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

Тот факт, что волны разной длины не влияют друг на друга, очень полезен с практической точки зрения. Мы можем отобрать только волны нужной нам длины, отмежевавшись от остальных. Окружающий мир по-разному воздействует на волны разной длины. Он сортирует и фильтрует их в зависимости от длины. Хотя я выросла вблизи серого, хмурого и дождливого Манчестера, где увидеть ночное безоблачное звездное небо – подарок судьбы, я проживала лишь в 25 километрах от обсерватории Джодрелл-Бэнк, где установлен крупнейший в Великобритании радиотелескоп имени Бернарда Ловелла. Это огромное сооружение с диаметром параболической антенны 76 метров. И даже в самые пасмурные дни в Манчестере, когда толщина облачного покрова достигает нескольких километров, этот радиотелескоп видит небо таким, словно на нем нет ни облачка. Для видимого света, длина волны которого не превышает миллионной доли метра, облачное небо представляет собой серьезную преграду. Свет отражается и отклоняется облаками и в итоге полностью поглощается. Но радиоволны, в принципе не отличающиеся от волн видимого света, за исключением того, что длина их волны составляет примерно 5 сантиметров, проникают сквозь облака практически беспрепятственно. Оказавшись в следующий раз возле Манчестера в дождливую погоду, имейте это в виду. Возможно, вы почувствуете себя несколько комфортнее, вспомнив, что именно в этот момент, когда за пеленой дождя или тумана едва угадываются верхушки деревьев, перед астрономами открывается космос во всем его величии[53]. Хотя допускаю, что мысль об этом способна согреть душу далеко не каждому.

Жизнь на Земле возможна лишь потому, что световые волны разной длины по-разному взаимодействуют с разными объектами. Энергия излучается раскаленным Солнцем как широкая симфония световых волн, а нашей каменистой планете достается лишь крохотная частица этого стремительного потока. Нас согревает энергия, доставляемая этой крохотной частицей потока солнечного излучения. Но если бы действовал только этот фактор, то средняя температура на поверхности Земли равнялась бы не слишком комфортным –18 ℃ вместо нынешних вполне приемлемых 14 ℃. От замерзания нас уберегает парниковый эффект Земли, механизм действия которого основан на том, что световые волны разной длины по-разному взаимодействуют с земной атмосферой.

Представьте вид, открывающийся со склона высокого холма в один из солнечных дней, когда по ярко-голубому небу плывут лишь несколько пухлых белых облаков, как будто помещенных для большего разнообразия картины. Если взглянуть вдаль, можно увидеть зеленые деревья, траву и темную землю. Эта сцена освещается солнечным светом – за исключением теней, отбрасываемых на землю облаками. Но солнечный свет, который достиг земли, расстилающейся перед вами, отличается от излучения, испускаемого раскаленным Солнцем. Земная атмосфера поглотила длинные инфракрасные волны и большую часть коротких ультрафиолетовых волн, однако видимый свет проник сквозь атмосферу практически в неизменном виде. Атмосфера уже отобрала волны, которые достигнут земной поверхности, и это видимые световые волны. Для них небо ведет себя как атмосферное окно, беспрепятственно пропускающее их. Для радиоволн есть другое атмосферное окно (именно поэтому радиотелескопы могут всматриваться в космос), но большинство других длин волн блокируются земной атмосферой.

Чем темнее земля, которую вы можете видеть, тем больше видимых волн ею поглощается. А поглощенная энергия солнечного света в конечном счете превращается в тепло. Если в солнечный день прикоснуться рукой к темной земле, вы его почувствуете. Остальной солнечный свет отражается вверх и возвращается в космос через атмосферное окно. Если где-то вовне существуют разумные существа, то этот отраженный солнечный свет позволяет им увидеть нас, землян.

Но вот земля прогрелась и, подобно нагревательному элементу тостера, должна отдавать энергию в виде излучения благодаря повысившейся температуре. Разумеется, это не очень высокая температура, поэтому мы не наблюдаем сияния. Но в инфракрасном свете, характеризующемся большей длиной волны, прогретая земля похожа на светящуюся электрическую лампочку. Вот здесь-то и вступает в действие парниковый эффект. Чистый атмосферный воздух не создает особых препятствий для волн в инфракрасном диапазоне, и они возвращаются в космос. Но некоторые газы – водяные пары, двуокись углерода, метан и озон – становятся непреодолимой преградой на их пути. Несмотря на небольшую долю в земной атмосфере, они очень интенсивно поглощают волны в инфракрасном диапазоне. Эти газы называют парниковыми газами. Если вы присмотритесь к происходящему вокруг, то заметите, что видимый свет отражается от земной поверхности, но не увидите инфракрасный свет. Если бы вы могли его видеть, то обратили бы внимание, как быстро снижается его интенсивность по мере удаления от земной поверхности. Атмосфера активно поглощает инфракрасный свет, отраженный от земной поверхности. Молекулы газа быстро отдают приобретенную ими энергию, излучая ее в окружающее пространство в виде новых волн в инфракрасном диапазоне. Но здесь есть важный момент. Когда эти новые волны излучаются в окружающее пространство, они распространяются равномерно во все стороны. Лишь некоторые из них направляются вверх и в конце концов покидают земную атмосферу, а некоторые устремляются вниз и повторно поглощаются земной поверхностью. Таким образом, часть излучаемой энергии захватывается атмосферой. Этот небольшой дополнительный нагрев делает нашу планету теплее, чем она могла бы быть, обеспечивая наличие на Земле воды в жидком состоянии. В результате должен установиться новый баланс: количество поступившей и ушедшей энергии должно быть одинаковым (иначе земная атмосфера нагревалась бы все больше и больше). Следовательно, Земля нагревается до тех пор, пока сможет отдавать в окружающее пространство достаточное количество энергии инфракрасных волн, чтобы установился баланс «прихода и расхода».

В этом и состоит сущность парникового эффекта[54]. В основном он носит естественный характер: в атмосфере содержится много водяных паров и углекислого газа, причем состояние равновесия наступает при средней температуре земной поверхности, равной 14 ℃. Но при сжигании топлива органического происхождения люди добавляют в атмосферу изрядное количество углекислого газа, в результате чего она захватывает большее количество энергии инфракрасных волн, которая в противном случае могла бы покинуть земную атмосферу. Это приводит к изменению баланса, причем его новое состояние достигается при более высокой температуре земной поверхности. Количество углекислого газа, задействованное в этих процессах, очень мало: в 1960 году на каждый миллион частей атмосферного воздуха приходилось 313 частей CO2, а в 2013-м – примерно 400 частей CO2. На первый взгляд такое увеличение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе кажется незначительным. Но не следует забывать, что молекулы углекислого газа поглощают лишь волны определенной длины. Метан поглощает инфракрасные волны еще интенсивнее, чем углекислый газ. С этой точки зрения указанные газы играют очень важную роль. Именно парниковый эффект привел к возникновению жизни на Земле, однако он может обусловить и существенное изменение температуры на планете. Все это касается волн, которые мы не можем видеть непосредственно. Но уже сейчас можем оценить возможные последствия изменения температурного баланса.