Дмитрий Побединский - Чердак. Только физика, только хардкор!
Каждый одиннадцатиклассник должен знать, что на заряженные частицы в магнитном поле действует сила Лоренца, под воздействием которой они начинают заворачивать и двигаться по спирали. Получается, они как бы наматываются на линии магнитного поля и начинают двигаться к полюсам. Это чем-то напоминает макароны. Причем шаг винтовой линии зависит от силы поля: чем ближе к полюсам, тем оно сильнее и шаг меньше. В какой-то момент частица может остановиться и полететь обратно, закручиваясь вокруг линии магнитного поля. Таким образом она оказывается в ловушке и начинает колебаться около Земли в космосе.
Оказывается, что Земля просто опоясана такими областями, где частицы попали в западню, словно Индиана Джонс в комнате со сдвигающимися стенами. Это радиационные пояса. Таких поясов, как минимум, два. В ближнем к нам – самые быстрые частицы, но они не доходят до атмосферы и колеблются пока еще в космосе. Подальше – пояс с частицами помедленней. Его края находятся уже поближе, но все равно не касаются атмосферы.
Есть и третий пояс. На самом деле его не существует, потому что его края – в атмосфере, и когда частица попадает в этот пояс, она, дойдя до края, попадает в атмосферу. Зона вхождения этого пояса квазизахвата, как его называют, лежит на широте около 60–70 градусов. Там и наблюдают максимум сияний. Существуют сайты в Интернете, где можно онлайн отследить интенсивность сияний. А вот непосредственно на полюсах сияний мало, так как очень мало частиц с такими маленькими энергиями.
Когда частицы попадают в атмосферу, они летят с большой скоростью. Сшибая на своем пути атомы, они переводят их в возбужденное состояние, в котором у них есть излишек энергии. Долго атомы в таком состоянии не находятся и через доли секунды сбрасывают эту энергию в виде фотонов. Так что, видя полярное сияние, помните, что вы видите свет, созданный частицами солнца.
На разных высотах состав атмосферы разный, разные газы имеют разные энергии возбуждения, поэтому и цвет получается разный. В основном это зеленый (благодаря кислороду, азоту), но бывает и красный, и синий и так далее.
4.3. Разгон туч перед парадом
Приятно, когда за окном лето, каникулы, хорошая погода, солнце. Но дождливые дни тоже иногда случаются. И как же иногда хочется управлять погодой и подстраивать ее под свое настроение! Что ж, при сильном желании и большом количестве денег нет ничего невозможного.
Ни для кого не секрет, что в крупных городах перед большими праздниками разгоняют тучи, чтобы была ясная и солнечная погода. Но как это делают? Все очень просто. Есть большие самолеты с огромными руками. Они летают вокруг города и отодвигают тучи!..
Нет-нет, конечно же, такого не бывает. На самом деле тучи не разгоняют, а осаждают, то есть заставляют их выпасть в виде дождя где-то вдалеке, благодаря чему облако исчезает. Но как заставить тучу выпасть в виде осадков?
Давайте разберемся, как образуются облака. В воздухе постоянно присутствует влага, невидимые водяные пары, которые испаряются с поверхности озер, океанов, луж. Эти водяные пары поднимаются вверх и конденсируются. В результате конденсации образуются микроскопические капельки жидкости, которые рассеивают свет. Возникает некий туман, это и есть облако. Но конденсация не может происходить просто так, при понижении температуры. Для этого нужны какие-то пылинки, взвешенные частички в воздухе, вокруг которых и образуется микрокапелька. Ну и конечно же, вокруг маленьких пылинок образуются настолько маленькие микрокапельки, что восходящие потоки воздуха не дают им упасть. Поэтому облако держится на плаву.
ЖИДКИЙ АЗОТ
tкип = −196 °С
СУХОЙ ЛЕД
tсубл = −78 ℃
Если мы хотим, чтобы облако расплакалось, у нас есть два способа. Первый способ – это посыпать облако какими-то крупными частицами. Дешевый вариант – это цемент в виде порошка, более дорогой вариант – это йодистое серебро. В результате на этих крупных частицах образуются большие капли, которые выпадают в виде дождя. И второй способ – это охлаждение облака для усиления естественной конденсации. Для этого в туче распыляют жидкий азот или сухой лед. Эти вещества обладают очень низкой температурой, и общая температура в облаке немного понижается. Этого понижения достаточно для того, чтобы образовывались более крупные капли, которые выпадают в виде дождя. Ну и, конечно же, цена вопроса. Самый простой способ – это закидать все цементом, однако образующийся дождь получается очень грязным и противным. А вот качественный разгон облаков стоит около 2,5 миллиона долларов.
4.4. Народные приметы о погоде. Миф или правда?
Существует огромное множество народных примет о погоде. Некоторые из них появляются благодаря многолетним наблюдениям и обобщению фактов. Некоторые – просто шуточные фразы, не имеющие ничего общего с действительностью. Давайте рассмотрим самые известные и найдем им физическое подтверждение.
Ласточки низко летают – к дождюСтандартное объяснение таково. Ласточки – насекомоядные птицы. В основном они любят охотиться на мух и комаров, залетая в их рой и выхватывая их на лету. Перед дождем влажность воздуха повышается, на крылышках насекомых начинают конденсироваться маленькие капельки, насекомым становится тяжелее летать, и они опускаются к земле. Вероятно, чтобы делать частые передышки. Соответственно ласточки устремляются за ними и летают на небольшой высоте.
Но, во-первых, влажность может меняться и по другим причинам, не только из-за приближающегося дождя. А во-вторых, недавние исследования с помощью замедленной съемки показали, что при полете мух и комаров вокруг крылышек образуются микровихри, эффективно стряхивающие маленькие капельки. А комары даже не боятся дождевых капель и могут пролетать их насквозь! Так что эта примета не больше чем миф, хоть и очень красивый.
Пузыри на лужах – к долгому дождюВот тут посложнее. Дело в том, что пузыри на лужах образуются всегда. Только вот время жизни у них всегда разное. Иногда они очень быстро исчезают, и мы не успеваем их заметить. Но иногда они держатся очень долго. Почему же так?
Разница эта зависит от влажности. Когда образуется пузырь, с его поверхности сразу начинает испаряться влага. Если влажность небольшая, то испарение происходит очень интенсивно, стенка пузыря быстро становится тонкой, и он практически сразу лопается, ускользая от нашего взора. Соответственно при большой влажности испарение происходит слабо, и пузырь живет намного дольше, в течение нескольких секунд.
Значит, длительность дождя зависит от влажности. Действительно, короткий дождь выпадает из небольшой тучи, которая быстро появляется, быстро выплакивает дождь, быстро исчезает. Поэтому влажность не успевает подняться. Но длительные дожди проливаются под большой тучей, под которой влажность уже успела подняться. Так что пузыри на лужах – это действительно верный признак длинного дождя.
Дым стелется по земле – к дождюДостаточно известная примета со следующим простым объяснением. Перед дождем влажность воздуха более или менее повышается, поэтому на частичках дыма конденсируется влага. В таком случае дым становится тяжелее, поэтому стелется по земле, а не поднимается ввысь.
Скорее всего, это неправильное объяснение, ведь частицы дыма наверняка горячее воздуха, поэтому конденсация на них будет затруднена. При конденсации выделяется скрытая теплота фазового перехода из газа в жидкость, что только увеличивает температуру дыма. К тому же конденсированный пар не всегда тяжелее воздуха. Например, пар из чайника очень легок и быстро устремляется вверх.
Однако эта примета работает, значит, у нее должно быть какое-то объяснение. Дело в том, что плотность у сухого и у влажного воздуха отличается. И при одинаковом давлении и температуре влажный воздух будет легче, чем сухой, как бы странно это ни казалось. Все дело в том, что масса молекулы воды меньше, чем молекулы кислорода и азота, из которых состоит воздух. Поэтому при увеличении влажности в одном кубометре воздуха доля легких молекул воды будет расти и этот кубометр будет легче!
Обычно дым поднимается вверх по простому закону Архимеда. Он горячее, легче, поэтому сила Архимеда выталкивает его вверх. Но если сам воздух становится легче, то выталкивающая сила уменьшается и дыму ничего не остается, кроме как стелиться по земле. Грубо говоря, теперь воздух и дым поменялись ролями: дым стал тяжелее воздуха, поэтому стелется по земле. Примета доказана!
