Вода, содержащаяся в газе, также влияет на его поведение при подъеме. Если газ остывает ниже температуры конденсации, из водяного пара образуются капли. Переход из пара в жидкость происходит с выделением энергии, что способствует разогреву газа, несмотря на то, что он расширяется. Сходные рассуждения можно привести и для движущегося вниз газа. В этом случае повышающееся давление приводит к сжатию газа и его разогреву. Чтобы газ продолжал опускаться, он должен оставаться холоднее воздуха.

Соотношение температур газа и воздуха определяет, будет газ опускаться или подниматься, но при ветре форма струи, изгибающейся на ветру, зависит от турбулентности (завихрений) воздуха. Если турбулентные вихри мелкие, двигаясь от трубы, струя постепенно расширяется. Если завихрения крупные, струя может образовывать петли. На самом деле это не совсем петли: каждый выделенный объемчик газа двигается почти по прямой линии, а не вверх или вниз. Появление петель связано с тем, что благодаря турбулентности расположенные рядом объемчики газа двигаются вдоль разных прямых линий.

В качестве примера рассмотрим струю в форме конуса. Она образуется, когда при движении вверх температура газа быстро становится ниже температуры воздуха, а при движении вниз — быстро становится выше температуры воздуха. В результате часть газа остается примерно на уровне трубы. Однако умеренная турбулентность непрерывно перемешивает газ по вертикали. Струя дыма стелется, расширяясь наподобие веера, если в данный момент температура воздуха возрастает с высотой. Это называется температурной инверсией. В этом случае слой «захваченного» газа уже, а турбулентность может перемешивать его только по горизонтали. Впрочем, особо горячие порции газа могут прорваться вверх, образуя боковые струи.

Струя может разделиться надвое из-за того, что в центре трубы газ поднимается быстро, а вдоль ее стенок — медленнее. Когда струя выходит из трубы, газ начинает циркулировать, двигаясь вверх в центре и вниз по краям. Этот вихрь расщепляет струю, а затем ее разделенные части распространяются по ветру в разных направлениях.

Когда газ из трубы выходит медленно (например, когда выходное отверстие трубы камина широкое, а огонь в нем не слишком сильный), струя сначала сжимается и набирает скорость, а затем расширяется, приобретая V-образную форму. Фактически форма струи дыма такая же, как и у спокойно текущей из крана струи воды, но только струя дыма направлена вверх.

Индейцы знают, как, контролируя дым костра, передавать сигналы на большое расстояние. Чтобы костер хорошо дымил, в него надо подбросить хворост, а затем на короткое время накрыть мокрым одеялом. Если затем одеяло убрать, вверх взметнется столб дыма, который можно будет увидеть издалека. Почему, если сигнал подают рано утром или под вечер, дым, достигнув определенной высоты, начинает стелиться горизонтально? В этом случае струя дыма напоминает шляпку гриба или ядерный гриб.

Австралийские аборигены тоже умеют использовать костры для передачи сигналов, но они не накрывают костер одеялом, а приподнимают горящие поленья длинными жердями. В то время как несколько человек заняты этим, другие подбрасывают в костер хворост. При подъеме горящих поленьев увеличивается поток воздуха, проходящий через огонь, костер разгорается, а добавленный хворост позволяет получить много дыма. У них сигнальный дым также принимает форму шляпки гриба. Более того, тщательно координируя свои действия, туземцы могут отправить вверх шесть таких «шляпок», расположенных строго одна над другой. Как туземцы контролируют высоту, на которой будет появляться каждая из таких «шляпок»?

Почему при сильных взрывах, включая наземные и подземные ядерные взрывы, образуются грибовидные облака?

ОТВЕТ • Клубы дыма стелются горизонтально на той высоте, где газ, переносящий дым, охлаждается до температуры окружающего воздуха (см. предыдущую задачу). Появление шляпки гриба наиболее заметно, когда имеет место инверсия температуры воздуха, то есть температура воздуха возрастает с высотой. Такое может произойти утром или вечером, когда земля остывает. Австралийцы контролируют высоту каждой из «шляпок» по интенсивности горения костра. Когда температура пламени повышается, клубы дыма и горячий газ поднимаются выше.

Во время Второй мировой войны дымовые завесы использовались для маскировки различных объектов, например фабрик. Ночью, особенно при ярком лунном свете, они помогали защитить их от воздушных бомбардировок. Плотный, маслянистый дым черного цвета получали от сгорания дизельного топлива в устройствах, аналогичных тем, которые используют, укрывая дымом сады во время сильных заморозков. Не слишком горячий дым поднимался незначительно, выходя из высокой трубы топки. Таким образом, в безветренную погоду образовывался тонкий горизонтальный слой дыма, способный скрыть объект.

При ядерном взрыве образуется раскаленный огненный шар, стремительно разогревающий воздух. Затем этот воздух быстро поднимается, увлекая за собой вверх воздух приземного слоя, грязь, мусор и капельки воды, из которых образуется ствол грибовидного облака. Как и в случае костра, поднявшийся воздух со временем остывает до температуры окружающего воздуха, а затем разносится в горизонтальном направлении, формируя шляпку гриба.

Почему никогда не удается разжечь хороший огонь, укладывая щепки вокруг одного полена? Почему поленьев должно быть по крайней мере два, а лучше три? Почему, пока поленья горят, их надо время от времени ворошить? Почему огонь в камине обогревает комнату? Почему плохой камин дымит, то есть дым от такого камина идет в комнату, а правильно сложенный камин не дымит?

В чем смысл стеклянного экрана, прикрывающего топку камина? Как следует складывать поленья для лучшего обогрева комнаты?

ОТВЕТ • Поверхность бревна начинает гореть, когда ее температура поднимается выше некоторого определенного значения — температуры возгорания. Горящие щепки могут поджечь бревно с одной стороны, но, когда они прогорят, инфракрасное излучение с поверхности бревна и конвекция горячих газов вверх от бревна скоро понизят температуру его поверхности ниже температуры горения. Чтобы поддержать горение, необходимо расположить вблизи него еще по крайней мере одно полено, а лучше два. В этом случае их горящие поверхности благодаря излучению, конвекции горячих газов и передаче тепла по воздуху разогревают друг друга, и их температура остается выше температуры горения.

Именно так следует разжигать костер. Но огонь в камине горит не в открытом пространстве — частично он окружен стенками. Газ и горячие кирпичи пода[58] камина создают инфракрасное излучение, направленное на горящую поверхность бревна, благодаря чему оно остается достаточно горячим. С другой стороны, стенки камина могут ограничивать количество кислорода, необходимого для поддержания горения. В идеальной ситуации достигается равновесие между количеством тепла, выделяемого при горении, и потерями энергии путем конвекции горячих газов, уходящих в трубу (хорошо, если не в комнату), теплопроводностью через заднюю стенку камина и теплом, излучаемым в комнату. Огонь разгорается, если подбросить в камин дров или если усиливается направленный в камин и выходящий через трубу поток воздуха.