Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

Отходы, образующиеся при работе ядерного реактора, содержат куда меньшую долю U235, 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 U235, 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 U235 была 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 U235 составляет 704 миллиона лет. Итак, несколько периодов полураспада назад, то есть примерно за 2 миллиарда лет до нас, в залежах горных пород содержалось намного больше U235 — 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.

Нет, по физическим свойствам лед на Северном полюсе ничем не отличается от своего южного собрата, и вода, в которую оба они превращаются при таянии, — тоже. Однако фундаментальное отличие заключается в том, что лежит под каждой из этих ледяных шапок. Северная шапка представляет собой огромную ледяную плиту, плавающую в воде, а южная — это огромная ледяная плита, которая покоится на суше. Чтобы разобраться, почему эта разница так важна, рассмотрим пример с айсбергом. Кусок льда, образовавшийся при замерзании воды, по плотности немного уступает исходной воде. В жидком агрегатном состоянии каждая молекула Н20 свободно крепится к трем-четырем другим молекулам. При понижении температуры вода становится льдом, теперь каждая молекула жестко сцеплена с четырьмя другими, образуя кристаллическую решетку, в которой между молекулами остается чуть больше пространства, чем в воде. Поэтому лед не тонет в воде, а плавает, ведь кусок льда менее плотен, в нем больше пространства, чем в аналогичном объеме воды. (По той же причине кусок свинца тонет в воде — он плотнее, чем аналогичный объем воды.)