Текст книги "Возвращение чародея"

Автор книги: Владимир Келлер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 16 страниц)

«Голубой уголь».Океан газов, омывающий нашу Землю, весит 5·10 ¹⁵тонн. Огромные газовые массы заряжены а соответствующей энергией: полная кинетическая энергия их движений равна примерно 10 ²⁰ дж(то есть 28·10 ¹² квт-ч). А используется эта мощь людьми крайне недостаточно.

Ветер как источник энергии стал применяться много раньше, чем энергия каменного угля и нефти. Когда-то ветряные и водяные мельницы были чуть ли не единственными промышленными механизированными предприятиями Европы. Сейчас их, однако, много только в странах, бедных другими видами энергии, например в Голландии.

Главный недостаток ветряных двигателей – именно их «ветреность», непостоянство: количество вырабатываемой ими энергии зависит от случайностей и потому неравномерно. Инженер, работающий на ветросиловой установке, похож на рыбака на паруснике в открытом море: он может попасть в штиль, сидеть сложа руки и ожидая ветра; может, наоборот, оказаться в страшном шторме.

Многие из-за непостоянства голубой стихии не верят в будущее воздушной энергетики. Есть, однако, идеальные условия для работы ветряков. Академик А. И. Берг однажды привел пример возможного использования «голубого угля»: подъем воды на поля из глубоководных подземных морей Казахстана. Эта республика стоит на воде, а по ее степям и пустыням «бродит» неприкаянный ветер. Почему бы ему не дать хорошую работу, почему не создать на плодородных, но сухих пространствах этой большой среднеазиатской республики лес ветросиловых установок, высасывающих подземную воду для полей? Тем более, что как раз здесь строгой периодичности, постоянства ветра вовсе и не нужно.

За образец для расчета плотности энергии воздушного потока принята установка, работающая с учетом скорости ветра в 13,3  м/сек. В этом случае 1 килограмм воздуха несет в себе 6,7 ккалэнергии.

Смирить как-то ветер, направить его в русло порядка, сделать бесперебойным источником полезной для людей энергии – задача, которую еще предстоит решить.

«Красный уголь».На Земле свыше 400 действующих вулканов, множество гейзеров и других горячих источников. Энергия рвется из глубоких недр, ее там много. Но пока «красный уголь» не нашел себе еще достаточного и достойного применения.

Сравнительно давно работающая геотермическая установка расположена в городе Лордерелло в Италии. Вырывающийся из земных недр пар с довольно высокой температурой и под значительным давлением очищается и пускается на лопасти паровых турбин. Тепловая плотность пара – 670 ккал/кг. В других местах подземное тепло идет просто на отопление домов. Так, столица Исландии – Рейкьявик – отапливается вообще исключительно таким теплом. Удачные опыты в том же направлении ведутся в некоторых городах Советского Союза: в Грозном, Махачкале, Тбилиси и др.

Первая опытная электрогеотермическая станция на 5 тысяч квтпостроена на Камчатке на горячих источниках Паужетской долины, в 300 километрах от Петропавловска. Там же, недалеко от местечка Паратунки, строится Больше-Банная геотермическая электростанция мощностью 25 тысяч квт.

У «красного угля» большое будущее и как у источника энергии, способной вырабатывать электричество. Принципиально этот источник энергии позволяет строить электростанции мощностью до 10–20 миллионов квт.

«Фиолетовый уголь».Использование термической энергии морей основано на температурной разнице в 10–20 градусов между верхними и нижними слоями воды в некоторых жарких странах. Электрическую энергию можно вырабатывать с помощью термоэлементов, помещаемых в холодный и теплый слои воды. Есть и другой способ: создавать вакуум в котле и пускать туда горячую воду; она будет превращаться в пар при температурах меньше обычной точки кипения; если такой пар пропускать через лопасти турбины, а затем охлаждать холодной водой, получится настоящая установка, способная вырабатывать электрический ток.

Именно такая установка построена в Абиджане – столице Берега Слоновой Кости (Западная Африка). Для турбин мощностью 7 тысяч квттам требуется около 30 тысяч кубометров в час глубиной воды с температурой 8 градусов (температура же поверхностной воды колеблется от 26 до 30 градусов). Плотность энергии получается очень низкой – 14 ккал/кг. Другие недостатки этого способа извлечения энергии – крайняя ее рассеянность, а также низкий к. п. д. – 1–1,4 %.

Мускульная энергия.Три с лишним миллиарда человек – сегодняшнее население Земли – владеют примерно равноценным по физической силе поголовьем тяглового скота. Общая приблизительная годовая энергетическая отдача грубой силы работающих существ составляет не больше 3 миллиардов квт-ч. Однако и это число практически стремится вниз: машины повсеместно, хотя и не всюду одинаково быстро, принимают на себя физические работы.

Конечно, это хорошо: научный и технический прогресс, стимулируемый прогрессом социальным, несовместим с образом лошадки, тянущей примитивную соху, хотя этот образ сохранился лишь в немногих странах.

Беспорядок, который нас пугает, а должен бы, напротив, радовать

«Куда же девался Боря? Посмотрю сперва за домом, потом в гараже у соседа, потом в Сережином подъезде».

Конечно, мать не помнит, что находила своего Борю за домом 65 раз, в гараже – 44 и у Сережи – 32 раза, но это соотношение оставило свой след, и она уверенно начинает поиски по нисходящим вероятностям.

Инженер командируется в Таллин. Он слышал, что в столице Эстонии солнечных дней в году не больше тридцати, и берет в дорогу плащ. Он едет только на неделю, быть может, будет солнце, но статистика за дождь, и инженер склоняется перед статистикой.

Мы часто пользуемся статистикой (сознательно или бессознательно), чтобы угадать событие из нескольких возможных. С ее помощью мы хотим узнать стремление предмета предвидеть ситуацию. Детали предмета при этом нас, как правило, не интересуют, они в известном смысле здесь не играют роли, хотя, конечно, сами по себе ценны, и при другом – нестатистическом – подходе могут нас даже очень интересовать.

И что же, большей частью мы не ошибаемся. Равнодушная к причинам, неинтересующаяся – «почему», статистика с высокой точностью может сказать о любом предмете: «как». Лишь бы было много событий в прошлом, лишь бы было где искать статистическую закономерность.

Воспользуемся замечательными свойствами статистики, чтобы разобраться в одном чрезвычайно важном для нас вопросе – в «механических свойствах» времени, точнее, в том, как, в какую сторону с течением времени развиваются механические (и вообще физические) процессы в системах, состоящих из очень многих тел (ими могут быть и молекулы газов, жидкостей и твердых тел; наука, изучающая процессы в телах, рассматриваемых как собрания большого числа частиц, называется статистической физикой).

В одной из предыдущих главок («„Покорный вектор“ – величайшее изобретение человечества») мы упомянули о дачниках, обнаруживающих весной на даче какой-то беспорядок. Кто его делает? Мыши? Майские жуки, пролезшие сквозь щели? Нет, его делает Время.

Да, время, образно говоря, обладает чисто механическим свойством перемещать предметы. Конечно, на самом деле предметы перемещаются воздействием на них других предметов. Но нам кажется, что повинно время, и при этом чувствуется тенденция: вопреки тому, как часто говорится, «время работает на нас», «время все улучшает» и т. п., – оно, в рассматриваемом сейчас смысле, всегда и очень определенно работает против нас. Оно «старается» разрушить созданное нами, «стремится» все перемешать, сровнять с землей, уравновесить. Где нет людей, там нет порядка, а тот, что был, неукоснительно идет на нет, все больше переходит в беспорядок.

Но как говорить о «работе», о «стремлении» чего-то неосязаемого? Ведь время, если можно так сказать, еще невидимее таких материальных сущностей, как поля. Электромагнитное поле отклоняет стрелку прибора, тяжесть растягивает пружину безмена. В обоих случаях через нечто промежуточное (прибор, датчик) мы делаем невидимое видимым, с помощью физического инструмента обнажаем движения, таящиеся в полях. А как обнажить тенденции, стремления, таящиеся во времени?

Одно только свойство времени мы научились делать зримым: равномерный ход вперед (по крайней мере, «равномерный» в условиях Земли, в условиях инерциальной системы; см. стр. 52). Но часы, помогающие нам в этом, не годятся для показа более активных свойств. Вообще тут нужны не только физические средства, но и математические – те, которыми располагает статистика и ее основа – теория вероятностей, так называемый закон больших чисел.

Не будем пересказывать основные положения статистики, известные по учебникам математики и физики. Приведем пример, убедительный и без цифр, пример, показывающий, чтó выбирает Время, предоставленное само себе, – порядок или беспорядок.

Поставим следующий воображаемый опыт (опыты подобного рода часто «ставят» физики, и такой прием рассуждений не вызывает никаких сомнений). Посадим за миллион пишущих машинок миллион мартышек, предварительно показав им, что делают с машинками люди, и научив мартышек вставлять и выдергивать бумагу. Обезьяны, обезьянничая, захлопают по клавишам, из машинок полетят потоки абракадабры. Как раз вот этим самым – чепухой, примерно одинаковым числом повторов каждой буквы на каждом из листков, – листки будут поразительно похожи один на другой. Мы с полным основанием сможем сказать: «Не мартышки печатают листки, печатает их Время, и все одно и то же – чепуху. Вот оно каково – оно стремится к беспорядку».

В конце концов оно смогло бы сотворить и что-нибудь порядочное, осмысленную фразу вроде: «Я помню чудное мгновенье…» Но для того чтобы листок с подобной фразой стал реальностью, нам нужно было бы, как говорит статистика, не выходить из мартышечьего машинописного бюро в течение многих миллионов лет.

Итак, время не просто идет вперед, идет от прошлого в будущее, оно ведет с собой беспорядок. Факт этот имеет для всей нашей жизни исключительно большое значение, потому что мы вынуждены вечно воевать со временем. А это нелегко: время очень могуче. Куда как проще быть с ним заодно (и сеять беспорядок), чем с ним бороться (создавать порядок).

Легко перетасовать колоду карт; разложить их в правильной последовательности сложнее. Ничего не стоит перемешать соль и сахар; а кто сумеет восстановить порядок – разложить полученную смесь на составляющие!

Физики придумали для меры беспорядка, к которому стремится изолированная, предоставленная самой себе физическая система, особое название: энтропия(исторически сперва ввели термин «энтропия», позднее стали говорить о беспорядке). На первых порах, как это обычно бывает с новыми понятиями физики, энтропия казалась чем-то невероятно сложным. Знаменитый французский математик конца прошлого и начала этого столетия Анри Пуанкаре назвал понятие энтропии «чудовищно абстрактным». А теперь (точнее, после того как доказали, что энтропия характеризует беспорядок) слово «энтропия» не вызывает, как правило, никаких нравственных страданий. Так же, как и тот физический закон, в выражении которого оно применяется, так называемый закон возрастания энтропии:

Энтропия изолированной физической системы может только возрастать, но не может уменьшаться.

Иногда этот закон называют еще «вторым законом термодинамики», так как он обычно применяется в учении о теплоте, а последнее широко пользуется главой теоретической физики, называемой термодинамикой.

А где «первый закон термодинамики»? Есть и такой. Он говорит о том, что изменение энергии большой физической системы складывается из тепловой и нетепловой частей, причем общая сумма этих частей при таком изменении не меняется. Первый закон термодинамики часто (но не совсем точно) называют законом сохранения энергии применительно к тепловым процессам.

В учебниках для иллюстрации действия закона возрастания энтропии часто приводят пример с двумя сообщающимися сосудами: первый наполнен газом с давлением в 1 атмосферу, во втором нет ни молекулы. Открыли оконце в перегородке между сосудами, и газ из наполненного резервуара тотчас заструился в вакуум. Через очень короткое время убеждаются, что в каждом из сосудов – поровну молекул газа. Потом можно ждать хоть вечность, но это положение практически не изменится.

Но что, если вечности не ждать, а повернуть время вспять? Физически сделать это, разумеется, невозможно, но можно чуточку схитрить. Если бы мы сумели снять на кинопленку расширение газа, то потом нам уж ничего не стоило бы пустить пленку наоборот. И мы увидим странную картину: из одного равнонаполненного газом сосуда молекулы вдруг стали быстро вылетать в другой сосуд, и вот через несколько мгновений в одном сосуде образовалось давление в 1 атмосферу, а в другом – идеальный вакуум.

Этот воображаемый опыт нам понадобился для иллюстрации очень важного положения: и в случае превращения беспорядка в порядок не нарушается ни один закон микроскопической физики. Все эти законы допускают обратимость процессов в природе, «обратимость времени».

Но в общем-то избежать влияния закона возрастания энтропии невозможно. А он ограничивает применение других законов физики: он требует, чтобы в результате всякого процесса в конечном счете порядок хоть чуточку уменьшился бы, а беспорядок хоть чуточку возрос. Принцип возрастания энтропии по самому своему смыслу является принципом необратимости макроскопическихпроцессов.

Как все сказанное связать с энергией, с взаимным превращением одних ее форм в другие?

Мы делили энергию на сконцентрированную и рассеянную, на восполняемую и невосполняемую, на четыре группы по происхождению: от Солнца, от притяжения Луны, от ядерных перестроек, от внутреннего тепла Земли. Мы можем делить ее еще на «благородную» и «неблагородную», или высшие и низшая формы. Первая, высшие формы энергии, – механическая, электромагнитная; вторая, низшая форма энергии – тепловая. В чем главное различие между ними, в чем «неблагородство» тепловой энергии?

Благородные формы энергии способны целиком превращаться в другие, полезные формы энергии, в работу. Тепловая, в лучшем случае, может быть превращена в полезную энергию лишь частично.

Почему?

Высшие виды энергии – все упорядоченные. Механическая энергия связана с упорядоченной частью движения молекул – по траекториям, одна рядом с другой. Падает ли вода, вращается ли колесо турбины, движется ли взад-вперед поршень двигателя – все это движения порядка, все это выделяется из стихий, находится в резком с ними неравновесии. Электромагнитная энергия вызывает образ строгого потока волн, движения по проводам потока электронов. У этих форм есть куда изменяться: от своего порядка к беспорядку; они способны соблюсти требование роста энтропии.

Иное – тепловая энергия. Она – сама беспорядок. Это энергия хаотического движения молекул вещества. Энергия теплового движения частиц не может перейти сама собой в механическую энергию, способную совершить работу, потому что это значило бы самопроизвольное превращение беспорядка в порядок, что запрещено законом физики.

Как бы ни были велики запасы тепловой энергии, они не могут быть превращены в работу, стать полезными, если речь пойдет о том, чтобы только «поднять их вверх». В Земле хранится очень много такой энергии. Охладив планету, масса которой равна 6·10 ²⁴(6 миллионов миллиардов миллиардов) килограммов, всего на 1 градус, мы получили бы 1,2·10 ²⁴килокалорий тепла – в миллиард раз больше, чем вырабатывают сейчас каждый год все вместе электростанции мира. Но это невозможно; такого рода тепло бесполезно для электростанции: извлечь его не позволяет закон роста энтропии.

Мы не смогли бы превратить в работу тепловую энергию Земли, даже если бы вся планетавдруг резко разогрелась бы, а мы в жаростойких костюмах поспешили воспользоваться этим для выработки электроэнергии.

Многие убеждены, что, для того чтобы заработала паровая машина, достаточно дать пар. Но это совершенно неверно. Беспорядок не может сам по себе превратиться в порядок.

Чтобы работали тепловые двигатели, обязательно находят где-то холодильник, может быть обыкновенную воду при обычной температуре. Почему? Нетрудно догадаться. Хотя «с двух сторон» машины и будут находиться два источника тепла низшей формы энергии: горячий пар и холодная вода для охлаждения, – но само по себе соединение этих двух источников создаст какое-то упорядоченное движение. Им будет переток более «горячих» (то есть обладающих более высокой средней кинетической энергией) молекул в сторону менее «горячих» молекул (то есть молекул с менее высокой средней кинетической энергией). А это уже порядок, это уже возможность стремиться к беспорядку и, значит, совершать работу.

Здесь та же логика, как в утверждении, что большая потенциальная механическая энергия озера на горе бесполезна для электростанций, пока озеру не найдут хорошего слива. Горячий пар – одна потенция, вода – другая. Лишь в соединении они способны создать энергетический поток, который может производить работу.

Теперь, пожалуй, вы можете спросить: почему так странно названа эта глава? Чем пугает нас беспорядок и чем он должен вдруг радовать?

С тех пор как был открыт закон возрастания энтропии, многие ученые стали развивать «теорию тепловой смерти»: раз все идет от высших форм энергии к низшей, тепловой, – остывает, односторонне превращается в беспорядок, – то, дескать, мир рано или поздно весь остынет. Ведь беспорядок порядком уже не сделать.

То, что предсказывали пессимисты, было бы истинным холодом смерти. Даже если бы все вещество Вселенной можно было уничтожить, превратив его массу в энергию (а 1 грамм массы вещества смог бы быть преобразован в 9·10 ²⁰эргов энергии), то и тогда мировое пространство нагрелось бы от минус 270–273 градусов всего до минус 260 градусов, то есть лишь примерно на 10 градусов.

Бояться этого, однако, не приходится, даже если думать о поколениях людей, которые будут жить через многие миллионы лет. Прежде всего закон возрастания энтропии сформулирован и многократно проведен для ограниченных физических систем. Что такое «энтропия всей Вселенной» – это вряд ли кому-нибудь сегодня ясно.

Человек уже показал, что разум в состоянии находить всё новые источники энергии, способные поддерживать бесконечный перепад температур, и это в принципе может продолжаться вечно.

А радоваться чему? Тому, что основные законы физики со временем не изменяются. Само существование порядка и беспорядка в раз навсегда положенной последовательности, немыслимость их поворота – тоже благотворный порядок.

Как в новых формах возродилось древнее учение о четырех стихиях

Облака – начало и примитив всего

Огненное облако с огромной скоростью скатилось с вулкана Мон-Пеле и превратило в пепел цветущий город Сен-Пьер с населением 26 тысяч человек. Катастрофа была столь же ужасна, сколь неожиданна и непонятна. Долго не могли объяснить, каким образом мельчайшие раскаленные частицы вулканического вещества не поднялись в воздух, не рассеялись, а упали на город и предали его страшной участи.

Это произошло в 1902 году на острове Мартиника в архипелаге Малых Антильских островов.

Иначе на противоположной стороне планеты двигалось другое облако – песчаное облако пустыни Кара-Кумы. Оно двигалось не спеша – десятилетиями, веками. Оно незаметно по земле подползало к становищам людей, к продуктам их труда. Оно не убивало сразу, но то, что укутывалось им, переставало существовать. Пески пустыни омертвляли все встречавшееся на пути: колодцы и сады, пастбища и бахчи, города и кишлаки, обнесенные глинобитными стенами.

Есть облака, не похожие ни на первое, ни на второе. Мириады всевозможных бактерий и грибков, взвешенных в воздухе – воздушная микрофлора, – тоже перемещаются как облака. Распространяясь, такие облака порой служат источниками заболеваний.

Но не только бедствия приносят облака. Бывает, например, хорошая воздушная микрофлора.

Вот подул ветерок, и в воздух поднялись облака золотистой пыльцы. В виде «серного дождя» (так это называется) они потом где-то опустятся на землю, покроют собой огромные пространства. Некоторая их часть попадет на тычинки цветков своего вида, оплодотворит растения. Частицы облака выступают здесь как могучий стимул жизни.

Для большинства пустыня Гоби – мертвая пустыня. А известно ли вам, читатель, что она несет плодородие и жизнь Южному Китаю? Под влиянием резких переходов от тепла к холоду и обратно камни пустыни Гоби в течение веков измельчаются и превращаются в тончайшую желтоватую пыль, лёсс, которая затем подхватывается ветром и уносится на юг. Действуя столетиями, ветротранспортер создал грандиозные лёссовые отложения на юге, в частности в бассейне реки Хуанхэ. С лёссом появились замечательные условия для жизни, так как он плодороден.

Много облаков парит над миром, много опускается на него, забирается в любую щелку. То, что мы называем обычно облаками, – ничтожная часть огромного, многоликого семейства облаков. У него, впрочем, есть и другое название: аэрозоли.

За последние десятилетия люди научились сами вырабатывать полезные аэрозоли. Все возрастающую роль играют теперь в жизни и в различных формах деятельности людей искусственно создаваемые облака тончайшей пыли.

Жидкое топливо перед сжиганием обычно механически распыляют, превращают в туман. В распыленном виде сжигают также твердое пылевидное топливо и некоторые виды минерального сырья (колчеданы).

В борьбе с вредителями и возбудителями грибковых болезней растений, а также с малярийными комарами применяются почти исключительно распыленные ядовитые вещества – инсектициды.

В военной технике в большом ходу маскирующие дымы и туманы.

Врачи охотно прописывают больным ингаляцию – лечение путем глубокого вдыхания специальных лекарственных препаратов. Преимущество этого метода лечения – плотное осаждение лекарства в легких.

Специальные облака применяются в экспериментальной физике. Исследуя движение капелек в вертикальном электрическом поле, впервые точно определили заряд электрона и число Авогадро (см. стр. 140), а также решили ряд других физических задач (например, выяснили квантовую природу фотоэффекта, см. стр. 161). Явление образования тумана при конденсации пересыщенного пара на газовых ионах послужило основанием для создания распространенного физического прибора – камеры Вильсона.

Что же такое аэрозоли? Чем характерен этот мир и почему мы с описания его начали раздел, посвященный веществу?

Песчинку величиной в десятые доли миллиметра человек еще заметит невооруженным глазом. Молекулу в 5 миллионов раз меньшую он увидит только с помощью электронного микроскопа. А в этом колоссальном интервале укладываются размеры всех частиц аэрозолей.

Различают три вида аэрозолей.

Туманы– аэрозоли с жидкими частицами: природный туман, дождевое облако, туман, образующийся при распылении падающей воды. Частицы таких аэрозолей, как правило, шарообразны.

Пыли– аэрозоли с твердыми частицами, образующиеся при измельчении твердых тел и при переходе порошкообразных тел во взвешенное состояние под действием воздушных потоков, сотрясений и т. д. К ним относятся угольная пыль, лёсс, цементный порошок и т. д. Под микроскопом пылинки выглядят как грубые обломки неправильной формы.

Дымы– аэрозоли также с твердыми частицами, но образованные не измельчением твердых тел, а конденсацией пересыщенных паров и в результате газовых реакций ведущих к образованию нелетучих продуктов вроде сажи. И формы и размеры дымовых частиц многообразны. В отличие от пылинок, частицы дыма сплошь да рядом представляют собой рыхлые агрегаты, состоящие из значительного числа более простых частиц правильной кристаллической или шарообразной формы.

В строении частиц аэрозолей много общего со структурой крупных тел. Пылинки, например, имеют ту же природу, что вещества, знакомые нам в обычной практике. В ряде случаев мельчайшие частицы сохраняют даже свойственную данному веществу пластинчатую форму (слюдяная, шиферная и графитовая пыль) или форму волокнистую (асбестовая и текстильная пыль).

Поэтому частицы аэрозолей вполне можно назвать просто очень мелкими осколками обыкновенных крупных тел.

Изучение аэрозолей – хорошая подготовка к изучению больших масс твердых, жидких и газообразных веществ. С аэрозолей, несомненно, начался наш большой мир (макромир). Как бы ни произошли планеты (вопрос этот до сих пор еще не ясен), бесспорным остается то, что их массы «склеились» из аэрозолей. Поэтому, изучая эти крупицы вещества, мы приближаемся к решению загадки происхождения Солнечной системы. С другой стороны, в поведении очень маленьких частиц материи (но все же частиц макромира, а не микромира, как молекулы и атомы) раскрывается многое, с чем мы встречаемся в мире обыкновенных тел нашей практики. Это позволяет, как сказал английский поэт Уильям Блейк, живший на рубеже XVIII и XIX веков:

 
В одном мгновенье видеть вечность.
Огромный мир – в зерне песка,
В единой горсти – бесконечность
И небо – в чашечке цветка.
 

Как движутся аэрозоли?

Одной из наиболее важных особенностей большинства облаков, встречающихся в природе, промышленности и обыденной жизни, является то, что они в первый период своего существования движутся как одно целое. Воздух омывает их, словно морская струя киль корабля. Это удивительное явление. Не всякий человек объяснит сразу, почему облака не продуваются насквозь, хотя главное, что заполняет их объем, – это воздух или газ. Частицы занимают обычно лишь самую ничтожную долю объема. Например, в одном кубометре обыкновенных водяных облаков в среднем содержится только 1 грамм воды. Иначе говоря, суммарный объем частиц составляет всего одну миллионную долю полного объема облака.

Почему же воздух не проходит сквозь огромные «пустоты» между частицами?

Объясняется это так называемыми гидродинамическими взаимодействиями между частицами. Двигаясь в одном направлении, частицы увлекают за собой окружающую среду и создают в ней течение, которое, с одной стороны, порождает сопротивление проникновению в облако внешнего воздуха, с другой – уменьшает сопротивление движению частиц.

В результате в объеме облака сохраняется та же газовая среда, что была в нем в момент образования. А плотные частицы облака в своей массе движутся быстрее, чем двигались бы отдельные из них.

Трагедия на острове Мартиника в конце концов объяснилась довольно просто. Сперва подземное газовое давление и высокая температура вытолкнули из кратера облако раскаленного пепла. Оказавшись на поверхности земли, облако, обладая плотностью более высокой, чем плотность воздуха, быстро скатилось вниз на город. Не будь удивительного свойства – целостности облаков, наружный воздух быстро выдул бы газ между частицами, около каждой раскаленной пепелинки образовалась бы нагретая и, следовательно, менее плотная воздушная оболочка. И пылинки, как на воздушных шариках, поднялись бы и рассеялись, постепенно остывая.

Интересна одна особенность тяжелых, оседающих облаков: верхняя их поверхность обычно бывает плоская. Это наблюдали как в лабораториях, так и на природных туманах.

И тут объяснение простое: при плотности аэрозоля, превышающей плотность граничащей с ним среды, гидростатические силы противодействуют нарушению горизонтальности верхней границы. Аэрозоли в этом случае ведут себя как жидкости.

Понятно, что стабилизация верхней границы будет наблюдаться только тогда, когда плотные частицы движутся как одно целое со средой, то есть при большой концентрации аэрозоля. Особенно устойчивыми оказываются поверхности аэрозолей, утяжеленные хлором, углекислотой и некоторыми другими газами.

И вот рисуется удивительная картина: «жидкость» (плотные частицы) не вытекает из «решета» (газовый объем аэрозолей). Природа переносит «жидкость» в «решете», а та не выливается!

Мы привели примеры деятельности, «жизни» облаков. Но все, что существует, возникает и гибнет. Как же возникают и как исчезают облака?

Нам уже известно, что большинство существующих облаков не пропускает через себя воздух, обдувается им снаружи. Но есть и продуваемые облака. Обычно это явление сопутствует процессу возникновения или процессу разрушения аэрозолей.

Вот порыв ветра скользнул по поверхности пустыни. Тотчас же зашевелились, пришли в движение песчинки. Те, что покрупнее, покатились по поверхности; помельче – запрыгали и потянулись за порывом ветра; мельчайшие приподнялись и больше не легли обратно: воздушные потоки подхватили и понесли их над землей. Прыжки и перекатывания больших песчинок вызывают действие, напоминающее цепную реакцию. То рикошетируя от слоя других песчинок и повторяя свой прыжок, то зарываясь в слой и передавая импульс другим частицам, которые, в свой черед, начинают подскакивать или перекатываться, песчинки дробятся и дробят встречающиеся им, постепенно увеличивая количество аэрозольной пыли.

Такая же приблизительно картина наблюдается и при выветривании почвы, и при пневмотранспорте сыпучих материалов, и в процессах, известных под названием «кипящего слоя». Здесь всюду налицо воздух (или другой газ), продувающий беспорядочно мечущиеся частицы; захват и перевод в аэрозольное состояние мельчайших из них; дробление относительно больших и хрупких частиц.

Обратное явление наблюдается в «зрелых», существующих аэрозолях. Важнейшим свойством является их недолговечность. Приходит срок, они «дряхлеют» и разрушаются. Одни частицы налипают на поверхности встречных тел (тем скорее, чем мельче частицы), другие слипаются между собой, или, как говорят иначе, коагулируют. Образуя хлопья сравнительно больших размеров (от нескольких десятых до целого миллиметра), они утрачивают взаимосвязь и выпадают на землю.

Причины коагуляции частиц аэрозолей до сих пор не выяснены до конца. Но, без сомнения, здесь влияет масса факторов: и взаимное – так называемое гидродинамическое – притяжение летящих частиц, и действие атмосферного электрического поля, и отталкивание частиц от нагретых поверхностей, и проявление так называемого броунового движения, и (для жидкостных аэрозолей) конденсация паров на ранее образованных капельках.

Прекрасной иллюстрацией того, как исчезает аэрозоль, является выпадение обыкновенного дождя. Может показаться странным, но причины столь привычного явления, как выпадение дождя, стали выясняться только в самые последние годы.

Дело в том, что образующиеся в результате конденсации пара облачные капельки обладают весьма ничтожными размерами – порядка 10 микрон (то есть сотых долей миллиметра). Такая маленькая частица не в состоянии упасть на землю, так как поток теплого воздуха без труда поднимает ее кверху. Но даже если что-нибудь и толкало ее вниз, она тысячу раз испарилась бы, прежде чем достигла земной поверхности. Чтобы водяная капля, выпав из облака, могла достичь земли, она должна была бы иметь радиус по меньшей мере около 100 микрон, то есть 0,1 миллиметра.