В 1872 году Уильям Крукс изобрел радиометр — устройство для измерения энергии, испускаемой источником света. Но сегодня это только забавный сувенир, который продают в магазинах научных игрушек. Радиометр представляет собой герметичную стеклянную колбу, из которой частично откачан воздух. Внутри колбы имеется металлическая втулка, к которой прикреплены четыре металлических лопасти-лепестка. Одинаково раскрашенные лепестки, белые с одной стороны и черные с другой, могут вращаться вокруг вертикальной иголочки. Если такую вертушку поставить вблизи источника света, лепестки вместе со втулкой вращаются вокруг иголочки, причем вращение тем быстрее, чем ярче свет. Что вызывает вращение и что определяет его направление? Как можно изменить направление вращения лепестков?

ОТВЕТ • Часто думают, что движение лепестков происходит за счет давления света, но этот эффект слишком мал, чтобы его можно было заметить с помощью такой игрушки. И, кроме того, за счет давления света она вращалась бы в направлении, противоположном тому, которое мы видим. Давление света может привести лепестки в движение, поскольку кванты при отражении и поглощении передают поверхности импульс. Передаваемый импульс больше там, где свет отражается. Следовательно, солнечный свет, падающий на лепестки, сильнее давит на их белые стороны, чем на черные, а значит, лепестки должны двигаться черной стороной вперед. Именно так вращались бы лепестки, если бы из колбы откачали почти весь воздух.

Однако воздух, оставшийся в колбе, существенно больше влияет на лепестки. Поскольку лепестки поглощают свет (инфракрасное излучение и видимый свет), их черные стороны нагреваются чуть сильнее, чем белые. Молекулы воздуха, оставшиеся в колбе, сталкиваются с лепестками и приводят их в движение. Чем быстрее молекулы двигаются, тем сильнее они подталкивают лепестки. За счет разницы температур от черной стороны каждого из лепестков молекулы отскакивают быстрее, чем от белой. Соответственно, нажим на черные стороны больше, и лепестки вращаются вокруг иголочки белой стороной вперед. Если свет выключить, через какое-то время температуры с разных сторон лепестков выравниваются (система приходит в тепловое равновесие), давления тоже выравниваются, и трение останавливает вертушку.

Когда моя бабушка была девочкой, питьевую воду качали из колодца вручную. Бабушка уверяла, что при ненастной погоде воду качать было легче, но она была такой мутной, что пить ее было опасно. Результат не зависел от того, шел ли дождь. Похоже, артезианские колодцы тоже чувствительны к погоде: независимо от того, идет ли дождь, во время бури вода в них поднимается легче. Почему же колодцы реагируют на погоду?

ОТВЕТ • Хотя общий уровень воды в колодце зависит от количества выпавших в данном месте дождей или от таяния снега, изменение атмосферного давления может изменить уровень воды в колодце на несколько сантиметров. Когда во время бури атмосферное давление падает, уровень воды в колодце поднимается. Увеличившийся приток воды может приносить с собой частички глины и песка, делая воду непригодной для питья.

Потоки воздуха в системе пещер также чувствительны к изменению атмосферного давления. Когда давление повышается, воздушный поток направлен вглубь пещеры, а когда падает — наружу из пещеры. В узких проходах, где скорость воздушного потока больше, движение воздуха заметнее.

Почему насекомые (москиты и летающие муравьи) иногда собираются во множестве и кружат в воздухе, образуя как будто столбы густого дыма над деревьями? Возникает ощущение, что на дереве разложили небольшой костер. Иногда такие «столбы» из насекомых формируются над купами деревьев и шпилями зданий. Однажды пожарные выехали на тушение пожара в церкви, но оказалось, что «дым» над ее шпилем — всего лишь насекомые.

Почему живущие на мелководье рачки артемии Artemia salina иногда собираются в «столбы» над подводными камнями, освещенными солнцем? Почему такой «столб», иногда достаточно плотный, поднимается над камнем, но отклоняется от направления к солнцу?

ОТВЕТ • Бывает, что на закате деревья остывают медленнее, чем окружающая их земля, и от них исходит тепло. Очевидно, тепло привлекает насекомых; возможно, играет роль и влага, конденсирующаяся из остывающего при подъеме воздуха.

Рачки артемии тоже собираются в теплых конвекционных столбах воды, нагретых солнцем. Им нравится тепло, и, возможно, в такой теплой воде больше пищи, но солнечный свет они не любят. Поэтому рачки, поднимаясь с током воды, отклоняются от направления солнечных лучей. Добравшись до поверхности, они плывут обратно на дно, а затем снова заплывают в теплую восходящую струю, чтобы еще раз на ней «прокатиться».

Откуда берется молния и почему при грозе грохочет гром и вспыхивает свет? Поскольку молнию видно издалека, значит ли это, что она очень широкая?

ОТВЕТ • Молния — это очень мощный электрический разряд (искра), проходящий между тучами и землей. Хотя этот разряд был детально исследован и его параметры измерены, основная причина образования зарядов в тучах и спусковой механизм, приводящий к появлению молнии, до сих пор не до конца ясны. Известно несколько механизмов разделения зарядов в туче, в том числе захват ионов, всегда имеющихся в воздухе, движущимися каплями и кристаллами, столкновения градин с более мелкими кристалликами льда, а также слияние и дробление капель. Электроны из кристалликов льда переходят в градины, которые после этого опускаются в нижнюю часть тучи, туда же переносят заряд падающие капли. В результате, поскольку электроны несут отрицательный заряд, основание тучи становится отрицательно заряженным, а верхняя часть тучи, потерявшая эти электроны, становится положительно заряженной. Все же небольшое количество положительных зарядов остается и у основания тучи.

На земле в обычных условиях имеется избыток свободных электронов, но когда над каким-то местом повисает заряженная туча, электроны оттуда уходят, поскольку их отталкивают отрицательные заряды, собравшиеся в основании тучи. Так место под тучей становится положительно заряженным. Эти заряды на земле и соответствующее распределение зарядов в туче приводят к появлению большого электрического поля между землей и тучей. Если оно превысит некоторое критическое значение, возникнет разряд, начинающийся у основания тучи.

Рис. 5.1 / Задача 5.1

Затем по направлению к земле начинает распространяться зигзагообразный ступенчатый лидер, который по дороге ионизует атомы, выдирая с их внешних орбит электроны, и переносит вниз часть отрицательных зарядов с тучи. Он слишком слабо светится и невидим для глаза, но сфотографировать его можно. Длина ступенек составляет примерно 50 м (поэтому его называют ступенчатым), причем путей распространения ступенчатого лидера вниз очень много, и они весьма разветвленные. Хотя наблюдателю на земле обычно кажется, что молния идет вертикально вниз, часть ее пути в основном горизонтальна. Лишь когда молния приблизится к поверхности земли, она начинает «замечать» некоторые объекты на земле, например высокие деревья.