования атомной энергии), что атомные электростанции производят радиоактивные отходы. В этих отходах содержится непереработанный уран, обладающий весьма характерными свойствами. В общем, если ученые наткнутся на это конкретное вещество, то не ошибутся, предположив, что где-то поблизости находится ядерный реактор, созданный человеком.

Единственным исключением из этого правила стало центрально-африканское государство Габон. Здесь геологи, работавшие на урановом месторождении в местечке Окло, обнаружили в 1972 году образцы урана, обладавшие явными чертами радиоактивных отходов. Но в те времена на всем африканском континенте не было ни одной атомной электростанции. Судя по всему, в этом месте произошло что-то очень странное.

Горные породы с естественным содержанием урана включают в себя атомы урана двух типов: U ²³⁸и U ^{235 [17]} . Преобладают атомы U ²³⁸, а на долю U ²³⁵приходится всего 0,7 %. В ядерном реакторе атомы U ²³⁵бомбардируют ядерными частицами под названием «нейтроны». Один нейтрон, попавший в атом U ²³⁵, выбивает из него еще два или три нейтрона, те бомбардируют другие атомы, из которых вылетают новые нейтроны, и так далее. При соблюдении всех условий запускается цепная реакция, в ходе которой все большее количество атомов распадается, выделяя тепло, которое перерабатывается в энергию. В числе этих необходимых условий — присутствие замедлителя нейтронов (чаще всего это обычная или тяжелая вода; последняя вместо водорода содержит его изотоп дейтерий), который действует как защитная оболочка: не дает излишкам нейтронов вылететь наружу из среды, где происходит реакция, что привело бы к остановке цепной реакции.

17

На самом деле горные породы содержат еще и изотоп урана U ²³⁴, только его доля совсем мала — 0,0055 %. (Прим. ред.).

Отходы, образующиеся при работе ядерного реактора, содержат куда меньшую долю U ²³⁵, чем изначальные 0,7 %, ведь большинство атомов было расщеплено в ходе цепной реакции. В горных породах из месторождения в Окло было найдено то же небольшое количество этого изотопа урана, как если бы на этом месте когда-то произошла цепная ядерная реакция. Большинство ученых отказывались в это верить, но, как выяснилось, американский химик японского происхождения Пол Курода (он же Кадзуо Курода, 1917–2001) еще в 1956 году высказал гипотезу о возможности при определенных обстоятельствах протекания цепной реакции с распадом урана в естественной среде. Среди упомянутых обстоятельств фигурировали более высокая доля U ²³⁵, чем в большинстве ураносодержащих пород, и наличие воды в качестве замедлителя нейтронов.

Ученые, исследовавшие найденные в Окло породы, наконец пришли к заключению, что требуемые условия сложились примерно два миллиарда лет назад, когда доля урана U ²³⁵была значительно выше и доходила до 3 %. Сейчас уровень содержания этого вещества намного ниже, потому что, как и все радиоактивные элементы, уран со временем распадается на другие атомы (см. главу «Что ускоряет ускоритель ядерных частиц?»). Скорость распада урана зависит от параметра, получившего название «период полураспада», — это время, за которое данное количество того или иного радиоактивного элемента уменьшается вдвое по сравнению с первоначальной массой. Период полураспада U ²³⁵составляет 704 миллиона лет. Итак, несколько периодов полураспада назад, то есть примерно за 2 миллиарда лет до нас, в залежах горных пород содержалось намного больше U ²³⁵— а именно как раз то количество, которое вызывает устойчивую цепную реакцию. При этом поблизости была вода — естественный замедлитель, не позволявший беглым нейтронам вырываться на свободу. Вот такое стечение обстоятельств наблюдалось тогда в Окло. Более того, нынешние ученые, детально обследовав местность, установили, что ядерная активность происходила в интересном ритме: это был циклический процесс, который длился миллионы лет. Цепная реакция возникала в горных породах, окруженных водой, атомы при расщеплении выделяли тепло, вода под действием высокой температуры испарялась и лишалась свойств замедлителя, в результате нейтроны разлетались кто куда и цепная

реакция прекращалась. Пар конденсировался и снова превращался в воду, та, словно одеяло, укрывала нейтроны, которые все еще выделял уран. Большая их часть теперь не улетучивалась, а оставалась в породе, расщепляя атомы урана и снова запуская цепную реакцию.

В 2004 году группа американских ученых, исследовав обломок скальной породы из Окло шириной всего несколько миллиметров, пришли к выводу, что природный реактор производил тепло примерно в течение получаса, потом «отключался» на два с половиной часа, после чего вновь начинал работать. В таком состоянии он находился в течение 150 миллионов лет, работая со средней мощностью 100 киловатт — примерно такова мощность двигателя обычного автомобиля.

Под конец этих изысканий всплыл один приятный сюрприз — приятный прежде всего для тех, кого беспокоит проблема захоронения радиоактивных отходов. Продукты распада, образовавшиеся в ходе естественной цепной реакции, не вызвали радиоактивного заражения окрестной природы, а спокойно лежали себе на месте, окруженные со всех сторон скальной породой, состоящей из гранита, песчаника и глины. За два миллиарда лет эти отходы, включая наиболее токсичный элемент плутоний, проникли в скалу не более чем на три метра. Взяв в Окло пробы пород, ученые укрепились во мнении, что отходы современных атомных электростанций можно будет точно так же держать под контролем, поместив их в подземные каменные хранилища, — именно подобным образом намереваются решать проблему отходов в будущем.

Озера-убийцы

Одной августовской ночью 1986 года в деревнях поблизости от озера Ниос, расположенного в гористой области африканского государства Камерун, во сне умерло сразу 1700 человек. Причиной их гибели стало озеро, даже при том, что некоторые несчастные жили в 25 километрах от его берегов. Однако этого расстояния оказалось недостаточно, чтобы уберечь их от огромного облака углекислого газа, который поднялся со дна озера и накрыл соседние холмы и долины, лишив кислорода все живые существа на этой территории и тем самым вызвав у них удушье.

В этой части Африки находятся три крайне необычных озера. Одно из них, Моноун, за два года до описанной трагедии привело к гибели 37 человек, но выброс газа со дна Ниоса оказался куда страшнее. Третье озеро, Киву, пока ни разу не выделяло в воздух двуокись углерода, хотя в его водах этого смертоносного газа растворено ничуть не меньше.

Опасный характер этих озер проистекает из их местоположения — все они образовались в кратерах вулканов, и на протяжении веков двуокись углерода просачивалась из жерла вулкана и скапливалась в придонных водах. В других, более мелких озерах газ в таких случаях благодаря естественному движению воды распространяется по поверхности, а потом испаряется. Но у этих трех камерунских озер стоячая вода и очень большая глубина, которая создает усиленное давление на подводные газы и не дает им подняться наружу, из-за чего возникает некое подобие сифона с газировкой. Собственно, газировка — это и есть углекислый газ, растворенный в воде. Время от времени — как правило, после грозы или схода оползня — неподвижный слой воды с растворенной в ней двуокисью углерода оказывается потревожен, и озеро с пугающей скоростью начинает выделять газ; образуется гигантский пузырь, который, добравшись до поверхности, превращается в облако. Сначала оно поднимается на несколько десятков метров над водой, а потом, будучи тяжелее воздуха, опускается до самой земли и расползается по окрестностям. Из озера Ниос в воздух было выброшено около кубического километра газа (этого хватило бы, чтобы наполнить 500 больших стадионов), а расползалось облако (скорее, разбегалось!) со скоростью 60 километров в час. Если бы по берегам озера стояли датчики, подающие сигнал тревоги, то у тех из погибших, кто жил дальше всего, оказалось бы в распоряжении около пятнадцати минут и кто-нибудь из них наверняка успел бы спастись.

Чтобы избежать повторения катастрофы, французские ученые опустили в озеро двухсотметровую полиэтиленовую трубу, которая доходит до самого дна и выводит двуокись углерода в атмосферу, не давая ей скапливаться до критической массы. Ученые из своей лаборатории в Париже следят за озером по спутниковой связи и в том случае, если, несмотря на меры предосторожности, количество газа приблизится к опасным показателям, могут открыть в трубе клапаны и стравить излишки газа.

К несчастью, детальное обследование этого странного озера выявило еще один потенциальный источник угрозы. На северном берегу водоема есть ветхая дамба, прорыв которой вызовет наводнение и выброс газа, от которого могут задохнуться до десяти тысяч человек.

Недавние новости тоже не радуют. Хотя газоотводная труба и сыграла свою роль, команда ученых, посетивших озеро Ниос в 2006 году, доложила, что в озере по-прежнему полно газа, представляющего для местного населения смертельную опасность, и он может вырваться наружу в любой момент.

Лед в бокале океана

Одним из последствий мощного глобального потепления станет подъем уровня моря по всему миру, поскольку повышение температуры растопит полярные шапки льда. Как известно, и Северный, и Южный полюса покрыты льдом, и за последние годы появились признаки уменьшения ледяного покрова, а это наводит на мысли, что процесс уже пошел. Арктическая ледяная шапка за последние тридцать лет уменьшилась на 20 %. Однако на деле проблема и вполовину не так страшна, как кажется, особенно в том, что касается изменения уровня моря. Если обе полярные шапки растают полностью, только таяние льдов Южного полюса повлияет на уровень моря.