История изучения: шумерский дракон, господствующее заблуждение Аристотеля и турецкие бани
Почему идёт дождь? Ответ на этот вопрос пытались найти уже в одном из самых старых из известных в истории текстов, написанном шумерами (древнее население Южной Месопотамии) примерно четыре тысячи лет тому назад. Книга начинается с концепции мироздания, гласящей: сначала был первобытный хаос — его люди представляли себе как воды в множественном числе, находящиеся в сложном движении и не имеющие абсолютно никакой структуры. Чтобы из этого всего возник мир, нужно было "отделить твердь от хляби". Представлялось это шумерам так: существовал некий герой Энлиль (каждая следующая цивилизация называла его своим именем — Мардук, Георгий Победоносец), который победил дракона и расчленил его тело на 2 части — из одной была сделана земля, из другой — небо. Обе они составляют наш мир, а первобытный хаос окружает со всех сторон. "Это потрясающе экономная теория, которая объясняет совершенно не связанные друг с другом факты: когда верхняя полусфера прорывается — идёт дождь, но если прокопать колодец в нижней, мы наткнёмся на ту же самую воду", — рассказывает Григорий Фалькович.
Первая внятная мысль о том, как на самом деле происходит круговорот воды в природе, пришла с Востока. В золотую эпоху исламской цивилизации в Басре (нынешний Ирак) существовало анонимное общество любителей мудрости или, в переводе с арабского — "Товарищество чистых". В одном из их трудов написано: "Тёплый воздух поднимает пар, и эти облака громоздятся, как горы взбитого хлопка. Если же холод приходит сверху, пары собираются в капельки воды, которые падают сквозь облако, объединяясь друг с другом, и выпадают оттуда большими каплями". "Эти люди (которые, кстати, тоже были знакомы с учениями Аристотеля) фактически написали учебник современной метеорологии — осталось только облечь их слова в формулы. Однако опять парадокс: текст восточных мыслителей не повлиял на развитие науки. В следующие века до всего, ими сказанного, Европа доходила мучительным экспериментальным путём", — рассказывает Григорий Фалькович.
В Европе первые опыты, показывающие, как проходит процесс конденсации, были поставлены только в XVII веке. Это сделал немецкий учёный Отто фон Герике, создавший насос, способный создавать вакуум. Исследователь соединил две колбы и поставил между ними перегородку. Из одной из них он выкачал воздух, а затем убрал преграду. Газ расширился и стал непрозрачным — то есть он охладился, и выравнивание давления заставило его выделить лишнюю влагу.
Продвинуться в метеорологии дальше людям мешало знание того, что вода тяжелее воздуха. Было непонятно, как она может подняться на такую высоту.
Григорий Фалькович,
профессор Института им. Вейцмана (Израиль):
Одна из причин, из-за которой я стал заниматься этой темой — очень личная. Мне было лет 6-7, каждый вечер мой отец гулял со мной, и мы беседовали о разных вещах. Однажды я спросил его, почему облако белое. Он объяснил, что оно состоит из маленьких капелек воды, каждая из которых представляет собой зеркальце, отражающее свет во все стороны. Я поинтересовался, отчего тогда облако не падает, и отец, который, казалось, знает все на свете, не смог ничего сказать. Долгое время меня мучило осознание, что я уже я дипломированный специалист, потом кандидат наук, доктор, а до сих пор не знаю ответа на этот вопрос.
Сдвинул дело с мёртвой точки Декарт — он, служивший одно время простым солдатом, сказал: "Маленькие частички воды поднимаются и взлетают так же, как дорожная пыль, поднимаемая ногами пешеходов, может долго висеть в воздухе. Когда наш взвод пройдёт по просёлочной дороге, пыль за нами может висеть часами". А дальше уже понадобился гений Ньютона, который в своей "Оптике" заметил, что воздух весит больше, чем молекулы воды. Удивительно, как учёный понял это, не владея кинетической теорией и молекулярной теорией веществ.
Дождь из автомобильных шин
Как происходит рождение дождя? Сначала пары поднимаются вверх и из-за разницы температур там начинают конденсироваться. Самое важное в этом — совершить первый шаг — найти центр образования капелек. На самом деле, если взять очень чистый воздух и в нем сильно охлаждать пары, то они не будут превращаться в воду до совершенно невероятной степени пресыщенности. В атмосфере должны быть маленькие пылинки. Из чего состоят частички, служащие основой для дождей, например, в Новосибирске? Из резины, стирающейся от автомобильных шин. И так — практически в каждом современном городе.
Рост капли из-за конденсации со временем становится всё медленнее. Например, быстро может возникнуть конструкция до одного микрона, а чтобы вырастить морось (имеющий размер примерно 100 микрон) понадобится около ста часов. Однако совершенно очевидно, что дождь образуется быстрее. Например, документально зафиксировано, что в тропиках тучи могут собраться, пролиться и разойтись за 30-40 минут. То есть для получения осадков маленькие капли должны каким-то образом сливаться друг с другом, но здесь существует затруднение: попадая в одно облако, они очень быстро "забывают" свой первоначальный размер, становятся одинаковыми, приобретают одну скорость и, по законам физики, сталкиваться не могут. Градиент ветра имеет значение, но он способен сократить время образование дождя лишь на 20-30% — например, со 100 часов до 70. Гравитационное падение здесь тоже не подмога — вокруг крупной капли образуется некий "вязкий" слой, из-за которого сородичи более мелкого размера вынуждены обходить её стороной.
Идея о том, что необходимо принимать во внимание турбулентность, начала возникать в 80-е годы. Но американского физика, который её высказал, метеорологи не восприняли всерьёз. "Дело в том, что ветер всегда дует с завихрениями. Частички воды, попадая в эти "центрифуги", довольно быстро "выплёвываются" наружу, и возникает эффект неоднородного распределения (теперь уже всеми признанный и многократно померянный). То есть, если облако представляет собой совокупность множества вихрей, капельки собираются не внутри них, а между ними — в результате частота столкновения "дождинок", пропорциональная квадрату концентрации, многократно возрастает", — утверждает Григорий Фалькович.
Также учёные обнаружили, что в этом процессе имеет место ещё одно интересное явление, которое они назвали эффектом пращи — частичка воды, крутящаяся в воздушной центрифуге, не просто равномерно продвигается к её краю, а вылетает, как камень, пущенный из этого древнего оружия. Такая капля локально будет иметь очень большую скорость по сравнению с окружением. Ровно это и нужно для того, чтобы они столкнулись с другими. Эффект вихрей был описан учёными в 2002, и только в 2014 году в лаборатории Университета Макса Планка он был подтверждён экспериментально.
Григорий Фалькович,
профессор Института им. Вейцмана (Израиль):
Сейчас у нас есть ощущение, что на уровне механизмов эти процессы поняты, и осталось только подобрать числа, чтобы вписать их в формулы. Через 10 лет может оказаться, что мы сильно ошибались, и нужно будет опять искать что-то качественно новое.
В завершение лекции Григорий Фалькович попытался дать объяснение аномальному граду, произошедшему этим летом в Новосибирске, когда посреди жаркого дня с неба вдруг начали падать льдины размером с куриное яйцо: "Скорее всего, здесь произошла встреча двух фронтов: влажный тёплый воздух встретился с холодным, последний нырнул вниз, а первый поднялся наверх, да настолько резко, что там моментально произошли сначала конденсация, а потом замерзание, в результате чего стремительно образовались огромные градины и повалились на землю".
Диана Хомякова, copah.info
Самое важное - в нашем Telegram-канале
