99 секретов науки

Сколько лет может быть камню? Десять, двадцать, сто? А быть может, миллион или миллиард? До изобретения методов радиоизотопного анализа, которые позволяют определить точный возраст минералов, ученые и не предполагали, насколько старыми могут быть горные породы. Выяснилось, что кристаллам циркония, самого древнего минерала, более четырех миллиардов лет! В таком случае, сколько же лет самой нашей планете, если на ней существуют такие старые камни? Почти столько же, ведь эти кристаллы образовались вскоре после рождения Земли.

Наша планета появилась на свет не сама по себе, а в составе Солнечной системы, так что день рождения у этих небесных тел коллективный. Они, все вместе, образовались из газопылевого облака, сконцентрировавшегося в данной части Вселенной, около четырех с половиной миллиардов лет назад.

№ 61. Слишком соленая планета. О запасах пресной воды

Нашу планету как будто вымачивают в рассоле. Большую часть ее поверхности составляют моря и океаны, и все они соленые. Из всей воды, имеющейся на Земле, всего 3 % содержит менее 0,1 % соли, то есть является пресной. Это же очень мало! – можете воскликнуть вы. И будете правы. Пресной воды в мире действительно маловато, хотя в нашей стране ее пока достаточно.

Где же можно найти пресную воду? Прежде всего, в ледниках. Айсберги, ледяные горы и массивы – все это источники высококачественной питьевой воды. Тонны пресной воды плавают… по небу. В виде облаков. Здесь вода хранится в газообразном состоянии, но не перестает от этого быть пресной и пригодной к употреблению. Ну и традиционные источники пресной воды, которыми мы все пользуемся постоянно: реки, озера, ручьи, подземные родники.

№ 62. Существование после смерти. Происхождение нефти

В середине ХХ века существовали две основные теории происхождения нефти – биогенная и абиогенная. Первая утверждала, что нефть – это продукт переработки живого мира: растений, животных, микроорганизмов. Согласно второй теории, нефть произошла из неорганических веществ: минералов, газов и т. п. Первая теория победила, поэтому обратимся к ней.

Миллионы лет назад Земля уже была населена живыми организмами и засеяна многочисленными растениями. Они, как и нынешние обитатели планеты, проходили свой жизненный цикл, в конце которого погибали. Их останки попадали на дно различных водоемов, которые присутствовали в изобилии, через какое-то время покрывались водорослями и илом, трамбовались, опускались все ниже и ниже. Тут в работу вступали микроорганизмы, живущие без воздуха и использующие для получения энергии химические реакции. Они перерабатывали органические останки в углеводороды, которые выглядели как темные маслянистые капли, собиравшиеся в лужицы.

Постепенно земной ландшафт менялся, на месте морей появлялась суша, и наоборот. Не миновали перемены и недра планеты. Нефть перемещалась, скапливалась, закрывалась в природные резервуары, натыкаясь в своих путешествиях на непроницаемые породы. Так под землей и под дном океанов и морей скопились запасы черного жидкого маслянистого вещества, которое оказалось столь полезным для человеческой цивилизации.

Нефть, добытая, например, в российском Сургуте, отличается по составу от нефти, выкачанной из разлома в Арктике, потому что в создании жидкого топлива принимали участие разные организмы и растения и условия при этом тоже отличались. Хоть запасы нефти достаточно велики, все же в недалеком будущем наступит момент, когда они истощатся. Поэтому сегодня ученые всего мира бьются над вопросом, чем заменить черное золото.

№ 63. Почти как атомная бомба. Разрушительная энергия смерча

Слышали историю о том, как девочку Элли унесло ураганом в волшебную страну? Это, конечно, сказка, но реальность может быть не менее интересной и пугающей, ведь смерчи, способные поднимать в воздух дома и людей, случаются на самом деле.

Сила мощного смерча настолько огромна, что его сравнивают со среднестатистической атомной бомбой. И это неудивительно, ведь свою энергию он черпает из грозового облака, продолжением которого является. Образование смерча обычно происходит так: на небе появляется темная туча угрожающего вида, воздух становится душным и жарким. Потом внезапно холодает, и из нависшей над землей тучи выходит столб или воронка, в которой воздух вращается с бешеной скоростью.

Опаснее всего смерч, нижняя часть которого достигает земли. Он, как гигантский пылесос, втягивает в себя все, что попадает в зону досягаемости, а потом сбрасывает это вниз. Сильный смерч может поднимать в воздух машины, людей, животных, срывать с домов крыши и рушить все на своем пути. Убежать от него трудно (скорость смерча может доходить до 60–70 км/ч), но возможно. Нужно двигаться перпендикулярно направлению его движения, бежать со всех ног и стараться найти железобетонное укрытие или углубление (овраг, пещеру, подвал).

Смерч разрушает не только силой, но и давлением. Внутри него воздух опускается, а снаружи воронки – поднимается, за счет этого образуется разница давления и замкнутые, наполненные воздухом предметы, такие как дом или машина, могут просто взорваться, попав в зону действия смерча. Диаметр смерча обычно бывает около 200–300 метров, хотя известны смерчи, растянувшиеся до 3 километров. Смерч, образовавшийся над поверхностью моря или озера, имеет меньший диаметр. Он втягивает в себя воду, а потом может сбросить ее в любом месте, в том числе и над городом или деревней. Душ будет таким, что может случиться наводнение.

№ 64. С неба на землю со скоростью автомобиля. Дождевые капли

Все знают, что такое дождь. Это капли воды, падающие на землю с неба. А как вода попадает на небо? Понять это можно при помощи простого эксперимента, который учителя показывают младшим школьникам на уроке природоведения. Если налить в блюдце воду и оставить на пару дней, вода исчезнет. Она испарится, то есть превратится в пар. Так же вода испаряется из всех водоемов: рек, озер, морей и даже маленьких лужиц. Водяной пар вместе с теплым воздухом поднимается все выше и выше. И в какой-то момент достигает области холодного воздуха. Здесь частички пара снова становятся водой – из-за перепада температур. Капельки воды собираются в облака и перемещаются по небу, взирая сверху на своих собратьев, которые все еще находятся на земле в жидком состоянии.

Из белых пушистых облаков дождь не идет, источник дождя – темные тучи. Как же облако становится тучей? Это происходит, если вокруг холодная атмосфера. Под действием холода капли начинают увеличиваться, впитывая в себя водяной пар, они становятся тяжелее, а облако темнее и опускается ближе к земле. Когда вес капель достигнет определенной отметки, они уже не смогут удерживаться в воздухе и начнут падать на землю, по пути собирая в себя другие капли. Это и есть дождь.

Чем крупнее капли, образовавшиеся в облаке, тем быстрее они падают, тем сильнее дождь. При определенных условиях капли диаметром 6 мм могут разгоняться до 100 км/ч и даже больше. С такой скоростью обычно ездят автомобили! Хорошо, что с неба падают не они, а всего лишь небольшие капельки воды. Размер капель ограничен, они не могут быть больше 6–7 мм, так как начинают распадаться. Минимальный диаметр капель 0,1 мм, дождь из таких «малышек» называют моросящим. Иногда дождь падает на землю вместе со снегом, а порой, при отрицательной температуре воздуха, капли на лету замерзают и идет ледяной дождь – красивое, но довольно опасное явление.

№ 65. 400 лет без воды. Пустыня Атакама

Чтобы увидеть лунный пейзаж на Земле, путешественники отправляются в Чили, в пустыню Атакама, где вот уже четыре сотни лет не было ни одного полноценного дождя, а в некоторых ее районах его не было вообще никогда. Это место считается самым засушливым на нашей планете, здесь практически нет растительности, редкие животные, вроде ящериц, прячутся в норах, кругом только песчаные дюны да редкие груды камней. Скалы в пустыне покрыты зеленым налетом из-за окисляющейся меди, что придает пейзажу еще большую экзотичность. Ну чем не Луна?

На окраинах пустыни встречаются мелкие озера, но вода в них настолько соленая, что совершенно непригодна для питья. Под палящим солнцем озера высыхают, их поверхность превращается с твердую соляную гладь. Единственный источник пресной воды – густые ночные туманы.

№ 66. Чем ближе к солнцу, тем холоднее. Температура в горах

Те, кто хоть раз был в бане, знают: самое горячее место находится вверху, на верхней полке, а самое прохладное внизу, на полу. Так работают законы физики, теплый воздух поднимается, холодный опускается. Почему же тогда в горах так холодно, и чем выше, тем холоднее? Ведь, кроме всего прочего, забираясь на горные вершины, мы оказываемся ближе к нашему главному обогревателю, солнцу.

Законы физики в горах, конечно, действуют, но тут вступают в дело дополнительные факторы, которых нет на равнине. Прежде всего, нужно отметить, что воздух плохо проводит и сохраняет тепло, а разряженный воздух высоко в горах – еще хуже. На поверхности нашей планеты относительно высокая температура не от теплого воздуха, нагретого солнцем, а оттого, что земля (в том числе леса, поля и равнины) и вода поглощают тепло, идущее сверху, а затем отдают его в атмосферу. Теплое одеяло из отданного тепла накрывает землю до высоты около 10–15 километров, но чем выше, тем этот нагрев меньше. Жар постепенно рассеивается. Не будем забывать о разреженном воздухе – чем меньше молекул на единицу площади, тем меньше движения и тепла. Приведем простой пример: в плотной толпе всегда жарче. Подсчитано, что при подъеме на каждую тысячу километров температура воздуха снижается на 5–6 градусов.

Можно задаться вопросом: почему горы не поглощают и не отдают тепло, как это делают низменности? Причина в отражающих поверхностях. Горы имеют форму конусов, и лучи падают на них не перпендикулярно, как на равнины, а под углом, что уменьшает теплопроводность. Самые теплые участки в горах – это плоские плато. Днем они прогреваются под солнечными лучами, правда, вечером быстро остывают из-за того, что разреженный воздух не сохраняет тепло. Вторая причина, мешающая горам впитывать солнечное тепло, – снеговые шапки. Они белые и отражают лучи, вместо того чтобы поглощать их.

№ 67. Хит-парад пляжных песен. Поющие пески

Об этом явлении испокон веков ходили легенды. Китайцы называли его голосом дракона, индейцы – плясками мертвецов, арабы считали, что это сирены, заманивающие путников в безводные пустыни на верную гибель. Сегодня эту загадку природы называют поющими песками. Как же пески поют? Они издают звуки во время ветра или когда по ним кто-то ходит, иногда – без видимой причины. Эти звуки могут быть весьма музыкальными, часто они напоминают какую-то мелодию.

Чтобы выяснить, от чего зависит исполняемая мелодия, проводились эксперименты: в лабораторию привозили песок из самых «поющих» мест, сыпали его по склону, дули на него, при этом измеряя параметры звуков. Вывод был таким: на музыку, прежде всего, влияет размер и состав песчинок, во вторую очередь – сила воздействия ветра и других раздражителей.

№ 68. Море без берегов и волн. Саргассово море

Обычно у моря есть берега. Даже если оно граничит с океаном, то отделяется от него рельефом дна, например подводной горной грядой. Но есть одно море, у которого очень необычные границы: берега ему заменяют мощные океанские течения. Это море расположено посреди Атлантического океана, довольно далеко от суши. Оно называется Саргассовым – из-за водорослей саргассум, которыми покрыта практически вся его поверхность.

Если посмотреть на море сверху, его можно принять за сушу – оно выглядит как темное пятно. В густом ковре из водорослей живет множество различных морских обитателей: черепахи, крабы, актинии, десятки видов рыб. Все они наслаждаются теплой водой и уникальным микроклиматом моря. Границы моря подвижны, течения немного смещаются, и площадь меняется на 1 миллион квадратных километров.

№ 69. Позади и впереди – ледниковый период. Межледниковье

Обычно после зимы, какой бы холодной и лютой она ни была, неизбежно наступает лето. Но только не в ледниковый период. В это время большая часть Земли покрыта льдом и снегом, а зима может длиться тысячелетиями.

Нам повезло – мы живем в период межледниковья. Предыдущий ледниковый период был на планете почти 15 тысяч лет назад, следующий наступит через 20 тысяч. Так что можно расслабиться и наслаждаться сменой времен года, в том числе и солнечным теплым летом.

Почему же время от времени Земля превращается в ледяное королевство? Все дело в наклоне земной оси. Эта воображаемая прямая, вокруг которой происходит суточное вращение планеты, расположена не строго вертикально, а под наклоном. То есть планета вращается как бы лежа на боку, подставляя Солнцу то одну, то другую сторону. Например, в июле в Северное полушарие попадает максимальное количество горячих солнечных лучей, поэтому здесь разгар лета. В южной половине планеты солнечного тепла в это время совсем мало – здесь зима. Когда Земля проходит половину пути вокруг Солнца, все меняется, теперь планета подставляет светилу другой бок – тот, где Южное полушарие.

Если бы земная ось находилась в стабильном положении, смена времен года происходила бы в таком порядке всегда. Но ось вращается, описывая конус, – как замедляющийся детский волчок. Через 20 тысяч лет она достигнет положения, в котором распределение солнечного света по планете изменится, и ледники начнут распространяться из Арктики и Антарктиды по другим континентам. Чем больше снега, тем больше отражающая поверхность, тем медленнее он тает. Зима удлиняется, температура уменьшается с каждым годом все больше. Через сотни лет наступает такой момент, когда снег не тает вовсе – это ледниковый период. Когда наклон оси снова меняется, жизнь постепенно возвращается на круги своя.

№ 70. 500 миллионов лет до конца света. Будущее Земли

О прошлом Земли мы кое-что знаем, следы былых событий, происходивших на планете, сохранились повсеместно: в ее ландшафте, атмосфере, обитателях, наконец, в ископаемых останках. С будущим сложнее, его предсказать не так просто. Но для дотошных ученых нет ничего невозможного – скрупулезно изучая настоящее, они могут делать довольно точные прогнозы.

Итак, какие перемены ждут старушку Землю в ближайшие миллионы лет? Главные изменения придут со стороны центра нашей системы – Солнца. Температура его ядра будет постепенно расти, оно начнет светить еще ярче и беспощаднее. Через 3 миллиарда лет светимость Солнца возрастет на 33 %, и на этом процесс не закончится, наша звезда продолжит стремиться к тому, чтобы превратиться в красного гиганта.

Ясно, что жить на раскаленной планете будет невозможно, поэтому с нее постепенно исчезнут растения (этот процесс начнется через 600 миллионов лет) и все живые организмы. Океаны начнут испаряться и высыхать, а процесс дрейфа континентов закончится через 1 миллиард лет, потому что энергия земного ядра истощится. Вполне возможно, что к этому моменту все части суши соединятся, превратившись в суперконтинент.

Через семь с половиной миллиардов лет Солнце станет красным гигантом и поглотит Землю, на которой к тому моменту не останется ничего живого.

С яростным и горячим Солнцем все понятно, возникает вопрос: а как же люди? Насколько сильно их влияние на планету? Если человечество будет неосторожным, то жизнь на Земле может закончиться гораздо раньше, чем ее разогреет Солнце. Уже сегодня люди трансформировали почти две трети поверхности суши, нарушили баланс во многих экосистемах, изменили атмосферу, воду и почву. Но они еще не совершили роковую ошибку – не начали ядерную войну.

Остается надеяться, что у человечества хватит благоразумия воздержаться от самоуничтожения и попытаться восстановить разрушенное.

№ 71. Как огурцы на грядке. Парниковый эффект

Чтобы вырастить огурцы и помидоры в холодном климате, садоводы строят парники из стекла, пропускающие свет и не выпускающие тепло. Такой же парник над Землей создает атмосфера: через нее легко проходят солнечные лучи, но в ней «застревает» инфракрасное излучение, идущее от нагретых объектов. Без этого эффекта на нашей планете было бы очень холодно (около –20 °C), и вряд ли когда-нибудь зародилась бы жизнь.

Почему же сегодня ученые бьют тревогу? Потому что из-за промышленной деятельности человека увеличилось количество парниковых газов, тех самых, что задерживают тепло в атмосфере. Это привело к повышению температуры на планете на несколько градусов и может стать причиной губительных последствий: таяния ледников, повышения уровня воды в мировом океане, нарушения экологического баланса.

Физика и химия

№ 72. Вода замерзает при +20 °C. Удивительные свойства метана

Все знают, что вода замерзает при 0 °C, но у этого физического правила есть исключения. Когда вода находится в нормальном состоянии, ее молекулы хаотично движутся – как посетители в крупном торговом центре. Когда вода превращается в лед, молекулы ходят строем, как солдаты на плацу, при этом они держатся друг от друга на расстоянии, создавая высокую плотность.

Есть вещество, в котором расстояние между молекулами гораздо больше, чем у воды, – это метан. Он может содержаться в трубопроводах, и тогда вода замерзает при +20 °C – потому что молекулы метана как бы расталкивают молекулы воды, уменьшая давление, увеличивая плотность и значительно повышая температуру замерзания. В почве вода может замерзнуть при +4 °C, если там присутствует много белка, чьи молекулы действуют подобно молекулам метана.

№ 73. По капле в 10 лет. Самый длинный эксперимент в истории

Иногда вещи не таковы, какими кажутся. Об этом говорили многие из великих, а австралийский профессор Томас Парнелл решил наглядно продемонстрировать данную аксиому своим студентам. Он взял кусок битума, который выглядит как твердое вещество, и решил доказать, что это – жидкость, просто очень вязкая. Для этого ему понадобились воронка, штатив, стеклянная емкость и… несколько десятков лет.

Эксперимент был начат в 1927 году. Профессор нагрел битум, налил его в запечатанную воронку и оставил в неприкосновенности на 3 года. Через этот период времени можно было начинать собственно эксперимент. Парнелл установил воронку на небольшой штатив, поместил под ней прозрачную емкость, распечатал дно воронки… и стал ждать, когда упадет первая капля жидкости, выглядящей как твердое вещество.

Ждать пришлось более восьми лет. Само падение капли профессору увидеть не довелось, он очень расстроился, но эксперимент не завершил. Вторая капля битума упала в 1947 году, третья – в 1954, четвертая – в 1962-м. Далее капли падали приблизительно с такой же периодичностью – раз в 8–9 лет. Это позволило ученым сделать потрясающий вывод: вязкость битума и ему подобных веществ (например, смолы) в 230 миллиардов раз больше вязкости воды.

К слову, ни одному из ученых, начавших и продолживших эксперимент, не довелось своими глазами увидеть падение капли битума. Эти знаменательные события, происходили, как назло, всегда без свидетелей. Физики могли только установить свершившийся факт: капля снова упала. В ХХI веке для наблюдения за экспериментом была установлена веб-камера. И все же увидеть падение последней на сегодняшний день капли, 14-й по счету, снова никому не удалось. Как раз в тот момент, когда она падала, возникли какие-то технические неполадки. Ученые очень надеются, что в следующий раз они все же заснимут этот неуловимый процесс.

№ 74. Гори оно все синим пламенем! Или зеленым. Зависимость цвета пламени от горящего вещества

Говорят, на огонь можно смотреть бесконечно долго. Еще интереснее это делать, если разглядывать при этом цвета пламени. Какого цвета костер? В основном оранжевого, но есть в нем проблески голубого, белого, красного. Этот калейдоскоп оттенков зависит от температуры огня и от того, какое именно вещество горит.

Возьмем обыкновенную парафиновую свечу и зажжем фитиль. Что мы увидим? Длинный язычок пламени, вытянутый вертикально вверх – за счет того, что теплые газы имеют склонность подниматься. В своей самой нижней части, у фитиля, пламя будет синим – потому что там много топлива и почти нет кислорода, стимулирующего горение. Вокруг синего огонька находится более яркая, красноватая зона, где больше кислорода и выше температура – около 1000–1200 °C. Еще дальше от центра пламя становится желтым, здесь сгорают несгоревшие частицы топлива при участии самого большого количества кислорода. Это самое горячее место в язычке пламени свечи.

Древесина горит при относительно низкой температуре, цвет пламени в этом случае будет оранжевым, а не желтым, как у ободка пламени свечи. Но желтоватые язычки в костре все же есть – из-за присутствия солей натрия. Если огонь посолить обычной поваренной солью, он пожелтеет. Если в костре каким-то образом окажутся примеси меди, то это придаст ему зеленоватый оттенок. Такой же цвет дают при горении сурьма, барий, фосфор. Селен горит чистым синим пламенем, бор – сине-зеленым, калий добавляет в палитру огня фиолетовый, кальций и литий – красный цвет. Некоторые из этих веществ используются при изготовлении фейерверков, они помогают раскрасить салют в разные цвета.

Самый привычный цвет пламени для горожан – голубовато-синий. Так горят конфорки на газовых плитах в наших квартирах. Этот цвет обусловлен выделением угарного газа.

№ 75. Летит, сверкает, шипит! Загадка шаровой молнии

Древние считали ее огненным глазом некоего потустороннего чудовища или проявлением божией кары и, естественно, боялись до смерти. Сегодня о чудовищах речь не идет, и все же шаровая молния остается непонятным и очень пугающим явлением. Даже ученые не могут толком ответить на вопросы, что это такое, откуда берется и как себя вести при появлении сверкающего шипящего огненного шара. Теорий существует немало, но так как молнию необычной формы очень трудно получить в лабораторных условиях, она все еще остается неизученной и загадочной. Большая часть исследователей сходится во мнении, что шаровая молния представляет собой газовый шар, сформировавшийся под воздействием атмосферного электричества.

Некоторые скептики из научного мира долгое время отрицали существование шаровых молний, считая их вымыслом и игрой воображения очевидцев. Была разработана целая теория, доказывающая, что это яркое и пугающее явление не более чем зрительная галлюцинация. Но в начале ХХI века две шаровые молнии попали в поле зрения приборов, исследующих спектр обычных молний. Так их существование было научно доказано.

Шаровая молния появляется внезапно, чаще всего во время грозы, вместе с обычными молниями, и живет недолго – несколько секунд. Ведет она себя при этом странно и непредсказуемо. Огненный шар может просочиться внутрь помещения через щель, размеры которой значительно меньше диаметра молнии. Иногда она летит прямо, иногда виляет из стороны в сторону. В некоторых случаях молния движется вдоль линий электропередачи или других источников или проводников электричества. Она исчезает так же внезапно, как появилась, обычно не причинив никому вреда. Однако специалисты рекомендуют при появлении шаровой молнии оставаться на месте, не делать резких движений (чтобы не создавать опасных в этом случае колебаний воздуха) и ждать, когда она улетит или испарится.

№ 76. Можно ли купаться в грозу? Да, если вода дистиллированная

Что будет, если бросить в ванну, наполненную водой, включенный фен? Все смотрели криминальные триллеры и знают, что оказавшийся в этот момент в ванне человек немедленно погибнет от удара электрического тока. То же самое легко может случиться с теми, кто рискует купаться в грозу. Если в воду, достаточно близко, ударит молния, то это может привести к летальному исходу. В чем тут дело? Вода прекрасно проводит электрический ток, перенося его от молнии или электроприбора к человеческому телу.

Ток представляет собой движение заряженных частиц, электронов или ионов. Его проводниками являются вещества, в которых есть эти частицы. В дистиллированной воде их нет, поэтому она ток не проводит. Если бы в озере или реке была дистиллированная вода, то в нем можно было бы без опаски купаться в грозу. То же относится к ванне, в которую злоумышленники бросают включенные электроприборы. Правда, проводить подобный эксперимент в домашних условиях все же очень опасно – вполне может случиться, что вода, которую вы считаете дистиллированной, таковой не является. Вдруг в нее все же проникли какие-то опасные с точки зрения проводимости элементы.