Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

В Северной Атлантике[21] вода охлаждается по мере того, как ветер выдувает оттуда тепло. Там, где на водной поверхности образуется лед, он представляет собой практически пресную воду: соль остается внизу. В совокупности эти процессы делают морскую воду холоднее, солонее и плотнее, поэтому она начинает опускаться на дно, расталкивая по пути менее плотную воду. Здесь сказывается действие все той же гравитации. Когда эта вода медленно скользит вдоль морского дна, она движется подобно реке, по «руслу», образованному подводными долинами, а путь ей преграждают горные хребты. Из Северной Атлантики она течет по дну океана со скоростью нескольких сантиметров в секунду на юг и примерно через тысячу лет достигает своего первого препятствия, Антарктики. Не имея возможности пробираться дальше на юг, вода поворачивает на восток, где на ее пути встает Южный океан[22]. Этот океан, опоясывающий огромным водным кольцом «нижнюю оконечность» нашей планеты, связывает воедино всю морскую воду на Земле, поскольку на своем пути вокруг Антарктики (или, как ее еще называют, «белого континента») сливается с нижними краями Атлантического, Индийского и Тихого океанов. Огромный, медленный поток воды из Северной Атлантики обтекает Антарктику, пока снова не повернет на север, продолжая свое путешествие и вливаясь в воды Индийского или Тихого океанов. Постепенное смешивание с окружающими водами снижает плотность прибывшей из Северной Атлантики воды, и – примерно через 1600 лет, на протяжении которых до нее не добирался солнечный свет – она мало-помалу устремляется к поверхности. Здесь дождевая вода, речные стоки и расплавленный лед дополнительно снижают в ней концентрацию соли, в то время как океанские течения, подгоняемые ветрами, несут эту воду дальше, пока она наконец не завершит свое великое путешествие в водах Северной Атлантики – возможно, чтобы повторить этот цикл. Данный процесс называется термохалинной циркуляцией (thermohaline circulation: thermo – нагрев, haline – соль), или «океанской конвейерной лентой», и хотя нарисованная мной картина несколько упрощена, эти течения действительно опоясывают всю планету и приводятся в движение гравитацией. Поверхностные течения, вызываемые преобладающими направлениями ветра, на протяжении многих столетий служили неплохим подспорьем мореплавателям и торговцам. Но океанская конвейерная система в целом обеспечивает человеческой цивилизации доставку груза не меньшей важности – тепла.

На экваторе поглощается больше солнечного тепла, чем в любой другой части планеты, так как у экватора Солнце стоит над горизонтом выше, чем в любом другом месте Земли, и охват Земли по экватору – самый протяженный, вследствие чего здесь самая большая площадь для поглощения. Для нагрева океанских вод даже на сотую долю градуса требуется колоссальное количество энергии, поэтому теплые океаны похожи на гигантский аккумулятор солнечной энергии. Движение океанских вод перераспределяет эту энергию в масштабе всей планеты, а термохалинная циркуляция определяет на ней картину погоды. Значительная часть нашей тонкой и переменчивой атмосферы располагается над постоянным резервуаром тепла, непрерывно поставляющего энергию разным частям планеты и сглаживающего крайности.

Вся слава достается атмосфере, но именно океаны поддерживают трон. Глядя в следующий раз на глобус или снимок Земли, сделанный со спутника, не воспринимайте океаны как пустые голубые пятна, разделяющие столь интересные для нас континенты. Вспомните о мощном воздействии на них гравитации и попытайтесь воспринимать эти голубые пятна как грандиозный механизм, обеспечивающий жизнь на планете.

Кофе – фантастически ценный глобальный товар, а сеанс черной магии, позволяющий извлечь все лучшее из маленького и невзрачного на вид кофейного зерна, – постоянный источник споров (и некоторой доли снобизма) для кофеманов. Но мой конкретный интерес к этому напитку не зависит от способа обжарки кофейных зерен или степени давления пара в вашей кофеварке. Меня восхищает картина пролитого кофе[23]. Это одна из тех повседневных странностей, которые уже не удивляют моих знакомых. Лужица кофе на твердой поверхности совершенно непримечательна – обычная маленькая лужица слегка выпуклой формы. Но если вы дадите ей высохнуть, то найдете на ее месте лишь темно-коричневый контур, слегка напоминающий линию, нарисованную мелом вокруг тела жертвы в детективной драме. Поначалу вся область внутри контура была заполнена пролитым кофе, но в процессе высыхания он переместился на ее границу. Внимательное разглядывание лужицы кофе, с целью понять, как все происходит на самом деле, похоже на наблюдение за процессом высыхания краски, но даже при попытке отследить весь процесс от начала до конца вы вряд ли увидите очень много. Физика перемещения кофе при высыхании лужицы действует в очень малых масштабах, поэтому увидеть что-либо собственными глазами невозможно. Но зато мы можем оценить последствия этого процесса.

Если бы вы могли многократно увеличить масштаб изображения лужицы кофе, то заметили бы множество молекул воды, пребывающих в непрерывном движении и постоянно сталкивающихся друг с другом, а также гораздо более крупные по размеру сферические коричневые частицы кофе, спокойно дрейфующие посреди всей этой толчеи. Молекулы воды очень сильно притягивают друг друга, и если какая-то из них слегка приподнимается над поверхностью, она тотчас же возвращается обратно, чтобы воссоединиться с ордой молекул внизу. Это означает, что водная поверхность ведет себя подобно эластичному листу, притягиваемому водой под ним, в результате чего поверхность всегда остается гладкой. Эта очевидная эластичность поверхности называется поверхностным натяжением (подробнее мы поговорим о нем чуть позже). По краям лужицы кофе водная поверхность плавно загибается вниз, к месту своего соединения со столом, удерживая лужицу от дальнейшего растекания. Но в помещении, наверное, достаточно тепло для того, чтобы время от времени та или иная молекула воды полностью отрывалась от водной поверхности и в виде водяного пара плавала над лужицей. Это испарение, происходит оно постепенно и относится только к молекулам воды. Кофе не может испаряться, поэтому никуда не девается из лужицы.

Интереснее становится по мере того, как все большее число молекул покидают поверхность воды, поскольку ее край «приклеен» к столу (ниже мы поймем, почему), причем настолько прочно, что остается неподвижным. Но испарение по краям интенсивнее, чем в середине лужицы, потому что именно там высокая доля молекул воды соприкасается с воздухом. Конечно, вы не можете видеть, что содержимое лужицы пребывает в непрерывном движении (тем более что параллельно пытаетесь убедить приятеля, с которым распиваете кофе, что наблюдение за ее высыханием действительно увлекательное занятие). Жидкий кофе должен растекаться из середины лужицы к ее краям, возмещая потерю воды. Молекулы воды переносят частицы кофе, как пассажиров, и избавляются от них, когда настает их черед испаряться. Поэтому частицы кофе постепенно перемещаются к краям лужицы, а когда вода полностью высыхает, на месте происшествия остается лишь кольцо из покинутых частиц кофе.