Марк Медовник - Жидкости

Стоит заметить, что определения твердых тел, жидкостей и газов не настолько просты и очевидны, как кажется, и в любимую игру ученых — классификацию всего и вся в мире и аккуратное распределение всевозможных объектов по категориям — то и дело вмешивается, нарушая придуманные правила, невероятная сложность Вселенной. Чтобы понять, как вода умудряется обманывать систему, создавая облака, мы должны подумать о важной концепции, известной как энтропия.

Вода, пропитывающая сохнущее на веревке белье, имеет температуру ниже 100 °C, но находится в контакте с воздухом. Молекулы из него бомбардируют ваше белье, врезаясь в него в хаотичном движении; иногда в этой суете молекула H 2O отскакивает от ткани и становится частью воздуха. Это событие требует расхода энергии, поскольку связи, удерживающие молекулы H 2O во влажной ткани, необходимо разорвать. Отъем энергии у влажного белья охлаждает ткань. При этом, если молекулы H 2O, летающие в воздухе вокруг белья, будут сталкиваться с ним, они получат энергию, прилипая к белью и увлажняя его снова. Можно подумать, что больше воды пристанет вновь к мокрому белью, чем будет унесено ветром. Но здесь-то и вступает в игру энтропия. Поскольку количество воздуха, обдувающего мокрое белье, так велико, а количество молекул воды в белье мало, шансы на то, что улетевшие молекулы воды найдут дорогу обратно, мизерны. Они, скорее всего, будут унесены вверх, в атмосферу. Такая склонность мира молекул смешиваться и расползаться равномерно измеряется энтропией системы. Ее увеличение — естественный закон Вселенной; он противостоит силам конденсации, привязывает воду обратно к мокрому белью. Чем ниже температура вокруг и чем слабее белье обдувается ветром, тем сильнее равновесие смещается в сторону конденсации, и ваше белье остается влажным. И наоборот, вешая его на веревку в теплый день, вы смещаете равновесие в пользу энтропии, и белье сохнет.

Кроме того, энтропия берет на себя лужи на улице, высушивает ванную комнату после того, как вы приняли душ, и удаляет пот с вашего тела в жаркий день. Можно сказать, что она здесь очень кстати и в целом полезна, если вспомнить о том, как мы любим сухую одежду и ванные комнаты, да и прохладу для тела. Но эта же благодетельная сила собирает тучи-убийцы, которые разят нас тысячами каждый год, швыряясь молниями и напоминая, кто на самом деле в атмосфере хозяин.

Процесс образования грозовых облаков начинается с испаренной H 2O, летающей в пространстве в виде газа. Теплый воздух, будучи менее плотным, чем холодный, поднимается вверх, и в солнечный день молекулы воды уходят с вашего мокрого белья вверх, в атмосферу. Воздух, хотя и полный воды, прозрачен, и поначалу никаких признаков будущей тучи не заметно. Но по мере того как пар поднимается выше, воздух расширяется и остывает, термодинамическое равновесие смещается; теперь молекулы воды предпочитают сконденсироваться и снова стать частью жидкости. Но единственная молекула не может просто превратиться снова в жидкость прямо в воздухе; для образования крохотной капельки воды требуется некоторая координация — несколько молекул H 2O должны собраться вместе. В хаотично движущейся, турбулентной атмосфере это происходит не без труда, но процесс ускоряет присутствие крохотных частиц какого-нибудь вещества, уже имеющегося в атмосфере. Нередко это частицы пыли, сдутые с деревьев и растений, или дым из фабричных труб. Молекулы H 2O могут прицепляться к ним, и, по мере того как их становится больше, частица оказывается центром крохотной капельки воды. Вот почему в собранной дождевой воде обычно присутствует осадок, а от капель дождя, высохших на лобовом стекле автомобиля, остается мелкая пыль.

Эти положения физики легли в основу самых необычайных экспериментов XX в., когда ученые взяли на себя смелость управлять погодой. Способ, получивший название засева облаков, был придуман в 1946 г. американским ученым Винсентом Шефером. Он и его группа определили, что если распылить в атмосфере кристаллы иодида серебра, они возьмут на себя роль, которую могли бы сыграть пыль или дым, и станут центрами конденсации — зародышами — облаков, из которых, в свою очередь, выпадет снег или дождь. Эта методика — такое же искусство, как и наука. Но, несмотря на то что на протяжении десятков лет она широко использовалась, многие до сих пор оспаривают ее эффективность.

Тем не менее в СССР облака над Москвой засевали каждый год. Целью было убрать влагу из атмосферы, заставив ее выпасть дождем, и обеспечить солнечную погоду и голубое небо на празднование Первого мая. Военные США пользовались этим методом с иной целью: продлить сезон муссонных дождей над Тропой Хо Ши Мина. Называлось это операцией «Попай», и задачей было «делать грязь, а не войну». Сегодня многие страны по всему миру, такие как Китай, Индия, Австралия и Объединенные Арабские Эмираты, экспериментируют с осаждением облаков как средством борьбы с засухой. Конечно, засеивая воздух кристаллами иодида серебра, можно управлять только одним аспектом погоды: формированием облаков. Так что, если влаги в нем мало, никакое засевание не заставит ее пролиться дождем. Но если воздух полон влаги, то использование этого метода для усиления снегопадов над горнолыжными курортами или снижения риска выпадения града на посевы в сезон гроз может быть продуктивно. После Чернобыльской ядерной катастрофы 1986 г. засев облаков — и, соответственно, их осаждение в виде дождей — использовался для удаления радиоактивных частиц из атмосферы.

Самолетам не нужен иодид серебра, чтобы засевать облака. Если взглянуть на небо в солнечный день, можно часто увидеть инверсионные следы, которые оставляют за собой реактивные самолеты. Эти белые полосы в небе — не дым из плохо отрегулированных двигателей; это облака, засеянные выхлопами. Мелкие частицы, оставшиеся после сгорания топлива, вылетают из самолета вместе с огромным количеством раскаленного газа. Он толкает самолет вперед, и хотя может показаться, что он слишком горяч для формирования воды, на больших высотах температура настолько низкая, что выхлопные газы быстро остывают. Эмиссионные частицы становятся центрами конденсации и формирования капелек жидкости, которые затем замерзают, становясь сначала водой, а потом крохотными кристаллами льда. Инверсионные следы — всего лишь высокие и прозрачные перистые облака.

В зависимости от состояния воздуха инверсионный след может продержаться всего несколько минут или несколько часов, а немалое их число (в мире ежедневно совершается 100 000 полетов, и все они оставляют такие следы) вызывает у многих опасения, что эти искусственные «облака» могут повлиять на климат Земли. Здравый смысл подсказывает, что облака охлаждают Землю; посидев на пляже в пасмурный день, вы сами это почувствуете. Но они не просто отражают солнечный свет обратно в пространство. Они также захватывают тепло, идущее с поверхности Земли в виде инфракрасного излучения, и отправляют его обратно. Этот эффект особенно заметен зимой, когда ясное небо означает более холодную погоду, чем облачный покров: ведь ночью тепло, которое теряет земля, отражается обратно облаками. При этом разные типы облаков (они различаются по цвету, плотности и размеру) на разных высотах дают разные результаты. И сказать точно, оказывают ли суммарно инверсионные следы повышающее или понижающее действие на среднюю температуру Земли, очень трудно; это серьезная научная задача.