Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул - Кейт Бибердорф

Их также называют «лучи Будды» и «лестница Иакова». Темные и светлые потоки чередуются между собой, создавая причудливые узоры. И каждый уникален, поскольку его форма зависит от положения облаков, солнца и времени суток. Обычно сумеречные лучи можно увидеть вечером, во время наступления сумерек: солнце только-только зашло за горизонт, но часть лучей еще освещает Землю (то же самое случается на восходе, с первыми лучами). Свет падает на планету под определенным углом, благодаря чему можно наблюдать красивые закаты или восходы. Но как это работает?

Из прошлых глав мы знаем, что Солнце посылает на Землю электромагнитное излучение (ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи и видимый свет). Если молекула взаимодействует с магнитными или электрическими волнами, атомы либо блокируют свет, либо искажают его. Но с приближением вечера тени, отбрасываемые облаками и горами, падают параллельно лучам света – вы могли замечать это на примере собственной тени: чем ближе вечер, тем длиннее тень. По правде говоря, если бы вы посмотрели на всю эту картину сверху (например, если бы были астронавтом), то сначала вы бы обратили внимание на черные тени. Однако здесь, на Земле, мы можем видеть только то, как солнечные лучи пробиваются сквозь облака.

Именно поэтому астронавты Международной космической станции (МКС) сделали несколько снимков, чтобы показать нам, людям на Земле, как лучи освещают облака, отбрасывая на землю параллельные тени. Снимки вышли четкими и аккуратными, и на них видно, что у облаков словно есть пылевой хвост, как и у комет.

Как я уже говорила ранее, такие лучи могут образоваться только в случае, если солнечный свет будет рассеиваться небольшими молекулами (например, молекулами азота, кислорода или углекислого газа) и загрязнителями (например, собачьей шерстью, пылью или выхлопными газами), которые обычно находятся в нашей атмосфере. Как и следовало ожидать, в городах с высокой плотностью населения загрязняющих частиц намного больше, чем в городах с низкой плотностью населения; именно поэтому городские жители (вроде меня) считают, что деревенский воздух намного чище. Дело в том, что в деревенском воздухе просто содержится меньше молекул пыли, от которых мои легкие должны очищать кислород.

Когда солнечные лучи проходят через облака под малым углом в тропосфере (самый низкий из слоев атмосферы), траектория света пролегает через вещество в воздухе, из-за чего появляется оптическое явление. На наше счастье, это очень похоже на химию, которую мы обсуждали в «пляжной» главе. Физики используют термин «оптическое явление» для описания всех химических взаимодействий, происходящих в атмосфере. Глупые физики.

Явления вроде радуги, миража или сумеречного луча были объединены в категорию взаимодействий света и материи, которые можно наблюдать невооруженным глазом. Отражение и преломление света также относится к этой категории, и благодаря им мы может видеть поражающие воображение восходы и закаты; давайте немного поговорим о них.

Оптические явления происходят тогда, когда молекулы в атмосфере подвергаются воздействию света с низкой энергией, например инфракрасного излучения (инфракрасное излучение – это самый слабый тип энергии, получаемой от Солнца). Несмотря на то, что инфракрасное излучение считается слабым, мы получаем его в ОГРОМНОМ количестве: оно превышает количество ультрафиолетового излучения в семь раз. К счастью, инфракрасное излучение недостаточно сильное, чтобы вызвать рак кожи (в отличие от ультрафиолетового).

Я уже рассказывала о том, что инфракрасное излучение было открыто в 1800 году Уильямом Гершелем. Думаю, теперь вы поймете происходящую там химию (в конце концов, это последняя глава книги). Если кто-то вдруг забыл, это открытие было сделано еще до того, как ученые обнаружили, что свет имеет форму частиц и представляет собой волну. Однако в данном случае форма волны очень важна. Инфракрасное изучение слишком большое и поэтому не опасно для человека, но в то же время оно довольно маленькое: длина волны составляет от 740 нм до 1 мм. Представьте острие иглы – вот такая по размеру волна у этого излучения. И поскольку этот тип энергии невидим для человеческого глаза, для обнаружения его теплового эффекта Гершелю пришлось использовать термометр и призму.

И хотя мы не замечаем этот свет без прибора ночного видения, мы можем почувствовать его в виде тела. Как я уже упоминала в главе про выпечку, энергия инфракрасного излучения представляет собой обычную тепловую энергию; именно поэтому мы используем ее в наших духовках.

Как и при выпечке, когда молекулы взаимодействуют с инфракрасным излучением, они поглощают энергию и начинают вибрировать. Если кто-то, например, внезапно обольет вас водой, вы подпрыгнете от неожиданности. Именно это и происходит с некоторыми молекулами, которые взаимодействуют с инфракрасным излучением. Они поглощают излучение (в нашем примере это вода), а потом вибрируют (подпрыгивают) из-за избытка энергии, которую только что поглотили.

Некоторые молекулы, например углекислый газ и метан, при взаимодействии с инфракрасным излучением реагируют одинаково. Они вибрируют, а потом происходит что-то удивительное.

В отличие от того, что мы обсуждали ранее про УФ-излучение, когда эти молекулы взаимодействуют со светом более низкой энергии, например с инфракрасным, они могут начать излучать энергию обратно в атмосферу, но в другом направлении. Благодаря этому на нашей планете поддерживается температура, подходящая для выживания человека.

Давайте снова обратимся к примеру с водой. Если кто-то внезапно направит на вас струю воды, то вы, я уверена, отпрыгнете в сторону и вздрогнете. В этот момент вы, вероятно, повернетесь на 10° или 20°, а может, и на все 180° – точно так же себя ведут и молекулы при поглощении инфракрасного излучения.

Новая энергия (вода из шланга) заставляет молекулы вибрировать (подпрыгивать), из-за чего они меняют свою ориентацию в пространстве. Когда молекулы прекратят реагировать на внезапное появление инфракрасного излучения (воды), то начнут излучать энергию в противоположном направлении.

Частицы пыли могут удерживать эту энергию в течение короткого времени, после чего начнут излучать ее обратно в атмосферу. Повторное изучение света будет идти по другой траектории, и если это происходит в идеальных условиях (к примеру, в сумерках), то мы сможем наблюдать лучи солнца, освещающие одно место Земли.

Сумеречные лучи обычно представляют собой белый свет. Он кажется нам бесцветным, поскольку в нем сочетаются все цвета в видимом спектре (если вам кажется это нелогичным, проведите эксперимент: просто направьте призму на солнечный свет, и вы увидите, что он расщепится на все цвета радуги).

Мы используем термин «белый свет» как общий для всего света в области электромагнитного спектра, имеющего диапазон длин волн от 380 до 740 нм. Эта область называется видимой областью, так как ее можно увидеть человеческим глазом. Например,