Текст книги "Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого"

Искусственный снег

«Можно ли снизить влияние парникового эффекта, если выкрасить крыши домов в белый цвет, чтобы они отражали солнечные лучи так же, как снеговые шапки полюсов? Существует ли краска, обладающая отражающими свойствами снега?»

Пол Нолан

Уоррингтон, Чешир, Великобритания

Белые крыши могли бы отражать больше солнечного света и компенсировать глобальное потепление. По данным Глобального картографического проекта для городской и сельской местности (GRUMP), разработанного Институтом Земли при Колумбийском университете (Нью-Йорк), примерно 3 % поверхности суши занимают различные строения.

Альбедо Земли составляет 0,29; это означает, что Земля отражает около 29 % солнечного света, попадающего на нее. При альбедо, равном 0,1, города поглощают больше солнечного света, чем планета в целом. Перекраска всех крыш в белый цвет увеличит альбедо Земли с 0,29 до 0,30. В соответствии с очень простой нуль-мерной моделью Земли это приведет к падению температуры на планете почти на 1 °C, что полностью компенсирует глобальное потепление, возникшее с началом промышленной революции. Но в нуль-мерной модели не учитывается влияние атмосферы и, что особенно важно, роль облаков. Интересно было бы узнать, есть ли более сложные модели, предсказывающие последствия подобного похолодания.

Майк Фоллоуз

Уилленхолл, Западный Мидлендс, Великобритания

Гораздо полезнее было бы превратить крыши в мини-электростанции, покрыв их фотоэлектрическими плитками. Эта энергия заменила бы значительную часть энергии полезных ископаемых, и нам не пришлось бы нарушать сложную и нестабильную климатическую систему Земли. Лучше профилактика, чем лечение, эффект которого неизвестен.

Майк Халм

Норидж, Великобритания

Угасающая звезда

«Производя энергию, Солнце скорее всего теряет массу, и сила его притяжения ослабевает. Будут ли планеты по спирали отдаляться от Солнца? Если да, то насколько и как далеко окажется Земля к тому времени, как Солнце превратится в красного гиганта?»

Майк Гэнли

Фернтри, Тасмания, Австралия

Солнце теряет около 4 миллионов тонн в секунду – массовый эквивалент энергии, которую оно вырабатывает в ходе термоядерных реакций. Еще несколько миллионов тонн – потери, вызванные солнечным ветром и другими выбросами частиц. Но даже после двух миллиардов лет эти потери составляют всего одну десятитысячную массы Солнца. Поэтому и расстояние от Солнца до Земли увеличится на долю такого же порядка.

Ситуация кардинально изменится, когда Солнце наконец превратится в красного гиганта, что произойдет примерно через 6 миллиардов лет. В то время радиус Солнца будет в 100 раз превышать нынешний. Согласно последним оценкам, в состоянии гиганта Солнце может поглотить Меркурий, Венеру и Землю, а более удаленные планеты, такие как Марс, уцелеют и будут продолжать двигаться по орбитам, даже когда Солнце станет белым карликом.

Если предположить, что окончательная масса Солнца как белого карлика составит 0,6 нынешней, планетарные орбиты в этом очень далеком будущем увеличатся на 80 % по сравнению с нынешними – по причинам, которые упомянуты в вопросе.

С. Свирам

Индийский институт астрофизики,

Корамангала, Бангалор, Индия

Удивительно, но, несмотря на то что каждую секунду Солнце превращает в чистую энергию 4 миллиона тонн своей массы и будет продолжать сжигать водород, пока через несколько миллиардов лет не превратится в красного гиганта, оно потеряет только малую толику своей нынешней массы. Чтобы Земля сохранила свой вращательный момент, радиус ее орбиты должен увеличиваться со скоростью всего 1 сантиметр в год.

Но этого будет слишком мало, чтобы компенсировать неуклонно усиливающуюся яркость Солнца. Поэтому Земля обречена повторить судьбу своей небесной соседки Венеры и столкнуться с последствиями возникшего естественным путем парникового эффекта – конечно, если деятельность человечества не ускорит его приближение.

Майк Фоллоуз

Уилленхолл, Западный Мидлендс, Великобритания

7. Непредсказуемая погода

Небесные вилы

«Почему молния раздваивается? Каков диаметр молнии?»

Майкл Ли

Лондон, Великобритания

Молния обычно приносит на землю отрицательный заряд грозы. Отрицательно заряженная ветвь предшествует видимой молнии, направляется вниз из туч, пронзает воздух, в котором присутствуют положительно заряженные «карманы». Они возникают из-за точечных разрядов ионов, притянутых от земли мощным электрическим полем грозы.

Ведущая ветвь молнии разветвляется в попытке найти путь наименьшего сопротивления. Когда одна из ветвей приближается к земле, негативные заряды притягивают положительные ионы вертикальных объектов, таких как трава и деревья, и образуют проводящий путь между тучами и землей. Затем негативный заряд уходит в землю, начиная от нижней точки ведущей ветви молнии. Это видимый «обратный удар», свечение которого движется вверх, а заряд – вниз. Ответвления главной ветви, которым не удалось дотянуться до земли, раскаляются сильнее, когда их заряды направляются в главную ветвь.

На снимках толщина ветвей молнии часто выглядит увеличенной из-за передержки пленки. Судя по следам на объектах, поврежденных ударами молнии, диаметр ее ветви составляет 2–100 миллиметров.

Р. Саундерс

Группа физики атмосферы,

Манчестерский университет, Великобритания

Море волнуется

«Какой механизм преобразует энергию ветра в непрекращающуюся череду океанских волн? От чего зависит их амплитуда и частота?»

Фрэнк Скахилл

Истонвилл, Новый Южный Уэльс, Австралия

Когда ветер дует над поверхностью воды в море, образуется легкая рябь. Волны, возникающие при сильных порывах ветра, беспорядочны, не имеют ни определенного направления, ни постоянной частоты.

При ветре наблюдаются два явления. Во-первых, волны взаимодействуют друг с другом, образуя более длинные волны с низкой частотой. Во-вторых, ветер подталкивает эти волны и придает им новую энергию. Пока продолжается буря, под влиянием ветра волны будут расти, а динамика волн – развиваться таким образом, что длина волн станет увеличиваться.

Некоторые слишком крутые волны разбиваются, но суммарное количество энергии продолжит расти. Волны, возникающие в определенных точках, называются ветровыми. Их энергия зависит от того, как долго дует ветер (продолжительность) и на каком расстоянии (длина нагона). Волны на поверхности моря – не просто последовательность волн, а сложная поверхностная структура.

Такой сложной системе невозможно просто придать амплитуду и частоту. Значимая высота волны – средняя высота самой высокой третьей волны – служит для описания величины волн, а пиковый период между доминирующими или наиболее интенсивными волнами является критерием оценки частоты. В среднем каждые три часа появляется волна, по высоте дважды превышающая значимую.

В конце концов энергия, приданная морю ветром, будет уравновешена потерями энергии, в основном в полосе прибоя. В этот момент волны перестанут расти – это явление называется полностью развитым волнением. При ветре силой 20 метров в секунду (8 баллов) высота значимой волны при полностью развитом волнении достигнет 9 метров, а пиковый период составит 15 секунд.

Волны могут преодолевать тысячи километров от места зарождения. В отличие от световых или звуковых волн, скорость морских волн увеличивается вместе с длиной, а частота уменьшается.

Волны, ускользнувшие из зоны шторма, называются зыбью. У них меньше диапазон периодов и почти правильные волновые серии. Поскольку им не сообщается энергия, она не рассеивается при разбиении волн, и они продолжают путь по океану, пока не достигнут суши.

Ввиду изменения частот при разных скоростях волн зыбь делится на обособленные компоненты, путешествуя по океану. Значимая высота волны и пиковый период зыби определяются скоростью ветра, продолжительностью и нагоном, характерными для шторма, создавшего эти волны.

Питер Чалленор

Саутгемптонский океанографический центр,

Гемпшир, Великобритания

Энергия ветра поначалу поднимает ветровые волны. Ветровые волны круче и беспорядочнее, чем зыбь, для них характерны барашки и пенистые гребни. Чем дольше дует ветер, тем длиннее преобладающие ветровые волны.

Когда ветер прекращается или ветровые волны покидают зону возникновения, образование барашков некоторое время продолжается, его сопровождает удлинение волн, пока они не утратят крутизну, необходимую для формирования барашков. Ветровые волны превращаются в зыбь.

Поверхностным волнам в жидкости свойственно рассеиваться – это означает, что волны разной длины перемещаются с разными скоростями. Чем длиннее волна, тем быстрее она перемещается и первой достигает наблюдателя.

Со временем длина зыби становится все короче, ее место занимают короткие волны. Зыбь от шторма, сформировавшегося за тысячи километров, может сохраняться несколько дней, но в конце концов укоротится из-за дисперсии.

Дисперсия действует как фильтр, поэтому только зыбь узкого диапазона может присутствовать в одной зоне океана в один период времени. Именно поэтому зыбь выглядит такой одинаковой, если смотреть на нее с самолета.

Обычно амплитуда зыби снижается при выходе из зоны волнообразования, поскольку энергия распространяется по значительному участку океана.

Но это еще не все. Следующий ветер поднимет ветровые волны, часть энергии которых передастся зыби и увеличит ее амплитуду, не меняя длины волны. Точно так же ветровые волны в обратном направлении могут уменьшить амплитуду зыби.

Джон Рид

Бывший сотрудник лаборатории Хобарта при отделе морских исследований,

Тасмания, Австралия

Темное дело

«Почему облака темнеют и приобретают темно-серый цвет перед дождем или сильной грозой?»

Мэтт Бурк

Грейсвилл, Квинсленд, Австралия

Пушистые белые облака темнеют перед дождем потому, что впитывают больше света.

Обычно облака выглядят белыми, когда свет, проходящий сквозь них, рассеивает мелкие частицы льда или воды, из которых они состоят. Но когда размер этих частиц льда или воды увеличивается, как бывает перед дождем, рассеивание света постепенно заменяется поглощением.

В итоге гораздо меньше световых лучей доходит до наблюдателя, находящегося на земле, а облака превращаются в темные тучи.

Кит Эпплярд

Данди, Тейсайд, Великобритания

Очки-хамелеоны

«На стекла моих очков нанесено фотохромное покрытие. Под палящим карибским солнцем очки были лишь слегка затемнены. Но при слабом зимнем солнце в Великобритании они почти совсем почернели. Почему?»

Джефф Ландер

Уитвик, Лестершир, Великобритания

Мы приводим два объяснения: физическое и химическое. По-видимому, потемнение стекол связано в первую очередь с химическими реакциями. – Ред.

Могу только предположить, что автор вопроса гулял под карибским солнцем, а не жарился на пляже. Значит, его случай можно объяснить следующим образом.

Зимой в Великобритании солнце не поднимается высоко, его лучи направлены почти прямо на вертикальную плоскость линз и перпендикулярно им. В тропиках солнце висит чуть ли не над головой, и, если автор не лежал на пляже, солнечные лучи попадали в верхний край его очков. Им доставалась лишь малая толика светового излучения, поэтому очки не потемнели.

Чарльз Клюпфель

Блумфилд, Нью-Джерси, США

Оптики обычно забывают упомянуть одну деталь: фотохромное покрытие на очках не действует в жарком климате. Частицы галогенида серебра, нанесенные на стекло, обычно прозрачные, но под действием ультрафиолетового излучения распадаются на галоген и металлическое серебро, от которых темнеют линзы.

Поскольку оба компонента нанесены на стекло, они снова соединяются, а если действие ультрафиолетового излучения заканчивается, – например, когда вы заходите в дом, – снова становятся прозрачными. При повышении температуры реакция воссоединения ускоряется, как и многие другие. Поскольку потемнение стекол в любой момент времени представляет собой баланс распада, вызванного ультрафиолетом, и воссоединения, зависящего от температуры, требуется гораздо больше ультрафиолета, чтобы достичь определенного уровня потемнения в жарком климате.

Алек Коули

Ньюбери, Беркшир, Великобритания

Фотохромные материалы чувствительны к температуре и на холоде темнеют сильнее. Мои солнцезащитные очки становятся почти черными в холодные дни, но почти не меняют цвет под полуденным солнцем Флориды. Это хорошо для лыжников, но не для тех, кто любит прогулки под солнцем.

На собственном опыте я убедился, что многие фотохромные линзы реагируют почти исключительно на ультрафиолетовое излучение, а не на видимый свет, поэтому в машине они почти не темнеют.

Уильям Дарлингтон

Технологический колледж Белла,

Гамильтон, Стратклайд, Великобритания

Реакция фотохромных линз на свет зависит от температуры. При низких температурах меняется динамика фотохимической реакции, поэтому обратная реакция – осветление линз – затягивается.

Фотохромные линзы сильно темнеют при низких температурах. Жизнь на Среднем Западе Америки дала мне возможность испытать температурное воздействие в идеальных условиях для такого эксперимента. При летней температуре около 30 °C мои фотохромные линзы приобретали синевато-серый оттенок, а в разгар зимы, при –10 °C, быстро чернели.

Темные линзы в солнечные зимние дни особенно полезны потому, что снег слепит глаза. Но сильное затемнение стекол раздражает, когда в солнечный день входишь в помещение: требуется почти 10 минут, чтобы линзы снова стали нормальными.

Барри Тиммс

Университет Южной Дакоты,

Вермильон, США

8. Несносный транспорт

«Стой-иди»

«Почему во всем мире на уличных светофорах красный сигнал расположен над желтым, а тот над зеленым – в отличие от железнодорожных семафоров, где вверху расположен зеленый сигнал, под ним желтый, а ниже красный (если семафор трехцветный)?»

Роджер Генри

Паркс, Новый Южный Уэльс, Австралия

Разница между автомобильными и железнодорожными сигналами объясняется историческим развитием железных дорог и мерами безопасности. На старых механических железных дорогах сигнальные рычаги были расположены так, что нижнее положение означало «стоп». Освещенная часть семафора состоит из двух цветных стеклянных панелей на дальнем конце сигнального рычага, за крылом, которое повернуто вперед при зафиксированном сигнале. Несмотря на то что верхней из двух стеклянных панелей была красная, она загоралась, когда сигнал был опущен, и этот знак означал «стоп». На железных дорогах сохранилась смешанная механическая и электрическая сигнальные системы, поэтому сигналы пришлось приводить к единому виду. На новых электрических сигналах красный свет находится внизу, у машинистов он ассоциируется с запрещающим сигналом светофора или приказом остановиться.

У уличных светофоров не было механических предшественников, их разрабатывали с таким расчетом, чтобы самый важный свет, красный, был виден с максимального расстояния. Для этого требовалось расположить его как можно выше. Вдобавок вопрос видимости железнодорожных сигналов не стоит так остро, как на автомобильных дорогах: места для установки семафоров выбирают тщательно.

Джералд Дори

Оксфорд, Великобритания

Джералд Дори лишь отчасти прав в своем историческом объяснении порядка железнодорожных сигналов. Он упустил одно: на большей части страны использовались нижние семафорные сигналы (на которых горизонтальное положение означает опасность, а положение под углом 45° – «путь открыт»). В этих сигналах красный свет помещался сверху.

Основная причина, по которой в современных британских семафорах красный сигнал помещается снизу, – погода. Чтобы улучшить видимость при ярком солнце, каждый световой сигнал снабжен длинным козырьком или кожухом. Но зимой снег забивается на эти козырьки и затрудняет обзор. Находясь снизу, самый важный красный сигнал отчетливо виден, так как под ним нет козырька другого сигнала и скопившийся на нем снег не закрывает красный свет.

Винсент Латарт

Лондон, Великобритания

Существует два вида механических или семафорных сигналов. У более старого, с крылом нижнего квадранта, крыло, направленное вниз, показывает свободный путь, или зеленый свет, затем возвращается в горизонтальное положение под действием противовеса, а красный свет расположен над зеленым. У новых семафоров с верхним квадрантом рычаг поднимается вверх, указывая, что путь свободен, и возвращается в прежнее положение под тяжестью своего веса (как в сцене из классического фильма «Золотоискатели»). Световые сигналы в нем расположены бок о бок. Красный – ближе к мачте, а зеленый находится справа от него, снаружи.

У обоих семафоров горизонтальное положение рычага означает остановку, а у опущенного крыла есть два прямо противоположных значения. Красные рычаги всегда применялись в качестве стоп-сигналов, и предупредительные рычаги действовали подобным образом. Но на последних рычаг и световой сигнал желтые, а не красные, что означает «проезжайте осторожно».

У комбинированных семафоров значение цветовых сигналов никак не связано с положением рычагов. Красный свет находится снизу просто потому, что при этом он расположен ближе к глазам машиниста, выше идет желтый, затем зеленый, а если у семафора четыре световых сигнала, то второй желтый – на самом верху, над зеленым.

С. С. Торнберн

Университет Астона, Бирмингем, Великобритания

У водителей автомобилей не проверяют цветовое зрение, поэтому положение красного, желтого и зеленого сигналов светофора всегда должно быть одинаковым, чтобы их можно было различать только по свечению. Такие сигналы обычно устанавливают там, где скорость движения ограничена, а поскольку коэффициент сцепления у резиновых шин выше, водитель может благополучно остановиться, даже если заметит красный сигнал только с близкого расстояния.

Машинист поезда, цветовое зрение которого регулярно проверяют, должен иметь возможность различать сигналы с дальнего расстояния, чтобы вовремя остановить поезд. На крупных ветках показания семафора должны быть различимы издалека, где положения крыльев еще не видны и машинисту приходится ориентироваться исключительно по цвету.

Вопрос был, в сущности, поставлен некорректно, поскольку не существует всеобщего правила, предписывающего размещать зеленый сигнал над желтым, а желтый – над красным (железнодорожники называют предупредительный сигнал желтым, а автолюбители в англоязычных странах – янтарным). В прошлом у некоторых сигнальных систем был всего один световой сигнал, на который накладывали цветные фильтры. Для комбинированных сигнальных систем с несколькими световыми сигналами существует лишь одно твердое правило: красный сигнал должен находиться как можно ближе к линии взгляда машиниста или водителя. Поэтому в некоторых случаях красный сигнал размещают вверху, например на уличных светофорах.

На высокоскоростных ветках необходим второй желтый сигнал, который включается перед тем, как загорится первый желтый. Транспортное средство может проехать еще чуть ли не километр, прежде чем загорится красный сигнал остановки. Таким образом, о сигнале остановки предупреждают два сигнала. В таких светофорах два желтых сигнала обычно бывают разделены зеленым и потому заметны издалека.

П. У. Б. Семменс

Йорк, Великобритания

Давление и уши

«Всем нам известно, что при взлете и посадке самолета закладывает уши. Это явление вызвано изменением давления. Но салон самолета герметично закрыт, почему же давление внутри него не держится на одном уровне на протяжении всего полета?»

Крэг Линдсей

Абердин, Великобритания

Из соображений экономии топлива крупный гражданский авиатранспорт совершает полеты на высоте, значительно превосходящей максимально допустимую для поддержания жизнедеятельности. 5500 метров – максимальная высота, на которой человек может выжить на протяжении длительного времени, но дозвуковой пассажирский самолет расходует топливо наиболее экономно, когда летит на высоте 12 000 метров.

Поэтому производителям самолетов не остается ничего другого, кроме как заботиться о герметичности пассажирского салона. Это – серьезная техническая задача. На высоте 12 000 метров, где давление составляет одну пятую часть давления на уровне моря, внутреннее давление стремится разорвать фюзеляж. Это давление приходится сдерживать, а также следить за тем, чтобы вся нагрузка на фюзеляж в полете не превышала безопасную допустимую. Если свести до минимума разницу давления снаружи и изнутри, фюзеляж может быть более дешевым и легким.

Для гражданских авиалайнеров это означает, что давление внутри самолета во время полета в постоянном режиме держится на нижнем возможном пределе – 2500 метров. Это максимальный уровень, который может вынести здоровый человек, не испытав побочных эффектов. Но физически слабые люди, пассажиры с заболеваниями дыхательной системы, а также те, кто во время ожидания в аэропорту злоупотребил спиртным, чувствуют себя плохо даже при таких условиях.

Есть еще одна проблема: не все аэродромы расположены на одинаковой высоте над уровнем моря. Возьмем крайний случай: полет из Хитроу в Англии в Ла-Пас в Боливии сопряжен с подъемом на 5200 метров над уровнем моря, где давление воздуха вполовину меньше, чем на уровне моря. В таких условиях невозможно поддерживать одинаковое давление на всем протяжении полета. Представьте, что произошло, если бы давление внутри и снаружи самолета было бы разным к моменту, когда открывают двери, – зрелище получилось бы эффектным, но крайне нежелательным.

Что касается закладывания ушей, в наши дни давление внутри самолета «ради безопасности и комфорта пассажиров» незаметно снижают и по мере взлета за ним следит бортовой компьютер. Давление постепенно увеличивают (или, как в случае с рейсами в Ла-Пас и другие высокогорные аэродромы, снижают) при снижении, чтобы к тому моменту, когда самолет остановится на посадочной полосе, давление в салоне и за его пределами выровнялось. Обычно для ушей достаточно времени, чтобы приспособиться к нему, но если никакие средства не помогают, зажмите нос и медленно, но решительно наращивайте давление в носоглотке, пока не почувствуете, что оно выровнялось.

Терренс Холлингворт

Бланьяк, Франция

Преимущество полетов на «Конкорде» заключалось в том, что фюзеляж этого самолета был особо прочным, предназначенным для больших высот, поэтому давление в салоне могло соответствовать давлению на высоте 900 метров над уровнем моря.

Артур Кокс

Алтон, Гемпшир, Великобритания