Текст книги "Почему у пингвинов не мерзнут лапы? и еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого"

Автор книги: Мик О'Хара

Обладатель идеального зрения способен без бинокля или телескопа разглядеть дугу величиной не более 1'. По очень приблизительной оценке ширина Великой Китайской стены 6 метров. Это означает, что ее не разглядеть с высоты около 20 километров, вдвое превышающей высоту горы Эверест. Даже если принять во внимание тень стены, она будет видна лишь на некоторых участках общей протяженностью около 60 километров. Из-за сопротивления воздуха космические корабли не могут летать на такой высоте.

Однако существует множество других рукотворных объектов, видимых из внеземного пространства, самый большой из них – голландские польдеры, или отвоеванные у моря земли. Большие города тоже видны по ночам как скопления уличных огней.

Д. ФискИпсвич, Суффолк, Великобритания

Известно, что человеческому глазу удобнее высматривать длинные объекты, а не короткие, поэтому Великая Китайская стена вполне может быть видна с Луны. Но на некоторых участках стена почти полностью разрушена и часто незаметна даже на Земле, не говоря уже о космосе. X. Дж. Арнольд, специалист по фотографии и опытный астроном, исследовал эту проблему и пришел к выводу, что увидеть стену с Луны физически невозможно.

Нил Армстронг из экипажа «Аполлона-11» утверждал, что стена точно не видна с Луны. Его коллега, астронавт Джим Лоуэлл из экипажа «Аполлона-8» и «Аполлона-13», подробно записал свои наблюдения и заявил, что гипотеза насчет стены абсурдна. Джим Ирвин, совершивший полет на «Аполлоне-15», говорил, что о разглядывании стены из космоса не может быть и речи.

Фотографии, сделанные беспилотными спутниками и зондами, доказывают, что местонахождение стены иногда можно определить по песку, нанесенному с наветренной стороны, но сама стена невидима. Вероятно, это конец еще одной легенды.

Роберт БраунЭшби-де-ла-Зух, Лестершир, Великобритания

Приливы и отливы

«Может быть, кто-нибудь объяснит мне в простых и доступных выражениях, почему высокие приливы случаются одновременно с обеих сторон Земли?»

Пэт Шейл Сидней, Новый Южный Уэльс, Австралия

Чтобы разобраться в причинах приливов, следует пренебречь суточным вращением Земли вокруг своей оси и сосредоточиться только на вращении системы Земля – Луна.

Это вращение происходит вокруг общего центра гравитации системы, который находится на полпути от поверхности к центру Земли и заставляет каждую точку внутри земного шара или на его поверхности описывать окружность радиусом, равным расстоянию от общего центра притяжения до центра Земли.

Следовательно, в каждой точке действует центробежная сила, имеющая везде одинаковую величину и направленная от Луны, параллельно линии, соединяющей центры Земли и Луны. Эта центробежная сила отличается от тех, которые созданы вращением Земли; ими мы пренебрежем.

На каждую точку Земли также действует сила притяжения, направленная к Луне; эта сила имеет различное направление в разных точках Земли.

Равнодействующая этих двух сил создает приливообразующую силу. Если мы рассмотрим две точки на поверхности Земли, одну – непосредственно под Луной, а другую – на оборотной стороне планеты, выяснится, что сила притяжения Луны в ближайшей к ней точке больше центробежной силы, которая, как мы уже говорили, направлена от Луны.

Дальняя точка отстоит дальше от Луны на один диаметр Земли, сила притяжения Луны в этой точке меньше центробежной силы, как и результирующая сила, действующая на точку, более удаленную от Луны.

В большинстве популярных источников одновременное возникновение приливов в двух противоположных точках планеты объясняется тем, что, когда Луна притягивает воду в ближайшей точке, слегка меняется и положение земного шара.

Но это объяснение не дает понять, почему такая система не рушится под действием взаимного притяжения Луны и Земли.

Д. С. ПареснисКафедра геофизики, Технологический университет Лулео, Швеция

Если пренебречь влиянием других небесных тел, центр массы Земли и центр тяжести Луны находятся в свободном падении и следуют по орбитам вокруг общего центра масс системы Земля – Луна, где притяжение и центробежное ускорение полностью уравновешиваются.

Но на большей части поверхности Земли этот баланс будет нестабильным, потому что Луна находится или ближе, или дальше, но все равно вынуждена следовать по орбите с той же скоростью, что и центр массы Земли.

В океане на поверхности Земли, обращенной к Луне, сила лунного притяжения больше центробежной силы, поэтому вода образует выпуклость, направленную к Луне.

На противоположной стороне Земли преобладает центробежная сила, поэтому вода образует выпуклость, направленную от Луны. Обе выпуклости создают высокие приливы.

В сущности, поверхность моря, которая в противном случае была бы сферической, растянута вдоль оси Земля – Луна по эллипсоиду, и, поскольку любая точка на Земле входит в зону выпуклости и выходит из нее, следом за местным приливом наступает отлив.

Грег ЭганПерт, Западная Австралия

Одновременные высокие приливы на противоположных сторонах Земли – результат дисбаланса гравитационных и центробежных сил. Приливы создаются притяжением Земли и Луны, и в меньшей степени – взаимодействием Земли и Солнца.

Мы привыкли считать, что Луна вращается вокруг Земли, но на самом деле Луна и Земля движутся по орбите вокруг общего центра масс, который находится ближе к центру Земли. Центробежные силы, создаваемые орбитальным движением обоих небесных тел, уравновешивают гравитационное притяжение каждого из них.

Но этот баланс точен только в центре каждого небесного тела. На стороне Земли, ближайшей к Луне, притяжение Луны чуть сильнее, а центробежная сила – слабее чем у центра Земли, поэтому вода здесь притягивается к Луне. На противоположной стороне Земли притяжение слегка слабее, а центробежная сила больше, поэтому вода притягивается в противоположную сторону от Луны.

Марк БертинатЧестер, Великобритания

Соленая тайна

«Младшие классы Гленбрукской школы летом возили на экскурсию к морю. Нам понравилось, только непонятно, почему море соленое. Моя мама не знает».

Джон КонноллиЛондон, Великобритания

Вода в море соленая потому, что впадающие в него реки приносят с суши соли и другие минеральные вещества. Соли растворяются в реках, а реки несут их в море. Солнце испаряет воду из моря, получаются тучи, а соли и минеральные вещества остаются, поэтому вода в море солонее, чем в реках и озерах.

Джек Кейв-Линч(9 лет) Веллингтон, Новая Зеландия

 
Джон Коннолли умным ребенком слывет:
Вопросы он с малых лет задает.
У соленого моря приятно гулять,
Брызгаться, плавать, на солнце лежать.
Но вода не похожа, как это ни странно,
На воду в бутылке иль из-под крана.
Джонни, послушать причину изволь:
С сахаром – чай, а в море есть соль.
И вот еще чем примечательно море:
Разные соли есть в этом растворе.
Здесь в тесноте, но никак не в обиде
Возле хлоридов живут иодиды.
Калий и магний дружной гурьбой
На берег морской выносит прибой.
Знания будут Джонни наградой.
Ты умник. Беги, маму с папой порадуй!
 

Рей ХитонСолихалл, Западный Мидлендс, Великобритания

Потери энергии

«Когда применяется так называемый эффект рогатки для ускорения межпланетных космических кораблей? Очевидно, в нем используется притяжение планеты, но мне с моими примитивными познаниями в физике кажется, что любая кинетическая энергия, приобретенная при приближении к объекту, будет неизбежно потеряна как потенциальная при удалении от объекта. Каким образом планета придает кораблю энергию?»

Дэвид БейтсЭли, Кембриджшир, Великобритания

У меня возникли те же затруднения, что и у автора вопроса, когда я впервые услышал о запуске «Вояджера» с применением «эффекта рогатки». Очевидно, что чистого выигрыша в энергии не получится, если зонд просто преодолеет стационарное поле тяготения.

Но Юпитер и поле его притяжения вращаются вокруг солнца со скоростью около 1300 метров в секунду, и любой зонд, пролетающий за планетой, получит ускорение от ее движущегося поля тяготения – почти как серфер, использующий энергию волны. Энергию придает не поле тяготения, а кинетическая энергия движущейся планеты, которая слегка притормаживает на орбите и еще чуть-чуть приближается к Солнцу.

Планета прибавляет скорость, направляясь к Солнцу и, как ни парадоксально, вращается быстрее, чем прежде. На приближение Юпитера к Солнцу на 10 ^-15метров (расстояние, примерно равное диаметру протона), затрачивается более 416 мегаджоулей.

Майк БраунНатсфорд, Чешир, Великобритания

Живые и мертвые

«В одной из песен американской актрисы и певицы Пори Андерсон повторялись слова „Теперь, когда живых больше, чем мертвых..!“ Правда ли это? Если да, когда это произошло? А если нет, может ли вообще произойти? Есть ли у нас достоверная статистика по численности населения в доисторический период?»

Джон ВудлиТулуза, Франция

Приведенный ниже ответ основан на вычислениях, опубликованных Международным институтом статистики.

Если население планеты всегда росло нынешними темпами, удваиваясь за период, равный средней продолжительности жизни человека, тогда количество ныне живущих превысило количество мертвых.

На самом деле все было по-другому. В прошлом случались продолжительные периоды, когда численность населения совсем не росла, а люди продолжали умирать. Как ни странно, мы располагаем информацией о численности населения в разные исторические эпохи, в том числе данными переписей, которые проводили римляне и китайцы.

Сведения по более древним временам получены, исходя из площади обрабатываемой земли или охотничьих угодий, а также количества людей, которые могли прокормиться плодами этой земли (с учетом существовавших тогда методов производства продуктов питания). По оценкам Ж.-Н. Бирабена, за 40 000 лет до начала н. э. в мире насчитывалось 500 тысяч человек. Численность населения росла, но темпы ее роста менялись: в первом тысячелетии новой эры она составляла 200–300 миллионов человек, а в начале XIX века достигла миллиарда человек.

Умножая численность населения на показатель смертности, мы обнаружим, что всего с 40 000 года до н. э. до наших дней умерло порядка 60 миллиардов человек. А нынешняя численность населения всего мира не превышает 6 миллиардов.

Несмотря на то что подтвердить точность исторических сведений невозможно, погрешности не могут быть настолько велики, чтобы прийти к выводу о превосходстве численности живущих людей. Мертвых всегда было больше, и так будет продолжаться еще неопределенно долгое время.

Роджер ТэтчерНью-Молден, Суррей, Великобритания

В саду Эдемском количество живых (2 человека) превосходило количество мертвых (0).

Дж. Л. ПапагеоргиуЛестер, Великобритания

В древнеиндийском эпосе «Махабхарата» старшему среди пандавов Юдхиштхире бог Яма, страж загробного мира и всех праведных, задает множество вопросов, в том числе и приведенный выше, чтобы испытать познания, силу разума и правдивость Юдхиштхиры.

Превратившись в аиста, Яма охранял пруд, из которого напились четыре брата Юдхиштхиры. Не сумев ответить ни на один вопрос Ямы, братья пали мертвыми. Когда Яма в облике аиста спросил: «Кого больше, живых или мертвых?» – Юдхиштхира ответил: «Живых, ведь мертвых уже нет!»

Яма принял этот и все остальные ответы Юдхиштхиры который на самом деле приходился ему сыном, благословил его и воскресил его мертвых братьев.

Шафи АхмедЛондон, Великобритания

Искусственный снег

«Можно ли снизить влияние парникового эффекта, если выкрасить крыши домов в белый цвет, чтобы они отражали солнечные лучи так же, как снеговые шапки полюсов? Существует ли краска, обладающая отражающими свойствами снега?»

Пол НоланУоррингтон, Чешир, Великобритания

Белые крыши могли бы отражать больше солнечного света и компенсировать глобальное потепление. По данным Глобального картографического проекта для городской и сельской местности (GRUMP), разработанного Институтом Земли при Колумбийском университете (Нью-Йорку, примерно 3 % поверхности суши занимают различны строения.

Альбедо Земли составляет 0,29; это означает, что Земля отражает около 29 % солнечного света, попадают на нее. При альбедо, равном 0,1, города поглощают больше солнечного света, чем планета в целом. Перекраска всех крыш в белый цвет увеличит альбедо Земли с 0,29 до 0,30. В соответствии с очень простой нуль-мерной моделью Земли это приведет к падению температуры на планете почти на 1 °C, что полностью компенсирует глобальное потепление, возникшее с началом промышленной революции. Но в нуль-мерной модели не учитывается влияние атмосферы и, что особенно важно, роль облаков. Интересно было бы узнать, есть ли более сложные модели, предсказывающие последствия подобного похолодания.

Майк ФоллоузУилленхолл, Западный Мидлендс, Великобритания

Гораздо полезнее было бы превратить крыши в мини-электростанции, покрыв их фотоэлектрическими плитками. Эта энергия заменила бы значительную часть энергии полезных ископаемых, и нам не пришлось бы нарушать сложную и нестабильную климатическую систему Земли. Лучше профилактика, чем лечение, эффект которого неизвестен.

Майк ХалмНоридж, Великобритания

Угасающая звезда

«Производя энергию, Солнце скорее всего теряет массу, и сила его притяжения ослабевает. Будут ли планеты по спирали отдаляться от Солнца? Если да, то насколько и как далеко окажется Земля к тому времени, как Солнце превратится в красного гиганта?»

Майк ГэнлиФернтри, Тасмания, Австралия

Солнце теряет около 4 миллионов тонн в секунду – массовый эквивалент энергии, которую оно вырабатывает в ходе термоядерных реакций. Еще несколько миллионов тонн – потери, вызванные солнечным ветром и другими выбросами частиц. Но даже после двух миллиардов лет эти потери составляют всего одну десятитысячную массы Солнца. Поэтому и расстояние от Солнца до Земли увеличится на долю такого же порядка.

Ситуация кардинально изменится, когда Солнце наконец превратится в красного гиганта, что произойдет примерно через 6 миллиардов лет. В то время радиус Солнца будет в 100 раз превышать нынешний. Согласно последним оценкам, в состоянии гиганта Солнце может поглотить Меркурий, Венеру и Землю, а более удаленные планеты, такие как Марс, уцелеют и будут продолжать двигаться по орбитам, даже когда Солнце станет белым карликом.

Если предположить, что окончательная масса Солнца как белого карлика составит 0,6 нынешней, планетарные орбиты в этом очень далеком будущем увеличатся на 80 % по сравнению с нынешними – по причинам, которые упомянуты в вопросе.

С. СвирамИндийский институт астрофизики, Корамангала, Бангалор, Индия

Удивительно, но, несмотря на то что каждую секунду Солнце превращает в чистую энергию 4 миллиона тонн своей массы и будет продолжать сжигать водород, пока через несколько миллиардов лет не превратится в красного гиганта, оно потеряет только малую толику своей нынешней массы. Чтобы Земля сохранила свой вращательный момент, радиус ее орбиты должен увеличиваться со скоростью всего 1 сантиметр в год.

Но этого будет слишком мало, чтобы компенсировать неуклонно усиливающуюся яркость Солнца. Поэтому

Земля обречена повторить судьбу своей небесной соседки Венеры и столкнуться с последствиями возникшего естественным путем парникового эффекта – конечно, если деятельность человечества не ускорит его приближение.

Майк ФоллоузУилленхолл, Западный Мидлендс, Великобритания

7. Непредсказуемая погода

Небесные вилы

«Почему молния раздваивается? Каков диаметр молнии?»

Майкл ЛиЛондон, Великобритания

Молния обычно приносит на землю отрицательный заряд грозы. Отрицательно заряженная ветвь предшествует видимой молнии, направляется вниз из туч, пронзает воздух, в котором присутствуют положительно заряженные «карманы». Они возникают из-за точечных разрядов ионов, притянутых от земли мощным электрическим полем грозы.

Ведущая ветвь молнии разветвляется в попытке найти путь наименьшего сопротивления. Когда одна из ветвей приближается к земле, негативные заряды притягивают положительные ионы вертикальных объектов, таких как трава и деревья, и образуют проводящий путь между тучами и землей. Затем негативный заряд уходит в землю, начиная от нижней точки ведущей ветви молнии. Это видимый «обратный удар», свечение которого движется вверх, а заряд – вниз. Ответвления главной ветви, которым не удалось дотянуться до земли, раскаляются сильнее, когда их заряды направляются в главную ветвь.

На снимках толщина ветвей молнии часто выглядит увеличенной из-за передержки пленки. Судя по следам на объектах, поврежденных ударами молнии, диаметр ее ветви составляет 2—100 миллиметров.

Р. СаундерсГруппа физики атмосферы, Манчестерский университет, Великобритания

Море волнуется

«Какой механизм преобразует энергию ветра в непрекращающуюся череду океанских волн? От чего зависит их амплитуда и частота?»

Фрэнк СкахиллИстонвилл, Новый Южный Уэльс, Австралия

Когда ветер дует над поверхностью воды в море, образуется легкая рябь. Волны, возникающие при сильных порывах ветра, беспорядочны, не имеют ни определенного направления, ни постоянной частоты.

При ветре наблюдаются два явления. Во-первых, волны взаимодействуют друг с другом, образуя более длинные волны с низкой частотой. Во-вторых, ветер подталкивает эти волны и придает им новую энергию. Пока продолжается буря, под влиянием ветра волны будут расти, а динамика волн – развиваться таким образом, что длина волн станет увеличиваться.

Некоторые слишком крутые волны разбиваются, но суммарное количество энергии продолжит расти. Волны, возникающие в определенных точках, называются ветровыми. Их энергия зависит от того, как долго дует ветер (продолжительность) и на каком расстоянии (длина нагона). Волны на поверхности моря – не просто последовательность волн, а сложная поверхностная структура.

Такой сложной системе невозможно просто придать амплитуду и частоту. Значимая высота волны – средняя высота самой высокой третьей волны – служит для описания величины волн, а пиковый период между доминирующими или наиболее интенсивными волнами является критерием оценки частоты. В среднем каждые три часа появляется волна, по высоте дважды превышающая значимую.

В конце концов энергия, приданная морю ветром, будет уравновешена потерями энергии, в основном в полосе прибоя. В этот момент волны перестанут расти – это явление называется полностью развитым волнением. При ветре силой 20 метров в секунду (8 баллов) высота значимой волны при полностью развитом волнении достигнет 9 метров, а пиковый период составит 15 секунд.

Волны могут преодолевать тысячи километров от места зарождения. В отличие от световых или звуковых волн, скорость морских волн увеличивается вместе с длиной, а частота уменьшается.

Волны, ускользнувшие из зоны шторма, называются зыбью. У них меньше диапазон периодов и почти правильные волновые серии. Поскольку им не сообщается энергия, она не рассеивается при разбиении волн, и они продолжают путь по океану, пока не достигнут суши.

Ввиду изменения частот при разных скоростях волн зыбь делится на обособленные компоненты, путешествуя по океану. Значимая высота волны и пиковый период зыби определяются скоростью ветра, продолжительностью и нагоном, характерными для шторма, создавшего эти волны.

Питер ЧалленорСаутгемптонский океанографический центр, Гемпшир, Великобритания

Энергия ветра поначалу поднимает ветровые волны. Ветровые волны круче и беспорядочнее, чем зыбь, для них характерны барашки и пенистые гребни. Чем дольше дует ветер, тем длиннее преобладающие ветровые волны.

Когда ветер прекращается или ветровые волны покидают зону возникновения, образование барашков некоторое время продолжается, его сопровождает удлинение волн, пока они не утратят крутизну, необходимую для формирования барашков. Ветровые волны превращаются в зыбь.

Поверхностным волнам в жидкости свойственно рассеиваться – это означает, что волны разной длины перемещаются с разными скоростями. Чем длиннее волна, тем быстрее она перемещается и первой достигает наблюдателя.

Со временем длина зыби становится все короче, ее место занимают короткие волны. Зыбь от шторма, сформировавшегося за тысячи километров, может сохраняться несколько дней, но в конце концов укоротится из-за дисперсии.

Дисперсия действует как фильтр, поэтому только зыбь узкого диапазона может присутствовать в одной зоне океана в один период времени. Именно поэтому зыбь выглядит такой одинаковой, если смотреть на нее с самолета.

Обычно амплитуда зыби снижается при выходе из зоны волнообразования, поскольку энергия распространяется по значительному участку океана.

Но это еще не все. Следующий ветер поднимет ветровые волны, часть энергии которых передастся зыби и увеличит ее амплитуду, не меняя длины волны. Точно так же ветровые волны в обратном направлении могут уменьшить амплитуду зыби.

Джон РидБывший сотрудник лаборатории Хобарта при отделе морских исследований, Тасмания, Австралия

Темное дело

«Почему облака темнеют и приобретают темно-серый цвет перед дождем или сильной грозой?»

Мэтт БуркГрейсвилл, Квинсленд, Австралия

Пушистые белые облака темнеют перед дождем потому, что впитывают больше света.

Обычно облака выглядят белыми, когда свет, проходящий сквозь них, рассеивает мелкие частицы льда или воды, из которых они состоят. Но когда размер этих частиц льда или воды увеличивается, как бывает перед дождем, рассеивание света постепенно заменяется поглощением.

В итоге гораздо меньше световых лучей доходит до наблюдателя, находящегося на земле, а облака превращаются в темные тучи.

Кит ЭпплярдДанди, Тейсайд, Великобритания

Очки-хамелеоны

«На стекла моих очков нанесено фотохромное покрытие. Под палящим карибским солнцем очки были лишь слегка затемнены. Но при слабом зимнем солнце в Великобритании они почти совсем почернели. Почему?»

Джефф ЛандерУитвик, Лестершир, Великобритания

Мы приводим два объяснения: физическое и химическое. По-видимому, потемнение стекол связано в первую очередь с химическими реакциями. – Ред.

Могу только предположить, что автор вопроса гулял под карибским солнцем, а не жарился на пляже. Значит, его случай можно объяснить следующим образом.

Зимой в Великобритании солнце не поднимается высоко, его лучи направлены почти прямо на вертикальную плоскость линз и перпендикулярно им. В тропиках солнце висит чуть ли не над головой, и, если автор не лежал на пляже, солнечные лучи попадали в верхний край его очков. Им доставалась лишь малая толика светового излучения, поэтому очки не потемнели.

Чарльз КлюпфельБлумфилд, Нью-Джерси, США

Оптики обычно забывают упомянуть одну деталь: фотохромное покрытие на очках не действует в жарком климате. Частицы галогенида серебра, нанесенные на стекло, обычно прозрачные, но под действием ультрафиолетового излучения распадаются на галоген и металлическое серебро, от которых темнеют линзы.

Поскольку оба компонента нанесены на стекло, они снова соединяются, а если действие ультрафиолетового излучения заканчивается, – например, когда вы заходите в дом, – снова становятся прозрачными. При повышении температуры реакция воссоединения ускоряется, как и многие другие. Поскольку потемнение стекол в любой момент времени представляет собой баланс распада, вызванного ультрафиолетом, и воссоединения, зависящего от температуры, требуется гораздо больше ультрафиолета, чтобы достичь определенного уровня потемнения в жарком климате.

Алек КоулиНьюбери, Беркшир, Великобритания

Фотохромные материалы чувствительны к температуре и на холоде темнеют сильнее. Мои солнцезащитные очки становятся почти черными в холодные дни, но почти не меняют цвет под полуденным солнцем Флориды. Это хорошо для лыжников, но не для тех, кто любит прогулки под солнцем.

На собственном опыте я убедился, что многие фотохромные линзы реагируют почти исключительно на ультрафиолетовое излучение, а не на видимый свет, поэтому в машине они почти не темнеют.

Уильям ДарлингтонТехнологический колледж Белла, Гамильтон, Стратклайд, Великобритания

Реакция фотохромных линз на свет зависит от температуры. При низких температурах меняется динамика фотохимической реакции, поэтому обратная реакция – осветление линз – затягивается.

Фотохромные линзы сильно темнеют при низких температурах. Жизнь на Среднем Западе Америки дала мне возможность испытать температурное воздействие в идеальных условиях для такого эксперимента. При летней температуре около 30 °C мои фотохромные линзы приобретали синевато-серый оттенок, а в разгар зимы, при -10 °C, быстро чернели.

Темные линзы в солнечные зимние дни особенно полезны потому, что снег слепит глаза. Но сильное затемнение стекол раздражает, когда в солнечный день входишь в помещение: требуется почти 10 минут, чтобы линзы снова стали нормальными.

Барри ТиммсУниверситет Южной Дакоты, Вермильон, США