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

Замечательно, если какие-то световые волны, отразившись или преломившись, попали на сетчатку вашего глаза, в результате чего вы смогли увидеть те или иные объекты. А как насчет световых волн, не достигших ваших глаз?

Я давно заметила одну небольшую странность: если вы дадите ребенку набор цветных карандашей и попросите его нарисовать воду, вытекающую из водопроводного крана, он обязательно изобразит ее голубой. Но вряд ли кто-то из нас видел голубую воду, вытекающую из крана. Она должна быть бесцветной. Если же у такой воды голубоватый цвет, срочно обратитесь к водопроводчику: в нее наверняка попадают вредные примеси и она непригодна для питья. Но вода на детских рисунках всегда голубого цвета.

На спутниковых снимках Земли океаны имеют явно выраженный голубоватый цвет. И это не потому, что морская вода соленая: на вершинах ледников встречаются небольшие озера, образованные талой водой, практически лишенной солей, но они тоже потрясающе голубого цвета, будто в них специально добавили пищевой краситель. Но в местах, где талая вода стекает с ледника в озеро, она бесцветна. Стало быть, цвет воды определяется не ее содержимым, а количеством.

Световые волны, падающие на водную поверхность, либо отражаются обратно в небо, либо проникают глубоко в толщу воды. Но иногда какая-нибудь крошечная частица или даже сама вода создает препятствие на пути световых волн, отражая их в каком-то другом направлении. Такое перенаправление может многократно произойти с одной и той же световой волной, в результате чего она в итоге отражается обратно в воздух. На этом длинном пути вода отфильтровывает свет. Световые волны, исходящие от Солнца, представляют собой сочетание волн разной длины, в котором присутствуют все цвета радуги. Но вода может поглощать свет, причем какие-то цвета она поглощает гораздо интенсивнее, чем другие. Первым отфильтровывается красный цвет: достаточно буквально нескольких метров воды, чтобы свет полностью избавился от красной составляющей. Еще несколько десятков метров понадобится для того, чтобы лишить свет желтой и зеленой составляющих. Хуже всего поглощается голубой цвет – он может проникать на огромную глубину. И к тому времени, когда отразившийся свет выберется на поверхность океана, в нем в основном останется голубая составляющая. Таким образом, бесцветность воды, вытекающей из крана, объясняется тем, что ее количества недостаточно, чтобы отфильтровать все составляющие солнечного света, кроме голубого цвета. Впрочем, у воды из крана есть цвет – причем такой же, как у всей воды на планете. Но он настолько слабый, что вам понадобилось бы собрать огромное количество такой воды, чтобы заметить эффект, оказываемый ею на проходящие сквозь нее световые волны[52]. Когда вы наблюдаете такой эффект собственными глазами, это производит впечатление, и выбор голубого карандаша для изображения воды кажется вполне естественным. Но если бы жизненный опыт ребенка сводился лишь к использованию воды из водопроводного крана, то выбор голубого карандаша был бы отнюдь не очевидным.

Таким образом, при прохождении через ту или иную среду световые волны могут ею поглощаться. Происходит очень медленный процесс отъема энергии волны – одна микроскопическая порция энергии за другой. Величина энергии, потерянной при прохождении через среду, зависит от типа и длины волны. Вся эта изменчивость свидетельствует не только об огромном разнообразии действий, производимых волнами, но и о том, как много они могут нам рассказать. Некоторые из контрастов, порождаемых этим разнообразием, можно увидеть и услышать во время одного из моих любимых атмосферных явлений – грозы.

Гроза – величественное зрелище, драматическое напоминание о том, что воздух – это нечто гораздо большее, чем «невидимый наполнитель для неба». В земной атмосфере содержится огромное количество воды и энергии. Обычно эти субстанции медленно перемещаются в атмосфере и ведут себя спокойно. Могучее грозовое облако формируется при необходимости изменить баланс в атмосфере, поскольку мирных перемещений в ней уже недостаточно. Система запускается, когда подвижный, теплый, влажный воздух вблизи земли устремляется вверх, смешиваясь там с более холодными воздушными массами и неся с собой огромные количества энергии. В центре обширного облака горячий и влажный воздух быстро поднимается вверх, смешиваясь с атмосферными слоями над ним и образуя большие дождевые капли. Самый драматический момент этого процесса состоит в том, что такое перемешивание приводит к разделению электрических зарядов и их сосредоточению в разных частях облаков. Эти заряды накапливаются до тех пор, пока близлежащие облака или сама Земля не примут на себя удар гигантских импульсов электрического тока, отводя в сторону избыточный электрический заряд. Каждая вспышка молнии длится не дольше миллисекунды, но раскаты грома разносятся на многие десятки километров. Я обожаю гром и молнии за возникающие при этом театральные эффекты, а также за то, что они помогают нам лучше разобраться в механизмах грозы. Гроза порождает противоположности, ни в какие другие моменты не встречающиеся в природе: резкая вспышка молнии, контрастирующая с тяжелыми и продолжительными раскатами грома. Но то и другое – замечательные примеры разнообразия волн.

Вспышка молнии кратковременна. Электрическое соединение создается нагретым до очень высокой температуры каналом в атмосфере, тянущимся от грозового облака до Земли или, возможно, какого-то другого облака. Этот канал – некое подобие коридора, заполненного молекулами, которые разрушились под воздействием движущейся через них энергии. За очень короткое время температура в таком канале может достичь 50 000 ℃, в результате чего он принимает вид ослепительного бело-голубого рваного шнура. В разные стороны от канала расходится гигантский импульс световых волн, заполняющих собой все окружающее пространство, но движется он с такой огромной скоростью, что свечение пропадает практически мгновенно. Когда канал, по которому переносится электрический ток, нагревается до столь высоких температур, он резко расширяется, причем так быстро, что давление, оказываемое при этом на окружающий воздух, принимает характер удара. Этот гигантский импульс давления вслед за светом расходится в воздухе кругами во все стороны, но гораздо медленнее. Эти звуковые волны и есть раскаты грома. Мы знаем, что молния всегда сопровождается вспышкой и громовыми раскатами.

Самое важное, что нужно знать о волне, что это один из способов передачи энергии, но без необходимости перемещать воздух, воду или какую-либо иную среду, в которой движутся волны. Это означает, что в нашем мире волны могут легко перемещаться в разных средах, производя при этом всевозможные интересные и даже полезные эффекты, но не приводя к каким-либо разрушительным последствиям. Удар молнии высвобождает огромную энергию, а световые и звуковые волны могут переносить ее часть на значительные расстояния. Несмотря на то что в процессе прохождения волн в воздушной среде сам по себе воздух не перемещается, происходит передача огромных количеств энергии. Свет и звук – разные типы волн, но на них действуют одни и те же базовые физические принципы. Например, и свет, и звук могут изменяться под воздействием среды, в которой они перемещаются. В случае грома мы можем непосредственно слышать, что происходит с волнами.