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

Итак, мы добрались до двери, толкнули ее свободной рукой и вышли из дому.

Земля

Выйдя из дому, мы можем посмотреть сквозь невидимую атмосферу и увидеть окружающий мир. Наша планета – это система, состоящая из пяти взаимосвязанных компонентов: горных пород, атмосферы, океанов, льда и живой природы. Каждому из них присущи собственный ритм и динамика, но невероятное разнообразие, наблюдаемое на Земле, – это результат бесконечного движения, соединяющего все эти компоненты друг с другом. Одни и те же силы приводят их в движение, а сходства между ними можно обнаружить в самых неожиданных местах. Пока мы всматриваемся в окружающий мир сквозь невидимые молекулы воздуха, рядом с нами осуществляются интереснейшие процессы, о которых мы даже не задумываемся. Например, непрерывные взаимные перемещения воздушных масс. Воздух, нагретый зданием, из которого мы только что вышли, устремляется вверх, поскольку его плотность меньше, чем у окружающего воздуха. Высота столбов воздуха, поднимающегося от теплой земли, может достигать двух-трех километров, причем его поднятие на высоту одного километра, а также преодоление каждого очередного километра может занимать около пяти минут. В это же время холодный, более плотный воздух опускается под действием силы земного притяжения. Эти конвекционные потоки охватывают всю территорию, открывающуюся перед нами. Воздух никогда не пребывает в состоянии полного покоя.

Если силой своего воображения проникнуть в глубь Мирового океана, мы обнаружим там картину, аналогичную только что наблюдаемой в воздухе. Холодные и соленые воды Северной Атлантики устремляются вниз, по направлению к центру Земли, точно так же как это происходит с холодным и более плотным воздухом. Достигая океанского дна, воды растекаются в стороны и движутся так до тех пор, пока не прогреются или не смешаются с менее соленой водой и не устремятся снова вверх, к поверхности океана. В небе полный цикл поднятия и опускания воздуха занимает несколько часов. В океане полный цикл опускания и поднятия водных масс может занимать до четырех тысяч лет, причем за это время вода успевает обогнуть половину Земного шара.

Глубоко под нашими ногами прямо сейчас происходит движение горных пород. Большая часть массы планеты приходится на мантию Земли – толстый слой между наружным ядром и тонким слоем земной коры, плавающим поверх мантии. Мантия – жидкая, но достаточно вязкая и медлительная субстанция. Этот расплав все время подогревается как горячим ядром Земли, так и медленным распадом радиоактивных элементов, скрывающихся глубоко в ее недрах. Движение энергии в мантии Земли происходит прямо сейчас, у нас под ногами. Слои горных пород, из которых состоит мантия Земли, по мере нагрева поднимаются, а более холодные слои горных пород опускаются; в результате горячие и холодные слои меняются местами. Но на перемещения расплавленных горных пород при столь высоких температурах и давлениях уходит очень много времени. Глубоко под нами подъем столба магмы на два сантиметра может занять целый год. На полный цикл подъема от нижнего уровня мантии до ее верхнего уровня может понадобиться 50 миллионов лет. Но центр Земли подчиняется тем же физическим законам, что и атмосфера и океан: теплые массы (воздуха, воды или расплавленных горных пород) поднимаются, а более холодные – опускаются.

Огромное количество тепловой энергии непрерывно движется от центра Земли наружу, но оно ничтожно по сравнению с количеством световой энергии, доставляемой Солнцем на Землю. Почти на каждом земном пейзаже есть зеленый цвет. Он может прятаться по углам или доминировать в ландшафте, но будет присутствовать практически всегда. Это могут быть едва заметные следы мха на кирпичной стене или «зеленый ад» тропических джунглей, но растения повсеместно обитают на нашей планете. Каждый листик служит поддерживающей структурой для слоев клеток, богатых хлорофиллом, каждая из которых представляет собой миниатюрную молекулярную фабрику, преобразующую солнечный свет и углекислый газ в сахар и кислород. Какая-то часть энергии в потоке света, омывающем каждый листик, усваивается растением и накапливается в виде сахара (запас топлива на будущее). Даже в самые безмятежные солнечные дни в поле, где все кажется неподвижным и неизменным, растения напряженно трудятся. Молекула за молекулой они вырабатывают кислород, которым мы дышим, поддерживая атмосферу, состоящую на 21 % из кислорода, и обеспечивая жизнь всем остальным живым существам на Земле. Эти миниатюрные молекулярные фабрики непрерывно восстанавливают пятую часть атмосферы на планете. Вглядываясь в окружающий нас воздух, мы не видим (и, конечно, не можем видеть) молекулярную продукцию многочисленных папоротников, деревьев, водорослей и трав, вырабатываемую на протяжении многих тысячелетий, – щедрый подарок этой зеленой армии.

С занимаемой нами позиции на Земле, когда мы выходим из дома, мы можем видеть лишь ничтожную часть планеты. Умея летать, мы увидели бы гораздо больше. Чем дальше от поверхности Земли, тем разреженнее атмосфера и тем меньше в ней молекул воздуха. Гравитация притягивает молекулы воздуха к Земле. Вблизи земной поверхности она может удерживать лишь очень тонкий его слой. На высоте примерно 20 километров от земли 90 % молекул в атмосфере окажутся под нами. Самая глубокая точка в океане находится на расстоянии 11 километров от уровня моря. Ниже ее располагаются плотные горные породы. Чтобы добраться до центра Земли, вам придется преодолеть примерно 6360 километров таких пород. Если бы не космические ракеты, люди не смогли бы подниматься выше каких-то жалких 30 километров. Слой лакокрасочного покрытия шарика для пинг-понга имеет такую же толщину по сравнению со сферой, которую он покрывает.

Принято считать, что на высоте 100 километров мы находимся на границе между Землей и открытым космосом и можем видеть ее как зеленую, коричневую, белую и голубую, вращающуюся в черноте бескрайнего космоса. С этой границы особенно заметно, что наша планета – это главным образом океан, состоящий из простых молекул воды. Вода – холст для картины жизни, но лишь в «зоне Златовласки[85]», то есть энергетическом диапазоне, в пределах которого движение молекул обеспечивает существование в форме жидкости. Придайте этим молекулам дополнительную энергию, и они разрушат любые сложные молекулы, которые окажутся в воде. Придайте им еще большую энергию, и они испарятся, то есть превратятся в газ, непригодный для защиты хрупкой жизни. На нижнем конце «зоны Златовласки», к которому мы приближаемся по мере снижения энергии, колебания молекул замедляются и в конечном счете молекулы замыкаются в кристаллической решетке льда. Такая неподвижность – враг жизни. Даже сам по себе процесс формирования этих негибких кристаллов льда может разрушить любую живую содержащую их клетку. Наша планета выделяется среди подавляющего большинства других планет не только наличием воды, но и тем, что эта вода в основном пребывает в жидком состоянии. Со стокилометровой высоты особенно заметно, что самый ценный актив Земли, вода, преобладает на ее поверхности.

Возможно, прямо сейчас в мрачных глубинах Тихого океана голубой кит создает звуковые волны. Если бы вы могли проследить их прохождение сквозь толщу морской воды, то увидели бы, как они движутся от Гавайских островов до побережья Калифорнии. Но звуковые волны движутся под водой, и без помощи чувствительных приборов, способных их обнаружить, вы их просто не заметите. Океаны полны звуков, порождаемых волнами, разбивающимися о прибрежные скалы, винтами судов и дельфинами. Глухое громыхание антарктических льдов может разноситься по океанским просторам на тысячи километров. Впрочем, находясь на стокилометровой высоте над поверхностью Земли, вы можете даже не подозревать о существовании этих звуков.