Марк Медовник - Жидкости

Наш мир взаимосвязан: облаками и дождями, порождаемыми ими, а еще, в несколько ином смысле, маршрутами авиалайнеров. При взгляде за окно в белую мглу мне трудно было поверить в глубине души, что облака по сути жидкие. Конечно, отдельные капельки, из которых они формируются, слишком малы, чтобы их увидеть, но ведь они еще и прозрачные. Почему же облака белые?

Хотя свет от солнца проходит сквозь множество капелек в облаке прямо, рано или поздно он обязательно отразится от какой-нибудь из них, точно так же как и от поверхности озера. В результате свет отправляется в другую сторону, где натыкается на другую капельку и отражается вновь. Процесс продолжается, и луч света мечется в облаке, как пинбольный шарик между препятствиями, пока не покинет облако. Когда он наконец добирается до ваших глаз, вы видите световую точку от последней встреченной лучиком на пути капельки воды. То же происходит и со всеми остальными лучиками света, которые попадают в облако. Ваш глаз видит миллиарды световых точек, исходящих из самых разных частей облака. Некоторые проделали более длинный путь и стали менее яркими, поэтому соответствующая часть облака покажется вам темнее. Человеческий мозг пытается осмыслить булавочные уколы этих крохотных световых лучиков. Он привык интерпретировать оттенки света и тени как трехмерный объект — объект с материальными характеристиками, соответствующими тому, что вы видите. Вот почему облака представляются нам реальными, иногда пушистыми, как будто из шерсти, а иногда более плотными, напоминающими даже плывущие в воздухе горы. Конечно, другая часть мозга всё это отвергает и указывает, что увиденное — вовсе не реальные объекты, а игра света. Но, даже зная это, трудно видеть в облаках всего лишь агломерацию мелких водяных капель.

Небо своей красотой во многом обязано облакам и их содержимому. Небесная вода влияет на свет, который мы видим, множеством разных способов и представляет собой одну из главных причин того, почему разные места в мире различаются так тонко в плане освещения. Но, по мере того как масса крохотных капелек, образующих облако, становится плотнее, свету оказывается всё труднее пробиться сквозь нее сверху донизу, постоянно отражаясь от капелек, и облако видится нам темно-серым. Мы знаем, что это означает, особенно в Британии: будет дождь. Крохотные сферические капельки воды, плавающие в облаке, начинают укрупняться, и земное тяготение действует на них с заметно большей силой. Когда капельки по размеру соответствуют всего лишь крохотным пылевым частицам, архимедова подъемная сила и воздушные конвекционные течения влияют на них гораздо больше, чем сила тяжести, поэтому капельки плавают в воздухе, как пыль. Но стоит им стать крупнее, и земное тяготение начинает доминировать; оно тянет их вниз, к земле, превращая в дождь. Это если нам повезет; они могут образовать и грозовую тучу — из тех, что убивают каждый год сотни людей.

Грозовые тучи формируются при конкретном сочетании условий. Попадая в более прохладный воздух, водяной пар переходит из газообразного состояния в жидкое. Это обратный процесс по отношению к тому, что происходит, когда влажное белье сушится на веревке. При этом вода отдает энергию в форме тепла — мы называем это скрытой теплотой. Она исходит от молекул H 2O, когда они еще в облаке, а это значит, что воздух в нем становится теплее. Как нам известно, теплый воздух поднимается вверх, поэтому верхушка облака вспучивается, как гора. Так образуются пушистые кучевые облака. Но если это происходит, когда с земли поднимается много теплого и влажного воздуха — как в летний день, — конвекционные потоки, толкающие капельки вверх, могут оказаться достаточно сильными, чтобы обратить дождь вспять и заставить его тоже идти вверх. Капельки поднимаются на несколько километров в небо, пока несущий их воздух наконец не остынет достаточно, чтобы перестать подниматься. Там, высоко в атмосфере, дождевые капельки замерзают, превращаясь в частицы льда, и снова падают вниз. Правда, в зависимости от погодных условий, они могут вновь встретить поднимающийся поток теплого воздуха, который загонит их еще выше. Облако между тем становится больше и выше и сильно темнеет, превращаясь из кучевого в кучево-дождевое — грозовую тучу. Скорости конвекционных течений, толкающих капельки вверх, растут до 100 км/ч, и в облаке начинается настоящая свистопляска: ледяные частицы падают сквозь восходящий воздушный поток, несущий новые капельки, и всё это яростно сталкивается между собой на протяжении нескольких километров.

Ученое сообщество до сих пор не пришло к единому мнению о том, как условия внутри кучево-дождевого облака приводят к накоплению электрического заряда. Но мы знаем, что в облаке, как и на земле, электричество возникает благодаря движению заряженных частиц, которые возникают из атомов. Все атомы имеют сходную структуру: центральное ядро, содержащее положительно заряженные частицы (протоны), окружено отрицательно заряженными (электронами). Иногда некоторые электроны отрываются от ядра и начинают свободно двигаться; это и есть основа электричества. Если потереть о шерстяной свитер воздушный шарик, на нем образуются заряженные частицы. Затем, если поднести его к голове, волосы поднимутся, поскольку заряды на шарике притягивают заряды противоположного знака на волосах. Отрицательный заряд жаждет воссоединиться с положительным и вытягивает волосы в сторону шарика, в результате они встают дыбом. Если бы количество заряда было больше, то энергии хватило бы на то, чтобы заряженные частицы перепрыгивали через воздушный промежуток, создавая искру.

В облаке вместо воздушного шарика, который вы мягко и осторожно трете о свитер, в процессе участвуют водяные капельки и ледяные частицы; они вертятся в безумном круговороте и сталкиваются друг с другом с огромной энергией. В результате некоторые частицы льда, уносимые к верхушке облака, получают положительный заряд, а некоторые дождевые капли, падающие к нижней его части, — отрицательный. Такое разделение зарядов многими километрами облачной толщи обеспечивается энергией ветров внутри облака. Но сила притяжения между положительным и отрицательным полюсами никуда не девается — они хотят вновь соединиться, а значит, внутри тучи нарастает напряжение. Оно может стать настолько высоким, достигая величин в сотни миллионов вольт, что срывает электроны с молекул в самом воздухе. В таком случае описанный выше процесс мгновенно вызывает высвобождение электрического заряда, который течет между тучей и землей или между верхушкой тучи и ее основанием, в зависимости от условий. Разряд этот настолько велик, что раскаляет атмосферу добела и светится — это молния. А гром — звуковая волна, возникающая из-за стремительного расширения окружающего воздуха при нагреве его до десятков тысяч градусов Цельсия.