Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Молекулы газа всегда с нами. Земная атмосфера окружает нас, воздействует на нас, оказывает на нас давление и обеспечивает нам жизнь. Замечательное свойство земной атмосферы – это то, что она нестатична и пребывает в постоянном движении и изменении. Окружающий нас воздух невидим, но если бы мы могли его видеть, то увидели бы, как его огромные массы поднимаются в результате нагрева и опускаются вследствие охлаждения, как он расширяется и сжимается, находясь в непрерывном движении. Процессы, происходящие в атмосфере, как и в любой другой совокупности молекул газа, подчиняются газовым законам, которые мы рассматриваем в этой главе. Хотя окружающий нас воздух на первый взгляд не имеет ничего общего с тем, что содержится в легких кашалота или паровом двигателе, он оказывает на нас физическое воздействие. Но поскольку он также находится в окружении воздуха, это означает, что он воздействует сам на себя, приспосабливаясь к изменяющимся условиям. Мы не можем видеть подробностей процессов, происходящих в окружающем нас воздухе, но у нас есть название их последствий: погода.

Идеальное место для наблюдения за ураганом – обширная открытая равнина. Еще вчера воздух мог быть спокойным, а бескрайний голубой простор над головами – казаться вечным. Невидимые молекулы воздуха концентрируются ближе к поверхности земли. Чем дальше от нее, тем разреженнее воздух. Воздушные массы постоянно сталкиваются между собой, перемешиваются и перестраиваются, пребывая в непрерывном движении. Они перемещаются из областей высокого давления в области низкого, реагируя на нагрев и охлаждение, и все время устремляются то в ту то в другую сторону. Но эти изменения происходят довольно медленно и спокойно. Ничто даже не намекает на перенос молекулами воздуха огромного количества энергии.

День, когда происходит ураган, начинается так же, как и предыдущий, только небо обычно еще яснее, чем накануне, поэтому земля прогревается гораздо быстрее. Молекулы воздуха принимают на себя часть этой энергии и ускоряются. Ближе к полудню надвигается плотная облачность, захватывая по мере своего приближения все большую часть небосвода, и вскоре застилает весь горизонт. Наблюдается интенсивный обмен энергией. Разность давлений толкает это газообразное архитектурное сооружение по равнине. Вследствие его неустойчивости нарастает напряжение. Хотя молекулы воздуха с большой силой соударяются друг с другом, им не хватает времени перестроиться в более сбалансированную структуру. Наряду с этим происходит интенсивное перемещение огромного количества энергии, поэтому ситуация непрерывно меняется. Воздух, нагревшийся у поверхности земли, поднимается, достигает облаков, продирается сквозь них и выстраивает поверх них все новые и новые сооружения.

Когда такая грозовая туча нависает над вашей головой, ярко-голубое небо сменяется зловещим сумраком, охватывающим всю равнину. Стоя на земле, мы оказываемся в центре схватки, происходящей над нашими головами. Мы не можем видеть молекул воздуха, но можем наблюдать клубящиеся и вздымающиеся над нами облака. Но созерцаемое нами – лишь слабый намек на драму, разворачивающуюся внутри облаков, где сгустки воздуха яростно сталкиваются между собой, поскольку дисбалансы давлений настолько велики, что перегруппировка молекул воздуха представляет собой очень быстрый и энергичный процесс. Когда молекулы воздуха обмениваются энергией, водяные капли охлаждаются и увеличиваются в размерах и на землю падают первые крупные капли дождя. Когда интенсивное движение молекул воздуха начинается даже у поверхности земли, поднимается сильный ветер.

Огромные грозовые облака напоминают нам о том, какой внушительный запас энергии присутствует высоко в голубом небе. Мы видим лишь последствия столкновений и перемещений молекул воздуха, происходящих у нас над головами, хотя даже эти последствия выглядят весьма впечатляюще. Тем не менее это только слабое отражение реальной драмы, разворачивающейся на молекулярном уровне. Молекулы воздуха могут поглощать энергию излучения Солнца, отдавать свою энергию океану, накапливать энергию от конденсации при формировании облаков или отдавать энергию, испуская ее в окружающее пространство; они постоянно приспосабливаются к изменениям обстановки, подчиняясь закону идеальных газов. Наша вращающаяся планета, с ее неровной и многоцветной поверхностью, усложняет эти перестройки; дополнительные сложности вносят облака, присутствие разнообразных крошечных частиц и наличие тех или иных конкретных газов. Прогноз погоды – лишь попытка сделать те или иные выводы на основании наблюдений за битвами у нас над головами и идентифицировать те процессы, которые окажут наибольшее влияние на нас, землян. Но в основе этих процессов лежат те же законы, которые использует слон, конструктор ракет и создатель парового двигателя, – законы газов в действии. Те же законы газов, которые заставляют лопаться попкорн, определяют погоду на нашей планете.