В издательстве «Манн, Иванов и Фербер» выходит книга профессора материаловедения Университетского колледжа Лондона Марка Медовника (Mark Miodownik) «Жидкости. Прекрасные и опасные субстанции, протекающие по нашей жизни» (перевод Н. Лисовой).
Книга рассказывает о самых известных жидкостях — притягательных и угрожающих, освежающих и опьяняющих, живительных и взрывчатых, вкусных и ядовитых. Мы постоянно имеем дело с различными жидкостями, но даже не подозреваем, какими интересными и неожиданными свойствами обладают эти привычные для нас субстанции. Книга будет интересна всем, кому нравится химия и кто любит узнавать новое об устройстве нашего мира.
Предлагаем ознакомиться с фрагментом книги.
Вода, пропитывающая сохнущее на верёвке бельё, имеет температуру ниже 100 ºC, но находится в контакте с воздухом. Молекулы из него бомбардируют ваше бельё, врезаясь в него в хаотичном движении; иногда в этой суете молекула H2O отскакивает от ткани и становится частью воздуха. Это событие требует расхода энергии, поскольку связи, удерживающие молекулы H2O во влажной ткани, необходимо разорвать. Отъём энергии у влажного белья охлаждает ткань. При этом, если молекулы H2O, летающие в воздухе вокруг белья, будут сталкиваться с ним, они получат энергию, прилипая к белью и увлажняя его снова. Можно подумать, что больше воды пристанет вновь к мокрому белью, чем будет унесено ветром. Но здесь-то и вступает в игру энтропия. Поскольку количество воздуха, обдувающего мокрое бельё, так велико, а количество молекул воды в белье мало, шансы на то, что улетевшие молекулы воды найдут дорогу обратно, мизерны. Они, скорее всего, будут унесены вверх, в атмосферу. Такая склонность мира молекул смешиваться и расползаться равномерно измеряется энтропией системы. Её увеличение — естественный закон Вселенной; он противостоит силам конденсации, привязывает воду обратно к мокрому белью. Чем ниже температура вокруг и чем слабее бельё обдувается ветром, тем сильнее равновесие смещается в сторону конденсации, и ваше бельё остаётся влажным. И наоборот, вешая его на верёвку в теплый день, вы смещаете равновесие в пользу энтропии, и бельё сохнет.
Кроме того, энтропия берет на себя лужи на улице, высушивает ванную комнату после того, как вы приняли душ, и удаляет пот с вашего тела в жаркий день. Можно сказать, что она здесь очень кстати и в целом полезна, если вспомнить о том, как мы любим сухую одежду и ванные комнаты, да и прохладу для тела. Но эта же благодетельная сила собирает тучи-убийцы, которые разят нас тысячами каждый год, швыряясь молниями и напоминая, кто на самом деле в атмосфере хозяин.
Процесс образования грозовых облаков начинается с испарённой H2O, летающей в пространстве в виде газа. Тёплый воздух, будучи менее плотным, чем холодный, поднимается вверх, и в солнечный день молекулы воды уходят с вашего мокрого белья вверх, в атмосферу. Воздух, хотя и полный воды, прозрачен, и поначалу никаких признаков будущей тучи не заметно. Но по мере того как пар поднимается выше, воздух расширяется и остывает, термодинамическое равновесие смещается; теперь молекулы воды предпочитают сконденсироваться и снова стать частью жидкости. Но единственная молекула не может просто превратиться снова в жидкость прямо в воздухе; для образования крохотной капельки воды требуется некоторая координация — несколько молекул H2O должны собраться вместе. В хаотично движущейся, турбулентной атмосфере это происходит не без труда, но процесс ускоряет присутствие крохотных частиц какого-нибудь вещества, уже имеющегося в атмосфере. Нередко это частицы пыли, сдутые с деревьев и растений, или дым из фабричных труб. Молекулы H2O могут прицепляться к ним, и по мере того, как их становится больше, частица оказывается центром крохотной капельки воды. Вот почему в собранной дождевой воде обычно присутствует осадок, а от капель дождя, высохших на лобовом стекле автомобиля, остаётся мелкая пыль.
Эти положения физики легли в основу самых необычайных экспериментов XX в., когда учёные взяли на себя смелость управлять погодой. Способ, получивший название засева облаков, был придуман в 1946 г. американским учёным Винсентом Шефером. Он и его группа определили, что если распылить в атмосфере кристаллы иодида серебра, они возьмут на себя роль, которую могли бы сыграть пыль или дым, и станут центрами конденсации — зародышами — облаков, из которых, в свою очередь, выпадет снег или дождь. Эта методика — такое же искусство, как и наука. Но, несмотря на то что на протяжении десятков лет она широко использовалась, многие до сих пор оспаривают её эффективность.
Тем не менее в СССР облака над Москвой засевали каждый год. Целью было убрать влагу из атмосферы, заставив её выпасть дождём, и обеспечить солнечную погоду и голубое небо на празднование Первого мая. Военные США пользовались этим методом с иной целью: продлить сезон муссонных дождей над Тропой Хо Ши Мина. Называлось это операцией «Попай», и задачей было «делать грязь, а не войну». Сегодня многие страны по всему миру, такие как Китай, Индия, Австралия и Объединённые Арабские Эмираты, экспериментируют с осаждением облаков как средством борьбы с засухой. Конечно, засеивая воздух кристаллами иодида серебра, можно управлять только одним аспектом погоды: формированием облаков. Так что, если влаги в нём мало, никакое засевание не заставит её пролиться дождём. Но если воздух полон влаги, то использование этого метода для усиления снегопадов над горнолыжными курортами или снижения риска выпадения града на посевы в сезон гроз может быть продуктивно. После Чернобыльской ядерной катастрофы 1986 г. засев облаков — и, соответственно, их осаждение в виде дождей — использовался для удаления радиоактивных частиц из атмосферы.
Самолётам не нужен иодид серебра, чтобы засевать облака. Если взглянуть на небо в солнечный день, можно часто увидеть инверсионные следы, которые оставляют за собой реактивные самолёты. Эти белые полосы в небе — не дым из плохо отрегулированных двигателей; это облака, засеянные выхлопами. Мелкие частицы, оставшиеся после сгорания топлива, вылетают из самолёта вместе с огромным количеством раскалённого газа. Он толкает самолёт вперёд, и хотя может показаться, что он слишком горяч для формирования воды, на больших высотах температура настолько низкая, что выхлопные газы быстро остывают. Эмиссионные частицы становятся центрами конденсации и формирования капелек жидкости, которые затем замерзают, становясь сначала водой, а потом крохотными кристаллами льда. Инверсионные следы — всего лишь высокие и прозрачные перистые облака.
В зависимости от состояния воздуха инверсионный след может продержаться всего несколько минут или несколько часов, а немалое их число (в мире ежедневно совершается 100 000 полётов, и все они оставляют такие следы) вызывает у многих опасения, что эти искусственные «облака» могут повлиять на климат Земли. Здравый смысл подсказывает, что облака охлаждают Землю; посидев на пляже в пасмурный день, вы сами это почувствуете. Но они не просто отражают солнечный свет обратно в пространство. Они также захватывают тепло, идущее с поверхности Земли в виде инфракрасного излучения, и отправляют его обратно. Этот эффект особенно заметен зимой, когда ясное небо означает более холодную погоду, чем облачный покров: ведь ночью тепло, которое теряет земля, отражается обратно облаками. При этом разные типы облаков (они различаются по цвету, плотности и размеру) на разных высотах дают разные результаты. И сказать точно, оказывают ли суммарно инверсионные следы повышающее или понижающее действие на среднюю температуру Земли, очень трудно; это серьёзная научная задача.
Для изучения этого вопроса необходимо иметь возможность исследовать климат Земли при отсутствии инверсионных следов и сравнить средние температуры с ними и без них. Но в наше время где-нибудь в стратосфере обязательно летят авиалайнеры. Когда самолёты садятся на ночь в США, они как раз взлетают на Дальнем Востоке и в Австралии, а когда прекращаются полёты там, взлетают самолёты в Европе. Так продолжается двадцать четыре часа в сутки семь дней в неделю: в любой момент в воздухе находится более миллиона человек. Единственный заметный промежуток времени, когда это было не так в недавней истории, имел место после атаки террористов на башни-близнецы в Нью-Йорке. В США после 11 сентября 2001 г. трое суток не взлетал ни один самолёт. Измерения четырех тысяч метеорологических станций по всей территории страны показали, что 11 сентября разница между дневной и ночной температурами была в среднем на 1 ºC выше, чем обычно. Конечно, это всего лишь одна экспериментальная точка в одно время года — осенью. Вполне возможно, что зимой, весной и летом, когда облачный покров и местные климатические условия иные, суммарное действие инверсионных следов привело бы к понижению, а не к повышению температуры. Работа в этой области идёт, но решить задачу будет непросто; наш климат устроен очень сложно. Конечно, трудно представить себе время, когда мы могли бы собрать больше данных по полностью бесполётному сценарию, с учётом той важной роли, которую играет авиация в нашей культуре. Но учёные широко обсуждают возможность управления глобальными температурами путём засева облаков и думают, нельзя ли таким способом нейтрализовать некоторые эффекты климатических изменений. Многие подозревают, что можно было бы справиться с солнечным излучением путём повышения отражающей способности атмосферы; этого можно добиться, сделав облака белее. Очевидный способ проверить эту теорию — намеренное производство множества инверсионных следов. И хотя подобные эксперименты очень неоднозначны, есть люди, которые считают, что втайне они уже проводятся. Адепты теории заговора по производству инверсионных следов утверждают, что некоторые из них сохраняются в небе слишком долго и единственный способ это объяснить — предположить, что созданы они при помощи аэрозолей или каких-то других химических веществ. Некоторые конспирологи идут ещё дальше и утверждают, будто инверсионные следы — свидетельство того, что правительства распыляют над своими территориями какие-то жидкости с целью психологического манипулирования населением при помощи химических средств.
