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

Таким образом, при прохождении через ту или иную среду световые волны могут ею поглощаться. Происходит очень медленный процесс отъема энергии волны – одна микроскопическая порция энергии за другой. Величина энергии, потерянной при прохождении через среду, зависит от типа и длины волны. Вся эта изменчивость свидетельствует не только об огромном разнообразии действий, производимых волнами, но и о том, как много они могут нам рассказать. Некоторые из контрастов, порождаемых этим разнообразием, можно увидеть и услышать во время одного из моих любимых атмосферных явлений – грозы.

Гроза – величественное зрелище, драматическое напоминание о том, что воздух – это нечто гораздо большее, чем «невидимый наполнитель для неба». В земной атмосфере содержится огромное количество воды и энергии. Обычно эти субстанции медленно перемещаются в атмосфере и ведут себя спокойно. Могучее грозовое облако формируется при необходимости изменить баланс в атмосфере, поскольку мирных перемещений в ней уже недостаточно. Система запускается, когда подвижный, теплый, влажный воздух вблизи земли устремляется вверх, смешиваясь там с более холодными воздушными массами и неся с собой огромные количества энергии. В центре обширного облака горячий и влажный воздух быстро поднимается вверх, смешиваясь с атмосферными слоями над ним и образуя большие дождевые капли. Самый драматический момент этого процесса состоит в том, что такое перемешивание приводит к разделению электрических зарядов и их сосредоточению в разных частях облаков. Эти заряды накапливаются до тех пор, пока близлежащие облака или сама Земля не примут на себя удар гигантских импульсов электрического тока, отводя в сторону избыточный электрический заряд. Каждая вспышка молнии длится не дольше миллисекунды, но раскаты грома разносятся на многие десятки километров. Я обожаю гром и молнии за возникающие при этом театральные эффекты, а также за то, что они помогают нам лучше разобраться в механизмах грозы. Гроза порождает противоположности, ни в какие другие моменты не встречающиеся в природе: резкая вспышка молнии, контрастирующая с тяжелыми и продолжительными раскатами грома. Но то и другое – замечательные примеры разнообразия волн.

Вспышка молнии кратковременна. Электрическое соединение создается нагретым до очень высокой температуры каналом в атмосфере, тянущимся от грозового облака до Земли или, возможно, какого-то другого облака. Этот канал – некое подобие коридора, заполненного молекулами, которые разрушились под воздействием движущейся через них энергии. За очень короткое время температура в таком канале может достичь 50 000 ℃, в результате чего он принимает вид ослепительного бело-голубого рваного шнура. В разные стороны от канала расходится гигантский импульс световых волн, заполняющих собой все окружающее пространство, но движется он с такой огромной скоростью, что свечение пропадает практически мгновенно. Когда канал, по которому переносится электрический ток, нагревается до столь высоких температур, он резко расширяется, причем так быстро, что давление, оказываемое при этом на окружающий воздух, принимает характер удара. Этот гигантский импульс давления вслед за светом расходится в воздухе кругами во все стороны, но гораздо медленнее. Эти звуковые волны и есть раскаты грома. Мы знаем, что молния всегда сопровождается вспышкой и громовыми раскатами.

Самое важное, что нужно знать о волне, что это один из способов передачи энергии, но без необходимости перемещать воздух, воду или какую-либо иную среду, в которой движутся волны. Это означает, что в нашем мире волны могут легко перемещаться в разных средах, производя при этом всевозможные интересные и даже полезные эффекты, но не приводя к каким-либо разрушительным последствиям. Удар молнии высвобождает огромную энергию, а световые и звуковые волны могут переносить ее часть на значительные расстояния. Несмотря на то что в процессе прохождения волн в воздушной среде сам по себе воздух не перемещается, происходит передача огромных количеств энергии. Свет и звук – разные типы волн, но на них действуют одни и те же базовые физические принципы. Например, и свет, и звук могут изменяться под воздействием среды, в которой они перемещаются. В случае грома мы можем непосредственно слышать, что происходит с волнами.

Я предпочитаю находиться на расстоянии примерно пары километров от места удара молнии. Как только вспышка молнии просигнализирует о том, что звуковая волна уже движется в мою сторону, я рисую в своем воображении, как гигантские концентрические круги давления распространяются во всех направлениях. Глядя на окружающий меня ландшафт, я, конечно, не могу их видеть, но требуется лишь несколько секунд, чтобы первый раскат грома достиг моих ушей. Эти звуковые волны распространяются в воздухе со скоростью примерно 340 метров в секунду (более 1200 км/ч), то есть на прохождение одного километра звуковой волне понадобится примерно 3 секунды. Раскат грома подобен первоначальному звуку, возникающему в момент резкого расширения канала, по которому переносится электрический ток молнии; этот звук рождается где-то у поверхности земли. Однако у раскатов грома есть особенность, которая не позволяет спутать их с другими звуками: после первого раската грома звук слышится с места, расположенного несколько выше того, откуда донесся первый звук. Сначала второй звук ничем не отличается от первого, но ему понадобилось больше времени, чтобы меня достичь, поскольку он зародился не у самой земли, а несколько выше, в результате чего ему приходится преодолевать большее расстояние. Затем, когда гром продолжает грохотать, я слышу звуки, доносящиеся со все большей и большей высоты, хотя их породила одна и та же молния. Если требуется примерно шесть секунд, чтобы первый раскат грома достиг моих ушей (напоминаю, что я нахожусь на расстоянии примерно пары километров от места удара молнии), то, чтобы услышать звук той же молнии, образовавшийся на высоте пары километров, понадобятся еще две с половиной секунды. Эти звуковые волны сгенерированы практически одновременно, но на разных высотах. А это означает, что я могу наблюдать, как атмосфера воздействует на них. Разница между звуковыми волнами (раскатами грома), порожденными одной и той же молнией, заключается в том, что они проходят разные расстояния, прежде чем достигнут моих ушей. В результате звуки самой высокой тональности, первый раскат грома, затухают очень быстро, поскольку волны более высоких частот интенсивно поглощаются атмосферой, тогда как низкочастотные затухают медленно и глухие раскаты грома звучат довольно долго. Чем больше времени с момента появления вспышки молнии, тем большие расстояния преодолевают слышимые мною звуковые волны, тем ниже и ниже становится в целом тон этих звуков, потому что высокочастотные составляющие уже поглощены воздухом, тогда как низкочастотные все еще продолжают звучать. Если вы находитесь достаточно далеко от места удара молнии, воздух поглотит все звуки и они никогда не достигнут ваших ушей. Но радиус действия световой вспышки, возникающей при ударе молнии, намного больше: световые волны гораздо слабее поглощаются воздухом, чем звуковые. Правда, перемещаясь в нашем мире, они могут изменяться другими способами.