Четыре дамы и молодой человек в вакууме. Нестандартные задачи обо всем на свете - Илья Леенсон

Кто уронил давление?

Нет, неправильно. Заглянем в справочник. При 0 ℃ давление насыщенных паров воды равно всего 4,6 мм рт. ст. – ничтожная величина по сравнению с атмосферным давлением. Но главное даже не в этом. Парциальное давление газа зависит только от температуры, а не от массы молекул (легкие молекулы имеют более высокую скорость, поэтому кинетическая энергия у них такая же, как у тяжелых молекул). Даже если половину молекул воздуха в данном объеме при данной температуре заменить легкими молекулами водорода, давление в сосуде не изменится. На самом деле падение давления (например, перед грозой) связано не с повышением влажности воздуха, а с атмосферными вихрями – циклонами.

«Первый воздух – густ… Третий воздух – пуст…»

1. Само слово «атмосфера» происходит от древнегреческого ἀτμός – «пар», σφαῖρα – «шар».

Приземный слой (в высоких широтах – до 10 км, у экватора – до 18 км) – тропосфера (др.-греч. τρόπος – «поворот, изменение», отсюда и слово «тропики»). В тропосфере содержится 80 % всей массы атмосферы, почти весь водяной пар, из которого формируются облака. Выше расположена стратосфера (лат. stratum – «настил, слой»), толщина которой в среднем составляет несколько десятков километров. На высотах примерно от 50 до 80 км расположена мезосфера (греч. μεσο – «средний, промежуточный»; этот корень можно найти в словах «мезодерма», «мезотелий», «мезофиты» и др. в биологии; «мезозавры», «мезозой» и «мезолит» в археологии; «мезоны» в физике и т. д.). Самые верхние слои атмосферы называются термосферой (греч. θερμός – «теплый»).

2. Причина необычного распределения температуры в верхних слоях атмосферы – особенности превращения солнечной энергии в тепловую на разных высотах. На очень больших высотах жесткое ультрафиолетовое солнечное излучение приводит к расщеплению молекул азота и кислорода на атомы (их там больше, чем молекул), образуются также свободные электроны и ионы. В результате слияния (рекомбинации) положительных и отрицательных зарядов происходит сильный разогрев атмосферы. То есть в термосфере жесткий солнечный ультрафиолет превращается в тепловую энергию.

С уменьшением высоты давление растет, интенсивность жесткого ультрафиолета падает, поэтому ионы уже не образуются. Но продолжает происходить расщепление молекул кислорода на атомы (длина волны более 242 нм), которые в результате реакции O + O2 + M → O3 + M приводят к образованию озона. Третья частица М (любой атом или молекула) нужна для отвода избытка энергии от молекулы О3, иначе она немедленно распадется; такие тройные столкновения могут происходить только при достаточно высоком давлении. Здесь в теплоту превращается менее жесткий солнечный ультрафиолет. Озон сам способен поглощать ультрафиолет «средней жесткости» (длина волны до 310 нм). Именно эти процессы разогревают атмосферу на высотах порядка 50 км. В тропосфере воздух нагревается в основном от поверхности земли. Таким образом, сложная зависимость температуры от высоты объясняется игрой многих факторов, в числе которых давление воздуха, длина волны поглощаемого ультрафиолетового излучения, конвективные потоки теплого воздуха от земной поверхности.

3. Понятие температуры имеет смысл только при достаточно высоких давлениях (не менее 0,01 мм рт. ст.), когда концентрация молекул высока, они часто сталкиваются между собой и быстро обмениваются энергией, в результате чего их температура «выравнивается». На уровне моря давление р = 760 мм, концентрация частиц с = 2,6 · 1019 1/см3 (постоянная Лошмидта), средний свободный пробег между столкновениями λ = 0,086 мкм. На высоте 10 км р = 210 мм, с = 8,8 · 1018, λ = 0,21 мкм. На высоте 50 км р = 0,76 мм, с = 2,3 · 1016, λ = 0,078 мм. На высоте 100 км р = 0,0006 мм, с = 2,3 · 1013, λ = 95 см. Наконец, на высоте 150 км р = 3,7 · 10–6 мм, с = 7,4 · 1010, λ = 18 м. На таких высотах одни частицы могут иметь низкую кинетическую энергию, а другие – чрезвычайно высокую!

В безвоздушном океане

Правильный ответ – в. Если удалить атмосферу, то в образовавшемся вакууме вода начнет интенсивно испаряться, одновременно охлаждаясь. Из-за полного отсутствия парникового эффекта, создаваемого атмосферой, средняя температура стала бы примерно такой же, как на Марсе (около –25 ℃), так что вся оставшаяся в океанах вода превратилась бы в лед, который продолжал бы испаряться до полного исчезновения воды с поверхности Земли.

Отсюда вытекает…

1. Самый известный пример – Аральское море (оно же – озеро), в которое впадают Амударья и Сырдарья. В Ладожское озеро впадают Волхов, Свирь и другие реки.

2. Из Ладожского озера вытекает Нева, из Онежского – река Свирь, из Байкала вытекает Ангара, из озера Ильмень – река Волхов, из озера Белое (Вологодская область) – река Шексна, из озера Нери – знаменитая Ниагара, из всей системы Великих озер в Северной Америке сток происходит только по одной реке – Святого Лаврентия. Перечень можно продолжить.

3. В ходе образования озера (этот геологический процесс может длиться очень долго) уровень воды в нем обычно постепенно поднимается: например, вновь образовавшаяся впадина постепенно заполняется ручьями и подземными и дождевыми водами. С повышением уровня воды, как правило, увеличивается площадь озера и, следовательно, испарение с его поверхности. Если при этом уровень воды достигает самой глубокой ложбины на берегу, вода начинает выливаться через эту ложбину, и потому ее уровень больше не поднимается. Если таких ложбин несколько и расположены они на одном уровне (а это довольно редкое явление), то из озера начинает вытекать несколько ручьев. Рано или поздно уровень воды стабилизируется: сколько воды поступает из разных источников, столько же и уходит. При этом река постепенно размывает «выемку», из которой она вытекает. Из-за разного рельефа и разного состава почв и горных пород маловероятно, чтобы хотя бы две вытекающие реки увеличивали свое русло совершенно в одинаковой степени. Скорее всего, одна из них «отстанет» и через некоторое время (возможно, тысячелетия, если грунт скалистый) эта «отставшая» река из-за понижения уровня воды в озере ниже уровня ее русла прекратит свое существование.

Тем не менее такие примеры на карте можно найти: скажем, в Карелии из Водлозера вытекают реки Вама и Сухая Водла, из Канозера – реки Кица и Умба, из Энгозера – Калга и Воньга, из озера Лешаскугватнет – реки Рёума и Логен, которые впадают в Норвежское море и в залив Скагеррак.

Топографическая практика

1. Северная Двина.

2. Таких названий много. В нашей стране – Солигалич в Костромской области, расположенные рядом Соликамск и Усолье в Пермской области, Сольцы в Новгородской области, Соль-Илецк под Оренбургом, приток Енисея Усолка и Усолье-Сибирское близ Ангарска, на Украине – река Соленая и поселок Соленое, в Белоруссии – Солигорск; река Зальцах и Зальцбург в Австрии, в Шотландии – Солткотс, в США – озера Солт-Лейк и Солтон-Си, город Солт-Лейк-Сити вблизи Большого Соленого озера и т. д. И это неудивительно: без соли нет жизни!