90 лет назад в Институте имени Карпова появилась первая в стране лаборатория аэрозолей

Наука об аэрозолях (взвесях жидких и твердых частиц в газовой среде) сравнительно молодая, моложе ее наука об аэрозолях в земной атмосфере, и, как это ни странно выглядит, еще моложе ее раздел о твердых аэрозолях в атмосфере Земли, или, попросту говоря, о пыли. Постулаты этих наук в той части, которая касается атмосферной пыли, не сильно отличаются от того, что было известно неученому народу испокон веков, но теперь все это научно доказано и служит предметом исследований полноценных академических научных дисциплин.

«Странный предвестник» Иммануила Канта

Первую научную гипотезу Нового времени об аэрозолях в земной атмосфере историки науки приписывают Иммануилу Канту, который в 1756 году, год спустя после катастрофического Лиссабонского землетрясения 1755 года, опубликовал в Кенигсберге сразу три работы о возможных причинах землетрясений. Одна из них называлась «Geschichte und Naturbeschreibung der merkwuerdigsten Vorfaelle des Erdbebens, welches und dem Ende des 1755 Jahres einen grossen teil der Erde» («История и описание природы самого странного предвестника землетрясения, которое в конце 1755 года потрясло большую часть мира»).

К тому времени Кант уже был известен в европейском научном сообществе как автор «Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels» («Всеобщая естественная история и теория небес»), опубликованной в 1753 году, но в Кенигсберге он пока был всего лишь лектором-почасовиком в местном университете, и свою статью о «странном предвестнике» он опубликовал в Wochentliche Konigsbergische Frag- und Anzeigungs-Nachrichten («Еженедельные кенигсбергские новости в виде ответов на вопросы и объявлений») среди сообщений о потерянной женской муфте и приглашении ученика к пекарю. Проще говоря, данная его статья исходно была научно-популярной, понятной неученому народу.

Она была довольно большой и публиковалась с продолжением в двух номерах журнала. В ней он писал, что едва ли парад планет мог быть причиной разрушения Лиссабона в 1755 году. Во всяком случае, в 1604 году выстраивание в одну линию Солнца, Земли и еще трех внешних (по отношению к Земле) планет никаких катастрофических землетрясений не вызвало. И уж тем более приливная сила Луны, как считали некоторые ученые, не могла быть причиной такого события.

И там же, перечисляя признаки близкого землетрясения, Кант написал о «странном предвестнике» — атмосферной дымке, которую можно объяснить выбросами подземных газов накануне землетрясения. Именно они, вероятнее всего, были причиной красного снега и аномально сильных ливней в швейцарском городе Локарно за две недели до первого подземного толчка в Лиссабоне. Современные ученые склонны считать, что местные жители и туристы, приехавшие на Лаго-Маджоре, наблюдали вторжение пылевых облаков из Сахары в долину Локарно.

Рождение науки о пыли

Кроме кантовской гипотезы о задымлении земной атмосферы подземными газами во второй половине XVIII века появилась теория биоаэрозолей: мол, весеннее потепление вызывает выброс продуктов природного гниения и брожения в атмосферу. В воздухе солнечный свет испаряет из них воду, оставляя только твердые частицы, которые вызывают весенний «сухой туман». Это вполне согласуется с нынешней теорией биогенных выбросов в атмосферу Земли.

Одной из ведущих теорий происхождения атмосферных аэрозолей в XVIII веке была электрическая теория. Она гласила: «Атмосферная дымка состоит из капель, заполненных электрической жидкостью, которая притягивается вверх электричеством в верхних слоях атмосферы и таким образом предотвращает ее оседание». Она, эта теория, была жива и в начале следующего XIX века. Беньямин Хойер из Уппсальского университета писал, что на электрическое происхождение дымки во время и после грозы четко указывает ее запах (запах озона). Сейчас считается, что в заблуждение ученых вводило совпадение по времени молний и образования дымки.

В том же XVIII веке популярной была теория космической пыли, точнее, метеоритной и кометной пыли по терминологии того времени. Бенджамин Франклин в 1784 году предположил, что причиной туманного и холодного лета 1783 года была метеоритная пыль, хотя настоящая причина «года без лета», напугавшего европейцев, была очевидна — восьмимесячное, с короткими перерывами извержение исландского вулкана Лаки в 1783 году, от которого, по подсчетам современников, погибло до 20% населения Исландии, а в Европе начался голод из-за неурожая.

Тем не менее после вхождения в астрономическую практику телескопов Уильяма Гершеля и работ самого Гершеля, например по лунному вулканизму, теория метеоритной пыли была одной из главных. Появились даже первые подсчеты масштабов оседания космической пыли на поверхности Земли — чуть меньше дюйма за столетие. С учетом того, что максимальная оценка возраста Земли в том же XVIII веке составляла уже 2 млрд лет, несложно подсчитать, что «шуба» из космической пыли на нашей планете должна была быть толщиной уже в 400 км.

Современные оценки масштабов запыления Земли из космоса намного скромнее — примерно 5 тыс. т в год. Но все равно масштабы большие, и, включая дома пылесос, вы гарантированно втяните в него десятки или даже сотни микроскопических частичек космической пыли, прилетевшей к вам на ковер бог знает откуда. А то, что ученые Нового времени многократно преувеличивали их количество на Земле, вполне объяснимо даже психологически: самые продвинутые из них уже придерживались небулярной теории происхождения Земли и прочих космических тел, то есть в результате сгущения пылевой туманности. Эту теорию сформулировал Иммануил Кант в уже упоминавшейся выше работе «Всеобщая естественная история и теория небес».

Ну и, разумеется, не вызвали сомнения у ученых Нового времени теории вулканических выбросов, лесных пожаров и ветровая (сдувания пыли ветрами с поверхности Земли), которые, впрочем, строго научными и назвать-то нельзя: неученые люди все это наблюдали испокон веков и делали соответствующие выводы без претензий на научные регалии. Что же касается историков науки, то они считают, что к началу ХХ века произошла консолидация всех этих теорий в рамках единой науки об аэрозолях, которая сосредоточилась на физико-химических законах, управляющих поведением атмосферных аэрозолей.

В 1914 году геофизик Николаус Кемпф из Мюнхена в своей докторской диссертации подвел итог науке предшествующих веков об атмосферных аэрозолях, сгруппировав существующие на то время теории о происхождении атмосферных аэрозолей в шесть категорий: выбросы паров с Земли (землетрясения); электричество и грозы; космический пепел; вулканический пепел; пыль, переносимая ветром; процессы горения.

Заколдованный круг

Любопытнее другое наблюдение историков науки. Начиная примерно с 1900 года в научных работах по природным аэрозолям резко снизилось употребление слов «несомненно», «бесспорно», «очевидно», а после 1950 года они практически исчезли. К сожалению, подобных лексических исследований в других областях науки пока никто не проводил, хотя они, как видно из данного примера, показательны — в каждом случае возникает вопрос: «Почему, откуда взялась эта неуверенность?»

Со стороны это выглядит так, что в данном случае ученые, похоже, запутались в своей науке и решили начать все сначала, то есть произошел своего рода дефолт науки об атмосферной пыли. Похожие ситуации происходили, происходят и будут происходить во всех науках. Но гегелевское отрицание отрицания ученых никогда не пугало, точнее, они об этом едва ли задумываются, просто заходят с другого конца. Но в науке о земных аэрозолях ее новый этап осложнили две мировые войны прошлого века.

В ходе первой из них впервые масштабно применялось химическое оружие массового поражения, то есть химические аэрозоли, и это задало генеральный тренд науке об аэрозолях на весь межвоенный период. А примененное в самом конце второй из мировых войн атомное оружие и его послевоенные испытания с глобальными переносами радиоактивных частиц в земной атмосфере заставили ученых сконцентрироваться как раз на воздушной пыли — сначала радиоактивной, потом на продуктах горения (как природного, так и техногенного), а затем пришел черед примерить все это на проблему глобального загрязнения атмосферы и наконец — на изменения климата. Благо приборная база уже имелась, основные закономерности физико-химического поведения аэрозолей в земной атмосфере тоже были известны. Но на парадигмальном уровне ученые-аэрозолеведы фактически снова вернулись в прошлый XIX и даже позапрошлый для них XVIII век.

По данным Кемпфа, около 1600 года Фрэнсис Бэкон писал о жалобах жителей юга Франции своему королю Генриху IV на англичан, которые каждую весну сжигают водоросли на пляжах Сассекса, и вонь с дымом от этого не только невыносима, но и губит их виноград и, соответственно, виноделие. В Европе жаловались на Россию и Швецию: мол, лесные пожары в Финляндии служат причиной постоянной дымки. Правда, дополнительные исследования показали, что если Россия и Швеция (точнее, их подданные финны) в этом виноваты, то совсем немножко.

В начале XVIII века Европа к северу от Альп, от Варшавы до Парижа, действительно очень часто пребывала под толстым слоем тумана. Но как выяснилось, виноваты в этом были Германия и Голландия, где в конце нулевых годов XVIII века по всему северу стран началось осушение болот и сжигание торфа, которое достигло пика в 1850-х годах. Из-за международного давления и сокращения водно-болотных угодий практика сжигания торфа здесь прекратилась к 1870-м годам, и региональная проблема дымки в Северной Европе просто исчезла.

Глобальный перенос пыли из Сахары и Гоби хорошо документирован на протяжении всей истории цивилизации, пыль оттуда сначала в виде бурых и желтых облаков, а по мере их рассеивания в виде более мелкодисперсной фракции песка и пыли видели за тысячи километров от этих пустынь. Однако Константин Рафинеск, профессор Трансильванского университета в Кентукки, США, писал в 1820 году: «Я не отрицаю, что ветры поднимают земную пыль и часто уносят ее вдаль; но я утверждаю, что должно быть еще одно независимое образование пыли помимо скудного земного запаса, переносимого ветрами... Мы знаем, что сера, соляной раствор аммиака и т. д. могут образовываться при сублимации газов. Что дымовая сажа, земля и даже камни или металлы могут спонтанно объединяться при случайной встрече газовых излучений... Поэтому нетрудно представить, как пыльные частицы могут образовываться в великой химической лаборатории нашей атмосферы». Чем это научное обоснование антропогенного загрязнения атмосферы хуже современного?

В 1880-е годы вышла целая серия из шести научных статей британского метеоролога Джона Эйткина, который смастерил прибор для измерения количества пыли в атмосфере. В этих работах он писал, что густонаселенные районы «теряют свою чистоту», а «очищающие области мира — это те регионы, которые теряют больше нечистот, чем приобретают, и что, следовательно, наиболее облачные и дождливые регионы (мира) являются наиболее очищающими». А в самом конце XIX — начале XX века появились первые расчеты баланса пыли в земной атмосфере, но были они тогда только региональными.

Современная наука о пыли

Сегодня, спустя сто лет, число региональных исследований и число региональных балансов пыли в земной атмосфере исчисляется сотнями, если не тысячами, но общий планетный баланс атмосферной пыли по-прежнему отсутствует. Пока есть только оценки общей массы разноразмерных фракций пыли в атмосфере, порой отличающиеся друг от друга на порядок. Первостепенная задача науки о земной пыли — свести дебет с кредитом в ее балансе — оказалась сложнее, чем думалось. Сейчас можно более или менее уверенно говорить только о том, что пыль является одним из основных компонентов атмосферных аэрозолей: 75% глобальной аэрозольной нагрузки.

Пока ученые используют паллиативный метод компьютерного моделирования поступления, осаждения, перераспределения пыли в атмосфере. Примером такого подхода может служить модель The Global Aerosol Climatology Project (GACP), разработанная Европейским центром среднесрочного прогнозирования погоды (ECMWF), и ModelE AGCM, которая является продуктом НАСА. Согласно модели GACP, ежегодный выброс пыли в мире составляет 1200 Тг (Тг — тераграмм, или 1012 г), причем вклад естественных и антропогенных источников запыления в ней считается одинаковым. Согласно ModelE, ежегодный выброс пыли в атмосферу составляет 1578 Тг, доли природной и антропогенной пыли в ней плавают в довольно большом интервале.

К несомненным достижениям современной науки о пыли надо отнести те установленные учеными факты, что мелкая пыль охлаждает глобальный климат, рассеивая солнечное излучение, в то время как крупная пыль (более 5 мкм) способствует его потеплению за счет поглощения солнечного и теплового излучения. Что морская соль дает по массе приблизительно 20% вещества аэрозолей диспергированной фазы. А последние по времени оценки говорят о том, что на долю природных источников пыли в мире приходится 75% выбросов, на антропогенные источники приходится 25%. Но это в среднем по планете, а, например, на Северную Африку в результате частых песчаных бурь в здешних пустынях приходится 55% глобальных выбросов пыли, и только 8% из них имеют антропогенное происхождение, в основном из Сахеля. Словом, с пылью придется еще разбираться и разбираться.

Наша наука о пыли

В нашей стране первая лаборатория аэрозолей была создана в Физико-химическом институте им. Л. Я. Карпова (НИФХИ) в 1932 году. Ее исследования по понятным причинам были в первую очередь нацелены на нужды обороны и промышленности. Потому неудивительно, что самым известным сейчас достижением сотрудников лаборатории в довоенные годы было то, что американцы потом назвали HEPA (High Efficiency Particulate Arrestance — высокоэффективное удержание частиц). Частицы были аэрозольными, а то, что их удерживало, известно сейчас в мире как «фильтр Петрянова» (ФП). Его, а точнее, синтетическую ткань для него разработали сотрудники лаборатории Николай Альбертович Фукс, Игорь Васильевич Петрянов-Соколов и Наталья Дмитриевна Розенблюм.

В довоенные и первые послевоенные годы сотрудники лаборатории аэрозолей НИФХИ работали в режиме секретности, поэтому многие их пионерные исследования физики и химии аэрозолей стали известны мировому научному сообществу задним числом. Только с конца 1960-х годов в нашей стране начались открытия публикации по радиоактивным атмосферным аэрозолям, последствиям ядерных взрывов во время испытаний. А в 1970-е годы тема атмосферной пыли стала одной из главных в отечественной экологии. По этой тематике работали десятки советских НИИ. Не все результаты их исследований успешно проходили через первые отделы научных институтов (разрешавшие открытую публикацию), но в целом наша страна в те годы уверенно вошла в число лидеров науки об аэрозолях.

Достаточно, наверное, одного примера. Международное сообщество ученых в области аэрозолей совместно с Американской ассоциацией исследований аэрозолей (AAAR) время от времени устраивает симпозиумы. Последний прошел в 2006 году в Сент-Поле, штат Миннесота, США, и по его материалам вышла толстенная коллективная монография «Aerosol Science and Technology: History and Review», состоящая из двух неравных частей.

В первой, относительно короткой ее части, опубликованы научные биографии четырех ученых, которые, по мнению их коллег, внесли наиболее значительный вклад в современную науку об аэрозолях. Это австриец Отмар Прейниг, американец Шелдон Фридлендер, Александр Сутугин из НИФХИ имени Карпова и ирландец Джон Маклелланд.

Ася Петухова