От динозавра до компота. Ученые отвечают на 100 (и еще 8) вопросов обо всем - Татьяна Зарубина

№ 12. Почему нельзя убежать от шаровой молнии?

Потому что это может стоить вам жизни. Но давайте разберемся, что это за явление.

«Над Римом появились огромные огненные птицы, несущие в клювах раскаленные угли, которые, падая вниз, сжигали дома. Город полыхал…» – это документальное описание загадочных и таинственных шаров из летописи 106 года до н. э. Имеется также письменное свидетельство наблюдения шаровой молнии в Англии в 1638 году, когда в церковь влетела двухметровая шаровая молния, которая убила и ранила многих прихожан, а зданию нанесла серьезные повреждения.

Первым человеком, который серьезно отнесся к рассказам очевидцев шаровой молнии, был французский физик и естествоиспытатель Доминик Франсуа Араго. В своем труде он описал 30 случаев наблюдения этого редкого природного явления. Его работа была во многом революционна для XIX века. До нее ни один ученый не воспринимал рассказы о шаровых молниях всерьез. Даже англичанин Уильям Томсон (больше известный как лорд Кельвин) до конца своей жизни был уверен, что это явление – простой обман зрения. В XX веке физики уже оставили скепсис по поводу шаровых молний. Их изучением занимались такие признанные ученые, как академик Петр Леонидович Капица. На сегодня случаи наблюдения шаровой молнии исчисляются многими десятками тысяч. Совсем недавно, в 2014 году, известный научный журнал опубликовал статью китайских ученых, которым удалось, используя самые современные приборы, не только зафиксировать на кинопленке подробную картину поведения молнии, но еще и выполнить измерения ее физических свойств, что, по сути дела, явилось первым научным наблюдением шаровой молнии.

Что же сегодня известно про шаровую молнию? Возникает шаровая молния в основном во время грозы, но известны случаи ее появления и в солнечную погоду. Появляется она обычно в единственном экземпляре и нередко самым неожиданным образом: спускается с туч, возникает в воздухе, выплывает из-за столба или дерева. Для нее не составляет труда проникнуть в закрытое пространство: есть свидетельства ее появления из розеток, телевизора и даже в кабинах пилотов. Существовать огненный шар способен довольно длительное время, а при перемещении неожиданно менять направление. Он может на несколько минут повиснуть в воздухе, после чего резко, на скорости от 8 до 10 м/с, уйти в сторону. Что касается температуры плазменного шара, то, по подсчетам ученых, она должна составлять от 100 до 1000 градусов Цельсия, но очутившиеся поблизости огненного шара люди жара от него не чувствуют. При этом если он неожиданно взрывается, вся находящаяся неподалеку жидкость испаряется, а стекло и металл плавятся.

Как вести себя, если рядом с вами возникла шаровая молния? Что бы ни было причиной возникновения удивительного плазменного шара, нужно учитывать, что столкновение с ним чрезвычайно опасно: если переполненный электричеством шар дотронется до живого существа, он вполне может убить, а если взорвется – разнести все вокруг. Если вам когда-нибудь доведется встретиться на улице с огненным шаром, главное правило – сохранять спокойствие. Шаровая молния очень чувствительна к любым перемещениям воздуха. Если начать от нее бежать, то вы, увлекая за собой воздух, создадите ветер и молния сразу же последует за вами как привязанная. Поэтому никаких резких движений, и постарайтесь, не спуская с нее глаз, аккуратно свернуть с пути следования молнии и держаться от нее подальше. Если шаровая молния оказалась в помещении, нужно без суеты подойти к окну, открыть форточку: вслед за движением воздуха молния, скорее всего, вылетит наружу.

№ 13. Почему гремит гром?

У греков – Зевс, у римлян – Юпитер, а у славян – Перун. Все они – громовержцы, властители мира, главные боги, отвечавшие за мироустройство в религиях древности. Молнии и раскаты грома много веков вызывали только мистический страх и благоговение. Но постепенно человек выяснил, что такое гроза на самом деле.

Гроза – это атмосферное явление, то есть такое, которое происходит в воздушной оболочке, окружающей Землю. Помимо смеси различных газов, необходимых всему живому, ее важным компонентом является вода. Покрывающие Землю водные массивы постоянно испаряются под воздействием солнечных лучей. Теплые водяные пары вместе с нагретым воздухом устремляются вверх. Чем выше водяной пар поднимается, тем сильнее он остывает, ведь чем дальше от Земли, тем ниже температура атмосферы. Помимо воды и газов в деле образования грома участвует пыль. Мельчайшие частички пыли, содержащиеся в атмосфере, становятся центрами конденсации (оседания) остывшего пара – на них образуются капельки воды и льдинки. То есть в нижней части грозовой тучи всегда будет большая масса влажного, более теплого воздуха, а наверху – громадное количество водяных кристалликов. Интенсивно сталкиваясь между собой в грозовой туче, льдинки электризуются: более крупные заряжаются отрицательно и оседают в туче, а более мелкие, заряжаясь положительно, уносятся кверху восходящими массами влажного воздуха. Таким образом, между верхней и нижней кромками тучи-облака появляется электрическое напряжение, которое может достигать сотен миллионов вольт. При таких напряжениях атмосфера не выдерживает, облако пробивается («трескается»), а распавшиеся на ионы молекулы воздуха создают пути для возникновения самопроизвольных электрических разрядов – молний, то есть токов, долетающих и до Земли.

В результате стремительного иглообразного движения электрических зарядов в атмосфере в местах их прохождения резко поднимается температура (до 30 000 градусов). Как это происходит? Электрические заряды «расталкивают» на своем пути молекулы воздуха, и от этого выделяется огромное тепло. Кратковременное и обильное выделение тепла приводит к резкому нарастанию давления в каналах переноса зарядов и «разбеганию» воздуха в стороны. После окончания разрядов давление мгновенно уменьшается и воздух стремительно возвращается назад. Эта кратковременная «встряска» воздуха и представляет собой гром.

Есть один известный эксперимент по созданию молнии и грома «на столе». Оказывается, что при разматывании ленты скотча, если это делать рывками, можно наблюдать вспышки света, сопровождаемые воздушными щелчками. Суть дела в том, что две стороны бывшего тесного контакта ленты скотча оказываются заряженными противоположными электрическими зарядами. В местах нарушаемого контакта образуются искры – те же молнии, сопровождаемые нагревом воздуха и появлением звуковых эффектов – воздушных щелчков. Чем не гром? Попробуйте повторить! Кстати, «эффект скотча», сопровождаемый свечением, был открыт еще в 1953 году и до сих пор привлекает внимание серьезных ученых… Кто бы мог подумать!

№ 14. Откуда берется ветер?

Примерно оттуда же, откуда движение воздуха в велосипедном насосе. Когда вы накачиваете шину, воздух сжимается поршнем. На поршень давит внешняя сила мышц или электрического моторчика. Дальше понятно: в трубе давление растет, воздух стремится выйти туда, где оно ниже. Осталось выяснить, почему в одних частях атмосферы давление бывает выше, а в других – ниже, что и приводит к перетеканию воздушных масс, которое мы воспринимаем как ветер.

Перепад (градиент) атмосферного давления может быть резким, тогда на контакте воздушных масс воздух закручивается в тугие воронки, ветер разгоняется до свиста и получается буря, тайфун или ураган. А может быть постепенным – тогда мы ощущаем ласковый ветерок.

Про перепады атмосферного давления и его причины люди узнали, когда овладели инструментальными методами наблюдения. Вот прибрежный бриз – ветер, меняющий направление дважды в сутки уже многие тысячи лет. Рано утром он тянет с суши в сторону моря, а вечером, наоборот, с моря в сторону суши. Но связь между бризом, давлением воздуха и температурным режимом стала понятна только 200-250 лет назад, с появлением термометра и барометра. Море греется и охлаждается медленно; суша быстрее; воздух еще быстрее суши. Ночью и под утро, когда солнца нет, земля остывает на несколько градусов и охлаждает лежащие на ней воздушные слои. А море остается теплым – и воздух над ним тоже. Холодный воздух чуть-чуть плотнее и тяжелее теплого – давление немного выше. Этого достаточно, чтобы утренний бриз стекал с суши в сторону моря, вытесняя вверх более теплые, легкие и разжиженные морские воздушные массы.

К вечеру все наоборот: солнце быстро нагрело сушу и воздух над ней. А морская вода осталась прохладной. Теперь уже морской воздух тяжелей и плотней сухопутного – и вечерний ветер дует в противоположную сторону, с моря на сушу.

Разница в температуре и плотности воздушных масс – основная причина всех ветров на Земле. Но проявляется она очень по-разному в зависимости от сочетания местных условий – географической широты, морских течений, наличия гор, ледников и масштабов погодных явлений: мощный циклон, пришедший в прибрежную зону, легко сотрет картину чередования бризов.