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

Все на нашей планете вращается вокруг земной оси со скоростью одного полного оборота в сутки. Ветры, дующие над вращающейся поверхностью Земли, как правило, стремятся двигаться по прямой, хотя трение о землю и торможение со стороны окружающего воздуха ограничивают их путь. Со стокилометровой высоты можно заметить, что ветры в Северном полушарии склонны заворачивать вправо (относительно земной поверхности), невзирая на вращение Земли вокруг собственной оси. Вращается и погода, особенно вдали от экватора. Вращаются ураганы, штормы тоже вращаются, прокатываясь по океанам. Так называемый глаз шторма исполняет роль оси колеса, и каждое такое колесо должно вращаться, потому что вращается Земля.

Над Антарктикой собираются толстые снежные облака. В каждом таком облаке миллиарды отдельных молекул воды существуют в виде газа, колеблясь рядом с молекулами кислорода и азота. Но по мере охлаждения облака они отдают свою энергию и замедляют движение. Когда самые медленные молекулы воды ударяются о зарождающийся кристалл льда, они прикрепляются к нему, причем каждая занимает фиксированное место в кристаллической решетке льда. Когда такая снежинка порхает вверх и вниз внутри облака, молекулы на всех шести гранях исходного кристалла оказываются в одинаковых условиях и одинаково прикрепляются. Молекула за молекулой формируется симметричный кристалл снега. После нескольких часов медленного роста он становится достаточно большим для того, чтобы преобладающее воздействие на него оказывала сила тяжести: и он срывается с нижней стороны облака. Внизу на тысячи километров расстилаются антарктические льды – крупнейшая агломерация льда на Земле, – толщина которых достигает 4,8 километра. Их вес настолько велик, что под ним проседает весь континент. Но каждая молекула этого бескрайнего белого простора упала на него в виде снежинок, которые накапливались в течение очень долгого времени. Часть воды намерзала на протяжении миллиона лет. В течение всего этого времени молекулы непрерывно колебались относительно своих фиксированных положений в кристаллической решетке, но никогда их колебания не были достаточно быстрыми для того, чтобы лед снова стал жидкостью. Напротив, температура молекул, извергающихся в виде лавы из вулканов на Гавайских островах, опускается ниже 600 ℃ впервые со времени образования Земли, которое произошло 4,5 миллиарда лет тому назад.

Основной источник тепла на поверхности Земли – энергия солнечного света. Когда она прогревает скалы, океан или атмосферу или запускает процесс выработки сахара в листьях растений, возникает дисбаланс в распределении энергии. И пока он существует, всегда есть вероятность изменений. Энергия движения падающего дождя способна разрушать горы (все знают пословицу «вода камень точит»). Переизбыток тепловой энергии на экваторе стимулирует возникновение тропических ураганов, вырывающих с корнем пальмы, вздымающих гигантские волны и обрушивающих их на берег. Энергия, запасаемая в растениях, понадобится при формировании ветвей, листьев, плодов и семян и в конце концов исчерпает свою полезность в качестве низкоуровневого тепла. Останутся лишь семена – совокупность генетической информации, предназначенной для возобновления жизненного цикла за счет поступления новой энергии солнечного света. Жизнь на Земле поддерживается за счет постоянного притока энергии солнечного света, нарушающего баланс и не позволяющего планете скатиться в вечное, неизменное равновесие. Оттуда, со стокилометровой высоты, не разглядеть множества мелких подробностей, но зато видна общая картина: потоки энергии, направляющиеся от Солнца к Земле, проникающие сквозь атмосферу в толщу океана и возвращающиеся обратно в космос в виде тепла, излучаемого нашей планетой. Количество энергии, принимаемой на себя Землей, равно количеству энергии, возвращаемой ею в космос. Но Земля – гигантская дамба на пути потока энергии, – запасает и использует этот бесценный ресурс всевозможными способами, прежде чем вернет его в космос.

При спуске со стокилометровой высоты поближе к земной поверхности становится заметно, что морское побережье теперь выглядит не просто как граница между сушей и морем, а как некий процесс, как пестрая смесь множества разных масштабов времени и шкал размеров. Океанские волны разносят по бескрайним водным просторам энергию штормов. Разбиваясь о берег, перемалывают песок и камни, бесконечно растирают их и шлифуют друг о друга. Чтобы отколоть от камня микроскопический кусочек, требуется миллисекунда, но чтобы сделать камень идеально гладким, понадобится не один год. По масштабам геологического времени, превращение берега моря в широкую полосу отшлифованной гальки – не такой уж длительный процесс. Он практически завершится к тому моменту, когда количество новых камней, появляющихся на берегу, сравняется с количеством камней, вымываемых в море. Приливные побережья влекут нас потому, что здесь можно наблюдать за тем, как дважды в сутки приливы и отливы шлифуют камни и песок, и любоваться синевато-серым, аспидным цветом идеально отполированной гальки. Но, любуясь этими нерукотворными творениями, мы забываем о том, что каждое из них создавалось на протяжении десятков лет. Когда-то давным-давно эта идеально отполированная галька высилась скалой, которую омывало море. Регулярные приливы и отливы выполняли свою работу, то скрывая большую часть скалы под водой, то выставляя ее под палящие лучи солнца и ветер. Свою часть работы сделали и волны, неустанно обрушивающиеся на скалу. Это попеременное воздействие перепада температур, попеременное высушивание и увлажнение разрушали и подтачивали скалу, откалывая от нее камень за камнем. Камни падали в воду, откуда под действием тех же волн то подкатывались ближе к берегу, то уносились обратно в море. Непрестанное трение одних камней о другие и о песок довершало процесс их первичной обработки, шлифовки и полировки, превращая некоторые из них в настоящие произведения искусства, достойные стать музейными экспонатами. Берег больше, чем что-либо, олицетворяет собой, с одной стороны, вечность и бесконечность жизни, а с другой – ее быстротечность и мимолетность. Когда энергии и питательных веществ хватает для поддержания жизни в прибрежных водах, между скал, она буквально бурлит здесь. При нехватке энергии и питательных веществ жизнь появляется в других местах. Виды эволюционируют, иначе используя доступный для них физический инструментарий и совершая одну генетическую мутацию за другой. Запасаясь энергией, двигаясь, взаимодействуя или воспроизводясь, все они применяют (только по-разному) одни и те же принципы.

Энергия поступает на Землю и излучается ею, при этом сама Земля пребывает в непрерывном процессе переработки. Почти весь алюминий, углерод и золото, ее составные элементы, находятся в ее недрах миллиарды лет, переходя из одной формы в другую. Кому-то может показаться, что в ходе столь длительной эволюции Земли эти разные субстанции должны были перемешаться, превратившись в некое подобие гигантской сборной солянки планетарного масштаба. Но физические и химические процессы вокруг нас непрерывно сортируют эти субстанции, группируя между собой однородные атомы. Гравитация позволяет жидкостям просачиваться сквозь пористые твердые тела, и вода, впитываясь в почву, пополняет огромные подпочвенные водоносные горизонты, тогда как почвенный слой остается неизменным. Когда обширные колонии крошечных морских существ, называемых планктоном, живут, а затем гибнут на поверхности океана, под действием силы тяжести они опускаются на дно. Обширные морские кладбища, которые иногда образуются из останков планктона в мелководных морях, с течением времени спрессовываются и в конечном счете превращаются в белый известняк. Солевые отложения формируются в результате испарения молекул воды, которые, получив достаточную энергию, превращаются в газ, тогда как соль испариться не может. У лавы, образующейся в вулканических подводных горах, гораздо большая плотность, чем у воды, поэтому она остается на океанском дне, создавая новые слои коры. Сама жизнь постоянно отбирает материалы из окружающего мира, придает им новые формы и преобразовывает их, создавая живые организмы, а затем, после их смерти, пускает их останки на переработку и повторное использование.