Чердак. Только физика, только хардкор! - Дмитрий Побединский

Возможно, есть еще какие-то электрические явления, о которых мы пока что даже не знаем.

Всем кажется, что молния бьет из облака в землю, хотя на самом деле все совсем наоборот. Давайте представим себе, как возникает молния. Между землей и заряженным грозовым облаком может быть напряжение до миллиарда вольт. Когда начинается молния, из облака выходит ступенчатый лидер. Мелкими шажками со скоростью 50 тысяч километров в секунду он пробирается к земле, останавливаясь каждые 50 метров и постоянно меняя направление. Можно сказать, что это электроныразведчики, которые слабо светятся и прокладывают путь для основного разряда. И когда они доходят до земли, обратный разряд устремляется из земли в облако. Электроны начинают двигаться, но не все одновременно, а как автомобили на светофоре – один за другим. Эта волна движения распространяется снизу вверх, и поэтому свечение движется от земли к облаку.

Еще один интересный факт: оказывается, молния может убить не только при прямом попадании. Когда молния попадает в землю, она расходится в разные стороны. Поэтому электрический ток может ответвиться от земли и пройти по человеку, который стоял рядом. Но электрический ток, проходящий по человеку, зависит от расстояния между его ногами. Поэтому, если человек просто стоит на земле, то ток очень слабенький и не может его убить. А вот лошади или коровы часто гибнут от молний, потому что между передними и задними ногами проходит очень сильный ток. Так что во время грозы не надо тренировать шпагат или ложиться на землю. Лучше принять самую безопасную невысокую позу: сесть на корточки.

Еще одно интересное наблюдение. Многие считают, что после молнии мы всегда должны слышать гром. Но это не так. Молнии дальше 25 километров не слышно. Давайте представим себе звуковую волну. Она, подобно световой волне, может преломляться. Во время грозы это происходит на стыке теплого и холодного воздуха. Звук от молний меняет свое направление и не доходит до нас, а движется вдоль поверхности земли, постепенно угасая.

Многие считают, что молния не может бить в одно и то же место два раза. Но, во-первых, молния может многократно бить по одному и тому же каналу. Именно поэтому они и мерцают. А во-вторых, например, в Останкинскую башню молния бьет до 50 раз в год, ведь башня работает как огромный молниеотвод. Принцип работы молниеотвода такой: он очень острый, поэтому с него постоянно стекают электрические заряды, область вокруг него становится менее заряженной, и вероятность попадания молнии уменьшается. Но если уж молния и попадет в него (а такое бывает), то электрический ток уйдет в землю, потому что молниеотвод хорошо закопан. Так что молния при этом не причинит никакого вреда.

4. Наш дом родной, планета наша

4.1. Почему небо голубое?

Почему небо голубое, если воздух прозрачный? Почему на каком-то удалении появляется синева, откуда она берется?

Этот эффект обеспечивают несколько факторов. Первый из них – это рассеивание света. Мы знаем, что свет представляет собой электромагнитные волны. Причем каждому цвету из спектра соответствует строго определенная частота. Белый солнечный свет – смесь всех этих цветов. И когда он попадает в атмосферу, то начинает рассеиваться, то есть немного менять направление. Но законы рассеивания таковы, что чем больше частота, тем сильнее отклонения лучей. Получается, что красный, оранжевый, желтый оттенки проходят атмосферу практически по прямой. А вот голубые, синие, фиолетовые лучи рассеиваются намного сильнее. Поэтому они начинают путешествовать в атмосфере, постоянно меняя направление. Соответственно, если мы смотрим не на солнце, то именно эти лучи-путешественники и должны приходить нам в глаза со всех сторон.

Можно привести аналогию с шариками разных размеров, которые скатываются с наклонной ребристой поверхности. Более крупные шарики движутся по ней практически по прямой. Более мелкие начинают рассеиваться и немного менять направление движения.

Но почему небо не фиолетовое? Ведь рассеивается сильнее всего именно этот оттенок. Вот тут сказывается второй фактор: в солнечном спектре разные цвета имеют разную интенсивность. Что касается фиолетового, то его интенсивность меньше, чем голубого или синего. Именно поэтому в атмосфере наибольшее количество рассеянных лучей именно голубого оттенка. Что касается закатного, красного неба, то в таком случае лучи падают по касательной к поверхности земли и проходят огромную толщу атмосферы, настолько большую, что слабенькое рассеивание красных оттенков уже дает о себе знать. Именно поэтому небо имеет такой цвет, несмотря на то, что воздух прозрачный.

Кстати, облака тоже должны быть прозрачными, ведь они состоят из воды. Но мы видим, какие они белые. Это происходит опять же из-за рассеяния. Однако облака состоят из более крупных частичек, микроскопических капелек жидкости, и поэтому рассеиваются абсолютно все оттенки: от красного до фиолетового. Ну а при смешивании они дают белый цвет.

И раз уж мы заговорили о спектре солнца, то нужно понимать, что оно испускает и радиоволны, микроволны, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение и даже немного рентгеновского. Так что видимое излучение – это всего лишь маленькая часть того, что излучает наше светило. Все это электромагнитные волны, и они обладают такими же свойствами, как и обычный свет.

Но вот почему на нашей планете вообще нет существ с чисто инфракрасным зрением? Или, например, с ультрафиолетовым? Во всем виновата эволюция. Если вы посмотрите на интенсивность солнечного света во всем спектре, то окажется, что самым ярким является зеленый свет. И живые существа в процессе естественного отбора приспособились к самому яркому излучению, которое падает к нам от солнца. Именно эти электромагнитные волны и стали видимым диапазоном спектра.

4.2. Как возникает полярное сияние?

Повезло тому, кто хоть раз видел яркое, завораживающее полярное сияние. Кажется, что словно природа рисует на небе невидимой кистью светящиеся полосы. Это удивительная игра света, на все небо – от края до края! Это самое удивительное световое шоу, которое только можно увидеть на Земле. У него нет аналогов. И самое главное, оно притягивает своей эксклюзивностью, тем, что только в холодных, суровых областях у вас есть возможность любоваться полярным сиянием довольно часто. И, конечно, шарма полярному сиянию добавляют льды и снега полярных областей, которые получили эксклюзивное право на трансляцию этого явления.

Но не всегда это сияние такое уж и полярное. Ведь совсем недавно мы могли наблюдать полярное сияние даже в Москве и других городах средних широт. Более того, непосредственно на полюсах оно бывает не очень часто. Так как же оно образуется и какие у него особенности?

Наша планета – удивительный везунчик, ведь для полярного сияния нужно два фактора: наличие атмосферы и магнитного поля. Они есть только у Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна.

Полярное сияние – это удивительное сочетание солнечной активности, магнитосферы Земли и воздействия всего этого на атмосферу.

Просто удивительно, насколько красиво, элегантно и гармонично устроена природа, как простейшие законы физики приводят к возникновению поистине поразительных явлений… Но обо всем по порядку.

Полярные сияния возможны благодаря тому, что Солнце испускает в пространство огромное количество не только излучения, но и вещества. От него непрерывно, с невероятной скоростью, отлетает бесчисленное количество протонов и электронов. Это явление называется солнечный ветер. По сути это плазма, но только светится она слабо, так как достаточно разреженная.

Иногда Солнце перебарщивает и выплевывает огромные кучи вещества. Это уже не просто небольшая вспышка. Через два-три дня полета все это вещество достигает Земли. При этом скорости у частиц разные, они обладают разной энергией, и вот тут начинается самое интересное. Они захватываются магнитным полем Земли, которое по структуре похоже на кочан капусты или лук и представляет собой множество магнитных оболочек.

Каждый одиннадцатиклассник должен знать, что на заряженные частицы в магнитном поле действует сила Лоренца, под воздействием которой они начинают заворачивать и двигаться по спирали. Получается, они как бы наматываются на линии магнитного поля и начинают двигаться к полюсам. Это чем-то напоминает макароны. Причем шаг винтовой линии зависит от силы поля: чем ближе к полюсам, тем оно сильнее и шаг меньше. В какой-то момент частица может остановиться и полететь обратно, закручиваясь вокруг линии магнитного поля. Таким образом она оказывается в ловушке и начинает колебаться около Земли в космосе.