Журнал «Вокруг Света» №05 за 2007 год - Вокруг Света

На снимке со спутника видно, как тропический шторм «Эрнесто» над Атлантическим океаном набирает ураганную силу и движется к побережью США. Август 2006 года 

Из Канзаса в страну Оз

В атмосфере существуют небольшие вихри — смерчи. Они возникают в грозовых облаках и тянутся по направлению к воде или суше. Смерчи возникают почти везде на Земле, но чаще всего, около 75% случаев, их появление отмечают в США. Американцы называют их «торнадо» или «твистерами», имея в виду бешеное вращение и сложную траекторию. В Европе то же явление известно под именем «тромб».

Фактов о торнадо предостаточно — изучать их начали в конце XIX века. (Мини-торнадо можно организовать даже у себя дома, поместив вентилятор над горячей ванной). Тем не менее стройной теории их происхождения до сих пор нет. Согласно наиболее распространенному представлению, смерчи зарождаются на высоте первых километров при встрече идущего снизу теплого воздуха с холодным горизонтальным ветром. Это объясняет, к примеру, почему смерчей нет в очень холодных местах, таких как Антарктида, где воздух у поверхности не бывает теплым. Для разгона вихря до высокой скорости необходимо также, чтобы внутри него резко упало атмосферное давление. Смерчи часто сопровождают тропические циклоны. Такая пара — ураган с торнадо — производит особенно сильные разрушения. Случается несколько торнадо подряд. Так, в апреле 1974 года в США и Канаде появились 148 торнадо в течение 18 часов. Погибли более трехсот человек.

Обычно смерч по форме напоминает хобот слона, свисающий из грозового облака. Иногда он похож на воронку или столб. Захватив с поверхности воду, песок или другие материалы, смерч становится видимым. Ширина среднего по величине смерча составляет несколько сот метров, скорость движения — 10–20 м/с. Он живет несколько часов и проходит путь в десятки километров. Сильный вихрь засасывает, подобно гигантскому пылесосу, все, что попадается на пути, и разбрасывает на десятки километров по округе. Сохранилось множество забавных историй о выпадении чудесных дождей, к примеру, из фруктов или медуз. В 1940 году в деревне Мещеры Горьковской области с неба падали серебряные монеты, которые смерч «одолжил» из неглубокого клада. Однажды в Швеции вихрь, внезапно налетевший на стадион прямо в разгар матча по хоккею с мячом, поднял вратаря одной из команд вместе с воротами и аккуратно переставил их на несколько метров, не причинив никакого вреда. Хотя за мгновения до этого он переломал, как спички, телеграфные столбы и разнес в щепки несколько деревянных построек.

Энергия торнадо меньше энергии ураганов, но скорость ветра в нем гораздо выше и может достигать 140 м/c. Для сравнения: тропические циклоны наивысшей, пятой, категории по принятой в США шкале ураганов Саффира—Симпсона начинаются со скорости ветра 70 м/c. Палка, порядочно раскрученная смерчем, может пронзить ствол дерева, а бревно — протаранить дом. Разрушительной силы достигают лишь 2% смерчей, и все же их среднегодовой ущерб для экономики пострадавших стран очень велик.

А что же глобальное потепление?

Исследователи отмечают, что в Атлантике периоды активности ураганов и смерчей чередуются с относительным затишьем. Количество атмосферных вихрей, в частности мощных ураганов (в среднем по 3,5 в год), увеличивалось в 1940—1960 годы и с 1995 года по настоящее время. Сила нынешних ветров и океанских штормов изумляет даже бывалых моряков. Одни ученые считают последнюю вспышку атмосферной активности долговременной и увязывают с глобальным потеплением. Другие отстаивают ее связь с циклами солнечной активности. Обе версии не находят пока подтверждения, напротив, в масштабе планеты увеличение числа тропических циклонов не замечено.

Однако вопрос о том, как изменится активность ураганов по мере роста среднегодовой температуры планеты, остается открытым. Поэтому точные прогнозы тропических циклонов актуальны, как никогда. Для них задействованы самые современные средства: космические спутники, самолеты, начиненные электроникой буи, радиолокаторы, суперкомпьютеры. Информации много: все ураганы регистрируют, отслеживают и оповещают людей о возможной опасности. Своевременные оповещение и эвакуация — это единственные на сегодня действенные способы борьбы со стихией.

Иннокентий Сенин

Посланцы из неведомых краев

XXI веку есть что противопоставить удивительным рисункам в пустыне Наска, рассмотреть которые как следует можно только с высоты птичьего полета. У подножия Анд, в аргентинской желтой прерии, на территории в 3 000 квадратных километров раскинулся комплекс загадочных сооружений, словно ожидающих небесных знамений от таинственных языческих божеств. Но на самом деле ученые, работающие на стыке астрономии и физики элементарных частиц, встречают здесь «посланцев» неведомых космических суперускорителей.

Проект мегаобсерватории имени Оже появился в 1991 году. Первые результаты стали получать в начале 2004 года на уже смонтированных к тому моменту детекторах. А в нынешнем году монтаж установки завершается. В законченном виде обсерватория будет включать более полутора тысяч приемных станций и 24 телескопа. Обсерватория получила свое название в честь известного французского ученого Пьера Оже (Pierre Auger) и является самым крупным на сегодня проектом, предназначенным для изучения космических частиц с гигантскими энергиями — до 1020 электронвольт и даже больше. Чтобы представить эту величину, достаточно сказать, что кинетическая энергия молекул воздуха, которые летают вокруг нас со скоростью полкилометра в секунду, составляет всего сотую долю электронвольта. На современном ускорителе можно разогнать протоны до околосветовой скорости и столкнуть их с энергией 1012 эВ (1 ТэВ). Пока это предел. И вряд ли его значение можно будет серьезно поднять в обозримом будущем. Ускорители уже являются самыми дорогими физическими приборами, а создание более мощных агрегатов потребует и вовсе астрономических затрат.

Пьер Виктор Оже (1899—1993) — французский ядерный физик, первооткрыватель широких атмосферных ливней

Однако во Вселенной протекают процессы (пока до конца непонятые нами), которые могут разгонять частицы до 1020 эВ и даже больше. Это десятки джоулей! По меркам микромира — колоссальная величина! Не всякий опытный теннисист сумеет приложить такую энергию к пущенному им мячу — а в микромире она приложена к одной-единственной элементарной частице (для сравнения: в теннисном мяче 1025 протонов и нейтронов). Вопрос о том, как космические лучи разгоняются до столь высоких энергий, пока остается без ответа.

Ни для кого не будет сюрпризом, что тараканов на свете больше, чем слонов. В некоторых домах популяция тараканов может превосходить всю мировую популяцию слонов. Чем крупнее животное, тем реже оно размножается. Похожая ситуация имеет место быть и в мире космических лучей. Чем выше энергия, тем реже такие частицы встречаются. Наиболее экзотические из них, с энергией быстролетящего теннисного мяча, попадают на площадку в один квадратный километр всего лишь раз в сотню лет. Чтобы регистрировать хотя бы несколько десятков суперчастиц в год, нужны гигантские комплексы детекторов.

Дети галактики

Частица может сразу родиться высокоэнергичной или же набрать энергию в процессе ускорения. В астрофизике известны два основных механизма разгона частиц. Один из них реализуется, например, в пульсарах и немного похож на работу земных ускорителей. Заряженная частица движется вдоль силовой линии магнитного поля, как бусинка на проволоке, а электрическое поле, возникающее из-за вращения замагниченной нейтронной звезды, ее разгоняет. Но у этого механизма есть предел. Чем выше становится энергия частицы, тем труднее магнитному полю ее удержать. Кроме того, частица норовит избавиться от излишка энергии, излучив его в виде электромагнитных волн. Такое излучение всегда возникает при ускоренном движении заряда, в том числе при движении по окружности или вдоль искривленных линий магнитного поля. Магнитары — очень сильно замагниченные нейтронные звезды — в принципе могли бы разгонять частицы до сверхвысоких энергий, но потери энергии на излучение все портят. Двигаясь по искривленным силовым линиям магнитного поля, частица быстро высвечивает (теряет) сообщаемую ей энергию и улетает навсегда, так и не удержав всю ту энергию, которая она могла бы «вместить».

Другой механизм ускорения частиц был предложен Энрико Ферми (E. Fermi) и носит его имя. В нем частицы разгоняются в области ударных волн, многократно пересекая их фронт. При прохождении ударной волны количество вещества остается постоянным, но сразу за фронтом волны оно сжимается и должно иметь меньшую скорость — точно так же автомобили в пробке расположены плотнее и движутся медленнее, чем за ее пределами. Частица, перескочив через фронт и столкнувшись с частицами по ту сторону ударной волны, приобретет дополнительную энергию. Если вдобавок в веществе есть магнитное поле, то заряженная частица может развернуться и перескочить через ударную волну еще раз. Так, прыгая туда-сюда много раз, частица увеличивает свою энергию, как мячик между двумя быстро сближающимися стенками.