4. Наш дом родной, планета наша
4.1. Почему небо голубое?
Почему небо голубое, если воздух прозрачный? Почему на каком-то удалении появляется синева, откуда она берется?
Этот эффект обеспечивают несколько факторов. Первый из них – это рассеивание света. Мы знаем, что свет представляет собой электромагнитные волны. Причем каждому цвету из спектра соответствует строго определенная частота. Белый солнечный свет – смесь всех этих цветов. И когда он попадает в атмосферу, то начинает рассеиваться, то есть немного менять направление. Но законы рассеивания таковы, что чем больше частота, тем сильнее отклонения лучей. Получается, что красный, оранжевый, желтый оттенки проходят атмосферу практически по прямой. А вот голубые, синие, фиолетовые лучи рассеиваются намного сильнее. Поэтому они начинают путешествовать в атмосфере, постоянно меняя направление. Соответственно, если мы смотрим не на солнце, то именно эти лучи-путешественники и должны приходить нам в глаза со всех сторон.
Можно привести аналогию с шариками разных размеров, которые скатываются с наклонной ребристой поверхности. Более крупные шарики движутся по ней практически по прямой. Более мелкие начинают рассеиваться и немного менять направление движения.
Но почему небо не фиолетовое? Ведь рассеивается сильнее всего именно этот оттенок. Вот тут сказывается второй фактор: в солнечном спектре разные цвета имеют разную интенсивность. Что касается фиолетового, то его интенсивность меньше, чем голубого или синего. Именно поэтому в атмосфере наибольшее количество рассеянных лучей именно голубого оттенка. Что касается закатного, красного неба, то в таком случае лучи падают по касательной к поверхности земли и проходят огромную толщу атмосферы, настолько большую, что слабенькое рассеивание красных оттенков уже дает о себе знать. Именно поэтому небо имеет такой цвет, несмотря на то, что воздух прозрачный.
Кстати, облака тоже должны быть прозрачными, ведь они состоят из воды. Но мы видим, какие они белые. Это происходит опять же из-за рассеяния. Однако облака состоят из более крупных частичек, микроскопических капелек жидкости, и поэтому рассеиваются абсолютно все оттенки: от красного до фиолетового. Ну а при смешивании они дают белый цвет.
И раз уж мы заговорили о спектре солнца, то нужно понимать, что оно испускает и радиоволны, микроволны, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение и даже немного рентгеновского. Так что видимое излучение – это всего лишь маленькая часть того, что излучает наше светило. Все это электромагнитные волны, и они обладают такими же свойствами, как и обычный свет.
Но вот почему на нашей планете вообще нет существ с чисто инфракрасным зрением? Или, например, с ультрафиолетовым? Во всем виновата эволюция. Если вы посмотрите на интенсивность солнечного света во всем спектре, то окажется, что самым ярким является зеленый свет. И живые существа в процессе естественного отбора приспособились к самому яркому излучению, которое падает к нам от солнца. Именно эти электромагнитные волны и стали видимым диапазоном спектра.
4.2. Как возникает полярное сияние?
Повезло тому, кто хоть раз видел яркое, завораживающее полярное сияние. Кажется, что словно природа рисует на небе невидимой кистью светящиеся полосы. Это удивительная игра света, на все небо – от края до края! Это самое удивительное световое шоу, которое только можно увидеть на Земле. У него нет аналогов. И самое главное, оно притягивает своей эксклюзивностью, тем, что только в холодных, суровых областях у вас есть возможность любоваться полярным сиянием довольно часто. И, конечно, шарма полярному сиянию добавляют льды и снега полярных областей, которые получили эксклюзивное право на трансляцию этого явления.
Но не всегда это сияние такое уж и полярное. Ведь совсем недавно мы могли наблюдать полярное сияние даже в Москве и других городах средних широт. Более того, непосредственно на полюсах оно бывает не очень часто. Так как же оно образуется и какие у него особенности?
Наша планета – удивительный везунчик, ведь для полярного сияния нужно два фактора: наличие атмосферы и магнитного поля. Они есть только у Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна.
Полярное сияние – это удивительное сочетание солнечной активности, магнитосферы Земли и воздействия всего этого на атмосферу.
Просто удивительно, насколько красиво, элегантно и гармонично устроена природа, как простейшие законы физики приводят к возникновению поистине поразительных явлений… Но обо всем по порядку.
Полярные сияния возможны благодаря тому, что Солнце испускает в пространство огромное количество не только излучения, но и вещества. От него непрерывно, с невероятной скоростью, отлетает бесчисленное количество протонов и электронов. Это явление называется солнечный ветер. По сути это плазма, но только светится она слабо, так как достаточно разреженная.
Иногда Солнце перебарщивает и выплевывает огромные кучи вещества. Это уже не просто небольшая вспышка. Через два-три дня полета все это вещество достигает Земли. При этом скорости у частиц разные, они обладают разной энергией, и вот тут начинается самое интересное. Они захватываются магнитным полем Земли, которое по структуре похоже на кочан капусты или лук и представляет собой множество магнитных оболочек.
Каждый одиннадцатиклассник должен знать, что на заряженные частицы в магнитном поле действует сила Лоренца, под воздействием которой они начинают заворачивать и двигаться по спирали. Получается, они как бы наматываются на линии магнитного поля и начинают двигаться к полюсам. Это чем-то напоминает макароны. Причем шаг винтовой линии зависит от силы поля: чем ближе к полюсам, тем оно сильнее и шаг меньше. В какой-то момент частица может остановиться и полететь обратно, закручиваясь вокруг линии магнитного поля. Таким образом она оказывается в ловушке и начинает колебаться около Земли в космосе.
Оказывается, что Земля просто опоясана такими областями, где частицы попали в западню, словно Индиана Джонс в комнате со сдвигающимися стенами. Это радиационные пояса. Таких поясов, как минимум, два. В ближнем к нам – самые быстрые частицы, но они не доходят до атмосферы и колеблются пока еще в космосе. Подальше – пояс с частицами помедленней. Его края находятся уже поближе, но все равно не касаются атмосферы.
Есть и третий пояс. На самом деле его не существует, потому что его края – в атмосфере, и когда частица попадает в этот пояс, она, дойдя до края, попадает в атмосферу. Зона вхождения этого пояса квазизахвата, как его называют, лежит на широте около 60–70 градусов. Там и наблюдают максимум сияний. Существуют сайты в Интернете, где можно онлайн отследить интенсивность сияний. А вот непосредственно на полюсах сияний мало, так как очень мало частиц с такими маленькими энергиями.
Когда частицы попадают в атмосферу, они летят с большой скоростью. Сшибая на своем пути атомы, они переводят их в возбужденное состояние, в котором у них есть излишек энергии. Долго атомы в таком состоянии не находятся и через доли секунды сбрасывают эту энергию в виде фотонов. Так что, видя полярное сияние, помните, что вы видите свет, созданный частицами солнца.
На разных высотах состав атмосферы разный, разные газы имеют разные энергии возбуждения, поэтому и цвет получается разный. В основном это зеленый (благодаря кислороду, азоту), но бывает и красный, и синий и так далее.
4.3. Разгон туч перед парадом
Приятно, когда за окном лето, каникулы, хорошая погода, солнце. Но дождливые дни тоже иногда случаются. И как же иногда хочется управлять погодой и подстраивать ее под свое настроение! Что ж, при сильном желании и большом количестве денег нет ничего невозможного.
Ни для кого не секрет, что в крупных городах перед большими праздниками разгоняют тучи, чтобы была ясная и солнечная погода. Но как это делают? Все очень просто. Есть большие самолеты с огромными руками. Они летают вокруг города и отодвигают тучи!..
Нет-нет, конечно же, такого не бывает. На самом деле тучи не разгоняют, а осаждают, то есть заставляют их выпасть в виде дождя где-то вдалеке, благодаря чему облако исчезает. Но как заставить тучу выпасть в виде осадков?
Давайте разберемся, как образуются облака. В воздухе постоянно присутствует влага, невидимые водяные пары, которые испаряются с поверхности озер, океанов, луж. Эти водяные пары поднимаются вверх и конденсируются. В результате конденсации образуются микроскопические капельки жидкости, которые рассеивают свет. Возникает некий туман, это и есть облако. Но конденсация не может происходить просто так, при понижении температуры. Для этого нужны какие-то пылинки, взвешенные частички в воздухе, вокруг которых и образуется микрокапелька. Ну и конечно же, вокруг маленьких пылинок образуются настолько маленькие микрокапельки, что восходящие потоки воздуха не дают им упасть. Поэтому облако держится на плаву.
ЖИДКИЙ АЗОТ
tкип = −196 °С
СУХОЙ ЛЕД
tсубл = −78 ℃
Если мы хотим, чтобы облако расплакалось, у нас есть два способа. Первый способ – это посыпать облако какими-то крупными частицами. Дешевый вариант – это цемент в виде порошка, более дорогой вариант – это йодистое серебро. В результате на этих крупных частицах образуются большие капли, которые выпадают в виде дождя. И второй способ – это охлаждение облака для усиления естественной конденсации. Для этого в туче распыляют жидкий азот или сухой лед. Эти вещества обладают очень низкой температурой, и общая температура в облаке немного понижается. Этого понижения достаточно для того, чтобы образовывались более крупные капли, которые выпадают в виде дождя. Ну и, конечно же, цена вопроса. Самый простой способ – это закидать все цементом, однако образующийся дождь получается очень грязным и противным. А вот качественный разгон облаков стоит около 2,5 миллиона долларов.