100 великих загадок природы
Шрифт:
Этому верили целые поколения физиков и химиков, но такое объяснение оказалось неверным.
Ошибка выявилась три года назад, когда американские ученые сканировали поверхность льда с помощью медленного электронного луча. Поверхность ледовой дорожки была и впрямь залита водой, но, удивительное дело, вода появлялась даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие самый верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому они почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре —60 °С поверхность льда становится вязкой. «Тогда и скользить на коньках будет проблематично», — замечает химик Габор Саморджаи из Берклийской лаборатории им. Лоуренса (Калифорния, США). Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда. Впрочем, каждому из нас — на бытовом уровне — это было известно давно: если выйти на лед не в коньках, звучно его режущих, а в обычных ботинках, все равно по льду будешь скользить.
Еще одно удивительное свойство льда откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: две скользкие поверхности, сложенные вместе, склеиваются! Как мы уже выяснили, поверхность любого куска льда являет собой череду слабо связанных между собой молекул. Когда мы прижимаем эти куски льда (или комья снега), молекулы их поверхностных слоев крепко сцепливаются, соединяя ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома — иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.
Итак, поверхность льда покрыта тонким влажным слоем. Это его свойство украшает нашу жизнь зимой — снежки, коньки. Это же свойство может разогреть нашу планету, чему свидетельством — озоновая дыра, разверзшаяся над Южным полушарием. Большую роль в ее появлении играют ледяные облака, расположившиеся в 35 километрах над землей. Антарктической зимой кристаллики льда улавливают из атмосферы соединения хлора и накапливают их до весны. «Когда Солнце начинает светить все ярче, частички льда ведут себя как катализатор», — говорит физик Алексей Глебов, сотрудник Института исследования течений при Обществе им. Макса Планка (Геттинген, Германия). По вине этих льдинок распадаются хлористые соединения, и в атмосферу устремляются многочисленные атомы хлора — агрессивные частицы, разрушающие молекулы озона. Если бы поверхность кристалликов льда была твердой, этого не случилось бы: соединения хлора попросту отскакивали бы от них, как мячи, отлетающие от стенки.
Чтобы спасти климатическое равновесие, надо сократить выброс хлористых соединений в атмосферу. Иначе перегрев планеты, таяние антарктических льдов и — читайте приведенный ниже сценарий!
Когда мы произносим слово «лед», мы не совсем точны: нам следовало бы добавить «лед Ih». Ведь при более низких температурах и более высоких давлениях мы будем иметь дело с другими сортами льда. Сколько всего этих сортов? Пока их насчитывают двенадцать, в том числе «аморфный лед», который, как полагают, существует в космосе. Самой экзотической формой является, наверное, лед-Х. Этот лед образуется при давлении, в миллионы раз превосходящем атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, если на игольное ушко взгромоздить целый автомобиль. Такие сверхвысокие давления встречаются только в космосе.
Из этих двенадцати модификаций льда лишь одна легче воды — разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Ее плотность равна 0,931 г/см3, в то время как плотность воды достигает 1 г/см3. Особенность строения этой формы льда состоит в том, что молекулы в ее кристаллах располагаются очень свободно; между ними имеются большие зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в лед Ih, расширяется. Объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая» и легкая структура.
Представим себе, что уникальное свойство воды — расширяться при замерзании — исчезло. Как изменился бы наш мир?
Сперва о приятном: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с пивом или минеральной водой. Плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом .океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга — эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.
Теперь о страшном. Легко догадаться, что полярных медведей и других обитателей Арктики перемена свойства воды (и льда) ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до нескольких небольших островов, раскиданных по всему Северному Ледовитому океану, ведь огромные массы льда, сковывающие этот океан, неминуемо пошли бы ко дну. Погибли бы и рыбы, населяющие бессчетные реки и озера в северных широтах Евразии и Америки, потому что эти естественные водремы в зимнюю пору промерзали бы до дна. Толща воды, каменея, ледяными тисками сдавила бы всех своих обитателей. Ведь живые существа благополучно проводят зиму лишь потому, что лед, покрывая поверхность реки, озера или пруда, надежно защищает от холода все, что под ним ютится. Возле дна температура воды не опускается ниже +4о С.
Продолжим наше путешествие по Земле изменившегося льда. Здесь стало несравненно теплее. Сейчас льды, покрывающие приполярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха. Поэтому они не прозрачны, как вода, а окрашены в белый цвет. Они почти идеально отражают солнечные лучи. Когда огромные массы льда потонут в водах северных морей, поверхность Земли станет темнее. Она будет лучше поглощать солнечный свет, абсорбировать его энергию, и, как следствие, земная атмосфера разогреется. Постепенно растают материковые льды, покрывающие сейчас Антарктиду. Уровень моря возрастет. Портовые города скроются под толщей воды. Лишь фотографии и киноленты будут напоминать нашим потомкам о таких знаменитых мегаполисах, как Рио-де-Жанейро, Гамбург, Нью-Йорк. Воды разлившегося Голландского моря станут излюбленным местом отдыха аквалангистов, которые будут с любопытством осматривать затонувшие селения и города, подводные мельницы, стадионы и аэропорты.
Конечно, все это из области фантазий. Однако и в реальности лед таит для нас огромную опасность. Если льда будет чуть больше или меньше, наша цивилизация рухнет. Жители Мюнхена или Москвы легко вспомнят сильнейший град, выпавший в нашей столице в июле 1999 года, а в Мюнхене— в 1984 году. В тот год в этом южном немецком городе пострадало около 240 000 автомобилей. Все они получили различные вмятины — так тяжелы были удары градин. Общий ущерб тогда превысил три миллиарда марок. А ведь то была одна из самых безобидных катастроф, которые может уготовить нам лед!
Хуже пришлось жителям Монреаля. До недавних пор — а точнее до 5 января 1998 года — считалось, что этот крупнейший канадский город выдержит любые козни зимы. Однако в тот январский день внезапно пошел необычный град. С неба посыпался рыхлый лед, превращая улицы в каток, по которому можно было двигаться лишь со скоростью улитки. Через три дня толщина ледового слоя составила целых 30 сантиметров. Под тяжестью льда рушились, словно спички, опоры линий электропередачи — между прочим, самые массивные во всей Америке. Железнодорожное сообщение в провинции Квебек прекратилось. Сто семьдесят поездов безнадежно застряли в пути. Около миллиона домов осталось без электричества — и в большинстве случаев без отопления, поскольку 70 процентов канадских жилищ обогреваются с помощью электрического тока. Итак, многие сотни тысяч людей оказались заточены в темных, холодных квартирах и коттеджах — при температуре воздуха —28°С!