№ 1. Почему Земля круглая?
Наша планета круглая, точнее, имеет шарообразную форму, потому что она массивная. Все планеты Солнечной системы имеют форму, близкую к шарообразной. А вот небольшие тела, такие как астероиды или спутники планет, могут быть совсем некруглыми. Например, Деймос, спутник Марса, в 4 миллиарда раз легче Земли и вовсе не похож на шар.
Почему же массивная планета становится шарообразной?
Как известно, все тела притягиваются друг к другу. Причем чем больше масса тела, тем сильнее оно притягивает другие тела. Например, Земля притягивает нас к себе, не давая улететь в открытый космос. Это явление называется гравитацией. Именно благодаря гравитации из газопылевого облака образовались планеты. Сначала появились зародыши планет – «планетозимали», которые притягивали к себе газ и пыль и таким образом росли. Чем больше они росли, тем массивнее становились и тем сильнее сжимались. Любое сжимающееся тело нагревается. Молодая планета нагревается очень сильно – настолько, что плавится, то есть переходит в жидкое состояние.
В свою очередь жидкость легко принимает форму шара: она стекает с гор и заполняет впадины.
Все планеты Солнечной системы, даже самая маленькая, Меркурий, проходили через стадию расплавленного шара.
А вот астероиды и небольшие спутники – нет, и поэтому их форма может сильно отличаться от шара.
Сейчас Земля остыла. Но все равно она не совсем твердая. Внутри находится горячая мантия, до сих пор продолжается горообразование. Может ли на Земле вырасти гора настолько высокая, что заметно изменит форму нашей планеты? Оказывается, нет. Слишком высокая гора просто разрушится под собственной тяжестью. Причем чем больше планета, тем… ниже самая высокая гора! Например, наш земной Эверест чуть ниже 10 км, а на Марсе есть потухший вулкан Олимп высотой больше 20 км. На Земле такая гора просто раздавила бы сама себя.
Но Марс меньше Земли, и сила тяжести там ниже. То есть чем массивнее планета, тем ближе ее форма к идеальному шару.
И все же Земля не совсем шар. Наша планета слегка сплюснута с полюсов.
Расстояние между полюсами примерно на 40 км меньше диаметра экватора. Так получилось потому, что Земля вращается и центробежная сила (та самая, которая пытается отбросить нас в сторону, когда мы катаемся на карусели) растягивает ее по экватору. Правда, 40 километров в сравнении с размером Земли – это очень мало. Если уменьшить Землю до размера баскетбольного мяча, то такой мяч надо было бы сжать меньше чем на миллиметр.
№ 2. Почему континенты разъехались?
Надо сказать, что всерьез обсуждать этот вопрос ученые начали не так уж давно – в 1912 году. Поводом послужила гипотеза о дрейфе континентов, выдвинутая немецким геофизиком Альфредом Вегенером. Коротко суть ее можно изложить так: жил-был единый праматерик Пангея, окруженный великим праокеаном Панталассой, а потом на рубеже палеозоя и мезозоя как началось! Пангея разорвалась на Лавразию и Гондвану, и они двинулись в разные стороны, продолжая дробиться по пути.
Для своего времени идея о том, что материки могут перемещаться, казалась дикой ересью. Научная общественность яростно отрицала саму возможность дрейфа, а уж для проработки вопроса о его причинах не было ни повода, ни данных.
Но за последние 50 лет глобальная тектоника плит, то есть их движение, стала общепринятой очевидностью. Эксперты мирно обсуждают гипотезу, что до Пангеи материки, вполне возможно, существовали по отдельности. А еще на 700 миллионов лет раньше опять вместе – как еще более древний суперконтинент Родиния.
Установлено, что раскол Пангеи сопровождался расширением гигантских рифтовых зон (разломов земной коры), в которые проникли воды Мирового океана и сформировали между Гондваной и Лавразией древний океан Тетис. В тектоническом отношении Тетис был устроен как современные океаны: в середине его располагалась сеть хребтов, активно извергавших базальты. Базальты, остывая, формировали новую океаническую кору, которая, как лента эскалатора, выезжала из-под земли и понемногу раздвигала блоки старой материковой коры по краям океана.
В зонах встречи новой плиты со старой боковое давление не только оттесняет континенты, но и заталкивает океаническую кору вниз, под материковую. Опять на переплавку. В таких провальных местах возникают глубоководные желоба (самый глубокий и известный – так называемая Марианская впадина). И здесь же, по соседству, – мощное восходящее движение подпертых снизу континентальных окраин, горообразование, вулканизм, землетрясения.
Космическая геодезия с помощью спутников подтверждает, что континенты расползаются со средней скоростью один-два сантиметра в год. Примерно в таком же темпе поднимаются и молодые горные хребты в зонах стыка. Скорее всего, эти могучие движения порождаются медленными перемещениями находящегося под земной корой вещества мантии. Но почему оно реализуется именно через Срединные океанические хребты, почему там извергаются обязательно базальты и, главное, почему вся эта кухня до поры до времени бездействовала, а в мезозое вдруг включилась – на эти вопросы исчерпывающего ответа пока нет.
№ 3. Как получается вулкан?
Классический вулкан – это коническая гора с жерлом, которое обычно называют кратером, что по-гречески значит «чаша». Из кратера извергаются раскаленные вулканические породы, которые накапливаются вокруг, со временем формируя правильный конус. Так получились самые известные древние и современные вулканы: Везувий, Этна, Килиманджаро, Ключевская сопка, Фудзияма, Казбек, Эльбрус (у него два жерла и два конуса).
Бывают и другие вулканы, трещинного или щитового типа, когда лава извергается не из одного вертикального канала, а вдоль длинных трещин в земной поверхности и растекается по обширной территории. В итоге из вулканических пород получается не гора, а плоское вулканическое плато площадью в сотни и даже тысячи квадратных километров. Такие явления наблюдаются в современной Исландии, а в глубокой древности они сформировали плато Декан в Индостане и огромную Восточно-Сибирскую платформу.
Классические вулканы («огнедышащие горы») известны шире, потому что расположены в обитаемой зоне, привлекают внимание своей необычностью и их извержения часто оставляют трагический след в истории человечества. Взрыв средиземноморского вулкана Санторин на острове Тира за 1660 лет до н. э. уничтожил сам остров и отозвался землетрясением, огненным дождем из вулканического пепла и волной цунами на соседнем острове Крит. Многие считают, что именно он уничтожил древнюю Минойскую цивилизацию и лег в основу легенды про Атлантиду – древний континент, провалившийся на морское дно. Вулкан Везувий в 79 году н. э. погубил знаменитые Помпеи и Геркуланум. Взрыв вулкана Кракатау в 1883 году уничтожил несколько островов в Зондском проливе и стоил жизни 40 тысячам островитян. Кроме этого, как полагают некоторые климатологи, рассеянная в атмосфере вулканическая пыль в течение 2-3 лет после извержения затрудняла солнечному свету путь к земной поверхности, что отозвалось ухудшением климата. Вулкан Мон-Пелье на Малых Антильских островах в 1902 году засыпал раскаленным пеплом и сжег городок Сен-Пьер с 28 тысячами жителей…
Однако менее выразительные плоские вулканические структуры в истории Земли сыграли, пожалуй, более существенную роль.
Различия между вулканами этих двух видов предопределены составом лавы, которая поднимается к поверхности из первичных вулканических очагов, лежащих на глубине в несколько километров. Базальтовая лава по химическому составу ближе к основаниям («база» по-латыни и есть «основа»). Она более текучая, поэтому легче изливается и не закупоривает каналы извержения. Противоположная по составу «кислая» лава содержит больше соединений кремния с кислородом и по химическому составу ближе к гранитам. (Кислород потому и называется кислородом, что при соединении с другими элементами их окисляет, то есть рождает кислоты.) «Кислая» лава жесткая и неподатливая, она загромождает вулканические каналы. Поэтому такие извержения чаще сопровождаются мощными взрывами и вулканическими бомбардировками, а их продукты накапливаются у места извержения.
Современная геология связывает вулканизм с глобальной тектоникой плит. Новые «океанические» плиты рождаются в Срединных океанических хребтах, глубоко под водой. Они сложены основными, базальтовыми лавами. Медленно расползаясь в стороны от места рождения, они сталкиваются с «континентальными» плитами, где преобладают породы кислого (гранитного) состава. В месте стыка плит идет активное горообразование, в земной коре накапливаются огромные напряжения, часть породы выдавливается вниз (где она расплавляется), а часть – вверх (где она извергается на поверхность в виде лавы). Для людей это выглядит как землетрясения и вулканизм.
№ 4. Где на самом деле у Земли низ, а где верх?
Представим себе, что мы проснулись в комнате, у которой стены, пол и потолок выкрашены в один цвет. Как понять, где верх, а где низ? Возьмем какой-нибудь предмет, например железную гайку, и уроним ее. Куда гайка упадет, там и низ. Но где верх, а где низ, мы можем узнать и без груза. У человека и других животных есть специальное устройство – вестибулярный аппарат. И гайка, и вестибулярный аппарат чувствуют, куда направлена сила земного притяжения. А сила земного притяжения направлена к центру Земли.
У белого медведя, который стоит на льдине на Северном полюсе, внизу под лапами находится Южный полюс. А у пингвина на Южном полюсе под ногами Северный. То есть если бы Земля была прозрачной, то оба, и медведь и пингвин, смотрели бы друг на друга сверху вниз.
Помните, как у Льюиса Кэрролла Алиса попала в Страну чудес? Она упала в глубокий колодец, а пока падала, размышляла о том, что будет, если пролететь Землю насквозь.
Если бы удалось прорыть колодец сквозь всю Землю, можно было бы быстро путешествовать в любую точку земного шара. Заглянув в такой колодец, мы увидели бы небо. А прыгнув туда, примерно через 40 минут оказались бы на противоположной стороне Земли. Как же удивятся наши антиподы, когда мы вылетим из колодца вверх ногами!
К сожалению, сквозной колодец, или, как его называют ученые, гравитационный лифт, сделать пока невозможно. До сих пор самый глубокий колодец, выкопанный людьми, – Кольская сверхглубокая скважина – чуть больше 12 километров в глубину. А до центра Земли – более 6000!
Итак, у Земли нет ни верха, ни низа.
Но верха и низа нет даже у глобуса или карты. Мы привыкли видеть на карте север вверху. Хотя это всего лишь условность. В Австралии, расположенной в южном полушарии, любят рисовать карту мира наоборот – южным полюсом вверх. Для нас это непривычно, но ничего неправильного в этом нет.
А что же в космосе? В космосе нет ни верха, ни низа, ни севера, ни юга. Космонавты, находясь на орбите в невесомости, могут видеть в иллюминаторе Землю над головой или под ногами. В невесомости наш вестибулярный аппарат не работает, предметы никуда не падают и понятия верха и низа исчезают. На космической станции можно работать и на полу, и на потолке. Вот только спать в невесомости поначалу тяжело – голову положить на подушку не получается.
№ 5. Как и почему зародилась жизнь? Почему произошла эволюция?
Эволюция – это изменение живых существ в результате конкуренции с другими живыми существами. Если не эволюционировать, то твое место рано или поздно займет кто-то более приспособленный (тот, кто эволюционировал, в отличие от тебя). Поэтому можно сказать, что жизнь без эволюции почти невозможна. Эволюция должна была появиться вместе с жизнью. Однако никто точно не знает, как зародилась жизнь. Некоторые ученые думают, что жизнь могла всегда существовать в космосе и попала на нашу планету с метеоритами. Другие считают, что жизнь зародилась на Земле – через некоторое время после формирования нашей планеты, когда покрывавший ее океан достаточно остыл. Точно мы знаем только, что жизнь зародилась в воде.
Основное свойство живой материи – способность к воспроизведению, то есть к сохранению информации. Когда мы говорим о жизни, то важная для нас информация – это то, как устроено живое существо. Все живое состоит из клеток, которые, в свою очередь, сделаны из белков, но проблема в том, что белки обычно не могут воспроизводить сами себя. Им нужна информация о клетке, то есть о всех белках, из которых она сделана. Такая информация содержится в нуклеиновых кислотах, которые, в отличие от белков, способны к самовоспроизведению. Самая известная нуклеиновая кислота – это ДНК (сокращение от «дезоксирибонукле́иновая кислота»), но очень важную роль в клетке также играет другая кислота, называемая РНК (рибонуклеиновая кислота).
ДНК и РНК различаются своим химическим составом, но в целом довольно похожи. ДНК может воспроизводить себя только с помощью специальных белков и РНК, поэтому она не могла существовать самостоятельно. Зато у РНК есть замечательное свойство – она может копировать себя сама. Поэтому считается, что когда-то вся жизнь на Земле могла быть представлена только цепочками РНК, которые сами себя копировали, используя химические вещества, растворенные в окружающей воде. Такой гипотетический (то есть предполагаемый) эпизод в истории формирования жизни называют «мир РНК».
Уже в мире РНК могла быть конкуренция: некоторые молекулы РНК воспроизводили себя быстрее других и таким образом не оставляли ресурсов для других кислот. В результате «выживали» только те РНК, которые могли быстро и эффективно себя копировать, а другие исчезали, потому что не оставляли потомков. И это уже была эволюция.
Со временем в результате конкуренции между собой некоторые РНК научились копировать себя еще быстрее – для этого они стали использовать белки. Эти белки сохранились во всех современных клетках, они и сейчас помогают копировать нуклеиновые кислоты.
Из белков и жиров со временем могла получиться оболочка, которая бы защищала РНК от разрушительного воздействия окружающей среды. Такие РНК, завернутые в оболочку, получали преимущество, потому что гораздо лучше выживали, чем свободно плавающие. И их уже можно назвать протоклеткой.
Потом РНК научились создавать ДНК, которая в современном мире сохраняет почти всю информацию об устройстве клетки. С появлением ДНК закончился так называемый мир РНК и началась современная эволюция, где живые существа соревнуются между собой, сохраняя информацию в ДНК.
Однако такая последовательность событий – всего лишь гипотеза, хотя и весьма вероятная.
№ 6. Почему звуковая волна может уничтожить, хотя ее не видно?
Начну со встречного вопроса: «А что вы хотели увидеть?» Звуковая волна – это движущийся набор чередующихся уплотнений и разрежений воздуха. Воздух практически абсолютно прозрачен, то есть почти не рассеивает свет, а пропускает его. Напомню, что мы видим предметы тогда, когда рассеянный (отраженный) ими свет попадает нам в глаз. То есть звуковую волну нельзя увидеть потому, что ее возникновение и распространение практически не вызывают изменений в процессе прохождения света через воздух. Просто воздух мы ведь не видим. А вот насчет уничтожить – это без проблем. Звуковая волна движется в обычных условиях со скоростью более 300 м/с (быстрее авиалайнера), и если уплотнения воздуха в ней достаточно велики, то велика и энергия, которую волна обрушивает на встретившееся препятствие. Отсюда и разрушения.
№ 7. Почему на Земле есть люди?
Человек – это результат процесса, который длился миллионы лет. Условия на Земле менялись так, что человек мог появиться. И он появился. Сначала на нашей планете стала возможна жизнь, и зародилась она в воде. Первые бактерии при дыхании выдыхали кислород, а не углекислый газ, как мы. И вот 800 миллионов лет назад они уже надышали его столько, что получилась кислородная атмосфера. В этих новых условиях появились крупные многоклеточные существа. Некоторые из них были похожи на сегодняшних рыб, и постепенно из них получились рыбы.
400 миллионов лет назад, в девонском периоде, стало очень жарко и появились наземные растения. За ними из воды вышли пауки и насекомые, а за ними – рыбы, ставшие амфибиями.
В конце следующего, карбонового периода амфибии научились не высыхать, а из икры появилось несохнущее (в скорлупе или кожистой оболочке) яйцо: так возникли рептилии. Среди них были зверообразные.
Следующий период – пермский, он был очень холодным и сухим. Зверообразные рептилии приспособились к такому климату, став теплокровными и покрывшись шерстью, и в следующем, триасовом периоде они превратились в млекопитающих.
В юрском периоде они перестали откладывать яйца и начали рожать детенышей. В конце мелового периода динозавры, которые им мешали, вымерли и млекопитающие стали очень разнообразными. Среди них появились древолазящие – плезиадаписы, наши предки. Они прыгали по ветвям и ели в основном насекомых. Сначала они были преимущественно ночными.
Примерно 40 миллионов лет назад они стали дневными и фруктоядными, это уже первые обезьяны. Около 20 миллионов лет назад некоторые обезьяны увеличились в размерах, из-за этого у них исчез хвост, который стал не нужен, и так возникли человекообразные обезьяны.
7 миллионов лет назад из-за исчезновения африканских лесов часть их вымерла, а часть приспособилась к жизни в саванне, встав на две ноги. Это были австралопитеки. 2,5 миллиона лет назад они стали есть много мяса и делать каменные орудия – и это уже первые люди. Примерно 1,8 миллиона лет назад они вышли из Африки. А 50 тысяч лет назад они уже были почти неотличимы от нас – это наш вид, «человек разумный».
На Земле есть люди, потому что живые существа постоянно приспосабливались к меняющимся условиям. И сами менялись так, что это привело к появлению людей.
№ 8. Сколько человек умерло?
Все знают: столько, сколько родилось за все время существования человечества, за исключением ныне живущих. Но сколько же родилось? Вопрос, не имеющий достоверного ответа. Система учета смертей и рождений, регулярного проведения переписей населения возникла совсем недавно, а распространилась по миру – по меркам человеческой истории – вчера. Да и то сейчас в некоторых странах такого учета нет, а в ряде других он охватывает не все население. Тем не менее демографы ООН, ведающие подсчетом населения Земли, сделали свои оценки по всем странам мира с 1950 года. Так что человечество с приемлемой точностью знает свою численность за последние 65 лет. Чем глубже в прошлое, тем менее надежны данные и тем их меньше.
Сведений о числе рождений нет, но их можно вывести, зная численность населения. Усилиями биоархеологов, историков, демографов оценки-догадки о численности населения Земли добираются к началу неолита, но неопределенность велика. Так, на 10 000 год до н. э. минимальная оценка (1 миллион человек) меньше максимальной в 10 раз, на 5000 год до н. э. – в 4 раза (то есть от 5 до 20 миллионов). И все же в настоящее время сложился общий взгляд на динамику численности мирового населения.
Другая проблема: от появления какого «человека» считать. Homo habilis (человек умелый) появился около 2,5 миллионов лет назад, наш вид, Homo sapiens, – 50-100 тысяч лет назад. Среди ученых по этому поводу согласия нет. Наш соотечественник, знаменитый ученый и просветитель Сергей Петрович Капица, отвечая на этот вопрос, счел нужным рассматривать период в 4,5 миллиона лет, и получилось, что к 2005 году на Земле прожило и умерло 90 миллиардов человек. Он использовал математическую модель роста численности населения Земли, теоретически обосновав ее.
Другие известные нам подходы основаны на догадках и упрощениях, но тоже взятых из научного опыта. Например, по мнению крупнейшего современного демографа и социолога Карла Хауба, к 2011 году, помимо 7 миллиардов ныне живущих, на Земле побывало еще 100 миллиардов человек, из них 47 миллиардов – в последние 2000 лет. Хауб взял общепринятые оценки численности населения, самая далекая из которых относится к 8000 году до н. э. (5 миллионов человек), а возникновение Homo sapiens отнес к 50 000 году до н. э. Далее он предположил, что в тот момент на Земле было два человека (Адам и Ева?) и численность людей в каждый следующий период росла с постоянной скоростью. Так Хауб получил численность людей в каждом году. Теперь число рождений можно оценить, задав общий коэффициент рождаемости, то есть частоту рождений на 1000 живущих в данном году. Для периода от Адама и Евы и до XIII века Карл Хауб установил этот показатель равным 80 на 1000, для 1200-1750 годов – 60. О дальнейшей динамике – после 1750 года – демография имеет довольно точное представление. Но как Карл Хауб вывел значения коэффициента рождаемости для далекого прошлого? Из догадок-оценок.
Дело в том, что мы знаем, насколько высокими были рождаемость и смертность еще недавно, и знаем, что в прошлом они были еще выше. Скажем, Хауб исходил из того, что до XIII века величина ожидаемой продолжительности жизни при рождении была ниже 13 лет.
И все же не стоит относиться к этим вычислениям чересчур серьезно. Потому что все полученные результаты округляются, и к тому же неизвестно, сколько все-таки было людей в самом начале. Да и сам автор предостерегает: при полном отсутствии надежной информации в достатистическую эру расчеты неизбежно носят полунаучный характер. Впрочем, польза от них несомненна: они иллюстрируют необычный и крайне важный момент в развитии человечества – его стремительный рост. Если в 1750 году за спиной каждого живущего (по выражению Артура Кларка, автора романа «2001: Космическая одиссея») стояло по призраков, то в 1950 году – 40, а сейчас – менее 15.
№ 9. Какое время на Южном полюсе?
Время на планете Земля – явление в значительной мере условное. В том смысле, что люди уславливаются, как его измерять. Вроде понятно: солнце встало – значит, утро. Село – значит, вечер. Но почему в сутках именно 24 часа? Ведь время оборота планеты вокруг оси можно было бы разделить не на 24, а, скажем, на 20 или 10 равных интервалов. Ничего, кроме условностей и привычек, от этого не изменилось бы. Однако весь мир делит сутки на 24 интервала, а год – на 12 месяцев, ничуть не переживая, что это отголосок древней двенадцатиричной системы счета. Раньше люди предпочитали оперировать не десятками, а дюжинами и круглой цифрой считалось не 10, а 12. Две дюжины – 24. Тогда это было естественным. А почему в часе 60 минут? С точки зрения современного счета удобнее было бы иметь 50, при том что каждая «минута» была бы немного длиннее. Но календари и система отсчета времени создавались древними звездочетами, которые были воспитаны на шестидесятиричной системе (60 – это 5 дюжин, возможно по числу пальцев на руке). Эта система была известна еще в древнем Шумере, оттуда перешла к Вавилону, затем к древним грекам и после них к арабам. И лишь в Средние века Европа начала постепенный переход к близкой нам десятичной системе.
Однако с календарем, часами и геометрией все осталось по-прежнему: перестраивать себе дороже. Окружность мы делим на 360 градусов, часовой циферблат – на 60 минут. Так пошло с первых солнечных часов (тень от стержня падает на дугу, и по мере смещения Солнца, точнее по мере вращения Земли, она ползет по дуге, отсчитывая нанесенные на ней деления. Деления, понятно, наносились древними мудрецами исходя из привычной системы счета).
Столь же условно и понятие часовых поясов. Время само по себе течет ровно, но где-то на карте нужно провести договорную границу, при переходе через которую происходит скачок – в одном часовом поясе новый год уже наступил, а в соседнем еще и вечера, праздник начнется через час. Для удобства границы поясов подтягивают к межгосударственным или внутренним административным границам, поэтому они выглядят весьма замысловато. Перелетая на самолете из пояса в пояс или из страны в страну, путешественники первым делом переводят часы на местное время. Впрочем, можно и не переводить и жить по своему прежнему времени, особенно если надо часто связываться с теми, кто остался дома. Но тогда, если вы перелетели из Москвы, допустим, в Австралию, у вас на часах будет разгар рабочего дня, когда аборигены уже давно спят.
На Южном (впрочем, как и на Северном) полюсе условность исчисления времени особенно очевидна. С одной стороны, оно тянется точно так же, как в других точках планеты. Через пять часов после завтрака захочется пообедать, а еще через пять часов – поужинать. Потом уже и спать пора. С другой стороны, полюс – эта та точка, в которой суточный оборот Земли не отражается в положении Солнца на небе: сама ось, вокруг которой крутится планета, при вращении не смещается. Установленные здесь солнечные часы будут круглые сутки показывать одно и то же время.
Поэтому обитатели полярных станций условились отсчитывать часы в сутках так, как им удобнее. Некоторые станции живут по национальному времени. На американской антарктической станции Амундсен – Скотт, расположенной строго на полюсе, действует условное время Новой Зеландии, потому что оттуда на станцию летают авиарейсы. Это удобно для общения с Большой землей, но создает проблемы с соседями: когда у полярников с американского континента рабочий день, полярники из Азии давно спят, хотя между станциями может быть всего несколько километров.
Впрочем, в последние годы абсолютное большинство антарктических станций живет в режиме Гринвичского нулевого меридиана: когда в Лондоне время вечернего чая («файф-о-клок»), на часах полярников тоже 5 часов вечера.
№ 10. Как устроены зыбучие пески?
Следует признать, что зыбучие пески чаще встречаются на страницах английских приключенческих и детективных романов XIX века (и, соответственно, в головах их читателей), чем в действительности. В них авторы трагически топят второстепенных героев (главные герои, конечно, выживают, иначе придется обрывать роман). Преступники прячут в песках тела жертв, а также (в сундучках на цепочке) драгоценности.
Коварство этого природного явления объясняется довольно просто: эти пески выглядят совершенно обыкновенно, а на самом деле в них каждая песчинка окружена микроскопической водяной пленкой и взаимодействует с соседями не так плотно, как в обычном мокром песке. Как это получается? Там, где подпорные грунтовые воды выходят на поверхность земли, они иногда не формируют одного локального источника или родника, а тихо высачиваются на значительной площади. Под небольшим давлением воды снизу песчинки пребывают как бы в плавающем состоянии. До механического вмешательства пески находятся в квазиравновесном состоянии, но любая дополнительная нагрузка это равновесие нарушает и песок на удивление легко проваливается, поглощая упавший на поверхность предмет.
Собственно, похожим образом устроены и низинные болота, сложенные полужидкими торфяниками в зонах выхода грунтовых вод и тоже обладающие неприятным свойством засасывать несчастную жертву. Торфяники распространены значительно шире и потому не столь романтичны.
Поняв суть явления, несложно понять, как с ним бороться. Прежде всего – не паниковать! Зыбучий песок – это всего лишь очень тяжелая и густая жидкость. Двигаться в ней невозможно, но и утонуть тоже – ее плотность значительно выше плотности человеческого тела. А вот выбиться из сил, переохладиться от ледяных грунтовых вод и задохнуться от давления на грудную клетку – это за милую душу.
Самое правильное решение – не рваться впустую, а лечь плашмя в эту мерзкую смесь воды с грунтом, пошире раскинуть руки и, очень медленно вытащив провалившиеся ноги, плыть (или ползти, что в данном случае почти одно и то же) к берегу.
Зыбучие пески опаснее для животных, чем для людей (если, конечно, человек не теряет голову и не начинает вести себя как животное). Человек может плоско «плыть» по грязи, а корова, лось или олень – нет. Если зверя засосало под брюхо, делать ногами плавательные движения он уже точно не сможет – грунт не вода, держит невероятно плотно. Так они и гибнут, бедняги.
Что же касается трупов, якобы погруженных в зыбучие пески, то такое возможно лишь при наличии двухпудовой гири (без нее мертвое тело будет плавать на поверхности) и толщине влагонасыщенного грунта не менее чем в 2 метра. В противном случае гиря нащупает равновесие при встрече с относительно более плотными слоями внизу и покойник станет над поверхностью торчком, издалека приветствуя местного констебля или Шерлока Холмса с доктором Ватсоном.
№ 11. Что такое Бермудский треугольник?
Географически Бермудский треугольник – это кусок Атлантического океана к северу от Кубы, ограниченный выдуманными границами, напоминающими равносторонний треугольник между Пуэрто-Рико, Флоридой и Бермудскими островами.
С таким же успехом к трем углам можно было бы пририсовать четвертый (скажем, город Вашингтон) и назвать новую фигуру Саргассовой трапецией – потому что в нее входит загадочное Саргассово море.
Саргассово море, пересекающееся с Бермудским треугольником, служит местом действия страшных сказок не менее двух столетий. Оно и правда странное: воды крупных океанических течений сливаются вокруг него в хоровод, а в центре преобладают штиль и тишина. Этот обширный аквариум без берегов с тихой, теплой и очень прозрачной водой облюбовали гигантские колонии водорослей, которые толстыми подушками украшают морскую поверхность. Для парусников это весьма опасно: углубившись в такую цветущую лужайку при редком попутном ветре, там легко увязнуть на несколько недель в тщетной надежде, что ветер вернется. При ограниченных запасах воды экипажи парусников, попавшие в водорослевый плен, имели серьезные шансы остаться там навсегда. Едва заметное круговое движение поверхностных вод потихоньку доставляло все, что держится на плаву, к центру (в наше время это приводит к возникновению плавучих островов из пластикового мусора, собранного течениями со всей Атлантики). Поэтому не исключено, что страшные легенды о плавучих кладбищах кораблей не лишены основания. Стоило паруснику по пути к Центральной Америке отклониться на 200-300 миль к северу от попутного пассатного течения, и тихий зеленый ад открывал ему свои объятия.
Дурная репутация места получила подтверждение в декабре 1945 года, когда пять американских бомбардировщиков типа «Эвенджер» вылетели в тренировочный полет с базы во Флориде и бесследно исчезли. Пропал и один из посланных на их поиски гидросамолетов «Мартин Маринер». Несчастье объяснялось неудачным наложением человеческих ошибок на возникшие технические проблемы, как это обычно и бывает в современных техногенных катастрофах. У флагмана отказало навигационное оборудование, а командир был плохо знаком с местностью. Он решил, что звено находится южнее Флориды, в то время как они были севернее. В результате вместо того, чтобы взять курс на базу, ориентируясь по солнцу, звено двинулось прочь от нее. Оставшись без горючего, пилоты попытались посадить «Эвенджеры» на воду, что закончилось трагически. Экипаж посланного на помощь гидроплана в экстремальных условиях, видимо, неоправданно перегрузил двигатель, имевший, по мнению экспертов, конструктивный изъян, и «Мартин Маринер» взорвался в воздухе.
Но широкой публике, конечно, гораздо больше понравились мистические объяснения произошедшего: дыра в пространстве-времени, происки инопланетных цивилизаций или поднявшихся на поверхность обитателей Атлантиды. В США мода на «треугольник» миновала в середине 70-х годов прошлого века. В России о нем заговорили несколько позже, но сегодня интерес к этой теме тоже иссяк.
№ 12. Почему нельзя убежать от шаровой молнии?
Потому что это может стоить вам жизни. Но давайте разберемся, что это за явление.
«Над Римом появились огромные огненные птицы, несущие в клювах раскаленные угли, которые, падая вниз, сжигали дома. Город полыхал…» – это документальное описание загадочных и таинственных шаров из летописи 106 года до н. э. Имеется также письменное свидетельство наблюдения шаровой молнии в Англии в 1638 году, когда в церковь влетела двухметровая шаровая молния, которая убила и ранила многих прихожан, а зданию нанесла серьезные повреждения.
Первым человеком, который серьезно отнесся к рассказам очевидцев шаровой молнии, был французский физик и естествоиспытатель Доминик Франсуа Араго. В своем труде он описал 30 случаев наблюдения этого редкого природного явления. Его работа была во многом революционна для XIX века. До нее ни один ученый не воспринимал рассказы о шаровых молниях всерьез. Даже англичанин Уильям Томсон (больше известный как лорд Кельвин) до конца своей жизни был уверен, что это явление – простой обман зрения. В XX веке физики уже оставили скепсис по поводу шаровых молний. Их изучением занимались такие признанные ученые, как академик Петр Леонидович Капица. На сегодня случаи наблюдения шаровой молнии исчисляются многими десятками тысяч. Совсем недавно, в 2014 году, известный научный журнал опубликовал статью китайских ученых, которым удалось, используя самые современные приборы, не только зафиксировать на кинопленке подробную картину поведения молнии, но еще и выполнить измерения ее физических свойств, что, по сути дела, явилось первым научным наблюдением шаровой молнии.
Что же сегодня известно про шаровую молнию? Возникает шаровая молния в основном во время грозы, но известны случаи ее появления и в солнечную погоду. Появляется она обычно в единственном экземпляре и нередко самым неожиданным образом: спускается с туч, возникает в воздухе, выплывает из-за столба или дерева. Для нее не составляет труда проникнуть в закрытое пространство: есть свидетельства ее появления из розеток, телевизора и даже в кабинах пилотов. Существовать огненный шар способен довольно длительное время, а при перемещении неожиданно менять направление. Он может на несколько минут повиснуть в воздухе, после чего резко, на скорости от 8 до 10 м/с, уйти в сторону. Что касается температуры плазменного шара, то, по подсчетам ученых, она должна составлять от 100 до 1000 градусов Цельсия, но очутившиеся поблизости огненного шара люди жара от него не чувствуют. При этом если он неожиданно взрывается, вся находящаяся неподалеку жидкость испаряется, а стекло и металл плавятся.
Как вести себя, если рядом с вами возникла шаровая молния? Что бы ни было причиной возникновения удивительного плазменного шара, нужно учитывать, что столкновение с ним чрезвычайно опасно: если переполненный электричеством шар дотронется до живого существа, он вполне может убить, а если взорвется – разнести все вокруг. Если вам когда-нибудь доведется встретиться на улице с огненным шаром, главное правило – сохранять спокойствие. Шаровая молния очень чувствительна к любым перемещениям воздуха. Если начать от нее бежать, то вы, увлекая за собой воздух, создадите ветер и молния сразу же последует за вами как привязанная. Поэтому никаких резких движений, и постарайтесь, не спуская с нее глаз, аккуратно свернуть с пути следования молнии и держаться от нее подальше. Если шаровая молния оказалась в помещении, нужно без суеты подойти к окну, открыть форточку: вслед за движением воздуха молния, скорее всего, вылетит наружу.
№ 13. Почему гремит гром?
У греков – Зевс, у римлян – Юпитер, а у славян – Перун. Все они – громовержцы, властители мира, главные боги, отвечавшие за мироустройство в религиях древности. Молнии и раскаты грома много веков вызывали только мистический страх и благоговение. Но постепенно человек выяснил, что такое гроза на самом деле.
Гроза – это атмосферное явление, то есть такое, которое происходит в воздушной оболочке, окружающей Землю. Помимо смеси различных газов, необходимых всему живому, ее важным компонентом является вода. Покрывающие Землю водные массивы постоянно испаряются под воздействием солнечных лучей. Теплые водяные пары вместе с нагретым воздухом устремляются вверх. Чем выше водяной пар поднимается, тем сильнее он остывает, ведь чем дальше от Земли, тем ниже температура атмосферы. Помимо воды и газов в деле образования грома участвует пыль. Мельчайшие частички пыли, содержащиеся в атмосфере, становятся центрами конденсации (оседания) остывшего пара – на них образуются капельки воды и льдинки. То есть в нижней части грозовой тучи всегда будет большая масса влажного, более теплого воздуха, а наверху – громадное количество водяных кристалликов. Интенсивно сталкиваясь между собой в грозовой туче, льдинки электризуются: более крупные заряжаются отрицательно и оседают в туче, а более мелкие, заряжаясь положительно, уносятся кверху восходящими массами влажного воздуха. Таким образом, между верхней и нижней кромками тучи-облака появляется электрическое напряжение, которое может достигать сотен миллионов вольт. При таких напряжениях атмосфера не выдерживает, облако пробивается («трескается»), а распавшиеся на ионы молекулы воздуха создают пути для возникновения самопроизвольных электрических разрядов – молний, то есть токов, долетающих и до Земли.
В результате стремительного иглообразного движения электрических зарядов в атмосфере в местах их прохождения резко поднимается температура (до 30 000 градусов). Как это происходит? Электрические заряды «расталкивают» на своем пути молекулы воздуха, и от этого выделяется огромное тепло. Кратковременное и обильное выделение тепла приводит к резкому нарастанию давления в каналах переноса зарядов и «разбеганию» воздуха в стороны. После окончания разрядов давление мгновенно уменьшается и воздух стремительно возвращается назад. Эта кратковременная «встряска» воздуха и представляет собой гром.
Есть один известный эксперимент по созданию молнии и грома «на столе». Оказывается, что при разматывании ленты скотча, если это делать рывками, можно наблюдать вспышки света, сопровождаемые воздушными щелчками. Суть дела в том, что две стороны бывшего тесного контакта ленты скотча оказываются заряженными противоположными электрическими зарядами. В местах нарушаемого контакта образуются искры – те же молнии, сопровождаемые нагревом воздуха и появлением звуковых эффектов – воздушных щелчков. Чем не гром? Попробуйте повторить! Кстати, «эффект скотча», сопровождаемый свечением, был открыт еще в 1953 году и до сих пор привлекает внимание серьезных ученых… Кто бы мог подумать!
№ 14. Откуда берется ветер?
Примерно оттуда же, откуда движение воздуха в велосипедном насосе. Когда вы накачиваете шину, воздух сжимается поршнем. На поршень давит внешняя сила мышц или электрического моторчика. Дальше понятно: в трубе давление растет, воздух стремится выйти туда, где оно ниже. Осталось выяснить, почему в одних частях атмосферы давление бывает выше, а в других – ниже, что и приводит к перетеканию воздушных масс, которое мы воспринимаем как ветер.
Перепад (градиент) атмосферного давления может быть резким, тогда на контакте воздушных масс воздух закручивается в тугие воронки, ветер разгоняется до свиста и получается буря, тайфун или ураган. А может быть постепенным – тогда мы ощущаем ласковый ветерок.
Про перепады атмосферного давления и его причины люди узнали, когда овладели инструментальными методами наблюдения. Вот прибрежный бриз – ветер, меняющий направление дважды в сутки уже многие тысячи лет. Рано утром он тянет с суши в сторону моря, а вечером, наоборот, с моря в сторону суши. Но связь между бризом, давлением воздуха и температурным режимом стала понятна только 200-250 лет назад, с появлением термометра и барометра. Море греется и охлаждается медленно; суша быстрее; воздух еще быстрее суши. Ночью и под утро, когда солнца нет, земля остывает на несколько градусов и охлаждает лежащие на ней воздушные слои. А море остается теплым – и воздух над ним тоже. Холодный воздух чуть-чуть плотнее и тяжелее теплого – давление немного выше. Этого достаточно, чтобы утренний бриз стекал с суши в сторону моря, вытесняя вверх более теплые, легкие и разжиженные морские воздушные массы.
К вечеру все наоборот: солнце быстро нагрело сушу и воздух над ней. А морская вода осталась прохладной. Теперь уже морской воздух тяжелей и плотней сухопутного – и вечерний ветер дует в противоположную сторону, с моря на сушу.
Разница в температуре и плотности воздушных масс – основная причина всех ветров на Земле. Но проявляется она очень по-разному в зависимости от сочетания местных условий – географической широты, морских течений, наличия гор, ледников и масштабов погодных явлений: мощный циклон, пришедший в прибрежную зону, легко сотрет картину чередования бризов.
В Антарктиде и Гренландии над огромными ледниковыми щитами толщиной в 2 километра воздух, бывает, выстуживается до нескольких десятков градусов, а неподалеку находится открытая вода океана, температура которой не опускается ниже нуля. Из-за резкого перепада температуры и давления с ледникового панциря к океану стекают очень холодные и тяжелые воздушные массы, которые на выходе к морю разгоняются до ста и более километров в час: человек на ногах не устоит. Это так называемые «стоковые», или катабатические, ветра.
В России такого нет. Но зимой, когда на материк заходит выстуженный над Арктикой плотный воздух, при столкновении с умеренными воздушными массами тоже бывают атмосферные приключения. «Мороз и солнце, день чудесный!.. Вечор, ты помнишь, вьюга злилась, на мутном небе мгла носилась… а нынче посмотри в окно.» Пушкин дает точное до деталей описание природного явления, которое позже стало называться «холодный фронт второго рода». Быстрое наступление тяжелого арктического воздуха, атмосферные завихрения на контакте с прежней сравнительно теплой и пасмурной воздушной массой («мгла носилась.»), ее вытеснение – и наутро уже высокое давление, мороз, ясное небо, ковры свежего снега. и тишина: атмосферный фронт и связанная с ним буря ушли куда-то дальше.
Самое время растопить дома печку и прокатиться на санках по морозцу.
№ 15. Почему морская вода соленая?
Начнем с того, что не только морская. В иных озерах засушливой зоны концентрация солей выше, чем в Мировом океане. Самый известный пример – Мертвое море (на самом деле озеро), в которое впадает река Иордан. Его вода содержит до 300 граммов соли на литр – это уже крутой рассол. У нас в стране известны соленые озера Баскунчак и Эльтон в Прикаспийской низменности. Очень соленая вода в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря (которое на самом деле тоже озеро).
Соленые озера подсказывают ответ и про морскую воду. Во-первых, они расположены в жарком климате; во-вторых, не имеют стока – вся стекающая в них вода испаряется; в-третьих, этот процесс продолжается десятки и сотни тысяч лет. А Мировой океан существует гораздо дольше – сотни миллионов лет – и тоже не имеет стока: ему просто некуда течь. Впадающие реки приносят ему до 50 тысяч кубических километров воды в год. Она считается пресной, потому что содержит совсем немного растворенных солей. Но все-таки содержит! Объем океана почти стабилен, значит, он испаряет примерно столько же кубокилометров воды, сколько получает с суши – около 50 тысяч в год. Вода испаряется, а соль остается. И так ежегодно миллионы лет подряд. Если подумать, то вода морей и океанов просто не может не быть соленой.
Тогда вопрос выворачивается наизнанку: как так выходит, что соленость морей со временем не растет, а остается примерно одинаковой? Океан умеет избавляться от лишней соли тремя способами. Значительную часть солей кальция, магния и кремния из морской воды изымают живые микроорганизмы: они строят из них свои маленькие скелеты и панцири, а после гибели оседают на дно и превращаются в слои осадочных пород – известняки, доломиты, диатомиты. Кроме того, от других солей океан избавляется, химически осаждая их или выпаривая в мелководных лагунах. Так работает окруженный пустыней залив Кара-Богаз-Гол – большая горячая сковородка, с которой ежегодно испаряется около 10 кубокилометров каспийской воды и остается до 150 миллионов тонн соли.
И, наконец, избавиться от лишней соли Мировому океану помогает тектоника, которая местами поднимает морское дно, превращая его в сушу. Море отступает туда, где земная кора опускается, а на материке остаются слои морских отложений. Среди них встречаются залежи каменной соли, наследие пересохших древних морей – эвапориты. Атмосферные осадки и связанные с ними грунтовые воды принимаются размывать и понемногу растворять новую земную твердь, перенося продукты разрушения под горку – в бессточные континентальные впадины или в Мировой океан.
Морская вода не только соленая, но и горькая, потому что природные воды по пути к морю растворяют самые разные минералы. Их накопление и выпадение в осадок зависят от концентрации и температуры воды. Когда в начале XVIII века Петр I направил экспедицию князя Бековича-Черкасского исследовать восточные берега Каспия и она впервые вошла в Кара-Богаз-Гол, моряки были удивлены тяжестью вод, которые били в борта с необычной силой. На судне был странноватый кок, который решил искупаться и обнаружил, что его буквально «выталкивает» из воды. Кок, в котором открылась тяга к экспериментам, также заметил, что из воды в изобилии выпаривается соль, и вздумал посолить ею пищу для всей команды. Результат был плачевен – в заливе преобладают растворы сульфатов натрия и магния, известные под названием «английская соль», а также «мирабилит», или «глауберова соль». Все эти соединения обладают выраженным слабительным действием.
№ 16. Как растет кристалл?
С кристаллизацией мы сталкиваемся постоянно. Это и замерзание воды в речке или морозильнике, и образование града и снежинок в облаках, и засахаривание варенья, меда и сгущенки, и появление накипи, и затвердевание паяльного сплава.
Кристалл – это огромная совокупность одинаковых атомов, ионов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строго определенном порядке. Обычно кристаллами называют твердые тела, образующиеся в природных или лабораторных условиях в виде многогранников (например, широко известные кварц, кальцит и его прозрачная разновидность исландский шпат, корунд, изумруд, топаз и многие другие).
В отличие от живых организмов и растений, которые растут за счет деления клеток, кристаллизация происходит на поверхности: частицы присоединяются к плоской грани кристалла подобно кирпичам, которые кладет каменщик на строящуюся стену, вплотную подгоняя один к другому и заполняя поочередно ряд за рядом и слой за слоем. Точнее, так растет модельный, то есть идеализированный, не существующий в природе кристалл. Его называют «идеальным», поскольку он лишен каких-либо несовершенств или дефектов, обязательно присутствующих во всех природных или полученных в лабораториях реальных кристаллах. А ведь именно эти несовершенства зачастую облегчают присоединение новых частиц, воздействуя тем самым на скорость роста кристаллов. В 1948 году английский кристаллограф Ф. Франк предположил, что реальные кристаллы, в отличие от идеальных, не всегда растут параллельными слоями с последовательным заполнением частицами каждого такого слоя – иногда они растут винтовой лестницей, или спиралью. При росте такой кристалл «накручивается» как бы сам на себя, продвигая вперед одну и ту же ступеньку – незарастающий ряд/слой, торец которого получил название «излом». В этом случае всегда присутствует удобная «посадочная площадка» для каждой новой частицы, и со временем эта ступенька с открытым изломом не исчезает. Именно так в настоящее время объясняется и экспериментально подтверждается механизм роста большинства реальных кристаллов с привычной нам многогранной формой.
Что же происходит в случае избыточного содержания кристаллообразующих частиц в среде – растворе, расплаве, паре? Такая среда не в состоянии удерживать все частицы, и их избыток начинает осаждаться в произвольном месте растущего кристалла. Оказывается, дело здесь не только в каких-то особых свойствах его поверхности, но и в пересыщенном состоянии кристаллизационной среды. Это наиболее ярко проявляется в случаях, когда концентрация кристаллизуемого вещества в ней достаточно велика. В итоге кристалл приобретает не привычную нам (ограненную), а так называемую вынужденную форму роста, которая образуется главным образом под влиянием внешних факторов.
Такие известные минералы, как оливин, топаз, кварц, полевые шпаты, апатит, формируются по тому же принципу, осаждаясь из кристаллообразующей среды, только уже в условиях геологических процессов, например при остывании магмы. Если магматический очаг располагается на большой глубине и она остывает очень медленно, то кристаллы вырастают достаточно крупными и четко ограненными. Если же это происходит быстро, например при вулканических извержениях лавы на поверхность Земли, то она затвердевает с образованием мельчайших кристалликов минералов и даже стекол.