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

Переход из газообразного в жидкое состояние представляет собой настолько тесное сближение молекул, что они начинают соприкасаться друг с другом, но сохраняют при этом способность достаточно свободно перемещаться относительно друг друга. Переход из жидкого состояния в твердое происходит в тот момент, когда молекулы фиксируются в определенном положении. Замерзание воды – самый типичный пример такого перехода, однако вода замерзает как никакая другая жидкость. Причем странность ее поведения при замерзании нигде не проявляется настолько зримо, как на Крайнем Севере – в Северном Ледовитом океане.

Если вам доведется побывать в северной части Норвегии, придите на берег и посмотрите в сторону севера на море. В летние месяцы, когда оно свободно ото льдов, солнце, которое светит практически круглосуточно, создает благоприятные условия для роста обширных подвижных «лесов» океанских растений. Получается своеобразный сезонный «шведский стол», который привлекает рыб, китов и тюленей. К концу лета количество солнечного света уменьшается. Температура водной поверхности, которая даже в разгар лета не превышала 6 ℃, начинает снижаться. Молекулы воды, скользящие друг мимо друга, замедляют движение. Соленость морской воды здесь настолько высока, что она остается в жидком состоянии вплоть до – 1,8 ℃, но в одну безоблачную темную ночь начинает образовываться лед. Возможно, под действием ветра небольшой кусочек льда оказался на водной поверхности, и при столкновении с ним самые медленные молекулы воды прилипают к нему. Но они не могут прилипать где попало. Каждая новая молекула остается на том или ином фиксированном месте по отношению к другим молекулам, и на месте груды толкающих друг друга молекул образуется кристалл, в котором хорошо упорядоченные молекулы воды выстраиваются в шестиугольную пространственную кристаллическую решетку. По мере дальнейшего снижения температуры этот ледяной кристалл увеличивается.

Кристаллы воды обладают одной крайне необычной особенностью: ее строго упорядоченные молекулы при замерзании занимают больше пространства, чем во время пребывания в жидком состоянии. При замерзании практически любой другой жидкости упорядочивание молекул в виде правильной пространственной решетки приводит к их более компактному расположению по отношению друг к другу, чем в случае, когда они находились в жидком состоянии. В этом смысле вода – исключение. Растущий кристалл воды обладает меньшей плотностью, чем окружающая его вода, и это обеспечивает его плавучесть. При замерзании вода расширяется. Иначе образовавшийся кусочек льда просто затонул бы, а полярные океаны выглядели бы совсем по-другому. В действительности же по мере дальнейшего снижения температуры кристаллы льда разрастаются, а поверхность океана покрывается панцирем из затвердевшей белой воды.

Удивительного и увлекательного в замерзшей Арктике более чем достаточно: белые медведи, лед, Северное сияние… Но есть в ее истории один эпизод, который чрезвычайно меня волнует. Он связан с особенностями образования льда и напоминает о том, что человек поступал бы гораздо разумнее, действуя в содружестве с природой, а не против нее. Это история небольшого корабля, которому удалось уцелеть в ходе одного из самых драматичных плаваний в арктических водах, корабля под названием «Фрам».

В конце XIX века исследователей манил Северный полюс. Западная цивилизация обитала от него не так уж далеко. К тому времени северные территории Канады, Гренландии, Норвегии и России уже были более-менее изучены и нанесены (правда, весьма приблизительно) на географические карты. Однако Северный полюс по-прежнему оставался большой загадкой. Что это такое? Земля? Море? Нога человека туда еще не ступала, поэтому никто не мог дать достоверных ответов на эти и подобные им вопросы. Попытки достичь Северного полюса каждый раз заканчивались неудачно по причине переменчивой и очень сложной ледовой обстановки. При неблагоприятном изменении погодных условий льдины начинали громоздиться друг на друга, создавая непреодолимые препятствия на пути полярных исследователей. Натиск льдов мог превратить корабли в груду щепок. В 1881 году военный корабль США «Жанетта» попал в ледяную ловушку и в конце концов был раздавлен льдами примерно в 800 километрах севернее устья реки Лена. С наступлением сильных морозов молекулы воды, образовав на поверхности моря кристаллическую решетку льда, застыли в неподвижности, и увеличивающийся в объеме лед все сильнее и сильнее сжимал корпус корабля. В конце концов он разрушился, и «Жанетта» пошла ко дну. Экипаж корабля и исследователи успели сойти на твердый лед. Но их подстерегала другая опасность: лед мог растаять, в результате чего образовались бы большие полыньи, преодолеть которые можно было бы лишь на лодке. Расстояние до Северного полюса от любой из стран, территория которых примыкала к Северному полярному кругу, составляло многие сотни километров. Преодолеть его пешком по ледяным торосам казалось немыслимым.

Через три года после гибели «Жанетты» обломки ее корпуса (несомненно принадлежавшие «Жанетте») были обнаружены вблизи берегов Гренландии. Это была поистине удивительная находка, поскольку обломки «Жанетты» пересекли все северные моря – всю Арктику, из конца в конец. Океанографы задались вопросом, нет ли в этих местах течения, которое начинается у побережья Сибири, тянется через Северный полюс и движется в сторону Гренландии. У молодого норвежского ученого по имени Фритьоф Нансен возникла смелая идея построить корабль, способный выдержать напор льдов, добраться на нем до побережья Сибири (до того места, где затонула «Жанетта»), подождать, пока корабль вмерзнет в льдину, и двигаться вместе с ней в надежде, что она доставит его к берегам Гренландии. Самым важным в плане Нансена было то, что на своем пути льдина вместе с вмерзшим в нее кораблем должна была пересечь Северный полюс. От команды требовался минимум усилий и почти никаких забот: знай, плыви себе вместе со льдиной – все остальное сделают за вас море и ветер. Единственная проблема заключалась в ожидании. Нансена за его идею восхваляли как гения и высмеивали как безумца. Но отступать было не в его правилах. Он собрал необходимую сумму денег и решил воспользоваться услугами одного из лучших кораблестроителей, потому что корабль Нансена должен был стать лучшим для своего времени. Так на свет появился «Фрам».

Проблема заключалась в том, что при замерзании воды ее молекулы должны занять свои места в кристаллической решетке. При достаточно низкой температуре между молекулами образуются прочные связи. А если для занятия молекулами определенных мест недостаточно пространства, они выталкивают наружу все, чтобы его освободить. Любой корабль, вмерзший в лед, испытывал бы проблемы, связанные с тем, что его вмерзание сопровождалось бы расширением льда и, соответственно, сжатием корпуса корабля. Никакое судно того времени не могло выдержать такого давления. К тому же никто не знал, какой может оказаться толщина льда посреди Северного Ледовитого океана. Судостроители, взявшиеся за строительство «Фрама», блестяще справились с задачей, решив придать ему оригинальную форму: он должен быть «толстым», почти круглым. Длина корабля составила 39 метров, а ширина – 11 метров. «Фрам» напоминал скорлупу половинки грецкого ореха. У него почти не было киля, а двигательную установку и руль можно было поднять из воды. Когда появился лед, «Фрам» стал походить на плавающую чашу. Если сжать снизу какой-либо предмет круглой формы, например чашу или цилиндр, он слегка приподнимется. Если бы сжатие льдом оказалось слишком сильным, «Фрам» просто приподнялся бы – по крайней мере с теоретической точки зрения все должно было происходить именно так. Корабль строили из дерева, толщина которого местами превышала один метр. Была предусмотрена надежная теплоизоляция, чтобы экипаж не испытывал дискомфорта при наступлении сильных холодов.