Журнал «Вокруг Света» №12 за 2009 год
Шрифт:
На этих редчайших кадрах зарегистрировано возникновение и угасание гигантского джета, вспыхнувшего в 300 километрах от места наблюдения. Фото: STEVEN CUMMER/DUCE UNIVERSITY
Слабость атмосферного тока — прямое следствие низкой проводимости воздуха. Но даже столь небольшой в планетарном масштабе ток разрядил бы глобальный атмосферный конденсатор всего за восемь минут, если бы тот постоянно не подзаряжался. Электродвижущей силой, «пламенным мотором», который заряжает ионосферу положительно, а землю — отрицательно, служат грозы. Внутри грозового облака разность потенциалов гораздо выше, чем между ионосферой и землей. Создается она за счет разделения зарядов в теплых и влажных восходящих потоках, которые возникают в атмосфере над нагретой Солнцем земной поверхностью. По еще не вполне ясным причинам самые мелкие водяные капли и ледяные кристаллики заряжаются положительно, а более крупные — отрицательно. Восходящие потоки легко выносят мелкие положительно заряженные частицы на большую высоту, а крупные, проваливаясь под действием своей тяжести, в основном остаются внизу. Разность потенциалов между заряженными областями внутри электризованных облаков может достигать миллионов вольт, а напряженность поля — 2000 В/см. Словно перезаряжаемые Солнцем батарейки, облака питают всю глобальную электрическую цепь. Бьющие из подошвы облака молнии, как правило, несут к земле отрицательный заряд, а сверху положительный стекает в ионосферу, поддерживая разность потенциалов в глобальном атмосферном конденсаторе.
Прямо сейчас над планетой гремит 1500 гроз, каждые сутки небо прочерчивают 4 миллиона молний, ежесекундно — 50. Из космоса хорошо видно, как пульсирует сердце глобальной электрической цепи. Но молнии — это лишь самые заметные проявления ГЭЦ. Они подобны искрящему контакту в розетке, который трещит и вспыхивает, тогда как по проводам электричество течет незаметно. Токи, идущие в ионосферу от заряженных облаков (причем даже не только грозовых, но и от слоистых), сами по себе обычно не порождают зрелищных эффектов, но иногда, под влиянием особенно мощных молний, эта часть ГЭЦ ненадолго визуализируется.
При разряде молнии во все стороны от нее распространяется сильное возмущение электрического поля. В нижних слоях атмосферы, где нет свободных электронов, эта волна не производит никаких эффектов. На высотах более 50 километров немногочисленные имеющиеся в воздухе свободные электроны начинают разгоняться под воздействием импульса электрического поля.
Но плотность воздуха все еще слишком велика, и электроны сталкиваются с атомами, не успевая набрать заметной скорости. Лишь на высотах около 70 километров длина свободного пробега, а с ней и энергия электронов увеличивается настолько, чтобы при столкновениях возбуждать и даже ионизировать атомы и молекулы, отрывая от них новые электроны. Те, в свою очередь, тоже разгоняются, запуская лавинообразный процесс. Волна ионизации движется к земле, проникая во все более плотные слои атмосферы. Ток с нарастанием числа свободных электронов резко усиливается, возбужденных атомов и молекул становится все больше, и вот мы уже видим свечение высотного разряда. Так молнии в нижних слоях атмосферы на короткое время «высвечивают» (и усиливают) токи в ее верхних слоях.
За несколько десятков секунд экспозиции поверх проступающих на сумеречном небе звезд вспыхнуло около десятка спрайтов. Грозовой фронт, над которым они поднимаются, скрыт за горизонтом. Фото: OSCAR VAN DER VELDE
«На Венере, ах, на Венере...»
О молниях на ближайшей к нам планете заговорили после того, как разные космические аппараты зафиксировали характерное радиоизлучение. Дважды на Венере фиксировались оптические вспышки: один раз с борта станции «Венера-9», другой — с наземного телескопа. Однако станция «Кассини», снабженная высокочувствительным детектором молний, пролетая мимо Венеры, ничего подобного не зарегистрировала. Вероятно, молнии на Венере бьют не так часто, как на Земле. Ученые, считающие, что молний на Венере нет, ссылаются на низкую плотность капель в ее облаках и отсутствие мощных вертикальных потоков, которые приводят к земным грозам. Но облака несутся вокруг Венеры со страшной скоростью — 100—140 м/с, огибая ее всего за четыре земных дня. При таком быстром движение газовых потоков просто обязательно должны возникать завихрения, приводящие к электризации. Кроме того, анализ атмосферы планеты новейшими инфракрасными спектрографами выявил на высотах ниже 60 километров заметные концентрации окислов азота. Их присутствие не объяснить космическими лучами, солнечной радиацией или радиоактивностью — из-за огромной плотности атмосферы ни сверху, ни снизу ионизирующие излучения не могут дойти до облаков. Только электрические разряды могли бы объяснить присутствие окислов азота на этих высотах. Как и на Юпитере, венерианские молнии, если они существуют, бьют между облаками — при огромном атмосферном давлении до поверхности им не дойти. Весьма вероятно, что на Венере заряженные области невелики и разряды между ними не создают мощных оптических вспышек, как на Юпитере. В любом случае существует если не загадка молний на Венере, то уж точно загадка радиоизлучения, которое было обнаружено несколькими космическими аппаратами. Заметная электрическая деятельность протекает и на Марсе. За электризацию и возможные разряды в атмосфере планеты отвечают, скорее всего, активные пылевые бури, которые и обеспечивают на Марсе высокую концентрацию заряженных частиц. Многие считают, что если уж не жизнь, то электрические разряды на Марсе обязательно найдут.
Под влиянием галактики
Если грозы заряжают глобальный конденсатор, то разряжается он в солнечные ясные дни. Тихое «электричество хорошей погоды» несет заряд от ионосферы к земле. Сила тока тем больше, чем выше проводимость среды, по которой он течет. У земной поверхности проводимость воздуха крайне мала: в кубическом сантиметре около нас содержится лишь 1000 ионов — меньше одного на миллион миллиардов нейтральных атомов. Эту ионизацию производят радиоактивные элементы, в частности радон. Но стоит подняться на несколько сотен метров, и проводимость начинает расти в геометрической прогрессии. Причина тому — наша Галактика, Млечный Путь . Вплоть до высот 50—60 километров основная причина ионизации атмосферы — галактические космические лучи. Именно они, выбивая из атомов электроны, позволяют надежно замкнуть ГЭЦ. Выше 50 километров власть в свои руки берет Солнце: основные ионизирующие факторы здесь — вакуумный ультрафиолет и рентгеновское излучение светила. На высоте 80 километров проводимость в 10 миллиардов раз выше, чем в приземном слое.
Атмосферное электричество крайне чувствительно ко многим процессам на Земле. Его можно назвать кардиограммой планеты, которая тонко диагностирует состояние всех слоев атмосферы, как возмущенных, так и спокойных, а знание атмосферы — это знание погоды. Сейчас уверенный метеорологический прогноз дается меньше, чем на неделю, и, вполне возможно, понимание атмосферного электричества позволит увеличить этот срок.
Но атмосферой дело не ограничивается. Проводимость приземного слоя воздуха самая низкая во всей ГЭЦ, и она напрямую зависит от проникновения в воздух радиоактивных элементов. Большой вклад вносят радон и продукты его распада. Профиль электрического поля сразу меняется, стоит только усилиться выделению радона из земной коры. А эти выделения, как уже давно известно, говорят о нарастании сейсмической активности, мощной эрозии и других процессах, часто происходящих на большой глубине. Таким образом, землетрясения и другие глубинные процессы заранее заявляют о своих намерениях. «Дыхание Земли» очень чутко улавливается электрическими полями атмосферы, и анализ атмосферного электричества помогает предсказывать важнейшие тектонические процессы.
Другая, ионосферная, обкладка глобального конденсатора чутко реагирует на состояние солнечно-земных связей. Но еще более удивительно, что ее состояние тесно связано с поверхностью Земли, о чем свидетельствуют так называемые террагенные (то есть порожденные землей) эффекты в ионосфере: в контурах зон полярных сияний узнаваемо повторяются очертания береговых линий, островов, тектонических разломов, магнитных аномалий.
Таким образом, глобальная электрическая цепь самым тесным образом взаимодействует со множеством ключевых для планеты Земля процессов — от молний и спрайтов до землетрясений и солнечной активности, и чем лучше мы будем понимать, как работает ГЭЦ, тем качественнее и безопаснее станет наша жизнь.
Как излучают молекулы
Электроны в атомах как бы разложены по полочкам — энергетическим уровням. Возбуждение атома подобно забрасыванию вещей на верхние полки. Излучение возникает при их сваливании с полки на полку или прямо на пол. Чем больше высота падения, тем энергичнее испускаемый квант излучения. У молекул вдобавок к электронным уровням появляются еще вращательные и колебательные: крутиться и дрожать молекулы тоже могут лишь с определенными значениями энергии. Когда где-нибудь в мезо сфере, на высоте 60 километров, энергичный электрон ударяет молекулу азота N2, он может выбить из нее один или несколько электронов и даже разбить ее на два атома азота. Если же энергия удара не так велика, молекула просто перескочит в какое-то электронно-колебательно-вращательное состояние, где некоторое время будет дрожать и вертеться. Но долго ей там не продержаться. Спустя малую долю секунды она либо столкнется с другой молекулой, сбросив на нее часть энергии (это называется тушением возбуждения), либо, если никто не подвернется под горячую руку, она сама «шлепнется» на полку ниже, испустив при этом квант света. Его-то мы и увидим в излучении разряда. Цвет излучения определяется энергией перехода, которая в первом приближении зависит от того, между какими электронными уровнями случился переход. Наличие колебательно-вращательных уровней размывает узкие спектральные линии в широкие полосы. У молекулы азота их несколько. Одна попадает в видимый диапазон, другая — в ультрафиолетовый, третья — в ближний инфракрасный.
Александр Костинский
Берег динозавров
Помимо динозавров Корея известна и другими древностями, например, разбросанными по всей стране дольменами
Южная Корея — это страна восточного этикета, изобретательного кинематографа, древнего искусства, неоновых вывесок и супа из собачьего мяса. Об этом сообщают все путеводители, забывая сказать об одном: Южная Корея — это еще и страна динозавров. Концентрация окаменелых следов древних ящеров здесь одна из самых высоких в мире. Впрочем, каждый, кто захочет что-либо узнать о корейских динозаврах, должен вначале пройти через все оговоренные путеводителями пункты.
Как это и положено, двумя руками господин Лим подал мне свою визитку: «заместитель директора». Двумя руками, как это и положено, я принял визитку господина Лима и, чтобы не оскорбить его, вглядывался в карточку не менее трех секунд. Потом, также следуя коду вежливости, я перевернул визитку и, внимательно изучив ее оборотную сторону, убрал в карман. Господин Лим выжидательно посмотрел на меня, приготовив свои руки. Но визитки у меня не было. Я похлопал себя по карманам и соврал: «Забыл». Ритуал не состоялся. На мгновение на лице господина Лима мелькнуло разочарование. «Мне сказали, что вы собираетесь писать про динозавров», — сказал он. Я кивнул. «Думаю, в этом случае наша организация не сможет вам помочь, — сказал господин Лим. — Мы не занимаемся динозаврами». Я уже знал, что он сейчас скажет: дворцы. И господин Лим сказал: «Лучше напишите про наши древние дворцы». Я промолчал. За окном шумела нагретая московская улица. Тихий корейский кондиционер монотонно охлаждал раскаленный воздух. До вылета оставалось меньше недели. «Сожалею, но если вы собираетесь писать про динозавров, мы не сможем оказать вам поддержку. А если вы будете писать про дворцы, то мы поможем вам, в том числе с отелем». Я помотал головой. Про дворцы я писать не собирался. «Сожалею», — снова сказал господин Лим. «Сожалею», — сказал я. Разговор уперся в тупик. Можно было прощаться. Туристическая организация, которую представлял господин Лим, была явно не готова поддержать путешествие к останкам вымерших ящеров. На неэмоциональном лице господина Лима едва заметно светилось что-то вроде жалости и непонимания. Наверное, точно так в начале восьмидесятых могли посмотреть в Интуристе на зарубежного фотографа, которому предложили тур по Золотому кольцу, но который в ответ сказал: «Знаете, а я бы лучше взглянул, как живут ваши бомжи». Мы пожали друг другу руки. В следующую секунду под мышкой у меня оказался пакет, доверху набитый туристскими картами и путеводителями по памятникам Кореи — храмам и дворцам. Как это и положено, я поблагодарил господина Лима коротким поклоном. Как это и положено, он лично проводил меня до двери. «Наша организация, — сказал он на прощание, — проводит конкурс на лучшее эссе о Корее. Вы не хотите принять участие? Приз достаточно большой». Это был удар под дых. «Но я не собираюсь писать о дворцах, — сказал я. «Ну и прекрасно», — сказал господин Лим, но, наверное, мне это просто послышалось.