Blog

Vienas kilogramas sieros heksafluorido (SF₆) klimatą veikia taip pat, kaip maždaug 24 tonos anglies dioksido. Tai vienos stipriausių šiltnamio efektą sukeliančių dujų, o jų koncentracija virš Vokietijos, kaip rodo nauji tyrimai, gali būti gerokai didesnė, nei iki šiol skelbta oficialiose ataskaitose.

Problema išryškėjo atliekant įprastus matavimus Taunuso observatorijoje. Nuo 2023 metų ši stotis priklauso tarptautiniam AGAGE matavimo tinklui ir užfiksavo didžiausias SF₆ koncentracijas tarp visų Europos stebėsenos taškų. Mokslininkus ypač sudomino tai, kad aukščiausios reikšmės pasirodydavo, kai oro masės atkeliaudavo iš pietų, nors tai neatitiko iki šiol žinomų emisijų dėsningumų.

Mįslingi rodmenys atvedė į Heilbronn regioną

Frankfurto mokslininkai, bendradarbiaudami su Europos partneriais, nusprendė išsiaiškinti šių rodmenų kilmę. Jie pasitelkė oro mėginius iš ICOS tinklo Karlsrūhėje, kur SF₆ koncentracijos, kaip paaiškėjo, buvo dar didesnės. Naudodami pažangų inversinį modeliavimą ir atmosferos pernašos modelius, tyrėjai galėjo erdviškai lokalizuoti galimą taršos šaltinį.

Rezultatai aiškiai parodė, kad reikšminga emisijų dalis siejasi su Heilbronn regionu pietvakarių Vokietijoje. Skaičiuojama, kad iš šios teritorijos į atmosferą per metus gali patekti apie 30 tonų SF₆ – tai sudaro maždaug trečdalį visų šalies SF₆ emisijų. Tokios išvados ryškiai kertasi su Vokietijos oficialiais šiltnamio efektą sukeliančių dujų inventorizacijos duomenimis.

Ne vien senų garso izoliacinių langų problema

Iki šiol Vokietijos ataskaitose buvo daroma prielaida, kad didžioji SF₆ emisijų dalis susijusi su senų garso izoliacinių langų utilizavimu. Šios dujos tokio tipo languose kaip izoliacinė medžiaga buvo naudojamos iki 2006 metų, kai jų naudojimas buvo uždraustas. Oficialūs vertinimai rėmėsi prielaida, kad SF₆ į atmosferą išsiskiria ardant ir išmetant senus langus.

Tačiau nauji matavimai piešia kitokį vaizdą. Heilbronn regione, pasak tyrėjų, yra vienintelė jiems žinoma Europoje gamykla, susijusi su SF₆ gamyba ir perdirbimu. Tai iš esmės keičia požiūrį į galimus šių dujų šaltinius Vokietijoje. Tyrėjai atkreipia dėmesį, kad emisijos gamybos, naudojimo ir perdirbimo procesuose neretai būna didesnės, nei numatoma teoriniuose modeliuose.

Tiksli emisijų šaltinių lokalizacija laikoma būtina sąlyga, norint efektyviai mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekį. Nežinant, iš kur tarša iš tikrųjų kyla, sudėtinga parinkti tinkamas priemones ir įvertinti jų poveikį.

Problema – pasaulinio masto

Nors Vokietijoje aptikti neatitikimai reikšmingi nacionaliniu lygiu, pasauliniame kontekste tai tik dalis daug didesnės problemos. Skaičiuojama, kad pasaulinės SF₆ emisijos siekia apie 8000 tonų per metus, o vien Kinija sudaro apie 5000 tonų. Heilbronn regiono indėlis, nors ir didelis Vokietijai, globaliai sudaro tik labai mažą dalį.

SF₆ visame pasaulyje daugiausia naudojamas kaip izoliacinė ir apsauginė duja elektros skirstyklose bei vidutinės ir aukštos įtampos įrangoje. Šios bespalvės, bekvapės ir netoksiškos dujos pasižymi išskirtiniu cheminiu stabilumu, todėl yra patrauklios pramonei. Tačiau būtent stabilumas lemia ir kitą problemą – patekusios į atmosferą jos gali išlikti tūkstančius metų.

Frankfurto tyrėjų darbai pabrėžia, kad vien teoriniais skaičiavimais paremti „bottom-up“ modeliai gali smarkiai skirtis nuo realybės. Todėl vis svarbesnės tampa „top-down“ metodikos, paremtos tiesioginiais atmosferos matavimais. Tarptautinis AGAGE stočių tinklas šiuo požiūriu atlieka svarbų vaidmenį – jis leidžia patikrinti ir papildyti oficialius šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų duomenis.

Žemės istorijoje netrūksta staigių lūžių, o kai kurie senoviniai įvykiai šiandien skamba nejaukiai pažįstamai. Vis daugiau dėmesio skiriama laikotarpiui prieš maždaug 56 mln. metų, kuris gali tapti savotišku, nors ir netobulu, veidrodžiu dabartiniams klimato iššūkiams.

Raktas į vadinamąjį paleoceno–eoceno terminį maksimumą (PETM) slypi jūrų gelmėse. Tyrėjų grupė, vadovaujama Mei Nelissen iš Holandijos jūrų tyrimų instituto ir Utrechto universiteto, išanalizavo itin detalius žiedadulkių ir sporų įrašus, išlikusius Norvegijos jūros dugno nuosėdose. Šios šerdys buvo paimtos tarptautinės gręžinių ekspedicijos metu 2021 metais, o jų vertė – išskirtinė, nes puikiai išsilaikė net sezoniniai sluoksniai.

Nuosėdose aptiktos dumblių mikrofosilijos Apectodinium augustum laikomos būdingu PETM laikotarpio „parašu“. Toks tikslus geologinis įrašas leido ypač detaliai atsekti, kaip į staigų klimato sukrėtimą reagavo sausumos ekosistemos.

Greitas miškų nykimas ir katastrofiška erozija

Dar prieš PETM Žemės klimatas buvo gerokai šiltesnis nei dabar. Aukštose platumose augę didžiuliai spygliuočių miškai sukaupė milžiniškus anglies kiekius. Tačiau kai atmosferoje ėmė sparčiai didėti anglies dioksido koncentracija, pokyčiai įgavo sunkiai įsivaizduojamą pagreitį net geologiniu mastu.

Skaičiuojama, kad per maždaug 300 metų vešlūs spygliuočių miškai beveik išnyko, o jų vietą užėmė pionierinės paparčių bendrijos. Nuosėdų analizė taip pat parodė aiškius dažnesnių ir intensyvesnių gaisrų pėdsakus.

Pasekmės kraštovaizdžiui buvo itin skaudžios. Į jūras ėmė patekti didžiuliai kiekiai nuo sausumos nuplauto medžiagos – tai rodo staigus molingųjų mineralų kiekio šuolis tirtuose gręžinių mėginiuose. Kitaip tariant, didėjanti erozija „nuplovė“ ištisas teritorijų dalis, o šis sausumos ekosistemų nestabilumas tęsėsi daugelį tūkstančių metų.

Ne mažiau drastiški pokyčiai vyko ir vandenynuose. Greitas vandens rūgštėjimas, kurį skatino CO2 įsisavinimas, lėmė kalcio karbonato nykimą giliavandenių nuosėdų sluoksniuose. Tai signalizuoja rimtas problemas jūrų organizmams, kuriems tapo sudėtingiau formuoti skeletus ir kriaukles.

Kas sukėlė anuometinę grandininę reakciją – ir kodėl šiandien situacija aiškesnė

Kas tiksliai uždegė PETM įvykių grandinę prieš 56 mln. metų, iki šiol yra diskusijų objektas. Labiausiai tikėtina, kad sutapo keli veiksniai: dėl šiltėjimo iš jūros dugno hidratų galėjo išsiskirti didžiuliai metano kiekiai, o situaciją dar labiau kaitino intensyvus vulkanizmas.

Ši nežinia ryškiai kontrastuoja su dabartimi, kai pagrindinė šiltnamio efektą sukeliančių dujų augimo priežastis – iškastinio kuro deginimas – yra aiškiai dokumentuota. Nors tiesioginis palyginimas nėra idealus, jis kelia nerimą: dabartinis CO2 išmetimų tempas yra gerokai spartesnis nei PETM laikotarpiu. Vis dėlto tuometinis koncentracijos didėjimo greitis buvo vienas artimiausių tam, ką stebime šiandien – o geologiniu mastu tai buvo beprecedentis įvykis.

Ką praeities krizė gali pasakyti apie ateitį

Žvelgiant į geologinę praeitį, pagrindo perdėtam optimizmui mažai. Žemės sistemos atsakas į staigų pokytį pasirodė esąs gilus, daugiasluoksnis ir ilgalaikis. Dabartinis pasaulis, žinoma, kitoks: žmonija turi technologijas ir žinias, galinčias padėti sušvelninti pasekmes.

Vis dėlto tokie tyrimai aiškiai primena, kad ekosistemos turi kritinius taškus, kuriuos peržengus pasekmės gali vystytis sava, sunkiai sustabdoma dinamika. Praeities įvykių supratimas nepateikia paruoštų atsakymų į šiandienos klausimus, tačiau veikia kaip rimtas įspėjimas nevertinti iššūkio masto per lengvai ir sprendimus grįsti mokslu.

Giliai po mūsų kojomis, Žemės mantijos tamsoje, vyksta lėtas, bet galingas medžiagos judėjimas, formuojantis planetos veidą. Dešimtmečius mokslininkai siekė suprasti, kas dedasi pačiame šios uolinės apvalkalos dugne, ties riba virš skysto Žemės branduolio. Naujausias tyrimas, paskelbtas žurnale „The Seismic Record“, atskleidė iki šiol neregėtą vaizdą: pirmą kartą sudarytas globalus giliausių mantijos sluoksnių deformacijų žemėlapis. Jis rodo, kad procesai paviršiuje – tektoninių plokščių judėjimas – tiesiogiai siejasi su tuo, kas vyksta beveik 3 tūkst. kilometrų gylyje.

„University of California“ Berklio universiteto mokslininkas Jonathan Wolf su komanda atliko tai, kas dar visai neseniai atrodė sunkiai įmanoma. Tyrėjai sudarė apatinės Žemės mantijos dalies žemėlapį, apimantį apie 75 proc. planetos paviršiaus, vertinant struktūras maždaug 2900 kilometrų gylyje. Tai zona, kur susitinka uolinė mantija ir metalinis išorinis Žemės branduolys.

Kad pasiektų tokį rezultatą, komanda surinko ir apdorojo precedento neturintį duomenų kiekį – daugiau nei 16 milijonų seismogramų iš 24 duomenų centrų visame pasaulyje. Pasak J. Wolfo, tai greičiausiai didžiausias viename tyrime panaudotas žemės drebėjimų duomenų rinkinys.

Kas padėjo „pamatyti“ mantijos judesius

Vienas svarbiausių raktų, leidusių pažvelgti taip giliai, yra reiškinys, vadinamas seismine anizotropija. Skersinės seismologinės bangos (S bangos), kylančios per žemės drebėjimus, sklinda nevienodu greičiu – priklausomai nuo krypties, kuria jos keliauja. Tai lemia medžiagos, per kurią jos praeina, struktūra ir mineralinė sudėtis. Jei mantijos medžiaga yra deformuota arba joje vyrauja kryptingai išsidėstę kristalai, bangos tarsi „pajunta“ tą kryptį.

Dėl to anizotropija seismologams tampa savotišku orientyru, leidžiančiu nustatyti, kur mantijos medžiaga teka ar patiria didelius iškraipymus.

Tektoninių plokščių „kapinynas“ prie branduolio ribos

Tyrimo rezultatai parodė, kad anizotropijos pėdsakai aptikti maždaug dviejuose trečdaliuose ištirtos apatinės mantijos srities. Svarbiausia, kad šios deformacijos pasiskirsčiusios ne atsitiktinai – jos dažniausiai sutampa su vietomis, kuriose, pagal geodinamikos modelius, turėtų būti subdukuotos tektoninės plokštės.

Subdukcija – tai procesas, kai vienos plokštės fragmentai „paneria“ po kitomis. Šie litosferos gabalai prieš milijonus metų nugrimzdo nuo paviršiaus ir per labai ilgą laiką slinko gilyn, galiausiai pasiekdami patį branduolio ir mantijos ribos sluoksnį.

Nors kompiuterinės simuliacijos seniai prognozavo, kad grimztančios plokštės turėtų deformuoti apatinius mantijos sluoksnius, tik dabar tai pavyko globaliu mastu pagrįsti tiesioginiais seismologiniais stebėjimais.

Pasak J. Wolfo, deformacijų kilmė gali būti sudėtinga. Plokštės gali atsinešti „užfiksuotą“ anizotropiją iš laikų, kai buvo arčiau paviršiaus, tačiau, mokslininkų vertinimu, labiau tikėtina, kad ryškiausi iškraipymai susidaro būtent prie branduolio ribos. Ten vyraujantis ekstremalus slėgis ir temperatūra skatina mineralų fazinius virsmus, o mechaniškai „suspaudžiant“ plokštę ties standžia išorinio branduolio riba formuojasi unikali seismologinė tekstūra.

Kodėl tai svarbu mums visiems

Kas vyksta 2900 kilometrų gylyje, gali atrodyti abstraktu, tačiau būtent šie procesai maitina Žemės „variklį“. Žinoma, kad viršutinėje mantijoje deformacijas daugiausia lemia tektoninių plokščių judėjimas: plokštės „tempia“ klampią medžiagą, skatindamos jos srautą. Vis dėlto medžiagos tekėjimo dinamika pačiose giliausiose mantijos dalyse ilgą laiką išliko mįslė.

Suprasti, kaip medžiaga juda virš branduolio, svarbu norint paaiškinti mantijos konvekciją – procesą, kuris padeda šalinti šilumą iš Žemės vidaus, susijęs su vulkanizmu ir galiausiai turi reikšmės planetos magnetiniam laukui.

Tyrėjai pabrėžia, kad kai kuriose vietose anizotropijos signalo nebuvimas nebūtinai reiškia, jog ten nėra deformacijų – signalas gali būti tiesiog per silpnas, kad dabartiniais metodais būtų patikimai atpažintas. Vis dėlto surinktas duomenų rinkinys, anot J. Wolfo, yra tarsi „lobynas“, kurį planuojama analizuoti dar ne vienerius metus.

Pagrindinis tikslas – sukurti išsamų modelį, parodantį globalias medžiagos tekėjimo kryptis giliame Žemės viduje. Toks planetos „apšvietimas“ seismologinėmis bangomis iš daugybės skirtingų krypčių ateityje galėtų padėti geriau suprasti, kaip Žemė evoliucionuos per ateinančius milijonus metų, ir tiksliau atkurti audringą jos gelmių istoriją.

Kvantiniai kompiuteriai žada spręsti uždavinius, kurių klasikiniai kompiuteriai nepajėgia įveikti, tačiau jų plėtrą riboja fundamentalūs iššūkiai. Vienas didžiausių – kaip didinti kubitų skaičių neprarandant itin tikslios kiekvieno jų kontrolės. Šiuolaikinės sistemos jau pasiekia maždaug tūkstančio kubitų lygį – tai įspūdingas inžinerinis pasiekimas, tačiau praktiniams pritaikymams jo vis dar nepakanka.

„Columbia University“ fizikai išsikėlė tikslą, kuris dar visai neseniai skambėjo kaip mokslinė fantastika – sukurti platformą, galinčią talpinti daugiau nei 100 tūkst. kubitų. Naujausi jų tyrimai rodo, kad sprendimas gali slypėti sujungus dvi pažangias technologijas: neutralių atomų masyvus ir plokščius optinius įrenginius, vadinamus metapaviršiais.

Kodėl atomai – natūralūs kubitai

Atomai dėl savo vienodos sandaros ir prigimtinių kvantinių savybių, tokių kaip superpozicija ar susietumas, laikomi itin tinkamais kandidatais kubitams. Gamta užtikrina jų vienodumą, todėl mokslininkams nereikia kiekvieno „vieneto“ atskirai charakterizuoti ir kruopščiai derinti.

Vis dėlto svarbiausias klausimas jau daugelį metų tas pats: kaip vienu metu valdyti milžinišką atomų skaičių. Ilgą laiką pagrindinis įrankis buvo vadinamosios optinės pincetės – stipriai sufokusuoti lazerio spinduliai, laikantys pavienius atomus. Tačiau tūkstančių tokių spindulių generavimas reikalauja sudėtingos ir brangios įrangos, pavyzdžiui, erdvinių šviesos moduliatorių ar akustooptinių deflektorių. Būtent tai reikšmingai ribojo bendrą sistemos mastelį.

Metapaviršiai kaip mastelio didinimo raktas

„Columbia University“ komandos siūlomas proveržis remiasi metapaviršių taikymu. Tai itin plonos, plokščios struktūros, padengtos dvimate nanometrinių „pikselių“ matrica – kiekvienas jų mažesnis nei 200 nanometrų. Tokios struktūros gali tiesiogiai formuoti į jas krintantį lazerio spindulį ir iš karto sukurti visą sufokusuotų taškų – optinių pincetų – tinklą, nebereikalaujant papildomos, masyvios optikos.

Komandos atstovas Nanfang Yu šias struktūras lygina su dešimčių tūkstančių mikroskopinių lęšių „superpozicija“ vienoje plokštumoje. Svarbu ir tai, kad iš silicio nitrido bei titano dioksido pagaminti metapaviršiai yra itin atsparūs: jie atlaiko lazerio intensyvumą, viršijantį 2000 vatų viename kvadratiniame milimetre. Tai maždaug milijoną kartų daugiau nei Saulės šviesos intensyvumas, pasiekiantis Žemę.

Įspūdinga demonstracija ir mastelio potencialas

Naujos platformos lankstumą pademonstravo doktorantai Aaron Holman ir Yuan Xu. Eksperimentuose komandai pavyko įkalinti tūkstantį stroncio atomų, išdėliojant juos ne tik taisyklingame kvadratiniame tinkle, bet ir sudėtingesnėse struktūrose: kvazikristaliniuose raštuose bei kelių šimtų atomų sudarytoje miniatiūrinėje Laisvės statulos versijoje. Taip pat parodyta galimybė kurti itin tikslias geometrines formas – pavyzdžiui, apskritimą, kuriame atomai vienas nuo kito nutolę mažiau nei pusantro mikrometro.

Didžiausią įspūdį daro mastelio didinimo perspektyva. Vos 3,5 milimetro skersmens metapaviršis, turintis 114 mln. „pikselių“, gali generuoti 600 x 600 taškų matricą – iš viso 360 tūkst. potencialių optinių pincetų. Tai yra dviem dydžio eilėmis daugiau nei suteikia dabartinės plačiai taikomos technologijos.

Reali, nors sudėtinga, kelio schema

Mokslininkai mato aiškią, nors ir reiklią, trajektoriją link tikslo – vienu metu įkalinti 100 tūkst. atomų. Tam reikės gerokai galingesnių lazerių, tačiau, anot tyrėjų, tai telpa į dabartinių techninių galimybių ribas.

Kita vertus, vien kubitų skaičius problemos neišsprendžia. Ne mažiau svarbu išlaikyti koherentiškumą ir sumažinti operacijų klaidų tikimybę. Nepaisant šių iššūkių, pristatyta platforma gali būti naudinga ne tik kvantiniams kompiuteriams, bet ir tiksliems kvantiniams simuliatoriams ar naujos kartos optiniams atominiams laikrodžiams.

„Columbia University“ komandos darbas tampa tvirtu pagrindu būsimoms kvantinėms sistemoms. Jis rodo, kad šimtų tūkstančių pavienių atomų valdymas pamažu nustoja būti vien vizija ir virsta konkrečiu, nors sudėtingu, inžineriniu tikslu.

Po tirpstančiu Antarktidos ledu slypi vienas didžiausių anglies „sandėlių“ Žemėje. Dešimtmečius Pietų vandenynas sugerdavo daugiau anglies dioksido, nei jo išskirdavo, todėl švelnino globalinio atšilimo poveikį. Tačiau mokslininkai įspėja: šis natūralus klimato buferis ima svyruoti.

Pietų vandenynas, supantis Antarktidą, yra viena svarbiausių planetos klimato sistemos grandžių. Skaičiuojama, kad jis sugeria iki 40 proc. viso žmogaus veiklos nulemto anglies dioksido, kurį sukaupia vandenynai. Be šios natūralios „užtvaros“ globalinis atšilimas vyktų gerokai sparčiau.

Šio mechanizmo veikimas itin trapus: šaltas, maistingomis medžiagomis turtingas vanduo iš gelmių kyla į paviršių, apsikeičia dujomis su atmosfera, o vėliau vėl grimzta, kartu nusinešdamas dalį sugerto CO₂.

Procesą lemia sudėtinga jūrų srovių sistema, vandens temperatūros ir sūrumo skirtumai bei vėjo stiprumas. Pakanka, kad kuris nors iš šių veiksnių pasikeistų, ir visa sistema ima veikti kitaip. Kaip rodo naujausi tyrimai, būtent tai jau vyksta.

Pietų vandenynas – sąjungininkas, bet kiek ilgai?

Klimato modeliai seniai prognozavo, kad dėl globalinio atšilimo Pietų vandenyno gebėjimas sugerti CO₂ silps. Vis dėlto pastarųjų 30 metų duomenys piešia kitokį vaizdą – vandenynas ir toliau efektyviai kaupia anglį.

„Alfred Wegener Institute“ („AWI“) mokslininkų komanda siekė išsiaiškinti, kodėl taip yra. Tyrimo rezultatai, publikuoti žurnale „Nature Climate Change“, rodo, kad lemiamu veiksniu tapo gėlas vanduo, atsirandantis tirpstant ledynams ir didėjant kritulių kiekiui.

Okeanografė Léa Olivier, „AWI“ tyrimo bendraautorė, teigia:

„Nuo XX a. 10-ojo dešimtmečio Pietų vandenyno paviršinis vanduo tapo mažiau sūrus. Taip nutiko dėl tirpstančio ledo atnešamo gėlo vandens ir gausesnių kritulių. Gaivesnis, lengvesnis vandens sluoksnis sudaro barjerą, kuris atskiria gelmes nuo paviršiaus ir laikinai sulaiko anglies dioksidą vandenyne“, – aiškina mokslininkė.

Šis reiškinys vadinamas stratifikacija – kai susiformuoja skirtingo tankio vandens sluoksniai. Kuo labiau jie skiriasi temperatūra ir sūrumu, tuo sunkiau tarpusavyje maišosi. Pietų vandenyno giluminiai vandenys – tankesni, šiltesni ir sūresni – savyje talpina milžiniškus CO₂ kiekius, kauptus šimtus ar net tūkstančius metų. Paviršinis vanduo yra vėsesnis ir jame anglies dioksido mažiau. Kol barjeras išlieka stabilus, anglis lieka tarsi „įkalinta“ vandenyne.

L. Olivier šį efektą palygina su puodu ir dangčiu:

„Tai panašu į dangtį ant verdančio puodo. Kol dangtis sandariai uždengtas, garai neišeina. Tačiau jei jis ima kilti – slėgis didėja, o garai išsiveržia visa jėga“, – sako ji.

Problema ta, kad ši vandenyno „dangčio“ sistema pamažu pradeda kilti.

Stiprūs vakarų vėjai, juosiantys Antarktidą tarsi sūkurys, vaidina esminį vaidmenį Pietų vandenyno cirkuliacijoje. Šylant klimatui jie stiprėja – pagal modelius tai turėtų skatinti vandens sluoksnių maišymąsi ir giluminio CO₂ išsiskyrimą. Tačiau, nepaisant sustiprėjusių vėjų, vandenynas kol kas iš esmės išlieka gana stabilus.

„AWI“ tyrėjų teigimu, gėlas vanduo iš tirpstančių ledynų laikinai sustiprino atskirtį tarp sluoksnių. Tačiau tai tik laikinas efektas: nuo XX a. 10-ojo dešimtmečio riba tarp sluoksnių pakilo maždaug 40 metrų, vadinasi, vis daugiau giluminių vandenų artėja prie paviršiaus.

L. Olivier perspėja:

„Tai nėra ilgalaikė apsauga. Jei sluoksnių maišymasis sustiprės, milžiniški anglies kiekiai gali ištrūkti iš gelmių ir grįžti į atmosferą. Tuomet Pietų vandenynas gali tapti emisijų šaltiniu, o ne jų sugerėju“, – pabrėžia mokslininkė.

Jei šios prognozės pasitvirtins, pasekmės būtų toli siekiančios. Pietų vandenynui praradus gebėjimą sugerti anglies dioksidą, globalinis atšilimas galėtų paspartėti keliais dešimtmečiais. Praktikoje tai reikštų, kad netektume vieno didžiausių sąjungininkų kovoje dėl stabilesnio klimato.

Archeologai ir antikos meno tyrėjai vėl nustebino pasaulį. Šį kartą proveržį lėmė… pats menas. Beveik 1800 metų senumo romėniška mozaika gali būti pirmasis žinomas vaizdas, kuriame moteris arenoje kovoja su laukiniais žvėrimis. Toks siužetas sutampa su išlikusiais rašytiniais liudijimais apie gladiatorių ir žvėrių kovas.

Koberys arenoje: netikėtos Senovės Romos realijos

Mozaika datuojama III amžiumi. Ji buvo aptikta 1860 metais Prancūzijos Reimse. Kūrinio fragmentuose buvo vaizduojamos įvairios arenos scenos, įskaitant gladiatorių susirėmimus ir kovas su žvėrimis.

Didžioji mozaikos dalis buvo sunaikinta per Pirmąjį pasaulinį karą. Vis dėlto XIX amžiuje archeologas Jeanas-Charlesas Loriquetas buvo parengęs detalius piešinius, kurie šiuolaikiniams mokslininkams leido atkurti, kaip galėjo atrodyti visas vaizdas.

Svarbiausias mozaikos elementas – moters figūra, žengianti prieš leopardą ir rankoje laikanti rimbą. Tyrėjas Alfonso Mañas iš Kalifornijos universiteto Berklyje teigia, kad tai ne šiaip dekoratyvinis motyvas, o vadinamosios venatrix – moters medžiotojos-kovotojos – atvaizdas, rodantis jos dvikovą su žvėrimi arenoje.

Šią interpretaciją, pasak mokslininko, sustiprina kelios detalės: vaizduojamai moteriai trūksta įprastos vyriškų gladiatorių ekipuotės, o taip pat pavaizduotas nuogas torsas – tai romėniškoje ikonografijoje itin retas ir išskirtinis sprendimas.

Mozaika – vertingas istorinis įrodymas

Istorikai jau seniai žinojo rašytinių užuominų apie moteris, kovojusias su „žvėrimis“ arenos reginiuose. Tokius pasirodymus minėjo ir antikiniai autoriai, pavyzdžiui, Kasijus Dionas. Tačiau iki šiol nebuvo aptikta aiškaus, vienareikšmiško vaizdinio įrodymo, kuris parodytų tokią kovotoją.

Todėl Reimso mozaika laikoma reikšminga: ji sujungia literatūrinius liudijimus su ikonografiniu įrodymu, kad moterys galėjo dalyvauti šiuose žiauriuose reginiuose.

Ši scena svarbi ir dėl kito aspekto. Ji leidžia manyti, kad moterų dalyvavimas kovose su žvėrimis galėjo tęstis ilgiau, nei buvo įprasta manyti. Žinoma, II amžiuje buvo įvesti draudimai moterims dalyvauti gladiatorių kovose. Vis dėlto III amžiumi datuojamas vaizdas rodo, kad jų pasirodymas kaip medžiotojų-kovotojų galėjo būti toleruojamas arba atskirose vietose vis dar praktikuojamas.

Meno istorikai pabrėžia ir paties kūrinio kontekstą. Tokios didelės mozaikinės kompozicijos dažniausiai puošdavo turtingų romėnų namų grindis arba svarbius pastatus. Arenos scenos galėjo turėti ne tik dekoratyvinę, bet ir propagandinę funkciją – pabrėžti savininko statusą, jo ryšius su žaidynių finansavimu ar organizavimu.

Vis dėlto ekspertai akcentuoja, kad dėl interpretacijos išlieka diskusijų. Kadangi originali mozaika sunaikinta, o šiandien ji daugiausia žinoma iš XIX amžiaus piešinių, dalis tyrėjų perspėja, jog kai kurių detalių patikimumą gali būti sunku galutinai patikrinti.

Šaltinis: „Smithsonian Magazine“

Žmonių polinkis rizikuoti, panašu, yra toks senas, kad jo pėdsakų aptinkama dar priešistorėje. Šiaurės Amerikoje atlikti tyrimai rodo, jog azartiniai žaidimai ir atsitiktinumo „įrankiai“ galėjo būti naudojami prieš 12–13 tūkst. metų, taip gerokai praplečiant iki šiol žinotas laiko ir geografines ribas.

Kiek senas yra lošimas?

Tyrėjai teigia, kad seniausi žinomi žaidimų kauliukai (arba jų analogai) galėjo atsirasti Šiaurės Amerikoje ledynmečio pabaigoje. Juos, kaip manoma, kūrė žemyno vietiniai gyventojai, o radiniai datuojami maždaug 12–13 tūkst. metų. Tai reikšmingas poslinkis, nes ankstesni panašūs radiniai iš Mesopotamijos ar Indo slėnio siekė apie 5,5 tūkst. metų – vadinasi, naujieji yra daugiau nei du kartus senesni.

Aptikti objektai mažai panašūs į šiuolaikinius kubo formos kauliukus. Jie neturėjo taškelių, nebuvo taisyklingos formos. Dažniausiai tai buvo nedideli, dvipusiai kaulo ar medžio fragmentai: viena pusė pažymėta, kita – lygi. Vis dėlto veikimo principas buvo panašus į monetos metimą – tai leido gauti atsitiktinį rezultatą ir pagal jį priimti sprendimus.

Mokslininkai pabrėžia, kad tai ne atsitiktinai parinkti daiktai. Priešingai – vis daugiau požymių rodo, jog jie buvo sąmoningai kuriami kaip atsitiktinumą generuojantys įrankiai. Išanalizavus šimtus radinių daugiau nei 50 archeologinių vietovių, nustatyta, kad jie atitinka tam tikrus kriterijus: turėjo tinkamą formą, žymėjimus ir dydį, leidusį juos mėtyti net grupėmis.

Rekordiškai seni žaidimų „kauliukai“

Įdomu tai, kad šių „kauliukų“ paskirtis galėjo būti kur kas platesnė nei pramoga. Tyrėjai spėja, jog atsitiktinumu paremti žaidimai medžiotojų-rankiotojų bendruomenėse atliko svarbų socialinį vaidmenį: padėjo megzti ryšius tarp grupių, palengvino mainus, o kartais galėjo būti priemonė konfliktams spręsti. Pasaulyje be formalių institucijų tokie mechanizmai galėjo būti itin reikšmingi bendradarbiavimui ir išlikimui.

Taip pat yra užuominų, kad tokie žaidimai buvo ne marginali veikla, o svarbi socialinio ir kultūrinio gyvenimo dalis. Kai kuriuose istoriniuose pasakojimuose minima, jog kauliukų žaidimuose dažnai dalyvaudavo moterys, o pačios rungtys galėjo turėti ritualinį arba bendruomenę telkiantį pobūdį.

Dar vienas svarbus aspektas – žaidimų kauliukai glaudžiai susiję su tikimybės samprata, kuri yra vienas matematikos ir šiuolaikinio mokslo pagrindų. Jei žmonės tokiais įrankiais naudojosi jau prieš 12 tūkst. metų, tai reikštų, kad atsitiktinumo ir nenuspėjamumo supratimas atsirado gerokai anksčiau, nei manyta iki šiol. Nauji duomenys leidžia teigti, jog senosios bendruomenės ne tik išgyveno sudėtingomis ledynmečio pabaigos sąlygomis, bet ir vystė sudėtingesnes abstraktaus mąstymo formas.

Šaltiniai: „Colorado State University“, „American Antiquity“.

Pasaulyje vargu ar yra fizikos dėsnis, atrodantis toks nepažeidžiamas, kaip Alberto Einšteino suformuluota riba: niekas negali judėti greičiau už šviesą vakuume. Vis dėlto žurnale Nature paskelbti nauji tarptautinės mokslininkų grupės rezultatai pasiūlė kitokį požiūrį į šią ribą. Tyrėjai pirmą kartą tiesiogiai užfiksavo specifines „skyles“ šviesoje – vadinamąsias fazines singularijas, arba optinius sūkurius – kurios tam tikromis sąlygomis gali judėti virššviesiniu greičiu. Tai patvirtino dar prieš maždaug pusę amžiaus keltas teorines prielaidas ir atvėrė kelią tirti itin greitus procesus gamtoje.

Nors žmogaus akiai šviesa atrodo kaip vientisas energijos srautas, iš tiesų ji turi sudėtingą banginę sandarą. Tam tikromis sąlygomis šviesos banga gali „susisukti“ tarsi kamščiatraukis. Pačiame tokio susisukimo centre įvyksta destruktyvioji interferencija – bangos viena kitą nuslopina, todėl atsiranda taškas, kuriame intensyvumas lygus nuliui. Būtent šiuos tamsius taškus mokslininkai vadina optiniais sūkuriais. Juos galima palyginti su vandens sūkuriais upėje: nors jie yra srovės dalis, jų dinamika – savita.

Dar XX a. 8-ajame dešimtmetyje teoretikai prognozavo, kad tokie šviesos „sūkuriai“ gali tarsi aplenkti pačią bangą, kurioje jie susiformuoja. Kaip vandens sūkurys kartais gali slinkti greičiau nei vietinė srovė, taip fazinės singularijos, pasak modelių, tam tikrais momentais gali pasiekti greičius, kurie iš pirmo žvilgsnio atrodo neįmanomi klasikinėje fizikoje. Tačiau ilgą laiką tokio reiškinio nebuvo pavykę stebėti realiu laiku – dėl itin mažo mastelio ir ypač greitos eigos.

Virššviesinis greitis be reliatyvumo teorijos laužymo

Ar tai reiškia, kad reliatyvumo teoriją reikia perrašyti? Ne. Esminis niuansas tas, kad optiniai sūkuriai nėra „objektai“ įprasta prasme: jie neturi masės ir neneša energijos ar informacijos taip, kad pažeistų priežasties ir pasekmės ryšį. Jų „judėjimas“ kyla iš kintančios bangos rašto geometrijos, o ne iš materijos ar signalo sklidimo erdve.

Vienas pagrindinių tyrimo autorių Ido Kamineris iš Izraelio technologijos instituto „Technion“ aiškina, kad mechanizmas susijęs su priešingų „krūvių“ (topologinių charakteristikų) singularijų tarpusavio trauka. Kai du tokie sūkuriai artėja vienas prie kito, jų trajektorijos erdvėlaikyje iki anihiliacijos momento turi sudaryti nenutrūkstamą kreivę. Dėl to, prieš pat susiliejimą ir išnykimą, jų greitis gali staigiai šoktelėti iki labai didelių, virššviesinių reikšmių. Būtent šį itin trumpą virššviesinio judėjimo epizodą mokslininkams ir pavyko užfiksuoti.

Kaip pavyko tai užfiksuoti: poliaritonai ir itin greita mikroskopija

Kad pamatytų šį sunkiai pagaunamą reiškinį, tyrėjai pasitelkė dvi svarbias inovacijas. Pirmoji – dvimatė medžiaga, vadinama heksagoniniu boro nitridu (hBN). Ši medžiaga palaiko egzotiškų šviesos ir atomų virpesių hibridų, vadinamų fononiniais poliaritonais, egzistavimą. Jie juda gerokai lėčiau nei šviesa vakuume ir gali būti stipriai lokalizuoti mažame plote. Dėl to mokslininkai galėjo sukurti tankius interferencinius raštus, kuriuose susidaro daug sūkurių, ir taip palengvino jų sekimą.

Antrasis elementas – ypač didelio tikslumo prietaisas: ultraspartus elektroninis mikroskopas, leidęs stebėti procesus, trunkančius vos kelias femtosekundes. Tyrėjai daug kartų kartojo eksperimentą su minimaliais laiko poslinkiais, o vėliau sujungė šimtus tūkstančių kadrų į savotišką „kadrų po kadrų“ filmą. Taip pavyko pamatyti, kaip sūkuriai artėja, pagreitėja ir galiausiai anihiliuoja.

Kodėl tai svarbu?

Nors eksperimentas susijęs su optika, jo reikšmė platesnė. Pasak mokslininkų, fazinių singularijų dinamika atspindi universalias bangų dėsningybes, būdingas skirtingoms sistemoms – nuo garso bangų ir skysčių srautų iki sudėtingų būsenų, tokių kaip superlaidininkai. Geresnis šių reiškinių supratimas gali padėti nagrinėti paslėptus procesus kietojo kūno fizikoje, o ateityje – net kai kuriuose molekulinės biologijos kontekstuose.

Be to, tyrime pritaikyta metodika, vadinama elektronine interferometrija, ženkliai pagerina vaizdinimo raišką nanoskalėje. Ji gali tapti svarbiu technologiniu įrankiu, leidžiančiu „žemėlapiuoti“ itin subtilių reiškinių judėjimą pažangiose medžiagose. Mokslininkai jau svarsto kitą žingsnį – bandymus perkelti stebėjimus į trimatę erdvę, kad būtų galima fiksuoti dar sudėtingesnį bangų elgesį. „Technion“ komandos rezultatai rodo, kad net ir gerai ištirtoje optikos srityje gamta tebėra pasirengusi pateikti netikėtumų.

Pastarosiomis dienomis socialiniuose tinkluose išplito nuotrauka, daugeliui sukėlusi nerimą. Tarptautinėje kosminėje stotyje (ISS) užfiksuotas vaizdas primena groteskišką violetinę būtybę, iš kurios tarsi driekiasi besiraitančios „gleivėtos čiuptuvų“ gijos. Sterilioje stoties aplinkoje pakibęs objektas akimirksniu tapo sąmokslo teorijų apie nežemišką gyvybę ir siaubo filmų gerbėjų diskusijų objektu.

Po „NASA“ astronautu Donu Pettitu pasidalintu įrašu pasipylė komentarai, tiesiogiai primenantys kultinę filmų seriją apie ateivius. Vieni rašė, kad tai atrodo „kaip iš kiaušinio besiritantis ateivis“, kiti ragino „sunaikinti ugnimi“.

Tačiau tikrovė, nors ir be mokslinės fantastikos siaubui būdingų grėsmingų instinktų, yra ne mažiau įdomi mokslo požiūriu. Tariamas „ateivis“ pasirodė esąs violetinis bulvės gumbas, kuris mikrogravitacijos sąlygomis ėmė intensyviai leisti daigus. Nuotraukoje matomos „čiuptuvų“ gijos iš tiesų yra ūgliai, neįprastai išsikeroję bandant rasti atramą ir augimo kryptį.

Balta dėmė, matoma kadre, taip pat neturi nieko bendra su „svetima biologija“: tai lipnios juostos (Velcro) gabalėlis, naudojamas daržovei pritvirtinti terariume, kad ji laisvai nedreifuotų po stotį.

Įgula šį objektą praminė „Spudnik-1“. Tai – D. Pettito, vyriausio pagal amžių šiuo metu aktyviai skraidančio „NASA“ astronautu, aistros rezultatas. Jis vykdo dar vieną ilgalaikę orbitinę misiją (planuojamą 2024–2025 m.) ir laisvu nuo tarnybinių pareigų metu užsiima „kosmine sodininkyste“ – kaip pomėgiu ir kartu biologiniu eksperimentu.

Hidroponika nesvarumo būsenoje

Augalų auginimas kosmose yra itin sudėtingas – tenka atsisakyti įprastų žemės ūkio metodų. Kaip aiškina pats D. Pettitas diskusijose socialinėse platformose, ISS bulvės auginamos hidroponikos metodu. Tai reiškia, kad nenaudojama dirva – vietoje jos naudojamas vandens tirpalas su būtinomis maistinėmis medžiagomis.

Nesvarumo sąlygomis vandens tiekimas šaknims tampa inžineriniu iššūkiu: skystis „nenuteka žemyn“, o susitelkia į lašus ir prilimpa prie paviršių dėl paviršiaus įtempimo.

Astronautas pastebėjo ir įdomią biologinę anomaliją – kosmose augalai vystosi gerokai lėčiau nei Žemėje. „Sulėtėjęs augimas gali būti susijęs su specifine stoties atmosferos sudėtimi, mikrogravitacija arba augalo metaboliniu stresu“, – aiškina D. Pettitas.

Įdomu tai, kad nepaisant kosminės spinduliuotės, prasiskverbiančios pro ISS korpusą, jis nepastebėjo nei akivaizdžių mutacijų, nei matomų neigiamų pokyčių, galinčių rodyti radiacijos poveikį bulvių genetinei struktūrai. Augalai pasižymi dideliu atsparumu, nors jų išvaizda prisitaiko prie aplinkos, kur nėra įprasto „viršaus“ ir „apačios“.

Kodėl bulvės svarbios Marso kolonizacijai?

Bulvės pasirinktos neatsitiktinai. Dar 1995 m. jos tapo pirmąja daržove, sėkmingai užauginta kosmose. Jų reikšmė būsimai Saulės sistemos tyrinėjimo programai, įskaitant misijas į Marsą, yra labai didelė.

Bulvės pasižymi itin palankiu maistinės vertės santykiu su mase ir tūriu: jos gausios angliavandenių, kalio ir vitaminų, o jų auginimą galima integruoti į uždaras gyvybės palaikymo sistemas.

Idėja, išpopuliarinta knygoje ir filme „Marsietis“, pamažu tampa realybe. Per savo karjerą D. Pettitas jau bandė auginti žemės riešutus, cukinijas, brokolius, saulėgrąžas, taip pat baziliką ir pomidorus. Pastaruosius jam esą pavyko sudygdyti panaudojus… ausų kamštukus, kurie tapo improvizuotu substratu.

Astronautas anksčiau rašė tinklaraštį „Diary of a Space Zucchini“ (liet. Kosminės cukinijos dienoraštis), kuriame gyvenimą stotyje aprašė tarsi augalo akimis.

„Gyva žaluma“ metalo ir mechanizmų pasaulyje

Be mokslinių ir mitybos aspektų, augalai ISS turi ir svarbią psichologinę reikšmę. Tarptautinė kosminė stotis – tai aplinka, kurioje nuolat girdimas įrangos ūžesys, juntamas ozono, metalo ir plastiko kvapas.

„Nėra nieko geriau už gyvos žalumos kvapą šiame inžinerinių mechanizmų miške“, – yra rašęs D. Pettitas. Kontaktas su augalais padeda įgulai išlaikyti emocinę pusiausvyrą per ilgus izoliacijos mėnesius.

Nors violetinė bulvė „Spudnik-1“ iš pradžių ir galėjo atrodyti bauginamai dėl „svetimos“ išvaizdos, iš tiesų ji tapo simboliu, kad žmogus gali žengti savarankiškumo link ir už Žemės ribų. Kiekvienas toks daigas – dar vienas žingsnis į ateitį, kai astronautai bus mažiau priklausomi nuo tiekimo iš Žemės ir galės patys užsiauginti maisto net pačiomis sudėtingiausiomis sąlygomis.

Trūksta tik vieno – kaip juokauja internautai ir pats D. Pettitas – saugios gruzdintuvės, galinčios patikimai veikti nesvarumo būsenoje.

Naujausi tyrimai rodo, kad žmonija priartėjo prie kritinio taško, kurio pasekmės gali nulemti civilizacijos ateitį ateinančiais šimtmečiais. Žurnale Environmental Research Letters paskelbti rezultatai leidžia daryti niūrią išvadą: žmonių populiacija jau seniai viršijo Žemės gebėjimą tvariai išlaikyti gyvybę, o dabartinis vartojimo ir demografinio augimo modelis stumia pasaulio ekosistemas į vis gilesnę krizę.

Tyrėjų komandai vadovavęs profesorius Corey Bradshaw iš „Flinders University“ atliko išsamią pastarųjų dviejų šimtmečių demografinių duomenų analizę. Išvados griežtos: žmonija šiandien gyvena „į skolą“, gamtos išteklius naudodama gerokai sparčiau, nei planeta pajėgia juos atkurti. Mokslininkų skaičiavimais, išties tvari Žemės populiacija – tokia, kuri galėtų užtikrinti orų gyvenimo lygį neniokojant biosferos – siektų apie 2,5 mlrd. žmonių. Tuo metu dabartinis gyventojų skaičius viršija 8,3 mlrd., todėl per didelio gyventojų skaičiaus ir perteklinio vartojimo mastas, pasak tyrėjų, yra milžiniškas.

Kyla klausimas: kodėl sistema dar nesugriuvo?

Profesorius C. Bradshaw aiškina, kad tokia didžiulė „perteklinė“ populiacija įmanoma tik dėl intensyvaus iškastinio kuro deginimo ir išteklių, kurių gamta nebespėja atkurti, naudojimo. Tai, jo teigimu, tarsi „dūmų uždanga“, ilgą laiką leidusi ignoruoti faktą, kad peržengta vadinamoji aplinkos talpa (carrying capacity). Žemės ūkio mechanizacija, pasaulinė logistika ir pramonė, paremta anglimi bei nafta, leido pamaitinti milijardus žmonių, tačiau tai vyko klimato stabilumo ir biologinės įvairovės sąskaita.

Tyrimas taip pat išryškino reikšmingą, nors ir neraminančią populiacijos dinamikos permainą, įvykusią XX a. viduryje. Ilgus šimtmečius – iki maždaug praėjusio amžiaus 6-ojo dešimtmečio – gyventojų skaičiaus augimas skatino technologinę pažangą ir inovacijas, o tai savo ruožtu sudarydavo sąlygas dar spartesniam natūraliam prieaugiui. Tai buvo teigiamas grįžtamasis ryšys: daugiau žmonių reiškė daugiau darbo rankų ir daugiau protų, sprendžiančių problemas.

Tačiau apie 1960-uosius, pasak autorių, įvyko staigus lūžis – prasidėjo vadinamoji neigiama demografinė fazė. Nors bendras gyventojų skaičius ir toliau auga, šio augimo tempas nuosekliai mažėja. Tai reiškia, kad kiekvienas papildomas žmogus globaliai sistemai vis rečiau tampa progreso pagreičiu, o vis dažniau – papildoma našta. Tyrime pateikiamos prognozės, kad žmonijos populiacija piką turėtų pasiekti XXI a. 7-ajame arba 8-ajame dešimtmetyje ir stabilizuotis ties 11,7–12,4 mlrd. riba.

Ekologinis pėdsakas ir šiltnamio efektą sukeliančios dujos

Globalios ekologijos specialistams svarbiausia tyrimo išvada – tiesioginis ryšys tarp bendro žmonių skaičiaus ir aplinkos degradacijos. Mokslininkai analizavo, kaip populiacija siejasi su šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijomis, pasaulinės temperatūros kilimu bei ekologinio pėdsako rodikliais. Nustatyta, kad būtent bendras žmonių skaičius planetoje – net labiau nei vartojimas vienam gyventojui – neigiamos fazės laikotarpiu geriausiai paaiškina aplinkos niokojimo rodiklių svyravimus.

Vienas iš šio darbo bendraautorių buvo biologas profesorius Paul Ehrlich, dešimtmečius perspėjęs apie „populiacijos bombą“. Pasak tyrėjų, nauji duomenys atitinka pačius pesimistiškiausius scenarijus: dabartinė kryptis veda į vis gilesnes krizes. Maisto ir vandens saugumo problemos, drastiškas biologinės įvairovės nykimas bei auganti socialinė nelygybė, jų vertinimu, nėra vien teorinės grėsmės – tai procesai, kurie jau dabar destabilizuoja ištisus pasaulio regionus.

Ar dar įmanoma išvengti blogiausio?

Nors išvados skamba niūriai, publikacijos autoriai pabrėžia, kad galimybių langas dar nėra visiškai užsidaręs, tik sparčiai siaurėja. Norint išvengti globalios katastrofos, būtina iš esmės keisti požiūrį į išteklių – žemės, vandens ir energijos – valdymą. Mokslininkai ragina stiprinti tarptautinį bendradarbiavimą, siekiant stabilizuoti populiaciją, taip pat reikšmingai mažinti vartojimą aukšto išsivystymo šalyse.

„Mažesnė populiacija ir žemesnis vartojimo lygis duoda geresnius rezultatus ir žmonėms, ir planetai“, – apibendrina profesorius C. Bradshaw.

Pasak jo, didžiausias iššūkis – pasiekti mažesnę populiacijos pusiausvyrą kontroliuotai ir teisingai, o ne per staigų sistemų, palaikančių gyvybę, žlugimą. Tyrėjų teigimu, sprendimai, kuriuos tarptautinė bendruomenė priims per artimiausius du dešimtmečius, gali nulemti, ar ateities kartos gyvens stabilesniame ir saugesniame pasaulyje, ar bus priverstos kovoti dėl išlikimo išsekusioje ir perkaistančioje planetoje.