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

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.

В Антарктиде и Гренландии над огромными ледниковыми щитами толщиной в 2 километра воздух, бывает, выстуживается до нескольких десятков градусов, а неподалеку находится открытая вода океана, температура которой не опускается ниже нуля. Из-за резкого перепада температуры и давления с ледникового панциря к океану стекают очень холодные и тяжелые воздушные массы, которые на выходе к морю разгоняются до ста и более километров в час: человек на ногах не устоит. Это так называемые «стоковые», или катабатические, ветра.

В России такого нет. Но зимой, когда на материк заходит выстуженный над Арктикой плотный воздух, при столкновении с умеренными воздушными массами тоже бывают атмосферные приключения. «Мороз и солнце, день чудесный!.. Вечор, ты помнишь, вьюга злилась, на мутном небе мгла носилась… а нынче посмотри в окно.» Пушкин дает точное до деталей описание природного явления, которое позже стало называться «холодный фронт второго рода». Быстрое наступление тяжелого арктического воздуха, атмосферные завихрения на контакте с прежней сравнительно теплой и пасмурной воздушной массой («мгла носилась.»), ее вытеснение – и наутро уже высокое давление, мороз, ясное небо, ковры свежего снега. и тишина: атмосферный фронт и связанная с ним буря ушли куда-то дальше.

Самое время растопить дома печку и прокатиться на санках по морозцу.

№ 15. Почему морская вода соленая?

Начнем с того, что не только морская. В иных озерах засушливой зоны концентрация солей выше, чем в Мировом океане. Самый известный пример – Мертвое море (на самом деле озеро), в которое впадает река Иордан. Его вода содержит до 300 граммов соли на литр – это уже крутой рассол. У нас в стране известны соленые озера Баскунчак и Эльтон в Прикаспийской низменности. Очень соленая вода в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря (которое на самом деле тоже озеро).

Соленые озера подсказывают ответ и про морскую воду. Во-первых, они расположены в жарком климате; во-вторых, не имеют стока – вся стекающая в них вода испаряется; в-третьих, этот процесс продолжается десятки и сотни тысяч лет. А Мировой океан существует гораздо дольше – сотни миллионов лет – и тоже не имеет стока: ему просто некуда течь. Впадающие реки приносят ему до 50 тысяч кубических километров воды в год. Она считается пресной, потому что содержит совсем немного растворенных солей. Но все-таки содержит! Объем океана почти стабилен, значит, он испаряет примерно столько же кубокилометров воды, сколько получает с суши – около 50 тысяч в год. Вода испаряется, а соль остается. И так ежегодно миллионы лет подряд. Если подумать, то вода морей и океанов просто не может не быть соленой.

Тогда вопрос выворачивается наизнанку: как так выходит, что соленость морей со временем не растет, а остается примерно одинаковой? Океан умеет избавляться от лишней соли тремя способами. Значительную часть солей кальция, магния и кремния из морской воды изымают живые микроорганизмы: они строят из них свои маленькие скелеты и панцири, а после гибели оседают на дно и превращаются в слои осадочных пород – известняки, доломиты, диатомиты. Кроме того, от других солей океан избавляется, химически осаждая их или выпаривая в мелководных лагунах. Так работает окруженный пустыней залив Кара-Богаз-Гол – большая горячая сковородка, с которой ежегодно испаряется около 10 кубокилометров каспийской воды и остается до 150 миллионов тонн соли.

И, наконец, избавиться от лишней соли Мировому океану помогает тектоника, которая местами поднимает морское дно, превращая его в сушу. Море отступает туда, где земная кора опускается, а на материке остаются слои морских отложений. Среди них встречаются залежи каменной соли, наследие пересохших древних морей – эвапориты. Атмосферные осадки и связанные с ними грунтовые воды принимаются размывать и понемногу растворять новую земную твердь, перенося продукты разрушения под горку – в бессточные континентальные впадины или в Мировой океан.

Морская вода не только соленая, но и горькая, потому что природные воды по пути к морю растворяют самые разные минералы. Их накопление и выпадение в осадок зависят от концентрации и температуры воды. Когда в начале XVIII века Петр I направил экспедицию князя Бековича-Черкасского исследовать восточные берега Каспия и она впервые вошла в Кара-Богаз-Гол, моряки были удивлены тяжестью вод, которые били в борта с необычной силой. На судне был странноватый кок, который решил искупаться и обнаружил, что его буквально «выталкивает» из воды. Кок, в котором открылась тяга к экспериментам, также заметил, что из воды в изобилии выпаривается соль, и вздумал посолить ею пищу для всей команды. Результат был плачевен – в заливе преобладают растворы сульфатов натрия и магния, известные под названием «английская соль», а также «мирабилит», или «глауберова соль». Все эти соединения обладают выраженным слабительным действием.

№ 16. Как растет кристалл?

С кристаллизацией мы сталкиваемся постоянно. Это и замерзание воды в речке или морозильнике, и образование града и снежинок в облаках, и засахаривание варенья, меда и сгущенки, и появление накипи, и затвердевание паяльного сплава.

Кристалл – это огромная совокупность одинаковых атомов, ионов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строго определенном порядке. Обычно кристаллами называют твердые тела, образующиеся в природных или лабораторных условиях в виде многогранников (например, широко известные кварц, кальцит и его прозрачная разновидность исландский шпат, корунд, изумруд, топаз и многие другие).

В отличие от живых организмов и растений, которые растут за счет деления клеток, кристаллизация происходит на поверхности: частицы присоединяются к плоской грани кристалла подобно кирпичам, которые кладет каменщик на строящуюся стену, вплотную подгоняя один к другому и заполняя поочередно ряд за рядом и слой за слоем. Точнее, так растет модельный, то есть идеализированный, не существующий в природе кристалл. Его называют «идеальным», поскольку он лишен каких-либо несовершенств или дефектов, обязательно присутствующих во всех природных или полученных в лабораториях реальных кристаллах. А ведь именно эти несовершенства зачастую облегчают присоединение новых частиц, воздействуя тем самым на скорость роста кристаллов. В 1948 году английский кристаллограф Ф. Франк предположил, что реальные кристаллы, в отличие от идеальных, не всегда растут параллельными слоями с последовательным заполнением частицами каждого такого слоя – иногда они растут винтовой лестницей, или спиралью. При росте такой кристалл «накручивается» как бы сам на себя, продвигая вперед одну и ту же ступеньку – незарастающий ряд/слой, торец которого получил название «излом». В этом случае всегда присутствует удобная «посадочная площадка» для каждой новой частицы, и со временем эта ступенька с открытым изломом не исчезает. Именно так в настоящее время объясняется и экспериментально подтверждается механизм роста большинства реальных кристаллов с привычной нам многогранной формой.

Что же происходит в случае избыточного содержания кристаллообразующих частиц в среде – растворе, расплаве, паре? Такая среда не в состоянии удерживать все частицы, и их избыток начинает осаждаться в произвольном месте растущего кристалла. Оказывается, дело здесь не только в каких-то особых свойствах его поверхности, но и в пересыщенном состоянии кристаллизационной среды. Это наиболее ярко проявляется в случаях, когда концентрация кристаллизуемого вещества в ней достаточно велика. В итоге кристалл приобретает не привычную нам (ограненную), а так называемую вынужденную форму роста, которая образуется главным образом под влиянием внешних факторов.

Такие известные минералы, как оливин, топаз, кварц, полевые шпаты, апатит, формируются по тому же принципу, осаждаясь из кристаллообразующей среды, только уже в условиях геологических процессов, например при остывании магмы. Если магматический очаг располагается на большой глубине и она остывает очень медленно, то кристаллы вырастают достаточно крупными и четко ограненными. Если же это происходит быстро, например при вулканических извержениях лавы на поверхность Земли, то она затвердевает с образованием мельчайших кристалликов минералов и даже стекол.