Помоги проекту - поделись книгой:
Дождь чистит небо. Струи воды, сбегающие на землю, смывают мельчайшие частички пыли, витающие в воздухе. В жаркие дни завеса дождя приятно освежает, в засушливую пору спасает растения от гибели. Для ученых же дождь по-прежнему таит немало загадок.
Знаете ли вы, что лишь каждое десятое облако проливается на землю дождем? Или что дождевая капля напоминает по форме скорее гамбургер, чем знакомую нам каплю воды? Или что в обычном кучевом облаке скрывается более 150 тысяч тонн водяных паров и льдинок? Попробуем же совершить путешествие в мир дождя, этот серый мир, полный белых пятен!
Нам навстречу спешат капли, и каждая из них преодолевает немалый путь, прежде чем достигнет земли. В среднем после того, как вода испарится над океаном, ее молекулы проводят в воздухе 9,5 дня до того, как водяные пары снова сконденсируются и вернутся на землю дождем. Какие же приключения происходят с ними в небесах?
Итак, любой дождь начинается задолго до дождя. Начинается с того, что в теплую, солнечную погоду в реках, морях, океанах испаряется вода. Обычно ее молекулы движутся хаотически. Однако, получив дополнительную энергию вместе с солнечными лучами, отдельные молекулы преодолевают силу поверхностного натяжения и буквально врываются в атмосферу. Верхний слой воды понемногу растворяется в воздухе, словно… сахар в воде.
Воздушные массы, насыщенные водяными парами, поднимаются, словно в лифте, на небо, поскольку теплый воздух легче холодного. Но чем выше они оказываются, тем заметнее понижаются температура и атмосферное давление. Воздушные массы остывают на один градус через каждые 100 метров. Можно сказать так: испарившись над океаном, вода, разогретая до 20°C, поднимается на высоту 2000 метров и, условно говоря, остывает до 0°. «Условно» потому, что это зависит от влажности воздуха. Чем она ниже, тем быстрее охлаждается воздух.
Когда относительная влажность воздуха достигает 100 %, водяные пары начинают конденсироваться. Их молекулы оседают на крохотных твердых частичках, снующих в воздухе, например пылинках. Так возникают капельки воды. Из них формируется облако.
Процессы, протекающие внутри облака, заметно сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Не так давно группа израильских и российских ученых попыталась выяснить механизм образования дождевых капель. По их расчетам, изложенным на страницах журнала
Чаще дожди бывают не теплыми, а холодными. Когда температура в воздушном слое ниже —20 °С, вокруг пылинок скапливаются ледяные кристаллы. На них быстро намерзают капельки воды. Лед буквально впитывает влагу, скопившуюся в воздухе. Зимой так образуются снежные хлопья, а летом – мелкие ледышки града. Под тяжестью собственного веса они, в конце концов, падают на землю. Их форма, размеры, траектория полета резко разнятся; их движение трудно моделировать. В теплую погоду эти крупицы льда по пути к земле тают, окатывая нас холодным дождем.
Кстати, большинство людей считает, что капли дождя имеют округлую форму, как классические капли воды, вытекающей из-под крана. Но они ошибаются. Падая на землю с большой скоростью, дождевые капли встречают такое сильное сопротивление воздуха, что утрачивают свою прежнюю форму – становятся приплюснутыми и теперь напоминают скорее гамбургер, чем маленькую сферу.
Процессы, происходящие на родине этих капель – внутри туч, мы не можем пока детально описать. Поэтому если температуру на ближайший день метеорологи научились прогнозировать, то с осадками часто попадают пальцем в небо. Лишь научившись понимать эти сложные процессы, мы сумеем точнее предсказывать, пойдет ли дождь.
А это становится все важнее! Глобальное потепление значительно усиливает циркуляцию воды на нашей планете. С повышением средней температуры на один градус циркуляция возрастает примерно на 8 %. Меняется количество осадков, выпадающих в различных регионах планеты. Усиливается неравенство в снабжении их водой. В засушливых регионах дожди будут выпадать еще реже, а те области, где осадков выпадало и так много, будут страдать от сильных ливней и наводнений.
В последние годы все чаще регистрируются необычные погодные явления, в том числе и продолжительные, очень сильные дожди. Так, в 2011 году рекордные дожди обрушились на Японию, в 2010 году рекордное количество осадков зафиксировано в Пакистане и Австралии, в 2002 году в Германии, в Рудных горах, всего за одни сутки выпало столько осадков, сколько не отмечалось в этой стране еще никогда до этого. После ливня началось «наводнение столетия» на Эльбе. Компьютерные модели и статистика подтверждают связь между потеплением и аномальным количеством осадков.
Предсказывать же погоду – значит по-прежнему решать задачу со многими неизвестными. Бабочка, взмахнувшая крылышками в далеком Китае, все так же исправно вызывает ураган на Багамах. Две бесконечности сходятся в одной и той же точке – в той, где графа прогноза по-прежнему туманна и неясна.
Время летних гамма-гроз
В день летней грозы многих и теперь, как в древние времена, охватывает оторопь, ощущение угрозы. Сколько раз за лето каждый из нас видит вспышку молнии на небесах, и всякий раз ее огонь кажется таинственным – этот затертый эпитет словно свежеет от жара молнии, наливается кровью. Да и ученый мир подтвердит, что, как ни сильна наука, познавшая все от атомов до созвездий, перед феноменом молнии – электрического разряда, возникающего между грозовой тучей и поверхностью Земли, – долго пасовала и она.
Так, неясно было даже, почему небо вдруг рассекают эти ослепительные вспышки, что вызывает их. Зарождение молнии начинается с того, что в грозовом облаке происходит разделение электрических зарядов: отрицательно заряженные частицы отделяются от положительно заряженных. Так в грозовом облаке создается электрическое поле. Когда его напряженность достигает критической величины – 2 миллионов вольт на метр, в облаке возникает пробой. Лавина электронов мчится в сторону земли, оставляя после себя полосу (канал) ионизованного воздуха. По этому каналу к земле устремляется молния. Сила тока в канале достигает 100 тысяч ампер, а температура – 30 тысяч градусов. Стремительно расширяющийся поток воздуха и порождает мощную звуковую волну, которая воспринимается нами как гром. Таково популярное объяснение этого феномена.
Как ни стройна эта теория, она не подтверждается фактами. Судя по результатам измерений, напряженность электрического поля в грозовом облаке примерно в 10 раз ниже той критической величины, которая нужна для того, чтобы вспыхнула молния.
В начале 1990-х годов российский физик Александр Гуревич, подыскивая объяснение этому факту, предложил новую гипотезу. В атмосферу нашей планеты постоянно проникают высокоэнергетичные частицы, прилетающие из космоса. При их столкновении с молекулами азота и кислорода образуются, в частности, электроны, движущиеся очень быстро. Электрическое поле, возникшее в грозовом облаке, по расчетам Гуревича, разгоняет их почти до световой скорости. Для этого достаточно, чтобы напряженность поля составляла порядка 200 тысяч вольт на метр, что хорошо совпадает с результатами наблюдения. При столкновении этих электронов с молекулами воздуха возникают все новые высокоэнергетичные электроны. Настоящей лавиной они мчатся к земле, вызывая пробой в атмосфере. При этом испускается рентгеновское и гамма-излучение, которое фиксируют спутники.
Итак, все больше фактов доказывает, что молнии порождаются частицами, прилетевшими из космоса. Однако многое в происходящем процессе по-прежнему неясно ученым. Так, энергия и интенсивность рентгеновского излучения, возникающего во время грозы, не совпадает с моделью, предложенной Гуревичем. Стоит добавить, что мы по-прежнему очень далеки от того, чтобы использовать энергию молнии для своих целей.
Изучение молний – достаточно сложный и дорогостоящий процесс. Как полемически заявил один из исследователей, «мы находимся в совершенно неизведанной области». Вопросов накопилось немало. Правда ли, что бывают супермолнии, когда сила тока превышает 300 тысяч ампер (обычно она гораздо ниже)? Зависит ли активность молний от загрязнения окружающей среды или, говоря иными словами, вспыхивают ли молнии над крупными городами чаще, чем над сельской глубинкой? Верно ли, что во время грозы наблюдаются всплески гамма-излучения и выбросы антивещества?
Стоило, к примеру, дождаться космической эпохи, чтобы узреть, что пылающая стрела метит не только в одинокие дубы или башни, но и летит ввысь. Лишь в 1989 году были впервые сфотографированы слабо светящиеся молнии, вспыхивающие на доли секунды в верхних слоях атмосферы, примерно в 40—80 километрах от Земли, и окрашенные в яркие цвета. На снимках, сделанных из космоса, видны невероятной величины огненные столпы. Одни напоминают гриб, выросший в небе; другие – частокол, словно огородивший небесный град. Они достигают порой в поперечнике 90 километров, но сила их свечения невелика, а потому с поверхности Земли их не увидать.
Эти молнии, красные «спрайты» и голубые «джеты», нередко сравнивают со сполохами полярного сияния. Но если последние возникают при проникновении из космоса высокоэнергетичных протонов и электронов, то для подобных молний источником энергии становятся грозовые разряды. Природа этих атмосферных явлений, наблюдаемых во время грозы, все еще остается неясна. Возможно, они – лишь часть, «недостающая часть» громадного поля электричества, которое разлито повсюду – от поверхности Земли до ионосферы.
Кстати, лишь недавно подтвердилось, что удары молний сопровождаются всплесками гамма-излучения (впервые подобная гипотеза была высказана несколько десятилетий назад).
В 2008 году на орбиту был выведен космический телескоп «Ферми». В его задачу входило наблюдение за гамма-вспышками – самыми мощными источниками электромагнитного излучения, известными науке. Эти вспышки происходят в отдаленных областях космоса.
Однако уже за первые пару лет работы этот телескоп зарегистрировал еще и 130 всплесков гамма-излучения, возникавших где-то в окрестностях Земли. Когда ученые проанализировали эти события, то убедились, что всякий раз всплеск излучения наблюдался там, где бушевала гроза. Впрочем, для физиков это не стало новостью. Им уже было известно, что близ верхнего края облака могут наблюдаться подобные всплески. Ведь мощное напряжение возникает не только между грозовой тучей и землей, но и между тучей и лежащими выше слоями атмосферы. На высоте от 20 до 80 километров может генерироваться напряжение до 20 миллионов вольт. Оно разгоняет электроны, и те лавиной устремляются ввысь. Мчась со скоростью, близкой к световой, они сталкиваются с молекулами воздуха, и тогда испускается гамма-излучение.
Зато, как выяснилось, это излучение зачастую – а возможно, всегда – трансформируется в поток частиц и античастиц, электронов и позитронов. Этот поток, прорезав верхние слои атмосферы, уносится в космическую даль. Телескоп «Ферми», изучающий события вселенских масштабов, порой замечает и эти лучи позитронов, покидающих Землю под покровом грозовых бурь. Когда, достигая телескопа, позитроны проникают в детекторы и сталкиваются здесь с электронами, то те и другие уничтожаются, вновь превращаясь в гамма-излучение, которое и фиксирует детектор.
Обнаруженные сигналы – первое четкое доказательство того, что на Земле во время грозы образуются потоки античастиц. Часто ли это происходит? Первая «заявленная цифра» – 130 раз за два с половиной года работы – не означает ровным счетом ничего. Или значит только одно: этот феномен есть. Он наблюдается на нашей планете. Специалисты, работающие с телескопом «Ферми», предполагают, что ежедневно в разных уголках Земли во время гроз происходит около 500 всплесков гамма-излучения, устремляющегося прочь от Земли. Однако в большинстве своем они остаются незамеченными, поскольку их не регистрирует, разумеется, ни один наземный детектор.
А, кстати, если вернуться к гипотезе Гуревича, может, именно всплески гамма-излучения становятся тем «спусковым механизмом», после срабатывания которого небосвод освещает молния, размышляют исследователи на страницах журнала
Загадки шаровой молнии
Молнии, рассекающие небо, словно орудийные залпы, канонада грома, свист ветра, как пуль, и затем, один за другим, удары града. Как никакое другое явление природы, гроза похожа на войну. Здесь Небо вступает в сражение с Землей, и все вокруг содрогается, напуганное этой борьбой. С глубокой древности многие народы почитали бога грозы верховным божеством небесного пантеона. Поистине у этого властителя небес неистощимый запас сил! Каждый час во всем мире 3000 раз бушует гроза. Каждый час более 100 тысяч молний вонзаются в притихшее тело Земли, и этим страстям не видно конца.
Лучше всего в грозу сидеть дома, посматривая в окно на то, как потемневшее – массивное, словно торт, – небо режут вкривь и вкось золоченые лезвия молний. Но и тут – с кем-то это бывает! – прямо к вам, проникая сквозь стекло, может вплыть огненный шар.
Тысячи людей наблюдали шаровую молнию, и все-таки никто не знает, что скрывается за этим странным феноменом.Природа шаровой молнии таит немало загадок. При ее описании ученые вынуждены полагаться лишь на отдельные свидетельства очевидцев, из которых явствует, что она представляет собой матовый шар оранжевого, желтого или красного цвета, светящийся как лампочка в 60 ватт, что величиной она бывает то с апельсин, то с футбольный мяч, что она парит, перемещаясь со скоростью пешехода или бегуна, движется плавно, бесшумно и что ее наблюдают от десятка секунд до нескольких минут. Эти скупые рассказы да горстка фотографий – вот все, чем располагает наука.
Австрийский метеоролог Александр Койл провел статистический анализ 400 сообщений, оставленных теми, кому доводилось видеть шаровую молнию. Чаще всего – в 90 % случаев – ее видели перед грозой, во время грозы или сразу после того, как непогода стихала. В 87 % случаев шаровая молния появлялась в летние месяцы. Почти всегда она имела идеально круглую форму, ее диаметр составлял примерно 30 сантиметров. По прошествии 5 секунд она, как правило, исчезала, хотя некоторым доводилось видеть ее в течение 15 минут. Примерно в каждом четвертом случае она проникала в закрытое помещение. В половине случаев взрывалась с громким хлопком.
Как полемично заявил один из ученых, мы знаем о шаровой молнии не больше, чем древние египтяне ведали о природе звезд. Но все же мы хотя бы представляем себе ее свойства – а потому можем признать ложными самые сенсационные сообщения, например, о мощных взрывах шаровых молний, разрушавших целые здания. В среднем из тысячи описаний подобных молний можно по пальцам одной руки пересчитать число встреч с ними, закончившихся трагически, да и то из этих рассказов неясно, пострадали ли люди именно от шаровой молнии, или причина была в чем-то другом, отмечал российский исследователь Игорь Стаханов.
Что же касается ее природы, то на сегодняшний день имеется более 100 гипотез, претендующих на объяснение физической сути шаровой молнии. Однако ни одна из них не нашла убедительного подтверждения. Кто-то говорит, что шаровая молния – это сгусток плазмы. Но какая сила удерживает его, не дает этому шару распасться? Кто-то видит в ней миниатюрную черную дыру, а кто-то – стянутое в узел энергетическое поле. А может быть, шаровая молния – это всего лишь оптический обман? Что, если сверкнувшая вблизи стрела молнии так сильно раздражает сетчатку человеческого глаза, что тот какое-то время видит перед собой медленно плывущий огненный шар?
Исследования шаровой молнии ведутся уже несколько веков. В свое время получить ее искусственным путем пытались и Никола Тесла, и Петр Капица. И все равно ученые пока не располагают теорией, которая бы объясняла и само появление этой молнии, и описывала феномены, ее сопровождающие. Есть только отдельные гипотезы.
А может быть, в случае с шаровой молнией речь вообще идет о нескольких феноменах разного происхождения, которые мы пытаемся описать «одной формулой»? На эту же мысль наводят и некоторые новые эксперименты, проведенные в последние годы и вызвавшие интерес у специалистов.
В 2000 году журнал
Эта гипотеза дает ответ на вопрос, почему шаровые молнии проникают сквозь оконное стекло. Возможно, кремниевые пылинки настолько малы, что способны просачиваться сквозь мельчайшие трещинки в оконном стекле и раме. Оказавшись в комнате, они снова скручиваются в шар. Впрочем, пока подобная «телепортация» вещества осуществима только на бумаге – в теоретических расчетах. Воспроизвести ее в лабораторных условиях не удавалось. К тому же эта гипотеза не может объяснить все случаи наблюдения шаровых молний.
В 2004 году российские физики Антон Егоров, Сергей Степанов и Геннадий Шабанов описали схему установки, на которой им удавалось получать шаровые разряды, названные ими плазмоидами и напоминавшие шаровую молнию. С помощью разряда в 5000 вольт они испаряли две капли воды, которые находились на электроде непосредственно над поверхностью воды. Частицы плазмы, образовавшиеся при электрическом разряде, окутывались облачком из молекул воды и охлаждались. Температура плазмоида составляла всего 60 °С. Исследователи накрывали этот светящийся шар листом бумаги, но тот не воспламенялся. Если же шар насыщался водородом, то он взрывался, как это и случается порой с шаровой молнией. Впрочем, плазмоиды исчезали уже через секунду. Шаровая молния живет дольше. Кроме того, она возникает не только во время дождя и не только рядом с водой. Значит, есть и какой-то другой механизм зарождения подобных молний.
В 2006 году физики Владимир Дихтярь и Эли Йерби из Тель-Авивского университета наблюдали в лаборатории светящиеся газовые шары. Генерируя их, они разогревали в микроволновом поле кремниевый субстрат, пока тот не испарялся. В воздухе появлялся желтовато-красный шар диаметром около 3 сантиметров, состоявший из ионизованного газа (как видите, он был заметно меньше шаровой молнии). Он медленно плыл в воздухе, ничуть не меняясь. Температура его поверхности достигала 1700 °С. Подобно обычной молнии, он притягивался к металлическим предметам и скользил вдоль них, а вот проникнуть сквозь оконное стекло не мог. В этих экспериментах стекло лопалось, соприкоснувшись с ним. Однако искусственная молния существовала лишь до тех пор, пока не отключался источник излучения. Очевидно, в природе шаровые молнии порождены не микроволновыми полями, а электрическими разрядами. В любом случае исследование подобных молний допустимо в лабораторных условиях.
Запишите на ваши водофоны!
Вода не похожа на другие жидкости. Она полна тайн; она не перестает изумлять нас своими свойствами. Порой она ведет себя так, словно законы физики и химии писаны вовсе не для нее. Так, по теории вода должна быть твердым телом. Однако она пребывает в жидком состоянии. Почему?
Многие аномалии воды, очевидно, обусловлены ее особой молекулярной структурой. Химическая формула воды известна всем. Ее молекула (H
Почему же сумма двух газовых молекул стала молекулой жидкости? Вместо того чтобы гадать на кофейной гуще, в коей нет ни капли воды, рассмотрим лучше молекулу H
В жидкой воде эти молекулы пребывают в постоянном движении. Стоит им сблизиться, как между ними образуется так называемый водородный мостик. Вода должна быть твердым телом именно благодаря подобным мостикам. Однако напоминают они питерские, а не московские мосты: они разводные; они периодически поднимаются и опускаются. Поэтому молекулы регулярно меняют место расположения. Новые водородные связи возникают и через мгновения распадаются. Так же быстро образуются новые союзы – кластеры, в которые входят другие молекулы воды. Всё это повторяется снова и снова. Подобный процесс во многом определяет свойства этой удивительной жидкости.
Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы воды. При очень высокой температуре у них достаточно энергии, чтобы разорвать связи, скреплявшие их. Молекулы водяного пара летают по комнате, словно теннисные мячи. Зато, когда температура опускается ниже точки замерзания, хаотическое движение молекул воды прекращается. Они замирают, образуя неподвижную сеть.
Есть у этой загадочной жидкости и другие секреты. Тридцать лет назад исследования воды вызвали целую бурю в медицине. Вполне возможно, заявляли некоторые ученые, вода обладает памятью.
Подобные слова льют воду на мельницу гомеопатов. Значит, если молекула лекарства хоть немного побудет рядом с молекулой воды, то последняя запомнит свою соседку: на ней «отпечатается» облик лекарства. В таком случае даже дистиллированная вода будет обладать целебными свойствами, если «запомнит» добавленную в нее капельку медикамента.
«Бессмыслица! Чушь!» – возмутилось большинство ученых. Это все равно что сказать: зеркало запоминает отражения людей, промелькнувших перед ним. Стоит поскрести любое зеркало в доме, как за пышным цветом нынешнего дня проступят очертания генеалогического древа. «Бессмыслица! Чушь!»
Французский иммунолог Жак Бенвенист, особенно рьяно доказывавший «память воды», подвергся остракизму. Его критиков не волновало, что эта гипотеза давно зарекомендовала себя в гомеопатии. Однако новые эксперименты показали, что чистая вода, возможно, и впрямь запоминает действие других веществ и транслирует его.
Профессор биохимии Мадлен Эннис из Королевского университета в Белфасте, убедившись в этом странном поведении воды на собственном опыте, признала: «Я занимаюсь естественными науками и вообще не могу объяснить результаты испытаний». Вместе с коллегами она экспериментировала с пробами воды, в которые добавляли мизерное количество постороннего вещества: его было так мало, что методами химического анализа обнаружить примесь было нельзя. Однако с биологической точки зрения эта – почти дистиллированная – вода действовала так же, как само подмешанное к ней вещество.
Необъяснимый эффект! Скептически настроенная к гомеопатии, где в ходу как раз такие растворы и препараты, Эннис взялась за проведение опыта, чтобы навсегда отмести эту «лженауку». Теперь же она отказывалась верить результатам, полученным ею самой. Результаты же пока непонятны. Волны критики обрушиваются на исследователей, но не могут смыть «это позорное пятно с лица науки». Как вспоминала Эннис, «мы пытались найти возможную ошибку, но все напрасно».
В эксперименте участвовали четыре лаборатории из Франции, Италии и Бельгии. Координировал их работу профессор Робефруа из Лёвенского университета (Бельгия). Во время опытов их участники не знали, в каких пробах воды действительно содержатся примеси, а в каких – лишь их гомеопатические дозы. Ведь растворы разводились сотрудниками других учреждений.
Каков же результат? Во всех четырех лабораториях пришли к одному и тому же результату: «заряженная» вода – а как еще прикажете назвать воду, в которой не было химически ощутимых примесей других веществ? – все же действовала. Вопреки тому, что считают химики, биологи и фармакологи! Мадлен Эннис уверена в одном: «В ближайшее время все больше медиков займутся серьезными исследованиями в этой области».
Когда волны, вызванные спорами вокруг опытов, улеглись, стало ясно, что зашиканный и зачумленный Жак Бенвенист вполне может быть причислен когда-нибудь к «революционерам в науке». Впрочем, сам он себя таковым как раз и считал. Незадолго до своей смерти он настаивал, что грядут новые, крупные открытия. Ведь, по его мнению, вода может не только запоминать и накапливать информацию, но и с помощью усилителя транслировать ее в виде электромагнитных сигналов. «Вода напоминает чистую аудиокассету, на которой можно сделать любую запись», – отмечал Бенвенист.
По его теории возможно следующее: если растворить в воде таблетку аспирина, то молекулы воды воспримут информацию, содержавшуюся в лекарстве, а потом транслируют ее. Эти сигналы можно усилить; для этого нужен лишь подходящий усилитель. Если подвергнуть пациента действию подобных сигналов, то для него это все равно что принять аспирин. С помощью Интернета и телефона можно передавать эти сигналы на большие расстояния. Фантастика? Выдумка? Согласится ли когда-нибудь строгая наука с его выводами?
Интересно, что сказала бы строгая наука лет двести назад, если бы один из физиков, задумчиво разглядывая магнит, неожиданно молвил: «Знаете ли, сударь, если с помощью вот этого куска металла намагнитить тонкую металлическую ленту, то любые слова, произнесенные вами, мной или другими вашими гостями, прилипнут к этой ленте. Стоит когда-нибудь, пусть и через много лет после нашей беседы, поднести ту же ленту к магниту, как в опустевшей комнате вновь послышатся слова – мои и ваши. Будто заговорили два привидения! Сударь, этот металл запомнит все – даже ваше удивленное присвистывание. Вы по-прежнему полагаете, что в моих словах есть выдумка?»
Так неужели и толща воды, словно ферромагнитный слой аудиокассеты, способна хранить, например, сказанное? И может быть, мы научимся считывать с ленты воды новости ушедших времен? Что, если все наши чувства, весь опыт накапливаются в воде?
В 2010 году в интервью журналу
Самое загадочное вещество во вселенной: лед
Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. Вот он, под тонкой снежной крупой, – так явственно ощутим. А знаем ли мы, что такое лед? На первый взгляд это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности лед таит в себе множество загадок. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить. Другие тайны разгаданы лишь недавно.
Вот, например, бег на коньках. Почему коньки скользят по льду? На других твердых веществах, таких как дерево или бетон, они вовсе не скользят. Еще пару десятилетий назад ученые давали следующий ответ: под узкими полозьями коньков создается высокое давление, и лед плавится. Конькобежец катится не по льду, а по скользкой, залитой водой колее. В это верили поколения физиков и химиков, но такое объяснение было ошибочным.
Ошибка выявилась в середине 1990-х годов, когда американские ученые использовали для наблюдения за происходящим новейшую электронику. Поверхность ледовой дорожки и впрямь была залита водой, но, удивительное дело, она выступала даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре порядка —60 °С поверхность льда становится вязкой. Тогда и скользить на коньках будет проблематично. Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда.
Еще одна любопытная его особенность откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: они склеиваются! Молекулы их поверхностных слоев крепко соединяются, связывая ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома – иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.
Кстати, лед льду – рознь. При низких температурах и высоких давлениях мы будем иметь дело с другими модификациями льда. Сколько их, не знает никто. Всего, по данным на 2011 год, известно 16 кристаллических и 5 аморфных форм льда. Последние не имеют кристаллической структуры. В частности, ледяные облака в межзвездном пространстве (их температура составляет —260 °C) состоят из аморфного льда.
Одной из самых экзотичных форм является, наверное, лед Х. Он образуется при давлении, которое в миллионы раз превосходит атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, ежели на игольное ушко взгромоздить автомобиль. Эта модификация льда с симметрично расположенными водородными мостиками была открыта в 1999 году сразу тремя группами исследователей из Франции, Японии и США. Еще до этого было известно, что подобная форма льда должна хорошо проводить электрический ток, разительно отличаясь от знакомого нам льда.
Некоторые модификации льда образуются даже при плюсовых температурах. Предпосылкой к тому – сверхвысокие давления, которые встречаются только в космосе.
В мощном электрическом поле вода может превращаться в лед даже при комнатной температуре. Это показали опыты физика Хён Кана из Сеульского университета, о которых сообщал в 2005 году журнал
Удивительно, но лишь одна из этих модификаций не тонет в воде, а плавает по ее поверхности – разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Причина кроется в особенности ее строения: в ее кристаллах молекулы располагаются очень свободно; между ними имеются огромные зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в такой знакомый – и загадочный – лед, или, как называют его ученые, лед Ih, расширяется. Ее объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая», легкая структура. Она представляет собой сеть из шестиугольников с огромными полостями посредине. В такой кристаллической решетке расстояния между молекулами льда заметно больше, чем между хаотично движущимися молекулами жидкой воды. Наличие многочисленных полостей обусловливает малую плотность этой модификации льда. Насколько это важно, показывает простой умозрительный эксперимент. Представим себе, что вода перестанет расширяться при замерзании. Как изменится наш мир?
Для начала хорошие новости: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с минеральной водой. Наконец, плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга – эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.
Теперь новости похуже. Их возвещают крики зверей и молчание рыб. Легко догадаться, что полярных медведей перемена льда ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до толики небольших островов, затерянных в Северном Ледовитом океане, ведь лед, сковывающий его, неминуемо пошел бы ко дну. Погибли бы и рыбы, населяющие реки и озера в северных широтах Евразии и Америки, ведь эти водоемы в зимнюю пору промерзали бы до дна.
Продолжим наше путешествие по Земле изменившегося льда. Здесь стало несравненно теплее. Сейчас льды, покрывающие полярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха, проникшие в них при застывании воды. Подобный лед почти идеально отражает солнечные лучи. Когда огромные массы льда потонут в водах северных морей, поверхность Земли станет темнее. Она будет лучше поглощать солнечный свет, и, как следствие, земная атмосфера разогреется. Постепенно растает ледяной щит, покрывающий сейчас Антарктиду. Уровень моря возрастет. Портовые города скроются под толщей воды.
Пока же из этих городов мы запросто можем отправиться туда, где само море бывает сковано льдом. Морской лед напоминает скорее пористую губку, чем знакомый нам речной лед. Зато он изобилует живыми организмами. По большей части, это – одноклеточные водоросли. По предположению ученых, эти организмы служат центрами кристаллизации льда. Вокруг них формируются кристаллики льда. Потом они всплывают на поверхность моря и скапливаются здесь. Волны нагоняют в эту ледяную кашицу все новые растения, все новые микроорганизмы. Можно сказать, что морской лед насыщен планктоном так же, как и морская вода. Большая часть этих организмов может не только жить в толще льда, но и размножаться здесь. Впрочем, некоторые планктонные организмы в летние месяцы, когда тает лед, высвобождаются из ледяного плена, размножаются в открытой воде, а с наступлением холодов снова укрываются среди льда, какой бы неуютной – низкая температура, высокая соленость, отсутствие света – ни казалась эта среда обитания для всего живого. Эти организмы – от одноклеточных и диатомовых (кремнистых) водорослей до червей и рачков – населяют, прежде всего, многочисленные каналы и полости, усеивающие толщу морского льда и достигающие в поперечнике нескольких миллиметров.
Только в антарктическом паковом льде обитает от 200 до 300 видов диатомовых водорослей, в арктическом льде – еще около 300 видов. В одном литре растаявшего льда можно встретить до нескольких сотен миллионов живых клеток.
В горах льду не место?
Ледники покрывают высокогорные районы нашей планеты. Ими скованы полярные острова и даже целый континент – Антарктида. Они – главные хранители пресной воды. Три четверти всех ее запасов сосредоточены в этих громадных шапках льда, которые нависают над простертыми долинами, подминают под себя обширные области суши, питают многочисленные реки и ручьи. Справедливости ради следует отметить, что 99 % всей этой воды содержится вдали от цивилизации – в Антарктиде и Гренландии.
Эти ледяные колоссы кажутся неколебимыми, но они очень чувствительны к любым изменениям климата. По мере того как средняя температура на планете растет, они все заметнее сдают прежние позиции. Какая судьба ждет ледники в ближайшие десятилетия? Сохранятся ли они? И что страшного в том, что они могут исчезнуть? Может быть, мы понапрасну тревожимся?
Ежегодно ледники во всем мире (не считая ледяных щитов Антарктиды и Гренландии) теряют около 150 миллиардов тонн льда. Если же добавить и исключенные нами области, то общие потери составят 230 миллиардов тонн в год. Это определили с помощью спутниковых наблюдений, сообщил в 2012 году журнал
Большинство ледников тают уже на протяжении последних полутора веков, но с конца 1980-х годов этот процесс заметно ускорился. Этому способствовало и глобальное потепление и, например, даже то, что поверхность многих ледников в результате нашей промышленной деятельности постепенно покрылась копотью, приносимой ветром. Потемневший лед сильнее поглощает солнечный свет и разогревается.
По прогнозу ученых, к 2100 году исчезнут до 50 % горных ледников. Последствия их таяния драматичны. Привычные для нас пейзажи исчезают. Белое безмолвие гор сменяется серой скукой камня, помноженного на камень. Серебро снега и льда, блиставшее в переливах солнца, теперь тускло темнеет, превращенное даже не в узорчатые черепки – в безликую гальку и пыль. А еще неутомимая работа природных сил перемежается катастрофами. То с грохотом распадется скала, усеивая своими обломками дно разверзшейся перед ней пропасти. То, не остановленный ледником, промчится грязевой поток. То озеро, образовавшееся после таяния льда, прорвет естественную преграду, вставшую у него на пути, и выплеснется в обжитую людьми долину, сметая все подряд. Эти миллионы литров воды, промчавшиеся с огромной скоростью, будут ломать деревья, как спички, скидывать здания, как картонки.
За редкими исключениями ледники тают повсюду. Так, всего за полтора века от ледовых альпийских полей времен Бальзака и Гейне осталось не больше половины. В Австрии освободились ото льда склоны гор, которые были покрыты им на протяжении последних 13 столетий. Но самые важные события впереди. По прогнозу ученых, уже через 15 лет начнется массовое таяние здешних ледников. Их толщина в Альпах составляет в среднем 30 метров. Сейчас каждый год растаивает метровый слой льда, то есть ледники теряют за год примерно 3 % своей массы. Нетрудно подсчитать, что если нынешнее потепление продолжится, то небольшие ледники, как и ледники средних размеров, исчезнут уже к 2050 году.
При этом скорость таяния альпийских ледников, похоже, лишь нарастает. Чем меньше площадь, занимаемая ими, тем меньше солнечного света отражается от их поверхности и рассеивается в околоземном пространстве. Там же, где ледников нет, темный каменистый грунт только сильнее прогревается солнцем. Поэтому соседние ледники тают все быстрее.
Остановить происходящие сейчас изменения уже нельзя, считают многие экологи. Можно разве что их замедлить. А ведь ледники не только украшают Альпы и привлекают сюда многочисленных туристов и любителей горных лыж. Талая вода ледников питает такие крупные реки, как Рона и Рейн. После 2025 года уровень воды в них начнет понижаться.
Таяние ледников в Альпах приведет к появлению здесь новых горных озер. Со временем Швейцария превратится в озерный край. Здесь возникнет еще от 500 до 600 озер. Глубина некоторых достигнет 100 метров. Их вполне можно сравнить с водохранилищем средних размеров.
Поделиться книгой: