Текст книги "100 великих тайн Земли"

Автор книги: Александр Волков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 34 страниц) [доступный отрывок для чтения: 13 страниц]

Время летних гамма-гроз

В день летней грозы многих и теперь, как в древние времена, охватывает оторопь, ощущение угрозы. Сколько раз за лето каждый из нас видит вспышку молнии на небесах, и всякий раз ее огонь кажется таинственным – этот затертый эпитет словно свежеет от жара молнии, наливается кровью. Да и ученый мир подтвердит, что, как ни сильна наука, познавшая все от атомов до созвездий, перед феноменом молнии – электрического разряда, возникающего между грозовой тучей и поверхностью Земли, – долго пасовала и она.

Всякий раз огонь молнии кажется таинственным

Так, неясно было даже, почему небо вдруг рассекают эти ослепительные вспышки, что вызывает их. Зарождение молнии начинается с того, что в грозовом облаке происходит разделение электрических зарядов: отрицательно заряженные частицы отделяются от положительно заряженных. Так в грозовом облаке создается электрическое поле. Когда его напряженность достигает критической величины – 2 миллионов вольт на метр, в облаке возникает пробой. Лавина электронов мчится в сторону земли, оставляя после себя полосу (канал) ионизованного воздуха. По этому каналу к земле устремляется молния. Сила тока в канале достигает 100 тысяч ампер, а температура – 30 тысяч градусов. Стремительно расширяющийся поток воздуха и порождает мощную звуковую волну, которая воспринимается нами как гром. Таково популярное объяснение этого феномена.

Как ни стройна эта теория, она не подтверждается фактами. Судя по результатам измерений, напряженность электрического поля в грозовом облаке примерно в 10 раз ниже той критической величины, которая нужна для того, чтобы вспыхнула молния.

В начале 1990-х годов российский физик Александр Гуревич, подыскивая объяснение этому факту, предложил новую гипотезу. В атмосферу нашей планеты постоянно проникают высокоэнергетичные частицы, прилетающие из космоса. При их столкновении с молекулами азота и кислорода образуются, в частности, электроны, движущиеся очень быстро. Электрическое поле, возникшее в грозовом облаке, по расчетам Гуревича, разгоняет их почти до световой скорости. Для этого достаточно, чтобы напряженность поля составляла порядка 200 тысяч вольт на метр, что хорошо совпадает с результатами наблюдения. При столкновении этих электронов с молекулами воздуха возникают все новые высокоэнергетичные электроны. Настоящей лавиной они мчатся к земле, вызывая пробой в атмосфере. При этом испускается рентгеновское и гамма-излучение, которое фиксируют спутники.

Итак, все больше фактов доказывает, что молнии порождаются частицами, прилетевшими из космоса. Однако многое в происходящем процессе по-прежнему неясно ученым. Так, энергия и интенсивность рентгеновского излучения, возникающего во время грозы, не совпадает с моделью, предложенной Гуревичем. Стоит добавить, что мы по-прежнему очень далеки от того, чтобы использовать энергию молнии для своих целей.

Изучение молний – достаточно сложный и дорогостоящий процесс. Как полемически заявил один из исследователей, «мы находимся в совершенно неизведанной области». Вопросов накопилось немало. Правда ли, что бывают супермолнии, когда сила тока превышает 300 тысяч ампер (обычно она гораздо ниже)? Зависит ли активность молний от загрязнения окружающей среды или, говоря иными словами, вспыхивают ли молнии над крупными городами чаще, чем над сельской глубинкой? Верно ли, что во время грозы наблюдаются всплески гамма-излучения и выбросы антивещества?

Стоило, к примеру, дождаться космической эпохи, чтобы узреть, что пылающая стрела метит не только в одинокие дубы или башни, но и летит ввысь. Лишь в 1989 году были впервые сфотографированы слабо светящиеся молнии, вспыхивающие на доли секунды в верхних слоях атмосферы, примерно в 40—80 километрах от Земли, и окрашенные в яркие цвета. На снимках, сделанных из космоса, видны невероятной величины огненные столпы. Одни напоминают гриб, выросший в небе; другие – частокол, словно огородивший небесный град. Они достигают порой в поперечнике 90 километров, но сила их свечения невелика, а потому с поверхности Земли их не увидать.

Эти молнии, красные «спрайты» и голубые «джеты», нередко сравнивают со сполохами полярного сияния. Но если последние возникают при проникновении из космоса высокоэнергетичных протонов и электронов, то для подобных молний источником энергии становятся грозовые разряды. Природа этих атмосферных явлений, наблюдаемых во время грозы, все еще остается неясна. Возможно, они – лишь часть, «недостающая часть» громадного поля электричества, которое разлито повсюду – от поверхности Земли до ионосферы.

Кстати, лишь недавно подтвердилось, что удары молний сопровождаются всплесками гамма-излучения (впервые подобная гипотеза была высказана несколько десятилетий назад).

В 2008 году на орбиту был выведен космический телескоп «Ферми». В его задачу входило наблюдение за гамма-вспышками – самыми мощными источниками электромагнитного излучения, известными науке. Эти вспышки происходят в отдаленных областях космоса.

Однако уже за первые пару лет работы этот телескоп зарегистрировал еще и 130 всплесков гамма-излучения, возникавших где-то в окрестностях Земли. Когда ученые проанализировали эти события, то убедились, что всякий раз всплеск излучения наблюдался там, где бушевала гроза. Впрочем, для физиков это не стало новостью. Им уже было известно, что близ верхнего края облака могут наблюдаться подобные всплески. Ведь мощное напряжение возникает не только между грозовой тучей и землей, но и между тучей и лежащими выше слоями атмосферы. На высоте от 20 до 80 километров может генерироваться напряжение до 20 миллионов вольт. Оно разгоняет электроны, и те лавиной устремляются ввысь. Мчась со скоростью, близкой к световой, они сталкиваются с молекулами воздуха, и тогда испускается гамма-излучение.

Зато, как выяснилось, это излучение зачастую – а возможно, всегда – трансформируется в поток частиц и античастиц, электронов и позитронов. Этот поток, прорезав верхние слои атмосферы, уносится в космическую даль. Телескоп «Ферми», изучающий события вселенских масштабов, порой замечает и эти лучи позитронов, покидающих Землю под покровом грозовых бурь. Когда, достигая телескопа, позитроны проникают в детекторы и сталкиваются здесь с электронами, то те и другие уничтожаются, вновь превращаясь в гамма-излучение, которое и фиксирует детектор.

Обнаруженные сигналы – первое четкое доказательство того, что на Земле во время грозы образуются потоки античастиц. Часто ли это происходит? Первая «заявленная цифра» – 130 раз за два с половиной года работы – не означает ровным счетом ничего. Или значит только одно: этот феномен есть. Он наблюдается на нашей планете. Специалисты, работающие с телескопом «Ферми», предполагают, что ежедневно в разных уголках Земли во время гроз происходит около 500 всплесков гамма-излучения, устремляющегося прочь от Земли. Однако в большинстве своем они остаются незамеченными, поскольку их не регистрирует, разумеется, ни один наземный детектор.

А, кстати, если вернуться к гипотезе Гуревича, может, именно всплески гамма-излучения становятся тем «спусковым механизмом», после срабатывания которого небосвод освещает молния, размышляют исследователи на страницах журнала Geophysical Research Letters.В любом случае полученные результаты приближают нас к пониманию того, что происходит во время грозы.

Загадки шаровой молнии

Молнии, рассекающие небо, словно орудийные залпы, канонада грома, свист ветра, как пуль, и затем, один за другим, удары града. Как никакое другое явление природы, гроза похожа на войну. Здесь Небо вступает в сражение с Землей, и все вокруг содрогается, напуганное этой борьбой. С глубокой древности многие народы почитали бога грозы верховным божеством небесного пантеона. Поистине у этого властителя небес неистощимый запас сил! Каждый час во всем мире 3000 раз бушует гроза. Каждый час более 100 тысяч молний вонзаются в притихшее тело Земли, и этим страстям не видно конца.

Лучше всего в грозу сидеть дома, посматривая в окно на то, как потемневшее – массивное, словно торт, – небо режут вкривь и вкось золоченые лезвия молний. Но и тут – с кем-то это бывает! – прямо к вам, проникая сквозь стекло, может вплыть огненный шар.

Тысячи людей наблюдали шаровую молнию, и все-таки никто не знает, что скрывается за этим странным феноменом.Природа шаровой молнии таит немало загадок. При ее описании ученые вынуждены полагаться лишь на отдельные свидетельства очевидцев, из которых явствует, что она представляет собой матовый шар оранжевого, желтого или красного цвета, светящийся как лампочка в 60 ватт, что величиной она бывает то с апельсин, то с футбольный мяч, что она парит, перемещаясь со скоростью пешехода или бегуна, движется плавно, бесшумно и что ее наблюдают от десятка секунд до нескольких минут. Эти скупые рассказы да горстка фотографий – вот все, чем располагает наука.

Австрийский метеоролог Александр Койл провел статистический анализ 400 сообщений, оставленных теми, кому доводилось видеть шаровую молнию. Чаще всего – в 90 % случаев – ее видели перед грозой, во время грозы или сразу после того, как непогода стихала. В 87 % случаев шаровая молния появлялась в летние месяцы. Почти всегда она имела идеально круглую форму, ее диаметр составлял примерно 30 сантиметров. По прошествии 5 секунд она, как правило, исчезала, хотя некоторым доводилось видеть ее в течение 15 минут. Примерно в каждом четвертом случае она проникала в закрытое помещение. В половине случаев взрывалась с громким хлопком.

Природа шаровой молнии таит немало загадок

Как полемично заявил один из ученых, мы знаем о шаровой молнии не больше, чем древние египтяне ведали о природе звезд. Но все же мы хотя бы представляем себе ее свойства – а потому можем признать ложными самые сенсационные сообщения, например, о мощных взрывах шаровых молний, разрушавших целые здания. В среднем из тысячи описаний подобных молний можно по пальцам одной руки пересчитать число встреч с ними, закончившихся трагически, да и то из этих рассказов неясно, пострадали ли люди именно от шаровой молнии, или причина была в чем-то другом, отмечал российский исследователь Игорь Стаханов.

Что же касается ее природы, то на сегодняшний день имеется более 100 гипотез, претендующих на объяснение физической сути шаровой молнии. Однако ни одна из них не нашла убедительного подтверждения. Кто-то говорит, что шаровая молния – это сгусток плазмы. Но какая сила удерживает его, не дает этому шару распасться? Кто-то видит в ней миниатюрную черную дыру, а кто-то – стянутое в узел энергетическое поле. А может быть, шаровая молния – это всего лишь оптический обман? Что, если сверкнувшая вблизи стрела молнии так сильно раздражает сетчатку человеческого глаза, что тот какое-то время видит перед собой медленно плывущий огненный шар?

Исследования шаровой молнии ведутся уже несколько веков. В свое время получить ее искусственным путем пытались и Никола Тесла, и Петр Капица. И все равно ученые пока не располагают теорией, которая бы объясняла и само появление этой молнии, и описывала феномены, ее сопровождающие. Есть только отдельные гипотезы.

А может быть, в случае с шаровой молнией речь вообще идет о нескольких феноменах разного происхождения, которые мы пытаемся описать «одной формулой»? На эту же мысль наводят и некоторые новые эксперименты, проведенные в последние годы и вызвавшие интерес у специалистов.

В 2000 году журнал Natureпредставил работу новозеландских химиков Джона Абрахамсона и Джеймса Динниса. Они показали, что при ударе молнии в почву, содержащую диоксид кремния (в природе, например, это кварц, из зерен которого в основном и состоит обычный песок), тот разлагается на составляющие его вещества – в частности, выделяются крохотные, размером в нанометры, частицы кремния. Они сливаются в пылинки, образующие в воздухе небольшое облачко в виде шара. Другие вещества испаряются, и их восходящие пары поднимают этот шар, наружные слои которого окисляются – сгорают – при соприкосновении с атмосферным кислородом. Количество излучаемой им световой энергии примерно соответствует силе свечения шаровой молнии, как об этом рассказывают очевидцы. Когда оболочка шара, состоящая теперь из оксида кремния, разогревается и плавится, весь содержащийся внутри кремний мгновенно окисляется. Происходит взрыв шаровой молнии.

Эта гипотеза дает ответ на вопрос, почему шаровые молнии проникают сквозь оконное стекло. Возможно, кремниевые пылинки настолько малы, что способны просачиваться сквозь мельчайшие трещинки в оконном стекле и раме. Оказавшись в комнате, они снова скручиваются в шар. Впрочем, пока подобная «телепортация» вещества осуществима только на бумаге – в теоретических расчетах. Воспроизвести ее в лабораторных условиях не удавалось. К тому же эта гипотеза не может объяснить все случаи наблюдения шаровых молний.

В 2004 году российские физики Антон Егоров, Сергей Степанов и Геннадий Шабанов описали схему установки, на которой им удавалось получать шаровые разряды, названные ими плазмоидами и напоминавшие шаровую молнию. С помощью разряда в 5000 вольт они испаряли две капли воды, которые находились на электроде непосредственно над поверхностью воды. Частицы плазмы, образовавшиеся при электрическом разряде, окутывались облачком из молекул воды и охлаждались. Температура плазмоида составляла всего 60 °С. Исследователи накрывали этот светящийся шар листом бумаги, но тот не воспламенялся. Если же шар насыщался водородом, то он взрывался, как это и случается порой с шаровой молнией. Впрочем, плазмоиды исчезали уже через секунду. Шаровая молния живет дольше. Кроме того, она возникает не только во время дождя и не только рядом с водой. Значит, есть и какой-то другой механизм зарождения подобных молний.

В 2006 году физики Владимир Дихтярь и Эли Йерби из Тель-Авивского университета наблюдали в лаборатории светящиеся газовые шары. Генерируя их, они разогревали в микроволновом поле кремниевый субстрат, пока тот не испарялся. В воздухе появлялся желтовато-красный шар диаметром около 3 сантиметров, состоявший из ионизованного газа (как видите, он был заметно меньше шаровой молнии). Он медленно плыл в воздухе, ничуть не меняясь. Температура его поверхности достигала 1700 °С. Подобно обычной молнии, он притягивался к металлическим предметам и скользил вдоль них, а вот проникнуть сквозь оконное стекло не мог. В этих экспериментах стекло лопалось, соприкоснувшись с ним. Однако искусственная молния существовала лишь до тех пор, пока не отключался источник излучения. Очевидно, в природе шаровые молнии порождены не микроволновыми полями, а электрическими разрядами. В любом случае исследование подобных молний допустимо в лабораторных условиях.

Запишите на ваши водофоны!

Вода не похожа на другие жидкости. Она полна тайн; она не перестает изумлять нас своими свойствами. Порой она ведет себя так, словно законы физики и химии писаны вовсе не для нее. Так, по теории вода должна быть твердым телом. Однако она пребывает в жидком состоянии. Почему?

Многие аномалии воды, очевидно, обусловлены ее особой молекулярной структурой. Химическая формула воды известна всем. Ее молекула (H 2О) представляет собой соединение молекул двух газообразных веществ – водорода (H 2) и кислорода (O 2). Значит, «газ» плюс «газ» дает в сумме «жидкость»? Это все равно что заявить «четное число» плюс «четное число» дает в сумме «нечетное число».

Почему же сумма двух газовых молекул стала молекулой жидкости? Вместо того чтобы гадать на кофейной гуще, в коей нет ни капли воды, рассмотрим лучше молекулу H 2О. Она напоминает массивную «голову» с двумя отростками-щупальцами. «Голова» – это отрицательно заряженный атом кислорода; «щупальца» – положительно заряженные атомы водорода.

Вода – одна из самых загадочных субстанций

В жидкой воде эти молекулы пребывают в постоянном движении. Стоит им сблизиться, как между ними образуется так называемый водородный мостик. Вода должна быть твердым телом именно благодаря подобным мостикам. Однако напоминают они питерские, а не московские мосты: они разводные; они периодически поднимаются и опускаются. Поэтому молекулы регулярно меняют место расположения. Новые водородные связи возникают и через мгновения распадаются. Так же быстро образуются новые союзы – кластеры, в которые входят другие молекулы воды. Всё это повторяется снова и снова. Подобный процесс во многом определяет свойства этой удивительной жидкости.

Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы воды. При очень высокой температуре у них достаточно энергии, чтобы разорвать связи, скреплявшие их. Молекулы водяного пара летают по комнате, словно теннисные мячи. Зато, когда температура опускается ниже точки замерзания, хаотическое движение молекул воды прекращается. Они замирают, образуя неподвижную сеть.

Есть у этой загадочной жидкости и другие секреты. Тридцать лет назад исследования воды вызвали целую бурю в медицине. Вполне возможно, заявляли некоторые ученые, вода обладает памятью.

Подобные слова льют воду на мельницу гомеопатов. Значит, если молекула лекарства хоть немного побудет рядом с молекулой воды, то последняя запомнит свою соседку: на ней «отпечатается» облик лекарства. В таком случае даже дистиллированная вода будет обладать целебными свойствами, если «запомнит» добавленную в нее капельку медикамента.

«Бессмыслица! Чушь!» – возмутилось большинство ученых. Это все равно что сказать: зеркало запоминает отражения людей, промелькнувших перед ним. Стоит поскрести любое зеркало в доме, как за пышным цветом нынешнего дня проступят очертания генеалогического древа. «Бессмыслица! Чушь!»

Французский иммунолог Жак Бенвенист, особенно рьяно доказывавший «память воды», подвергся остракизму. Его критиков не волновало, что эта гипотеза давно зарекомендовала себя в гомеопатии. Однако новые эксперименты показали, что чистая вода, возможно, и впрямь запоминает действие других веществ и транслирует его.

Профессор биохимии Мадлен Эннис из Королевского университета в Белфасте, убедившись в этом странном поведении воды на собственном опыте, признала: «Я занимаюсь естественными науками и вообще не могу объяснить результаты испытаний». Вместе с коллегами она экспериментировала с пробами воды, в которые добавляли мизерное количество постороннего вещества: его было так мало, что методами химического анализа обнаружить примесь было нельзя. Однако с биологической точки зрения эта – почти дистиллированная – вода действовала так же, как само подмешанное к ней вещество.

Необъяснимый эффект! Скептически настроенная к гомеопатии, где в ходу как раз такие растворы и препараты, Эннис взялась за проведение опыта, чтобы навсегда отмести эту «лженауку». Теперь же она отказывалась верить результатам, полученным ею самой. Результаты же пока непонятны. Волны критики обрушиваются на исследователей, но не могут смыть «это позорное пятно с лица науки». Как вспоминала Эннис, «мы пытались найти возможную ошибку, но все напрасно».

В эксперименте участвовали четыре лаборатории из Франции, Италии и Бельгии. Координировал их работу профессор Робефруа из Лёвенского университета (Бельгия). Во время опытов их участники не знали, в каких пробах воды действительно содержатся примеси, а в каких – лишь их гомеопатические дозы. Ведь растворы разводились сотрудниками других учреждений.

Каков же результат? Во всех четырех лабораториях пришли к одному и тому же результату: «заряженная» вода – а как еще прикажете назвать воду, в которой не было химически ощутимых примесей других веществ? – все же действовала. Вопреки тому, что считают химики, биологи и фармакологи! Мадлен Эннис уверена в одном: «В ближайшее время все больше медиков займутся серьезными исследованиями в этой области».

Когда волны, вызванные спорами вокруг опытов, улеглись, стало ясно, что зашиканный и зачумленный Жак Бенвенист вполне может быть причислен когда-нибудь к «революционерам в науке». Впрочем, сам он себя таковым как раз и считал. Незадолго до своей смерти он настаивал, что грядут новые, крупные открытия. Ведь, по его мнению, вода может не только запоминать и накапливать информацию, но и с помощью усилителя транслировать ее в виде электромагнитных сигналов. «Вода напоминает чистую аудиокассету, на которой можно сделать любую запись», – отмечал Бенвенист.

По его теории возможно следующее: если растворить в воде таблетку аспирина, то молекулы воды воспримут информацию, содержавшуюся в лекарстве, а потом транслируют ее. Эти сигналы можно усилить; для этого нужен лишь подходящий усилитель. Если подвергнуть пациента действию подобных сигналов, то для него это все равно что принять аспирин. С помощью Интернета и телефона можно передавать эти сигналы на большие расстояния. Фантастика? Выдумка? Согласится ли когда-нибудь строгая наука с его выводами?

Интересно, что сказала бы строгая наука лет двести назад, если бы один из физиков, задумчиво разглядывая магнит, неожиданно молвил: «Знаете ли, сударь, если с помощью вот этого куска металла намагнитить тонкую металлическую ленту, то любые слова, произнесенные вами, мной или другими вашими гостями, прилипнут к этой ленте. Стоит когда-нибудь, пусть и через много лет после нашей беседы, поднести ту же ленту к магниту, как в опустевшей комнате вновь послышатся слова – мои и ваши. Будто заговорили два привидения! Сударь, этот металл запомнит все – даже ваше удивленное присвистывание. Вы по-прежнему полагаете, что в моих словах есть выдумка?»

Так неужели и толща воды, словно ферромагнитный слой аудиокассеты, способна хранить, например, сказанное? И может быть, мы научимся считывать с ленты воды новости ушедших времен? Что, если все наши чувства, весь опыт накапливаются в воде?

В 2010 году в интервью журналу Natureнобелевский лауреат Люк Монтанье сказал, что Бенвенист «думал в основном правильно», но «был отвергнут всеми, потому что смотрел далеко вперед». Очевидно, в скором времени мы узнаем еще немало сенсационного об этой, казалось бы, заурядной жидкости – воде. Эта безжизненная стихия, объемлющая земной шар, на поверку оказывается умна, памятлива, прихотлива и наделена еще неведомыми нам талантами.