Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

ОТВЕТ • На то есть несколько причин. Во-первых, когда лед тает, его верхняя поверхность превращается в структуру, состоящую из вертикальных, изолированных друг от друга, похожих на карандаши кристалликов, пространство между которыми заполнено водой. Полностью замерзший лед выглядит ярким, поскольку свет равномерно отражается от его поверхности, а когда лед начинает таять, свет в пространстве между вертикальными кристалликами отражается многократно, становясь все менее ярким при каждом отражении. Чем меньше света доходит до наблюдателя, тем темнее кажется лед.

Во-вторых, когда вода быстро замерзает, растворенный в ней воздух собирается в пузырьки, вмерзшие в лед. Поскольку обычно скорость замерзания больше вблизи поверхности воды, в верхнем слое льда может скопиться много таких пузырьков. Причем выйти из жидкости они не могут, так как сверху уже лед. Каждый пузырек рассеивает солнечный свет, из-за чего поверхность льда выглядит ярко-белой. Весной где-то на поверхности лед подтаивает, и в этих местах солнечный свет теперь падает на находившиеся глубже слои льда, в которых вмороженных пузырьков меньше. Поэтому оттаявшие участки выглядят темнее остальной поверхности льда.

Почему чаще всего облака белые и яркие? Почему тучи бывают темные? Почему края некоторых темных туч яркие (говорят, что у таких туч есть «серебряная подкладка»)?

ОТВЕТ • Облака белые по трем причинам. Во-первых, капли воды примерно одинаково рассеивают лучи всех цветов, составляющих белый солнечный свет. Во-вторых, капли плохо поглощают свет, поэтому свет не окрашивается в результате поглощения. В-третьих, до того как попасть к наблюдателю, свет многократно рассеивается на каплях. Любой набор маленьких рассеивателей, для которых эти три условия выполняются, при освещении выглядит белым. Туча может казаться темной по контрасту с окружающим ее небом, если она настолько плотная, что не пропускает солнечный свет. Туча, которая с земли кажется темной, может выглядеть белой и яркой, если смотреть на нее сверху из самолета. При взгляде из самолета темными будут только те тучи, на которые не попадает прямой солнечный свет.

На каплях воды в туче свет интенсивно рассеивается вперед. Рассеяние в любом другом направлении гораздо слабее. Поэтому если наблюдатель видит темную тучу вблизи солнца, капли на ее краях интенсивно рассеивают свет в его направлении. Хотя внутренняя часть такой тучи будет темной, сильное рассеяние на ее более тонких краях делает их ярче. Если туча далеко от солнца, интенсивного рассеяния света в направлении наблюдателя на ее краях не происходит, и он не видит «серебряной подкладки».

На широте примерно 50° после заката иногда появляются призрачные серебряно-голубые облака. Особенно часто их можно видеть на Британских островах и в скандинавских странах. В чем причина появления этих облаков, которые называют серебряными облаками, или светящимися ночными облаками? Почему иногда они напоминают волны? Почему первый раз их наблюдали только в 1885 году и почему с тех пор количество наблюдений и яркость этих облаков понемногу увеличивается?

ОТВЕТ • Эти облака формируются в мезосфере — верхних слоях атмосферы на высоте около 80 км. Поэтому их еще называют мезосферными облаками. Поскольку мезосферные облака находятся так высоко, они освещены солнцем, даже когда на земле вот уже почти час как темно. Вероятно, они состоят из крошечных льдинок, образовавшихся на пылинках, попавших в мезосферу благодаря кометам, метеорам, а иногда и вулканам. Эти облака слишком тонкие, поэтому они не видны днем или даже на закате. Когда серебряные облака напоминают волны, это, вероятно, связано с распространяющимися по облакам волнами плотности (волнообразными изменениями давления и температуры, часто называемыми гравитационными волнами).

Первый раз серебряные облака заметили в 1885 году после извержения вулкана Кракатау у острова Ява. Это чудовищное извержение привело к выбросу пыли и воды на большую высоту. На высоте примерно 80 км вода кристаллизовалась на вулканической пыли (а возможно, и на пылинках от комет и метеоров), и образовались крошечные (субмикронные) льдинки, что и позволило заметить мезосферные облака. После этого серебряные облака стали видеть все чаще, и становятся они все ярче. Это связано с тем, что из-за развития промышленности, увеличения площади рисовых плантаций, скопления мусора и метеоризма домашних животных растут выбросы метана в атмосферу. Попав в верхние слои атмосферы, метан вступает в химические реакции, что приводит к увеличению количества молекул воды и крошечных кристалликов льда, из которых состоят серебряные облака.

Когда речь заходит о плоском зеркале, часто возникает вопрос: «Почему в отражении правая и левая стороны меняются местами, а низ и верх отображаются правильно?» Предположим, край плоского зеркала расположен на уровне вашей головы. Какой длины должно быть зеркало, чтобы можно было увидеть отражение своих ног? Зависит ли ответ от того, насколько далеко вы стоите от зеркала? Если отойти от плоского зеркала подальше, большую или меньшую часть вашего тела вы увидите в зеркале?

ОТВЕТ • Ваше изображение в плоском зеркале — это не разворот слева направо, а инверсия. При этом точки, лежащие ближе к зеркалу (например, ваш нос) окажутся ближе к вам, а лежащие дальше (например, затылок) окажутся дальше. Точки, лежащие в плоскости, параллельной зеркалу, окажутся в такой же плоскости, причем каждая — напротив себя. Например, все, что находилось слева от вас, остается слева и от вашего отражения в зеркале. Недоразумение возникает, когда вы мысленно поворачиваетесь вокруг вертикальной оси, пока не совместитесь со своим отражением в зеркале. Тогда рука, которую вы назовете правой, совместится с отражением вашей левой руки. Однако не зеркало произвело этот поворот. Чтобы увидеть это, повернитесь вправо так, чтобы ваша левая рука оказалась около зеркала. При этом к вам приблизится отражение вашей левой руки, которое находится напротив вашей левой руки.

Если верхний край зеркала находится на уровне вашей макушки, его высота должна составлять только половину вашего роста, чтобы вы смогли увидеть в нем свои ноги. При этом верх головы виден за счет отражения от верхней части зеркала, а ноги — от нижней. Эти отражения не меняются, если вы встанете ближе к зеркалу или отойдете от него подальше.

Увидите ли вы в спокойной воде зеркальное отражение окружающего вас пейзажа?

Предположим, вы смотрите на отражение потолка над головой или своего лица в чашке с чаем. Почему вблизи стенок чашки отражение слегка искажено? Если, когда солнце высоко, поставить чашку с чаем под прямые солнечные лучи, при некоторых ориентациях чашки можно увидеть два крошечных отражения солнца. С чем это связано? Почему искажения вблизи края чашки меняются, если чашка переполнена так, что поверхность жидкости слегка выступает над ее краем?