В. Мезенцев
«Загадки» природы
Под редакцией профессора Н. Баева
Издательство «Московский рабочий»
1952
ВВЕДЕНИЕ
Человек окружен самыми разнообразными явлениями природы. Многие из этих явлений наблюдаются часто и человек к ним привык. Люди привыкли, например, к дождю, снегу и ветру, к смене времен года и считают эти явления обычными, естественными. Но когда бывают редкие явления природы – мираж на горизонте, комента на небе, солнечное или лунное затмение, - их называют «необыкновенными».
Еще большее внимание обращает человек на грозные природные явления (например, землетрясения), которые могут причинить разрушения, принести ущерб. Такие явления также считаются иногда «необыкновенными», загадочными.
Между тем, все явления природы естественны, закономерны, вызываются естественными причинами.
В далеком прошлом человек был бессилен перед стихиями природы. Он не знал закономерностей развития природы. Поэтому явления природы, особенно редкие, представлялись загадкой, наводили страх. Окружающий мир казался таинственным. Чувство беспомощности и страха порождало веру в «сверхъестественное». В каждом редком явлении природы суеверный человек видел «небесное знамение», действие невидимого «духа», предвестие каких-либо событий на Земле. Он верил в «чудеса», в нелепые, фантастические выдумки.
Всякого рода невежественные представления о явлениях природы породили религию. «Религия возникла, - писал Фридрих Энгельс, - в самые первобытные времена из самых невежественных, темных, первобытных представлений людей о своей собственной и об окружающей их внешней природе» (Ф. Энгельс. Людвиг Фейербах, Госполитиздат, 1950, стр. 48).
С разделением общества на классы – эксплуататоров и угнетенных – религия стала идеологией эксплуататорских классов, их служанкой. Ради своих корыстных интересов эксплуататорам выгодно держать трудящихся в темноте и невежестве, поддерживать в народе суеверный страх. С помощью религии эксплуататорские классы всегда стремились идейно закабалить трудящихся, сделать их безропотными рабами. Попы любой религии внушали трудящимся массам, что эксплуататорский строй установлен на Земле «всевышним богом».
В статье «Социализм и религия» В. И. Ленин писал, что подобно тому, как в прошлом бессилие первобытных людей в борьбе с природой рождало веру в чертей, богов, в чудеса, так и теперь, при капитализме, классовое угнетение трудящихся порождает ту же веру в божественные силы, в загробную жизнь.
В условиях общего кризиса капиталистической системы, обострения противоречий капитализма, эксплуататорские классы стремятся еще больше затемнить сознание пролетариата и всех трудящихся.
В США, Англии, Франции и других капиталистических странах выпускаются книги, начиненные разного рода антинаучными вымыслами. Знаменем разбойничьего американо-английского империализма стал фидеизм. Это реакционное учение резко враждебно подлинной науке. Оно пытается подменить знание верой. Шарлатаны пытаются обмануть народ, будто человек не может познать законы развития природы, что наука не нужна народу.
Современная буржуазная наука и идеалистическая реакционная философия помогают церкви укреплять в сознании народа веру в обветшалые, нелепые библейские басни о различных чудесах. Находятся «ученые», которые пытаются доказать, что Вселенная возникла будто бы чудесным образом из «ничего». Другая группа американских мракобесов, именуемая «персоналистами», проповедует, будто «создателем мира» является некий «персональный мировой дух» и что он управляет явлениями природы и думает за людей.
Вся подобная реакционная идеалистическая философия смыкается с грязной политикой поджигателей новой мировой войны.
Дикие средневековые бредни распространяют даже высшие учебные заведения США, где в качестве «ученых» философов часто подвизаются проходимцы и преступники. Так, например, Гарвардский университет организует лекции, в которых прислужники империалистов пытаются убедить студентов, будто «грешно» изучать природу и закономерности ее развития. В Иельском университете ведется пропаганда атомной войны против прогрессивного человечества.
Вымыслы идеалистической философии, суеверие, ложь и обман – все это отражает глубину, низость и мерзость падения буржуазии. Выступая в 1947 году на философской дискуссии, тов. А. А. Жданов говорил: «Известно уже из опыта нашей победы над фашизмом, в какой тупик привела целые народы идеалистическая философия. Теперь она предстает в своем новом отвратительно грязном естестве, отражающем всю глубину, низость и мерзость падения буржуазии. Сутенеры и уголовные преступники в философии – это действительно край гибели и разложения» («Вопросы философии» № 1 за 1947 г., стр. 271).
Взоры всего прогрессивного человечества обращены к Советскому Союзу, где все народы, руководимые партией Ленина – Сталина, тесно сплочены нерушимой дружбой и успешно строят коммунистическое общество. Советский народ занят мирным созидательным трудом.
В строительстве коммунизма советский народ руководствуется мировоззрением большевистской партии – диалектическим материализмом. Вооруженный этим единственно верным мировоззрением, человек правильно познает закономерности развития природы и общества. Все, кажущееся на первый взгляд загадочным и непонятным в природе, становится обыкновенным, закономерным, научно обоснованным.
Марксистский диалектический метод изучения явлений природы, познания этих явлений раскрывает перед человеком, что природа представляет не случайное скопление предметов, явлений, оторванных, изолированных и независимых друг от друга. Природа – это связанное, единое целое. Все предметы и явления в природе органически связаны друг с другом, зависят друг от друга и обусловливают друг друга.
Если рассматривать то или иное явление природы в изолированном виде, вне связи с другими явлениями, его нельзя понять. Изолированное явление будет казаться загадочным и непонятным. Например, человек видит на небе редкое явление – затмение Солнца. Вне связи этого явления с другими явлениями, с движением небесных тел, затмение Солнца будет казаться непонятной загадкой. Но если рассматривать это явление в неразрывной связи с другими явлениями, связать его с тем, что мы знаем о строении Вселенной и о законах движения небесных тел, то истинная причина солнечного затмения станет ясной, от загадки не останется никакого следа.
Точно так же человеку кажется на первый взгляд загадочным, даже необъяснимым, появление на небе яркой многоцветной радуги. Но если мы познакомимся с законами преломления света, то загадка радуги будет раскрыта.
Вся природа, как пишет Энгельс, начиная от мельчайших частиц ее до больших тел, начиная от песчинки и кончая Солнцем, начиная от первичной живой клеточки и кончая человеком, находится в вечном возникновении и уничтожении, в неустанном движении и изменении. Поэтому марксистский диалектический метод, учит товарищ Сталин, требует «...чтобы явления рассматривались не только с точки зрения их взаимной связи и обусловленности, но и с точки зрения их возникновения и отмирания» (И. В. Сталин. Вопросы ленинизма, изд. 11, стр. 537).
Процесс развития природы следует понимать не как движение по кругу, а как движение по восходящей по восходящей линии, как развитие от простого к сложному, от низшего к высшему, от старого качественного состояния к новому качественному состоянию.
Например, температура воды на первых порах не изменяет капельно-жидкое состояние воды. Но если мы начнем подогревать воду, то наступает момент, когда она вся превращается в пар. В другом случае, сильно охлаждая воду, можно перевести ее в твердое состояние – в лед.
Изучение различных природных явлений с точки зрения их движения, их изменения, их развития позволяет нам успешно находить причины явлений, познавать их сущность. Так, изучая кометы, ученые установили, что эти «необыкновенные» небесные тела постепенно разрушаются, превращаются в скопление довольно крупных пылевых частиц и камней, и в таком виде они являются причиной другого редкого явления – «звездного дождя».
Изучая причины зарождения различных ураганных ветров, их развитие и прекращение, мы тем самым познаем и природу этого явления.
Процесс развития от низшего к высшему протекает в порядке раскрытия противоречий, свойственных предметам, явлениям, в порядке «борьбы» противоположностей.
Товарищ Сталин учит, что «...борьба этих противоположностей, борьба между старым и новым, между отмирающим и нарождающимся, между отживающим и развивающимся, составляет внутреннее содержание процесса развития, внутреннее содержание превращения количественных изменений в качественные» (И. В. Сталин. Вопросы ленинизма, изд. 11, стр. 539).
Для диалектического метода важно прежде всего то, что возникает и развивается.
По своей природе мир материален. Разнообразные явления в мире представляют различные виды движущейся материи. Поэтому нет нужды ни в каком «мировом духе». Взаимная связь и взаимная обусловленность явлений природы, устанавливаемые диалектическим методом, представляют закономерности развития движущейся материи. Никаких «сверхъестественных» сил не существует. Природа такова, какова она есть, без всяких «потусторонних» сил. Она не создана никакими богами. Все явления природы – обычные явления, присущие природе. Основное начало всех вещей и явлений – материя.
Мышление человека неотделимо от материи, ибо мышление продукт мозга, а мозг – орган мышления. Материя действует на органы чувств человека, производит ощущение. Нет в мире никаких «вещей в себе», нет в мире ничего «сверхъестественного», нет на свете «чудес». Мир и его закономерности вполне познаваемы. Знания человека о законах природы, проверенные опытом, практикой, являются достоверными знаниями, объективной истиной. Нет в мире никаких непознаваемых вещей, явлений. Каждую загадку природы можно разгадать.
Есть, конечно, еще не познанные вещи и явления. Однако и они будут раскрыты, разгаданы, познаны силами науки и практики.
Явления электричества в природе, к которым относится, например, полярное сияние, долгое время были загадкой. Наука раскрыла эту загадку. Больше того: люди сами стали производить электроэнергию и заставили ее служить себе.
Физика, химия, астрономия, биология и другие науки, опираясь на практику, постепенно познают предметы, явления все больше, увеличивают нашу власть над природой.
Советские люди, свободные от классового и национального гнета, познают законы развития природы и общества, руководствуясь марксистско-ленинской наукой. Непрерывный рост социалистической экономики и культуры в Советском Союзе, подъем материального благосостояния трудящихся – результат претворения в жизнь марксистско-ленинской науки. Советская наука, оплодотворенная марксизмом-ленинизмом, самая передовая наука в мире. Она тесно связана с народом, верно служит ему в великом деле построения коммунистического общества.
Прогресс науки поистине безграничен. «Ум человеческий, - указывал В. И. Ленин, - открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней...» (В. И. Ленин. Соч., т. 14, изд. 4, стр. 268).
Опираясь на глубокое, всестороннее исследование явлений природы, пользуясь марксистским диалектическим методом познания закономерностей развития природы, советские ученые делают замечательные открытия. Эти открытия претворяются в жизнь. Они помогают преобразовывать природу, умножать общественное социалистическое богатство нашей Родины, укреплять могущество Советского государства.
В нашей книге рассказывается о некоторых явлениях, которые человеку, незнакомому с ними, кажутся загадочными, «необыкновенными». Наука выяснила их особенности и причины возникновения.
ЗАТМЕНИЯ СОЛНЦА И ЛУНЫ
Затмение Солнца – одно из самых величественных явлений природы. Картина полного солнечного затмения незабываема.
В ясный день на Солнце вдруг начинает надвигаться с правой стороны темная тень. Яркий солнечный диск постепенно все больше и больше закрывается этой тенью. Скоро от него остается только узенький серп.
Гаснущее Солнце бросает на Землю последний луч, и наступает неожиданная ночь. В небе появляются звезды. На горизонте загорается заря, но она имеет оранжево-лиловый необычный цвет. Вместо Солнца на небе стоит черный диск, окруженный серебристым сиянием.
Проходит одна-две, иногда пять-семь минут – и полное солнечное затмение кончается; черная тень, закрывавшая Солнце, передвигается все дальше влево, и на небе вновь вспыхивают ослепительно яркие солнечные лучи. Солнце все увеличивается в размерах, закрывавшая его тень сползает влево. Проходит несколько минут – и нет уже ночи, быстро и неожиданно наступившей среди ясного дня. Природа вновь живет полной жизнью.
В глубокой древности это явление вызывало у человека суеверный страх. Люди во время солнечных затмений ожидали «конца света».
Боялись люди и другого явления природы – затмения Луны.
Страх перед затмениями Солнца и Луны поддерживали в народе служители всех религий. Они использовали эти явления для того, чтобы еще более закрепить в сознании народа веру в чудеса.
В настоящее время затмения Луны и Солнца уже не являются для науки загадкой. Теперь мы не только знаем действительные причины, которые вызывают эти явления, но и умеем наперед предсказать, когда и где произойдут затмения небесных светил. Учеными составлены таблицы, в которых указано время будущих солнечных и лунных затмений для различных мест земного шара. Например, известно, что в Москве ближайшее полное солнечное затмение будет видимо только 16 октября 2126 года. Одно из ближайших полных солнечных затмений – 30 июня 1954 года – будет видимо в некоторых областях Европейской части Советского Союза – в Минской, Киевской, Харьковской, Ростовской, а также на Кавказе. 25 февраля 1952 года затмение Солнца было видимо в Туркменской и Казахской ССР, а также в Сибири, в Алтайском и Красноярском краях и в Иркутской области.
Ближайшее полное затмение Луны произойдет 30 января 1953 года в 2 часа 9 минут утра.
Время будущих солнечных и лунных затмений предсказывается учеными исключительно точно. Ошибка обычно не превышает нескольких секунд.
Каковы же действительные причины затмений Солнца и Луны?
Вспомним, как устроена наша солнечная система.
Солнце – это одна из бесчисленных звезд Вселенной. Как и другие звезды, оно представляет собой огромный раскаленный газовый шар. Только потому, что Солнце – ближайшая к нам звезда, оно и кажется нам большим по своим размерам, чем все другие звезды. Вокруг Солнца обращаются планеты. Это – темные небесные тела. По размерам они во много раз меньше Солнца. Всего известно 9 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.
Земля обращается вокруг Солнца по слегка вытянутому кругу. Один полный оборот наша планета совершает в течение года. С обращением Земли вокруг Солнца и связана смена времен года на Земле. Помимо этого, Земля вращается вокруг своей оси, поворачиваясь к Солнцу то одной своей стороной, то другой. От этого зависит смена дня и ночи.
Рис. 1. Полное солнечное затмение.
В своем движении вокруг Солнца Земля сопровождается другим небесным телом – Луной. Это – спутник Земли. Луна обращается вокруг Земли подобно тому, как сама Земля обращается вокруг Солнца.
С Земли человек видит Солнце и Луну примерно одинаковыми по своим размерам. Однако действительные размеры этих небесных тел далеко не одинаковы. Солнце приблизительно в 400 раз больше в поперечнике, чем Луна. Видим же мы их с Земли одинаковыми только потому, что Солнце находится от Земли почти в 400 раз дальше, чем Луна.
Солнце – это раскаленный газовый шар. Оно является громадным источником лучистой энергии. Луна же – темное, несветящееся небесное тело, как и Земля. Светится Луна отраженным солнечным светом.
Если бы Луна излучала собственный свет, мы всегда наблюдали бы ее в виде полного светлого диска, подобно Солнцу. Однако в разное время мы наблюдаем Луну в разных видах или, как говорят, в разных фазах – то полной, то в виде узкого серпика, то слегка на ущербе. Причина этого и кроется как раз в том, что Луна не светит сама, а только отражает падающие на нее лучи Солнца.
Взгляните на рисунок 2. В центре его изображена Земля. Вокруг Земли обращается ее единственный спутник – Луна. Сбоку на Луну и на Землю падают солнечные лучи.
Представим себе, что Луна в своем движении вокруг Земли находится в стороне, противоположной Солнцу. В этом случае Луна обращена одной и той же своей стороной как к Солнцу, так и к Земле. Вся эта сторона освещена Солнцем. Поэтому человек видит с Земли полный круг Лупы. Это – полнолуние. Но вот Луна переходит в следующее положение (на рисунке цифра 6). Всей освещенной Солнцем поверхности Луны уже нет. Человек видит только какую-то часть этой поверхности. Луна будет казаться на ущербе. Затем светлый лунный полукруг превращается в серп, становится все меньше и, наконец, исчезает совсем. Наступает время новолуния. В это время Луна находится между Землей и Солнцем и человек не видит той стороны Луны, которая освещена Солнцем (на рис. цифра 1). Обращенная к Земле сторона лунной поверхности совсем не освещается лучами Солнца. Затем, когда Луна в своем движении передвинется дальше, в положение, отмеченное на рисунке цифрой 2, мы снова увидим освещенной часть лунной поверхности в виде светлого узкого серпика – молодого месяца.
Полное обращение вокруг Земли Луна совершает примерно за 29 ½ суток, поэтому и полная смена фаз Луны – от одного полнолуния до другого – происходит, также за 29 ½ суток.
Рис. 2. Фазы Луны.
Не трудно понять и основной интересующий нас вопрос – по какой причине происходят солнечные и лунные затмения. Попробуйте проделать такой опыт. Возьмите два каких-либо шара разных размеров – побольше и поменьше и расположите их около электрической лампочки так, чтобы тень от маленького шара падала на большой шар. Для этого надо, чтобы электрическая лампочка и оба шара находились примерно на одной линии (рис. 3). Тогда шар меньшего размера заслонит собой часть света, идущего от лампы, и на большой шар упадет тень от малого шара. Если смотреть с того места, куда упала эта тень, то источник света – электрическая лампочка – отсюда виден не будет: ее заслоняет малый шар. Описанный опыт – простой и наглядный пример того, как происходит солнечное затмение.
Рис. 3. Опыт, показывающий, по какой причине происходит солнечное затмение.
Представим себе, что наша электрическая лампочка – это Солнце, большой шар – Земля, а малый – Луна. Вы уже знаете, что Луна в своем движении вокруг Земли оказывается временами между Солнцем и Землей. Это бывает при новолунии. В этом случае и может произойти солнечное затмение. Тень от Луны упадет на Землю и заслонит Солнце. Люди, которые находятся в области лунной тени, будут наблюдать солнечное затмение.
Луна движется, поэтому и лунная тень на Земле не будет неподвижной; она быстро передвигается по земной поверхности. Подобное явление можно наблюдать, когда в ясный солнечный день в воздухе проносится самолет. Тень от самолета быстро бежит по Земле и можно видеть, как самолет на мгновение заслонит от нас Солнце. Таким же образом бежит по земной поверхности и громадная тень от Луны, закрывая для нас, обитателей Земли, на несколько минут Солнце. Поперечник этой тени может достигать 270 километров, а длина превышает иногда 10 тысяч километров.
Через одно и то же место полные затмения Солнца проходят редко – в среднем один раз в 300–400 лет. Таким образом, если жить на одном месте, можно за всю свою жизнь не увидеть ни одного солнечного затмения. Вот почему затмения Солнца особенно сильно пугали людей в прошлые века; ведь почти для всех людей такое явление было не только необъяснимым, но и впервые наблюдаемым. Никто не знал по своему опыту, что это явление не приносит людям вреда.
На рисунке 4 показано, где проходят полосы полных солнечных затмений 25 февраля 1952 и 30 июня 1954 года. В областях, близких к полосе затмений, наблюдается так называемое частное солнечное затмение. Здесь Луна закрывает не весь солнечный диск, а лишь некоторую часть его. Частное солнечное затмение можно видеть уже на значительно большей части земной поверхности. Ширина полосы частного затмения Солнца достигает нескольких тысяч километров.
Рис. 4. Полосы видимости полных солнечных затмений 1952 и 1954 гг.
Бывает и третий вид солнечного затмения – кольцеобразное. Объяснить его также нетрудно. Мы уже говорили о том, что человек видит солнечный диск и диск Луны примерно в одинаковом размере. Именно поэтому и возможны полные солнечные затмения – Луна, проходя между Землей и Солнцем, полностью закрывает видимый нами диск Солнца. Но как Земля вокруг Солнца, так и Луна вокруг Земли обращаются не по кругам, а по вытянутым кривым – эллипсам. Благодаря этому расстояние Земли от Солнца и от Луны слегка изменяется во времени. А от этого изменяются и видимые нами размеры Луны и Солнца. Бывает так, что Луна кажется чуть больше Солнца (когда Земля дальше от Солнца, а Луна ближе к Земле), а бывает и наоборот – диск Солнца кажется больше диска Луны (Солнце ближе к Земле, а Луна дальше от нее). В этом последнем случае и наблюдается кольцеобразное солнечное затмение. Ведь если Луна по своим видимым размерам меньше Солнца, то, даже если она и окажется точно между Солнцем и Землей, она все равно не сможет закрыть всего диска Солнца (рис. 5). Края солнечного диска останутся открытыми, напоминая своим видом сверкающее кольцо. Поэтому люди и наблюдают кольцеобразное затмение.
Рис. 5. Схема образования кольцеобразного солнечного затмения.
А какова причина лунных затмений?
Попробуем видоизменить тот же опыт с шарами. Поместим, как и прежде, на одной линии с электрической лампочкой оба шара, но так, чтобы тень от большого шара полностью закрывала малый шар. Большой шар – это наша Земля, а малый – Луна. Перед нами предстанет картина лунного затмения.
Когда происходит затмение Луны, то Земля находится между Луной и Солнцем. В этом случае вся Луна попадает в тень, которую отбрасывает от себя Земля. Это бывает во время полнолуния.
Лунное затмение существенно отличается от затмения Солнца. При солнечном затмении в действительности не происходит никакого затмения самого Солнца. Солнце продолжает сиять, как и прежде. В этот момент солнечный свет, падающий на Землю, лишь перекрывается спутником Земли – Луной. Иное дело – лунные затмения. Луна затемняется настоящим образом. Земля загораживает падающие на Луну лучи Солнца, и Луна – темное, остывшее небесное тело – перестает светить отраженным светом. Поэтому в отличие от солнечных затмений лунные затмения наступают одновременно во всех тех местах, откуда их только можно видеть. А видят лунное затмение в любом месте того полушария Земли, которое обращено в тот момент к Луне.
Люди, которые хоть раз наблюдали затмение Луны, наверное, помнят, что она не перестает быть видимой, а лишь сильно тускнеет и приобретает красновато-коричневый цвет. Это объясняется тем, что Землю окружает атмосфера. Часть солнечных лучей, падающих на нашу планету, проходит через слои воздуха, окружающие Землю; преломляясь в них, лучи попадают в область земной тени. При этом они приобретают красноватый оттенок и, попадая на поверхность Луны, придают ей красновато-коричневый цвет.
Теперь, когда мы знаем причину солнечных и лунных затмений, нам становится понятным, почему затмения Солнца наблюдаются значительно реже, чем лунные затмения. Ведь солнечные затмения бывают видимы только на небольших участках поверхности Земли. Поэтому в одном и том же месте солнечное затмение наблюдается крайне редко. Так, например, за все 800 лет, как существует Москва, жители ее наблюдали только три полных солнечных затмения.
Совсем не так обстоит с затмениями Луны. Человек, где бы он ни находился, может наблюдать половину всех лунных затмений, так как затмение Луны видно на всем полушарии Земли, повернутом в момент затмения к Луне.
Казалось бы, что затмения Луны и Солнца должны происходить каждое полнолуние и каждое новолуние, то есть каждый месяц. Но в действительности этого нет. Как солнечные, так и лунные затмения происходят несколько реже. Солнечных затмений бывает от двух до пяти в течение года, а лунных – только до трех. В чем здесь дело?
Объясняется это следующим обстоятельством. Земля описывает свой путь вокруг Солнца. Луна совершает движение вокруг Земли. Если бы плоскость, в которой Земля движется вокруг Солнца, в точности совпадала с плоскостью движения Луны вокруг Земли, то в этом случае и получалась бы та картина, о которой мы говорили: каждый месяц было бы по одному затмению Луны и по одному затмению Солнца. Но плоскость движения Земли вокруг Солнца не совпадает с той плоскостью, в которой движется Луна вокруг Земли (рис. 6). Не каждое новолуние Луна находится на линии Земли и Солнца. Точно так же не каждое полнолуние Земля попадает в точности между Луной и Солнцем. Поэтому никаких затмений в этих случаях мы наблюдать не можем.
Рис. 6. Плоскость, в которой движется Луна вокруг Земли, не совладает с плоскостью, в которой движется вокруг Солнца Земля.
Так современная наука объясняет, каким образом и почему происходят солнечные и лунные затмения.
Изучение затмений имеет и другое важное значение. Наблюдая полные солнечные затмения, ученые получают много новых данных о строении Солнца. Зная время наступления затмений Луны и Солнца, ученые уточняют закономерности движения небесных тел.
В первых рядах исследователей затмений в настоящее время идут советские ученые. Для глубокого постоянного изучения всех явлений на Солнце создана в СССР так называемая «служба Солнца». Все главнейшие обсерватории Советского Союза ведут систематические наблюдения над Солнцем.
К каждому полному затмению советские астрономы ведут тщательную подготовку, специально готовят различные приборы и инструменты. Для наблюдения и изучения солнечных затмений в различные места выезжают специальные экспедиции ученых. Затмение 1945 года, видимое в СССР, наблюдалось астрономами в Карело-Финской ССР и других районах СССР. В 1947 году советские ученые ездили наблюдать солнечное затмение в Бразилию.
«ВОЛОСАТЫЕ ЗВЕЗДЫ»
«Волосатые звезды» – это кометы, небесные тела необычного вида, появляющиеся на небе. Слово «комета» означает «волосатая», «косматая» звезда.
Кометы появляются довольно часто. Однако в большинстве случаев их можно увидеть только в телескоп. Появление на небе большой яркой кометы, видимой невооруженным глазом, – зрелище редкое и незабываемое!
Ночью среди звезд появляется сначала едва видимое светлое пятнышко. С каждыми сутками оно становится все ярче и больше. Очень скоро оно обращает на себя всеобщее внимание. Ясно видно очертание необычайного небесного тела. Это – большая яркая звезда, окруженная туманным сиянием, с длинным светящимся хвостом.
Комета движется по небу, приближаясь к Солнцу. Ее хвост становится все длиннее и ярче. Иногда необычайная звезда видна даже днем, при свете Солнца.
Комета проходит недалеко от Солнца, затем начинает удаляться от него, уменьшается в своих размерах, становится все бледнее, и затем теряется среди звезд. Только астрономы еще несколько недель следят за ней при помощи мощных телескопов. Но затем она исчезает из поля зрения и ученых.
Кометы приводили суеверных людей в трепет. Взирая на яркую звезду, разметавшую по небу свой огненный хвост, они принимали ее то за небесный факел, то за огненный меч, поражавший «грешников», то за страшного дракона с пылающими языками. Невежественные люди считали, что кометы предвещают какое-нибудь несчастье.
Устрашающее впечатление на суеверных людей Европы произвела большая комета 1680 года. Вот что писал один историк в то время в связи с появлением кометы:
«В городе великое смятение. Суеверные люди видят в этом предвестие нового потопа, так как, – говорят они, – вода всегда объявляется огнем. Трусы пишут завещания и, ожидая конца мира, передают свое имущество монахам».
Рис. 7. Яркая комета на ночном небе.
Монахи, конечно, не отказывались от земных благ, принимали имущество от суеверных людей и еще больше их запугивали ради своих корыстных целей.
На рисунке 8 приведено изображение кометы 1527 года, как она представлялась ее современникам: Эта комета, по словам одного очевидца, навела на людей «столь великий ужас, что иные от страха умерли, а другие захворали». Суеверные люди «видели» в комете будто бы согнутую руку, держащую тяжелый меч и как бы стремящуюся их поразить. «По обеим сторонам от лучей кометы видели множество секир, кинжалов и окровавленных шпаг, среди которых множество отрубленных голов с взъерошенными волосами и бородами производили страшное зрелище».
Рис. 8. Комета 1527 года по рисунку современника.
Взгляд на комету, как на зловещее небесное предзнаменование, многие века поддерживался всякого рода мракобесами.
Наука дала объяснение тому, что представляют собой «хвостатые звезды» – кометы, из чего они состоят, каковы пути их движения и что они не могут причинить никакого вреда Земле и людям.
Наука установила, что кометы – это не атмосферное явление, как думали в прошлом. Кометы – это небесные тела нашей солнечной системы. Число комет в; солнечной системе очень велико. Подобно планетам, эти небесные «странники» подчиняются закону всемирного тяготения. Они движутся по- определенным орбитам, вытянутым замкнутым кривым – эллипсам – вокруг Солнца (рис. 9).
В наше время хорошо изучены орбиты многих комет; Некоторые из комет совершают один полный оборот вокруг Солнца за несколько лет, другие обходят вокруг Солнца за десятки и сотни лет, а есть и такие кометы, период обращения которых составляет не одну тысячу лет.
Хорошо изучена комета, названная по имени астронома Галлея, современника Ньютона. Эта комета возвращается к Солнцу примерно каждые 75–76 лет, описывая вокруг него вытянутую замкнутую кривую – эллипс. По историческим записям установлено, что комета Галлея наблюдалась много раз и прежде. Ее описание было дано в старинной русской летописи 1066 года. Еще раньше комету Галлея описали китайские астрономы (почти за 2200 лет до нашего времени). Последний раз эта комета была видна на небе в 1910 году. Следующий визит этой небесной гостьи будет около 1985 года.
Разнообразны формы «волосатых звезд». Яркие большие кометы всегда имеют длинные светящиеся хвосты. У одних хвост тянется в виде одной прямой или изогнутой полосы, другие кометы имеют по нескольку хвостов. У небольших комет они часто очень короткие, мало заметные. Такие кометы напоминают обычную звезду, как бы окруженную туманной оболочкой.
Рис. 9. Орбита одной из больших ярких комет – кометы Галлея.
Хвосты комет направлены в сторону от Солнца (рис. 10). Когда комета, обогнув Солнце, начинает удаляться от него, впереди движется ее хвост.
Рис. 10. Хвосты комет направлены в сторону от Солнца.
Помимо хвоста в кометах различают ее голову и ядро. Голова – яркая часть кометы. В центре головы обычно видна еще более яркая часть – ядро кометы.
Иногда «хвостатые звезды» бывают огромны, но количество вещества в них невелико. Наукой установлено, что масса даже самых больших комет не превышает стотысячных долей массы нашей планеты – Земли. Это подтверждается следующими данными. Объем многих больших комет часто превышает объем Солнца в сотни раз. Если бы плотность вещества в таких кометах равнялась плотности вещества, из которого состоит Земля, появление вблизи Солнца большой кометы сопровождалось бы грандиозной космической катастрофой. Проходя мимо планет нашей солнечной системы, такие кометы притягивали бы их к себе. Само Солнце было бы увлечено колоссальной силой притяжения подобной кометы.
В действительности происходит обратное. Когда на пути следования кометы оказываются большие, массивные планеты, «хвостатые звезды» под их влиянием изменяют свою орбиту.
Почти вся масса кометы сосредоточена в ее ядре. Ядро – это наиболее плотная часть «хвостатой звезды». Плотность головы уже намного меньше; еще более разрежен хвост кометы. Ученые, изучающие кометы, считают, что лишь ядро этого небесного тела может быть твердым: скорее всего, оно состоит из кусков твердого вещества самых различных размеров. Голова и хвост кометы состоят из мельчайшей пыли и газа. Плотность вещества в них настолько ничтожна, что через голову и хвост можно видеть даже слабые звезды. Отсюда понятно, что ни одна комета не может сколько-нибудь серьезно повредить нашей планете при столкновении с ней. Напротив, сама комета разрушится, если столкнется с Землей.
Не может комета и сжечь Землю: ведь она только кажется нам огненной. А в действительности в ней светятся люминесцирующие газы. Кроме того, ядро кометы светится отраженным солнечным светом.
Когда комета проходит вблизи Солнца, она всегда частично разрушается. Яркие хвосты комет и есть следствие этого разрушения.
Имеется и другая причина, способствующая постепенному распаду комет. Это – действие притяжения со стороны планет. Особенно сильное воздействие на кометы оказывает Юпитер, самая большая планета нашей солнечной системы. Под действием силы притяжения кометы со временем изменяют свои орбиты.
Постепенно потеряв всю свою пыль и газы, комета превращается в скопление довольно крупных пылевых частиц и камней.
Иногда с кометами происходят и катастрофы: они распадаются на части, из одной кометы образуется несколько.
В хвостах комет, как показывают исследования ученых, имеется окись углерода – угарный газ. Возникает вопрос: а не может ли комета, если она заденет Землю своим хвостом, отравить все живое на Земле ядовитой окисью углерода? Наука дает точный ответ: нет, не может. Земля защищена достаточно плотным слоем воздуха. Поэтому кометные газы могут попасть лишь в самые высокие слои нашей атмосферы, да и то в незначительных количествах, Этот научный вывод подтвержден весной 1910 года, когда около Земли проходила комета Галлея. Земля пересекла хвост этой кометы, и никакого изменения в составе воздуха обнаружено не было.
В изучение «волосатых звезд» большой вклад сделали ученые нашей Родины. Особенно широко известны работы выдающегося русского астронома Ф. А. Бредихина и крупного советского астронома С. В. Орлова.
Великий русский физик П. Н. Лебедев доказал, что свет давит на тела. При помощи исключительно точных и остроумных опытов он показал, что свет оказывает давление на все тела, как твердые, так и газообразные. Когда свет давит на мельчайшие частички пыли и газа, из которых состоят хвосты комет, сила этого давления оказывается значительно большей, чем сила притяжения этих частичек к Солнцу. Этим и объясняется, почему хвосты комет отталкиваются Солнцем.
КАМНИ, ПАДАЮЩИЕ С НЕБА
Кто не видал, как в ясную ночь с неба скатывается звездочка? Блеснув яркой полоской, она быстро исчезает с темного неба. Если смотреть на небо долго, нетрудно заметить, что звезды падают очень часто. За одну ночь можно насчитать иногда более сотни таких падающих звезд.
А временами мы наблюдаем целые «звездные дожди», когда по темному ночному небу проносятся десятки ярких искр. Создается впечатление, что происходит какая- то небесная катастрофа и сотни звезд срываются со своих мест, исчезая в неведомых глубинах Вселенной (рис. 11). В прошлые века суеверные люди боялись такого небесного явления. Существовало поверье, что каждая упавшая звезда означает смерть человека. Они были убеждены, что после каждой «небесной катастрофы» число звезд на небе уменьшается и вместе с этим умирает много людей.
Так ли это в действительности? Как могут падать с неба звезды – эти огромные раскаленные тела, размеры которых часто во много раз превышают размеры нашего Солнца?
Наука дает на этот вопрос определенный ответ – звезды с неба не падают и не могут никуда упасть. Все они, подчиняясь закону всемирного- тяготения, движутся по своим определенным путям во Вселенной.
Какова же природа явления, которое на первый взгляд кажется загадкой.
Рис. 11. Великий огненный дождь у берегов Флориды в Атлантическом океане (с рисунка прошлого века).
В безграничной Вселенной помимо огромных небесных тел – звезд и планет – имеется множество и мелких космических тел – камней, крупных и мелких твердых частиц-пылинок. Многие из них движутся по самым различным направлениям и в пределах нашей солнечной системы. В своем движении они встречаются с Землей. При каждой такой встрече и возникает знакомое нам явление. В науке это явление называется метеором. Величина метеорных частиц ничтожна. Часто она не превышает величины песчинки. Вес таких частиц – десятые и даже сотые доли грамма.
С громадной скоростью влетают космические частицы в атмосферу нашей планеты. Здесь они встречаются с воздухом и начинают испытывать его сопротивление. По мере приближения к Земле и связанного с этим уплотнения воздуха сопротивление растет. Частица сжимает впереди себя воздух. От этого он раскаляется, частица сильно разогревается, начинает светиться и «сгорает» – превращается в газы и мелкую космическую пыль.
Наблюдения «звездных дождей» позволили установить интересный факт. Оказалось, что это явление повторяется через определенные промежутки времени для отдельных участков неба. Так, с давних пор были замечены обильные «звездные дожди», выпадающие из созвездия Льва. В летописях Китая об этих «дождях» упоминалось еще около четырех тысяч лет назад. Они были названы позднее Леонидами (Лео – значит лев). Было установлено, что Леониды повторяются каждые 33 года. Три раза в столетие люди видели, как из созвездия Льва, или, говоря точнее, из того участка неба, где находится это созвездие, вылетают яркие огненные стрелы, бороздящие темное ночное небо.
Раз в тридцать лет в апреле наблюдают яркие «звездные дожди» из созвездия Лиры. Такой «дождь» был в 1922 году и повторился в 1952 году, в последней декаде апреля.
Крупный «звездный дождь» наблюдался в октябре 1946 года. Сотни и тысячи метеоров вылетали при этом из созвездия Дракона. Ученые ожидают нового «дождя» Драконид через 13 лет, осенью 1959 года.
Какова причина таких «звездных дождей»? В мировом пространстве, помимо отдельных метеорных частиц, носятся также целые рои метеорных тел. Часто они являются распавшимися кометами. Метеорные скопления, подобно планетам, обращаются вокруг Солнца и время от времени встречаются с Землей. В такие ночи и наблюдаются яркие «звездные дожди».
Пути метеорных роев, обращающихся вокруг Солнца, под действием силы притяжения планет солнечной системы постепенно изменяются. По этой причине перестают появляться «звездные дожди», хорошо известные в прошлом, и возникают новые, ранее не известные. Так, Леониды, известные людям с давних времен, наблюдались последний раз в 1866 году. А «звездный дождь» Драконид впервые был отмечен только в 1933 году.
Число мелких частиц, находящихся в солнечной системе, очень велико. Ученые считают, что в атмосферу нашей планеты ежедневно влетает не менее двух-трех десятков миллионов таких частиц. Огромное большинство этих частиц сгорает в воздухе. Но бывает и так, что отдельные более крупные космические частицы, величиною с орех и крупнее, не успевают сгореть в воздухе и достигают поверхности Земли.
О камнях, падающих с неба, известно со времен глубокой древности. Такие камни называют метеоритами. Падение метеорита на Землю – это уже не такое мало заметное явление, как «падающая звезда». Когда падает крупный метеорит, по небу стремительно пролетает большой огненный шар – болид, оставляющий позади себя длинный светящийся хвост (рис. 12). Болид ярко освещает окружающую местность. Когда он исчезает на небосклоне, раздаются сильные удары – взрывы, слышны раскаты и гул, напоминающие гром, содрогается земля.
Рис. 12. Яркий болид.
Рис. 13. Падение Сихотэ-Алиньского метеорита (с картины очевидца художника Медведева).
Рис. 14. Одна из воронок, образовавшихся на месте падения Сихотэ-Алиньского метеорита (с фотографии Е. Л. Кривова).
Огромный «небесный камень» упал на севере Сибири, в районе реки Подкаменная Тунгуска. Это было 30 июня 1908 года. Как свидетельствуют очевидцы, болид, который появился на небе около 7 часов утра, по яркости не уступал Солнцу. «Небесный камень» упал в тайге, вдали от селения. С огромной скоростью врезавшись в Землю, он взорвался. На большой площади был повален и уничтожен лес. Огненный столб от взрыва метеорита поднялся на высоту более чем в 20 километров.Сотрясение почвы было так велико, что отмечалось на всем земном шаре, как землетрясение.
Некоторые советские ученые предполагают, что тунгусский метеорит был небольшой планетой, так называемым астероидом (звездоподобный). Астероиды видны в телескопы, как маленькие светящиеся точки-звездочки. Такие планетки, движущиеся подобно большим планетам вокруг Солнца, только в очень редких случаях могут; встретиться с Землей. Размер астероида, упавшего в районе Подкаменной Тунгуски, вероятно, не превышал нескольких десятков метров в поперечнике.
Рис. 15. Железный метеорит весом в 257 килограммов, упавший в октябре 1916 года на Дальнем Востоке. При падении он раскололся надвое.
Другой большой метеорит упал на нашей территории 2 февраля 1947 года в дальневосточной тайге, в отрогах Сихотэ-Алиньского хребта. Грохот от падения метеорита напоминал выстрелы из пушек. Сихотэ-Алиньский метеорит раздробился еще в воздухе на тысячи крупных и мелких железных осколков. В месте его падения было найдено более ста воронок. Всего в настоящее время собрано около 35 тонн осколков этого железного метеорита.
Падение таких крупных метеоритов, какими являются Тунгусский и Сихотэ-Алиньский, – явление очень редкое. В истории народов за несколько тысяч лет известно лишь несколько подобных случаев.
Гораздо чаще падают «с неба» небольшие камни. Ученые полагают, что на нашу планету ежегодно падают десятки тысяч метеоритов. Большая часть их рассыпается в воздухе; кроме того, наибольшее количество метеоритов падает над океанами.
Лишь незначительная часть метеоритов, падающих на Землю, попадает в руки человека. До настоящего времени во всем мире собрано около 1500 «небесных камней».
Собирание и изучение метеоритов имеет большое научное значение. Исследуя состав метеоритов, ученые узнают, из каких минералов и веществ состоят другие тела Вселенной. Эти исследования полностью подтверждают положение диалектического материализма, что материя во Вселенной едина. В составе всех метеоритов находят только те химические элементы, из которых состоят разнообразные тела Земли.
О материальном единстве Вселенной говорит исследование и всех других небесных тел.
В середине прошлого века был открыт замечательный способ изучения далеких небесных тел – спектральный анализ. При помощи этого метода ученые определяют химический состав, температуру, характер движения Солнца и звезд. Спектральным анализом ученые установили, что все небесные тела состоят из тех же химических элементов, что и Земля. Природа Солнца, звезд, комет, метеоритов едина.
Единому закону – закону всемирного тяготения – подчиняется движение Земли и всех других небесных тел.
Законы природы едины всюду, во всей Вселенной. Как на Земле, так и на небе нет ничего сверхъестественного, ничего непознаваемого.
ОТКУДА БЕРУТСЯ ВЕТРЫ
Велика наша Земля. Вся она окутана воздушной оболочкой – атмосферой (атмосфера – греческое слово, составленное из двух слов: «атмос» – воздух и «сфайра» – шар, оболочка). Это – одежда Земли. Воздух лежит на Земле слоем толщиной в несколько сотен километров и защищает ее от холода межпланетного пространства.
Изучая свойства воздуха, ученые давно установили, что воздух занимает место и имеет вес, как и все предметы. Проверить это можно сравнительно просто.
Опустите опрокинутый вверх дном стакан в воду. Вы увидите, что вода не заполняет его. Это воздух, находящийся в стакане, не впускает воду. Но стоит слегка наклонить стакан, как воздух в виде пузырьков выйдет из него, и вода займет место воздуха.
Нетрудно убедиться и в том, что воздух имеет вес. Для этого надо взять большую пустую стеклянную бутыль, плотно закрыть ее специальной пробкой с зажимом и взвесить бутыль на весах. Если открыть зажим на пробке, отсосать из бутылки часть воздуха в себя, закрыть зажим и снова взвесить бутыль, мы увидим, что бутыль стала легче. Следовательно, отсосанный воздух имел вес.
Вес воздуха не везде одинаков. Самый большой вес воздуха – на уровне моря: здесь один кубический метр его при температуре нуль градусов весит около 1300 граммов, то есть воздух примерно в 770 раз легче воды. Но чем выше от уровня моря будем брать воздух для взвешивания, тем меньше он будет весить. Воздух, взятый с высокой горы, весит уже в два раза меньше. Вверху, над землей, воздух не так плотен, как у самой земли. В каждом кубическом метре воздуха там содержится меньшее количество газов, из которых он состоит (главные составные части воздуха: азот и кислород). Иными словами, чем выше над землей, или, точнее, чем выше над уровнем моря, тем больше разрежен воздух. Когда люди стали подниматься высоко над землей, было установлено, что на высоте 12 километров кубометр воздуха весит только 319 граммов.
Воздушная оболочка Земли состоит как бы из многих слоев различной плотности, лежащих друг на друге. Чем ближе к земле находится воздушный слой, тем он плотнее. Это и понятно, если вспомнить, что земной шар притягивает к себе все предметы. Сила этого притяжения и выражается весом предметов. А так как воздух тоже имеет вес, то верхние слои воздуха давят на нижние и уплотняют их.
Давление воздуха передается во все стороны одинаково. Значит, воздух давит и на все окружающие нас предметы. Чем плотнее воздух, тем больше его давление. С высотой давление воздуха постепенно понижается. Сила давления воздуха огромна; у поверхности земли она равняется одному килограмму на каждый квадратный сантиметр площади любого предмета,
Очень простой и наглядный опыт показывает силу этого давления. Налейте в стакан доверху воды, закройте его небольшим листом бумаги и, поддерживая этот лист рукой, быстро переверните стакан вверх дном. Теперь вы можете отнять руку, поддерживающую лист. На него будет давить сам воздух, и вода не потечет из стакана (рис. 16).
Рис. 16. Опыт, показывающий давление воздуха.
В природе не бывает покоя. Каждый день и каждый час в воздушной оболочке Земли рождаются и умирают разнообразные воздушные течения – ветры.
В полуденные часы лета солнце стоит высоко над головой. На деревьях не шелохнется ни один лист. Нагретый воздух горяч и недвижим.
Но недолог этот кажущийся покой. Вдруг зашумели листвой деревья, дохнуло свежестью. Жаркий, застоявшийся воздух трогается и медленно плывет, освобождая место для притекающего воздуха. Дышать становится легче.
Постепенно движение воздушного потока усиливается. Вот вы уже ощущаете на лице совсем свежий, прохладный воздух. В каждую секунду около вас перемещаются большие воздушные массы. Клубы дыма быстро уносятся вместе с движущимся воздухом. Набегающие массы воздуха колеблют ветви и молодые стволы деревьев. Дует сильный, порывистый ветер.
Каждый может сделать в комнате маленький искусственный ветер. Для этого стоит лишь помахать перед собой каким-либо предметом – книгой, газетой или платком: спокойный воздух придет в движение и лицо почувствует воздушную волну.
Ветры различаются по их направлению и скорости, или, как говорят, силе. Чтобы определить направление и силу ветра, применяют различные приборы. Один из этих приборов – флюгер. Вот как устроен один из простейших флюгеров (рис. 17). На высоком столбе вертикально закреплен стальной стержень. Сверху на него надета железная трубка, к которой прикреплены с одной стороны пластинки, а с другой – стерженек с металлическим шаром на конце. Это указатель направления ветра. Шар свободно вращается вместе с трубкой на вертикальном стержне и таким образом показывает направление ветра. Пластинки указателя всегда направлены в ту сторону, куда дует ветер, а стерженек с шаром – туда, откуда дует ветер.
Ветер может дуть со всех сторон горизонта – с юга, востока, севера и запада. Название ветру дается по той стороне части света, откуда ветер дует. Ветер, дующий с юга, называется южным, с северо-востока – северо- восточным и т. д. Чтобы точнее определять направление ветра, к нижней части вертикального стального стержня флюгера крепятся от четырех до восьми металлических прутьев (см. рис. 17); каждый из них указывает определенную сторону горизонта – север, юг, юго-запад и т. д.
Рис. 17. Схема устройства одного из простейших флюгеров.
На верхнем конце подвижной трубки флюгера укреплено приспособление, показывающее силу ветра. Оно состоит из железной рамы, к верхней части которой подвешена металлическая дощечка. Эта рама закреплена на трубке таким образом, что плоскость дощечки всегда перпендикулярна к направлению ветра. Если ветра нет, дощечка висит вертикально. Но как только начинает дуть ветер, она отклоняется в сторону, и тем больше, чем сильнее ветер.
Чтобы узнавать по дощечке, какой силы дует- ветер, сбоку у железной рамы имеется дуга, в которую вставлены восемь маленьких штифтов.
Силу ветра принято с обозначать в условных цифрах-баллах. Полное затишье, штиль – 0 баллов. Тихий ветер, со скоростью один метр в одну секунду, соответствует баллу. Дальше следует; легкий ветер (2–3 метра в секунду) – 2 балла; слабый – 3 балла; умеренный – 4 балла; свежий – 5; сильный – 6; крепкий – 7; очень крепкий – 8; шторм – 9; сильный шторм – 10; жестокий шторм – 11; ураган– 12.
Для наблюдения ветра в верхних слоях атмосферы применяют другие приборы, например, шары-пилоты. Это небольшие резиновые шары, наполненные легким газом – водородом. Они способны подниматься вверх на тридцать-сорок километров. Наблюдая с земли за их передвижением, можно определять как направление, так и скорость ветра на различных высотах.
Ветры в природе непостоянны. Наблюдая за погодой, можно видеть, что ветер очень часто меняет свою силу и направление. Бывает, что в течение трех-четырех часов ветер то стихнет совсем, то усилится. Чаще это происходит весной. Особенно капризны и изменчивы ветры мая. В течение месяца ветер приходит со всех сторон горизонта: с севера и юга, с запада и востока. Так бывает в большинстве областей нашей Родины, а также почти во всех странах Западной Европы. Только при внимательном изучении воздушных течений можно определить, какой ветер в том или ином районе является господствующим, то есть дует здесь чаще всего.
Но есть и такие места на земном шаре, где месяцами дует постоянный ветер в одном направлении, с одинаковой силой. Таковы, например, пассаты, ветры, дующие по обе стороны от экватора, и муссоны – сезонные ветры. Полгода они дуют в одном направлении, а полгода – в другом. Муссоны особенно часты по берегам Индийского и Тихого океанов, а также у берегов Восточной Азии.
Но каким образом и почему приходят в движение массы воздуха? Где и отчего рождается ветер?
Причина, вызывающая ветры, это – различное давление воздуха, или, как говорят, различное атмосферное давление в разных местах, находящихся на одной и той же высоте над уровнем моря.
Атмосферное давление сильно понижается в зависимости от высоты. Но и над самой поверхностью земли давление воздуха не бывает одинаковым и постоянным. В одном месте оно выше, в другом – ниже; сегодня в Москве давление понижается, а завтра, наоборот, начинает повышаться. И так происходит все время.
Различное давление воздуха вызывает движение огромных воздушных масс. Чем сильнее сжат воздух, то есть чем больше это давление, тем сильнее он стремится расшириться, раздаться во все стороны. Но куда воздух может расширяться, когда он окружает всю Землю? А туда, где воздуха меньше, где давление его ниже. Так и «текут» всегда воздушные массы из мест с большим давлением воздуха в те места, где атмосферное давление меньше. И чем больше разность этих давлений в каких-либо соседних областях, тем стремительнее происходит между ними передвижение воздушных масс, тем сильнее там дует ветер. Вот почему рождается на земле ветер, и вот почему он так различен по своей силе – от легкого ветерка до урагана.
Отчего же, однако, меняется на земле давление воздуха?
Попробуйте сделать такой опыт. Опустите горлышко холодной пустой бутылки в воду, а бутылку подогрейте. Как только стекло бутылки немного нагреется, из нее через воду выйдет несколько пузырьков. Это свидетельствует о том, что нагретый воздух всегда стремится расшириться. В нашем опыте воздух нагрелся от теплых стенок бутылки. Но стоит только воздуху расшириться, как плотность его уменьшится, и он начнет вытесняться вверх со старого места более холодным, более тяжелым, плотным воздухом. Расширившийся воздух всплывает вверх, как всплывает в воде масло.
Когда топится печь, используется именно это свойство воздуха. В топке воздух нагревается и с силой устремляется в трубу – кверху. Его место занимает другой, холодный воздух, идущий из комнаты. Создается всем известная «тяга».
Так и в природе. Лишь только где-либо воздух нагрелся сильнее, чем в соседнем месте, он тут же всплывает вверх, его начинает вытеснять находящийся рядом более холодный и тяжелый воздух. Таким путем и образуются воздушные течения, возникает ветер.
Нагревается воздух везде по-разному, и вот почему. Тепло, идущее от Солнца, почти не согревает воздуха; оно все доходит до поверхности земли и нагревает ее. От нагретой земной поверхности нагревается и находящийся над ней воздух.
Выйдите в мартовский солнечный день на улицу. В эти дни Солнце начинает пригревать уже по-весеннему. Хотя термометр еще показывает два-три градуса мороза, с крыш домов уже капает вода. Это солнечные лучи нагрели края крыши и она растопила часть снега. Если на солнечной стороне вы притронетесь рукой к стене деревянного дома, то почувствуете, что она теплая.
В летнее время, вероятно, каждый наблюдал, как в жаркий безветренный день вдали, на горизонте, все предметы как бы дрожат. Это объясняется тем, что большие массы теплого воздуха, получив тепло от земной поверхности, согретой Солнцем, беспрерывно поднимаются вверх.
Сама же поверхность земли нагревается Солнцем различно. Объясняется это тем, что поверхность земного шара состоит из самых различных участков: лесов, степей, водных пространств, песка, камня. Все эти участки нагреваются неодинаково. Вот, например, рядом лежат луг и пашня. Что из них нагреется сильнее? Конечно, пашня. Черная земля всегда поглощает больше тепла, чем зеленая трава.
Рис. 18. Упрощенная схема возникновения местного ветра.
От различно нагретых участков земли по-разному нагреваются и массы воздуха над ними. В том месте, где воздух сильно нагрелся, например над степью, он расширится, давление его уменьшится, и сюда со стороны леса хлынут воздушные потоки, подует ветер (рис. 18). Такие местные ветерки можно наблюдать часто летом. В жаркий день вдруг из ближнего леса потянет прохладой.
Воздух над степью, как более легкий, будет вытесняться кверху притекающим лесным воздухом и увеличивать давление в верхних слоях атмосферы. Как только воздушный поток устремится из леса в степь, давление остающегося в лесу воздуха будет падать. Но ведь на нижние слои воздуха всегда давят верхние слои. Поэтому место уходящего в степь воздуха будут сразу же занимать воздушные массы, опускающиеся из более высоких слоев воздуха. Высокое давление лесного воздуха будет постоянно поддерживаться притекающим с вышины холодным воздухом. Но зато там, вверху над лесом, давление падает. И тогда сюда потечет воздушный ноток из верхних слоев воздуха, лежащих над степью. Таким образом, вверху образуется ветер с направлением, противоположным наземному ветру, дующему из леса.
В этом нетрудно убедиться, если внимательно понаблюдать за облаками: можно увидеть, что они часто идут в другую сторону, чем дует ветер у земли. Там, в вышине, дует ветер другого направления.
Мы рассказали о путешествии воздуха на одном маленьком участке земной поверхности. Но воздух не страшится и очень больших путешествий. Более того: вся земная атмосфера находится в постоянном движении – от экватора до полюса. Благодаря огромным перемещениям воздушных масс и возникает большинство различных ветров, как постоянных, так и переменных.
Постоянное путешествие воздушных масс объясняется различным атмосферным давлением воздуха у поверхности земли. Это давление в значительной мере зависит от температуры воздуха: чем сильнее нагрет воздух, тем ниже его давление. Если бы вся поверхность земли была однородной и Земля не вращалась бы, передвижение воздушных масс было бы очень простым. В этом случае в каждом полушарии воздух путешествовал бы по одному большому замкнутому пути – от полюса к экватору у поверхности земли и обратно–в верхних слоях атмосферы.
В самом деле, у экватора воздух нагревается сильнее, а у полюсов – слабее. Вследствие этого у экватора существовали бы постоянные потоки воздуха, восходящие кверху, а сюда благодаря понижению давления приходили бы массы арктического холодного воздуха от полюсов. В свою очередь, к полюсам шел бы постоянный приток воздуха из верхних слоев атмосферы, и таким образом вверху ветер направлялся бы от экватора к полюсам.
В действительности поверхность земного шара далеко не одинакова, и возникают ветры самых различных направлений. Так как Земля вращается вокруг своей оси, движение воздуха от полюсов к экватору и обратно происходит не так просто, как это было только что описано, хотя зарождение ветров у экватора именно таково, как мы рассказали. Вдоль экватора с той и другой стороны находятся самые жаркие места земного шара. Здесь повсеместно наблюдается постоянное пониженное давление воздуха. В то же время к северу и к югу от экватора находятся области повышенного воздушного давления. Поэтому в сторону экватора из более высоких широт полушарий круглый год дуют постоянные ветры со скоростью шести-семи метров в секунду – пассаты. На направление этих ветров оказывает влияние вращение Земли. Наша планета вращается вокруг своей оси с запада на восток. Вследствие этого в северном полушарии воздушные потоки, идущие к экватору с севера, отклоняются к западу и превращаются в северо-восточные ветры. В южном полушарии южное направление пассатов сменяется на юго-восточное.
По той же причине верхние воздушные течения – антипассаты, – направляясь от экватора к полюсам, на своем пути все более и более отклоняются на восток, пока не превратятся в западные ветры.
Таким образом, воздушные массы, идущие от экватора, не попадают к полюсам, а задерживаются примерно на широте 30–35°. Постоянно притекающий сюда экваториальный воздух уплотняется и постепенно опускается. В результате здесь создаются области повышенного атмосферного давления и рождаются ветры, дующие к экватору и к полюсам.
Так осуществляется обмен воздуха между экваториальными областями и странами умеренного климата. У самого экватора находится узкая полоса, где постоянно дуют лишь слабые переменные ветры. Зато здесь нередко возникают непродолжительные, но очень сильные тропические бури.
В более северных областях земного шара наблюдается такая картина. Здесь области повышенного давления находятся как у полюсов, так и в тех местах, куда притекает экваториальный воздух. Между ними находятся районы с пониженным атмосферным давлением. Сюда и устремляются воздушные потоки как от полюсов, так и из стран умеренного климата. Благодаря вращению Земли эти потоки превращаются в ветры: дующие от полюсов – в северо-восточные и юго-восточные (для двух полушарий) и дующие из стран умеренного климата – в северо-западные и юго-западные.
Такова, в самых общих чертах, картина передвижения воздушных масс над Землей (рис. 19).
Рис. 19. Упрощенная схема передвижения воздушных масс над Землей.
Граница различно нагретых воздушных масс называется фронтом. Фронт никогда не остается в покое. Когда воздушные массы движутся с различной скоростью или когда одна воздушная масса перемещается в одном направлении, а другая – в обратном, линия фронта прогибается. Здесь образуются воздушные волны. При этом холодный воздух сильнее и сильнее поворачивается на юг, «подтекает» под теплый воздух и вытесняет его вверх. Массы же теплого воздуха отклоняются к северу и, в свою очередь, оттесняют перед собой холодный воздух.
В результате там, куда движутся массы теплого воздуха, давление падает, а в тех местах, куда наступают холодные массы, давление растет. Возникает область, в центре которой образуется пониженное давление воздуха. Систему ветров в этой области называют обычно циклоном (циклон значит «круговой»). Ветер в циклоне дует от краев к центру таким образом, что образуется круговое направление ветров, дующих против часовой стрелки.
Образовавшись, циклон не стоит на одном месте. Он смещается в сторону движения теплых воздушных масс. За сутки циклон нередко перемещается на тысячу километров. На пути его движения возникают сильные ветры.
Очень часто, вслед за образованием одного циклона, возникают новые, которые следуют один за другим. Между областями пониженного давления, то есть циклонами, образуются другие области – зоны повышенного давления. Их называют антициклонами. Направление ветра в антициклонах – от центра к краям.
С образованием и перемещением циклонов и антициклонов и связаны главным образом возникновение и смена самых различных ветров в странах умеренного климата.
БУРИ ЮЖНЫХ МОРЕЙ
В Антарктике, открытой русскими исследователями в 1821 году, на так называемой Земле Адели, около Южного полюса Земли, находится самое бурное место нашей планеты. Это – полюс ветров.
Круглый год здесь не прекращается ветер. Изредка он лишь «делает передышку» на час-два и затем принимается дуть с новой силой. Двадцать метров в секунду – такова среднегодовая скорость ветра на полюсе ветров.
В одном из горных ущелий, вблизи г. Новороссийска, также свирепствуют жестокие ветры много дней в году. Новороссийский ветер называется бора. Наступлению боры всегда предшествует сильный ветер. На вершинах гор, окружающих Новороссийск, появляется легкий туман или небольшие облачка. Постепенно опускаясь, они окутывают скалы вершин. Ветер усиливается. Облачка начинают как бы падать вниз, скатываясь с вершин. Это пришла бора. Жестокий ветер превращает воды бухты в кипящий котел. Брызги воды летят на набережную, тут же застывая. Ветер, скорость которого достигает порой 30–40 метров в секунду, валит телеграфные столбы, рвет провода, сносит крыши. Суда, находящиеся в порту, торопятся уйти в море, иначе брызги ледяной воды зальют корабль, и, если не обрубать быстро намерзающий лед, судно может перевернуться и затонуть.
Бора – один из самых сильных ветров в нашей стране.
Однако несравненно более сильные ветры проносятся в жарких странах – под тропиками, у экватора. Это – тропические ураганы. Ураганы – разрушительное явление природы.
Русский писатель Гончаров в своей книге «Фрегат Паллада» так пишет об урагане в Китайском море:
«Ураган обыкновенно определяют так: это вращающийся, переходящий с румба на румб ветер. Можно определить и так: это такой ветер, который большие военные суда, купеческие корабли, пароходы, джонки, лодки и все, что попадается на море, иногда и самое море, кидает на берег, а крыши, стены домов, деревья, людей и все, что попадается на берегу, иногда и самый берег, кидает в море».
Немногие могут представить, насколько велика сила ветра при тропических ураганах. Скорость его иногда достигает 60–70 метров в секунду. Такой ветер гонит воду рек вспять. Все непрочные строения разрушаются до основания и уносятся ветром на десятки километров. С корнем вырываются вековые деревья, как сор сметается трава с поверхности земли. Ураганный ветер, скорость которого достигает 50–60 метров в секунду, давит на каждый квадратный метр площади с силой, превышающей 200 килограммов. Такой ветер нередко выбрасывает на берег большие корабли.
В сентябре 1780 года у берегов Америки в Атлантическом океане пронесся один из самых сильных ураганов, известных в истории. Ветер потопил несколько парусных кораблей, застигнутых в открытом океане, и обрушился на Антильские острова: Барбадос, Санта-Лючию, Мартинику. Больше всех пострадал богатый, цветущий остров Барбадос. Тысячи людей на этом острове погибли под развалинами зданий. Несколько островных городов исчезли: они были разрушены ветром до основания, и развалины домов унесены в море. Главный город острова Мартиника Сен-Пьер целиком смыла гигантская морская волна, поднятая ветром.
В гаванях Антильских островов находилось много французских и английских военных кораблей. Более четырехсот военных кораблей, затонуло в тот день в бухтах и открытом море. Из бухты острова Мартиника ураганом унесло сорок четыре французских корабля. Свыше четырех тысяч военных моряков и солдат с этих судов нашли смерть на дне океана. На самом острове погибло десять тысяч жителей. Много погибло людей и на других Антильских островах. Почти сорок тысяч человеческих жизней – таков был результат урагана 1780 года.
Ураганы, равные по силе описанному, случаются очень редко. Как и катастрофические землетрясения, разрушающие целые города, их запоминают надолго.
Менее разрушительные циклопы проносятся над тропическими морями ежегодно. Наиболее часты они в морях Восточной Азии, в Южно-Индийском океане, Бенгальском заливе, на островах Вест-Индии.
Что представляет собой тропический циклон?
Если мы вспомним, как происходит движение ветра в циклонах стран умеренного климата, то увидим, что тропические циклопы отчасти похожи на них. Однако между ними есть и большая разница.
Циклоны южных морей имеют значительно меньшие размеры, охватывают значительно меньшую площадь, чем циклоны умеренных поясов. Зато сила ветра при тропических ураганах во много раз больше. Тропические циклоны производят большие разрушения. К тому же, они всегда сопровождаются сильнейшими ливнями, ураганам сопутствуют наводнения.
Совсем иной характер имеют циклоны умеренного пояса. Это просто плохая погода с затяжными дождями или сырым снегом, с резкими, порывистыми ветрами, временами лишь усиливающимися до шторма.
Сила тропических ураганов в большой степени зависит от того, что воздушные массы южных стран всегда сильно перегреты и насыщены водяными парами.
Замечательное место представляет собой центр тропического циклопа – «глаз» бури. Здесь, в круге, поперечником в 50–60 километров, царит тишина, в то время как кругом ревет и свищет ураганный ветер!
Тропические циклоны образуются всегда над южными морями, вблизи экватора. Было замечено также, что ураганы часто возникают в районах встреч пассатов и муссонов.
Вращаясь, ураганы подвигаются в то же время вперед. Постепенно они расширяются и слабеют.
Отдельные ураганы проходят иногда очень большие расстояния. Так, тропические циклоны Вест-Индии достигают порой берегов Северной Европы, правда, сильно ослабевшие.
Страны Восточной Азии знают другое название ураганных бурь – тайфуны. Но это тот же ураган. Особенно часты и жестоки тайфуны осенних месяцев. Проносясь над морскими побережьями, тайфуны причиняют немало бед жителям.
Тайфуны в Китае и Японии чаще всего рождаются при смене восточноазиатских муссонов – весной и осенью.
Наступление урагана чувствуется в природе за много часов до того, как бешено налетит первый порыв бури. Замирает ветер. Становится душно. Звери скрываются в норах. Птицы или забиваются в гнезда, или, перелетая с места на место, резкими криками выражают свое беспокойство. В небе появляются темноватые облачка. Все это предвещает бурю.
ШКВАЛЫ И СМЕРЧИ
Стоял март 1878 года. Уже двадцать дней над английскими островами дули сырые пронзительные ветры, попеременно шел то дождь, то снег, проносились весенние штормы. 24 марта на одной из пристаней толпилось много людей. Все они ожидали прибывающий из дальнего плавания фрегат «Эвридик». У каждого из встречавших на корабле были родные или друзья.
Время шло; корабля не было видно. Около пяти часов вечера на горизонте показались мачты давно ожидаемого фрегата. Через час он был уже в двух-трех километрах от берега.
Но вдруг совершенно неожиданно налетел ураганный ветер. Ударом ветра люди были сбиты с ног. Ветер принес с собой огромные массы сырого снега. Сразу стало темно, как ночью. Однако не прошло и пяти минут, как ураганный ветер внезапно стих, пропал снег, прояснилось небо. Едва оправившись от испуга, люди вглядывались в море. Где корабль? Но фрегата не было. Только через несколько дней водолазы нашли его на дне моря, у входа в бухту. В течение четырех минут корабль был опрокинут ветром и затонул вместе со всем экипажем и пассажирами, не дойдя двух километров до берега.
Немало и других бед наделал в тот день этот внезапный, короткий ветер, пролетевший над побережьем Англии.
Это был шквал. После 1878 года ученые стали наблюдать явление шквалов, описывать их прохождение над землей. Теперь мы уже многое знаем о том, какие причины порождают внезапно возникающий ветер.
По своей природе шквал – тот же ураганный ветер. Он отличается только крайней внезапностью и малой продолжительностью. Шквальный ветер сравнивают с ударом. Это правильно: шквал производит опустошения в течение очень короткого времени, за какие-нибудь две-три минуты.
Шквал всегда идет длинной, сравнительно узкой полосой – от двухсот метров до пяти-шести километров ширины. Скорость ветра достигает 40–50 и более метров в секунду. Частым спутником шквала бывают грозы. Этот внезапный ветер образуется на границе грозовых облаков, при встрече холодных и теплых масс воздуха. Образование шквала всегда связано с резким изменением направления ветра. Шквальное облако имеет очень характерный вид. Оно черное, с рваными краями и белой завесой дождя в глубине. Облако идет над самой землей; нижний его край находится в постоянном движении и каждую секунду меняет свой вид.
В мае 1937 года очень сильный шквал пронесся над Москвой. Он продолжался всего три с половиной минуты. На многих домах были сорваны крыши, с корнем вырваны огромные деревья. Сила ветра была такова, что в некоторых местах оказались выдавленными зеркальные стекла витрин.
Другой редкой формой движения воздуха являются вихри – смерчи.
29 июня 1904 года в Москве во второй половине дня с юго-востока показалась громадная, многоцветная туча, несущаяся с огромной скоростью. Она шла совсем низко над землей. На краю тучи был виден вращающийся вихрь, похожий на черный толстый канат.
Вихрь пронесся над восточной частью Москвы и ушел на север. В Лефортове, Сокольниках, на Басманной улице были самые сильные разрушения. Старинная Анненгофская роща почти целиком погибла. Ветер валил столетние деревья толщиной в метр. Коровы, бродившие в роще, были подняты вихрем в воздух и «летали» в течение нескольких секунд. На Немецком рынке в центр вихря попал городовой. Он взлетел выше домов, и через минуту, раздетый ветром и избитый градом, был сброшен на землю. На одном из переездов подмосковной железной дороги взлетела железнодорожная будка вместе с обходчиком. В Мытищах в центре вихря оказалась громадная дымовая труба вагоностроительного завода; она рухнула под напором ветра.
Все эти разрушения вихрь произвел за несколько минут. Такие вихри называют смерчами или тромбами.
Очень часты тромбы в Соединенных Штатах Америки. Там они называются торнадо (испанское слово «вращающийся»). Американские торнадо странствуют в течение многих часов и производят большие разрушения.
Когда смерч «гуляет» по земле, он закручивает винтом и втягивает в себя воздух вместе с различными предметами. Вверх поднимаются тучи пыли, песок, сухие ветки, щепы и пр. Когда на пути попадает какой-нибудь водоем – речка, пруд, озеро, – вверх устремляется вода. Образуется водяной столб. Если речка или озеро невелики, смерч иногда вычерпывает воду до дна.
На десятки километров уносят смерчи легкие предметы.
Летом 1940 года в деревне Мещеры, Павловского района, Горьковской области, случилось необыкновенное происшествие.
Стоял июнь. В воздухе было душно и жарко. К вечеру чуть не каждый день на горизонте появлялись грозовые облака. В один из таких дней над Мещерами разразилась сильная гроза. И с первыми же каплями дождя на землю посыпались... серебряные монеты времен Ивана IV. Когда прошел дождь, мещерские жители собрали около тысячи старинных монет, упавших с неба.
Разгадка этой необыкновенной истории оказалась очень простой. Прошедшие ливни сильно размыли грунт, и на поверхности оказался зарытый в землю в стародавние времена сосуд с серебряными деньгами. Возникший при грозе смерч, проходя над. этим местом, поднял монеты высоко в воздух. Немного позднее, когда вихрь потерял свою силу и распался, с неба вместе с каплями дождя посыпались монеты.
Воздух внутри смерча сильно разрежен. От этого все стекла в домах вылетают наружу, они выдавливаются более плотным воздухом, находящимся внутри помещений. По этой же причине смерч с особенной легкостью срывает с домов крыши.
Рис. 20. Торнадо.
Рис. 21. Смерчи на море.
Смерчи почти всегда заряжены электричеством. Прохождение смерча сопровождается сильной грозой. Снопы молний сыплются из верхней части столба. В ночное время смерчи обыкновенно светятся. Когда такой светящийся столб проходит через город, кажется, что все здания в огне. И действительно: в десятках мест начинаются настоящие пожары. Они вызываются молниями из смерчевого облака.
Образуются смерчи и на море. Здесь водяной столб сливается с низкими грозовыми облаками. Иногда в море появляется не один, а несколько таких столбов.
Морские смерчи возникают также из грозовых туч. Задолго до появления водяного смерча над морем ходят темные, низкие тучи, похожие на черные покрывала с рваными краями. Сверкает молния, гремит гром. Но вот один из свисающих отростков тучи удлиняется, вытягивается воронкой и опускается близко к воде. Навстречу этой воронке, состоящей из влажных паров, с моря поднимается столб пенящейся воды. Она бешено кружится, разбрасывая брызги, и, как по винту, поднимается выше и выше, пока не соединится с воронкой. Получается водяной смерч. Он расширяется вверху и внизу и суживается посредине. С шумом несется смерч по взбудораженным волнам. Если вы находитесь в лодке, то водяной смерч закружит ее, как маленькую щепку, перевернет и разломает. Он сделает это за несколько секунд.
В прошлом некоторые командиры кораблей, встречая смерчи, приказывали стрелять по ним из пушек. Иногда такая мера действовала: пушечные ядра разрывали смерчевый столб; нижняя часть столба падала в море, верхняя поднималась к тучам.
Огромные песчаные вихри возникают временами на перегретом песке в жарких пустынях. Это явление наблюдается часто в пустыне Сахаре. Над землей образуется вращающийся песчаный столб. Сметая все на своем пути, этот столб с шумом несется вперед, становясь все выше и толще.
Бывает, что за одним таким смерчем следует несколько других. Долгие часы они кружат по пустыне, сталкиваются, рассыпаются, рождаются вновь.
Нередко смерчи не имеют достаточной силы, чтобы поднять в воздух даже легкие предметы. Налетит такой смерч на поселок, поднимет в воздух тучи песка и пыли, закружит над домами сухие ветки и солому и умчится дальше. А маленькие смерчи и совсем безобидны. Каждый из нас видал их в летнее время на полях и дорогах. Единственно, на что они способны, – это подолгу кружить в воздухе мелкую дорожную пыль.
Как же возникает в природе это явление?
Давно допытывались ученые, какие причины вызывают смерчи. Много высказывалось различных предположений. Один французский ученый решил сделать смерч собственными руками. Он налил воды на дно небольшой стеклянной банки, плотно закрыл ее и пропустил через крышку стеклянную палочку. После этого он стал подогревать воду на спиртовой горелке. Как только внутри закрытой банки начали образовываться водяные пары, ученый с помощью маленького моторчика стал быстро вращать стеклянную палочку. Вокруг этой палочки сразу же образовался столбик тумана. Это охладившиеся частички пара, находящиеся рядом с палочкой, вращались вместе с ней. Так ученый получил первую, верхнюю, часть смерча – смерчевый «хобот», опускающийся к земле или воде из грозового облака. Оставалось получить нижнюю часть смерча. Для этого ученый, продолжая вращение стеклянной палочки, стал медленно опускать ее к воде. Как только палочка приблизилась к воде, вода вскипела и поднялась маленьким столбиком навстречу туманному столбу. Искусственный смерч был получен (рис. 22).
Рис. 22. Искусственный смерч в банке.
Этим опытом было доказано, что происхождение смерчей в природе объясняется чисто физическими причинами, а именно – мощными завихрениями воздушных масс при прохождении грозовых туч.
Как же образуются эти завихрения?
Каждый видел водовороты в реке. Часто они образуются под мостом. Бегущая вода ударяется об опоры, отскакивает назад и, столкнувшись с напирающим сзади потоком, заворачивает в сторону. В этом месте и образуется водоворот. Вода здесь начинает кружиться волчком. Завихрения образуются и за опорами.
Такое же явление происходит в воздухе там, где температура и давление близлежащих слоев воздуха резко различны. Воздух, как вода в водовороте, получает вращательное движение, и при этом образуются вихри и смерчи.
Песчаные и пыльные вихри образуются обычно в местах, где земная поверхность сильно нагревается солнечными лучами. Особенно сильно нагревается солнцем песок. От сильно нагретой поверхности нагревается и воздух. Наталкиваясь на менее теплый и более плотный воздух, подобно тому, как вода наталкивается на устои моста, горячий воздух образует завихрение. По спиральным кругам он быстро устремляется вверх. Образуется вращающийся столб воздуха, который начинает втягивать в себя с земли все легкие предметы.
Каждый может легко получить искусственный песчаный смерч. Возьмите металлический лист, посыпьте его мелким порошком кремнезема (чистого желтого песка) и нагревайте лист снизу паяльной лампой. Как только лист и порошок нагреются, на поверхности листа забегают маленькие вихри.
Иногда вихри возникают при встрече воздушных потоков, остановленных какими-либо препятствиями, например, высокими холмами или горами.
Грозовые смерчи образуются в воздухе, там, где черная грозовая туча обрывается своими лохматыми краями. Именно тут получается резкая разница в температуре и давлении воздуха. Потоки воздуха с различной плотностью и температурой завихряются, начинают вращаться все быстрее и быстрее. Скорость вращения доходит подчас до 70–80 метров в секунду. Это уже не безобидный вихрь. Благодаря центробежным силам внутри бешено вращающегося столба воздуха образуется разреженное пространство, и воздух здесь сильно охлаждается. От этого водяной пар, который всегда находится в воздухе, сгущается в облачко. Вот почему смерч и наблюдают в виде облачного столба, спускающегося к земле. Как только смерч, бешено вертясь, приближается к поверхности земли или воды, навстречу ему поднимается воздушный или водяной поток, увлекаемый опускающимся смерчем.
Внутри смерча воздух течет всегда вниз, а по краям, как по штопору, несется вверх, увлекая за собой все, к чему прикасается «хобот» смерча.
Бывает и так, что смерч возникает в толще тучи, движется в виде горизонтального вихря, доходит до края грозового облака и устремляется вниз.
Кругом нас в воздухе находится очень много электричества. Оно появляется во многих явлениях природы. Например, ночью во время грозы на крестах церквей, шпицах башен, мачтах кораблей и вообще на любых остриях вдруг появляются огни, похожие на свечу или факел. Причина их появления – свечение воздуха под влиянием атмосферного электричества, которое особенно легко стекает с острых концов предметов.
Наиболее же частое проявление атмосферного электричества – это молния во время грозы.
Желая узнать, в какой мере участвует электричество в образовании грозовых смерчей, один ученый произвел такой опыт. Он налил в небольшую миску воды и поднес к ней палочку, заряженную электричеством. Тотчас же вода потянулась небольшим горбом к палочке. Точно так же вода в море тянется к спускающемуся «хоботу» смерча.
О КРАСНОМ СНЕГЕ И «ТЬМЕ СИБИРСКОЙ»
Во многих странах Западной Европы выпадают иногда так называемые «кровавые дожди».
Какова причина этого природного явления?
Отдельные смерчи и ураганы нередко путешествуют на многие сотни километров. В далеких пустынях ураганный ветер поднимает в воздух и несет с собой большое количество красноватой пыли. Эта пыль и придает вид крови каплям дождя.
Вспомните, какого цвета бывает иногда вода в прудах, лужах, болотцах. Застоявшаяся вода этих водоемов часто приобретает зеленый, а иногда буровато-красный оттенок. Особенно это бывает заметно в жаркие летние месяцы, когда вода, как говорят, «цветет». «Цвет» – это бесчисленные количества различных мельчайших растений и животных, обитающих в стоячей воде. Они размножаются в ней чрезвычайно быстро. Увидеть мелкие организмы в отдельности можно только с помощью увеличительных стекол. Но когда таких созданий очень много, они придают воде определенный цвет. Часто эти растения и животные окрашены вкрасноватый цвет; в этих случаях и вода принимает красноватую окраску.
Смерч может выбрать из болота или озерка всю воду, а затем где-нибудь выльет ее на землю в виде дождя. Если вода полна мельчайшими животными и растениями красного цвета, капли дождя будут напоминать кровь.
В некоторых местах Севера иногда выпадает красный снег. Такой снег видали моряки, например, у берегов Гренландии в 1818 году. Появляется он неожиданно, за одну ночь. И здесь причина – ветер.
Есть очень маленькое, простейшее растение (состоящее всего из одной клетки) – первопузырник. Эта невидимая глазом водоросль не боится холода и может расти и размножаться даже на снегу. Размножается она чрезвычайно быстро. Цвет водоросли – красный. Как только ветер принесет откуда-нибудь на снег зародыш перво- пузырника, то через несколько часов этот снег весь покраснеет. Первопузырник закроет всю поверхность снега.
Бывает в природе и зеленый снег. Впервые описали этот необычайный снег ученые около ста лет назад. Они обнаружили его в горах на острове Шпицбергене (в Северном Ледовитом океане). Позднее находили такой снег и в горах Европы.
Конечно, и здесь нет никаких чудес. И здесь виновен ветер, заносящий на снег особые водоросли зеленого цвета. Ученые установили, что в зеленом «цветении» снега участвует три десятка различных мельчайших водорослей.
В начале девятнадцатого столетия в Дании в течение двадцати минут с неба сыпались морские раки. Летом 1933 года в районе с. Ковалерово (Дальний Восток), расположенного в 50 километрах от побережья Тихого океана, прошел сильнейший ливень. Когда вода схлынула, на полях осталось большое количество морских медуз. Жители Шотландии, Норвегии, Данни много раз получали даровую пищу в виде «дождя» из сельдей.
И это делает ветер. Смерчи нередко поднимают в воздух массы воды, а вместе с ней и раков, медуз, косяки сельдей и выбрасывают их где-нибудь далеко на суше.
Ветер способен переносить различные предметы на большие расстояния. Так, в 1804 году ураган разрушил в Испанском Марокко (Северная Африка) большие склады с пшеницей. Ветер подхватил зерно и понес его через Гибралтарский пролив к берегам Испании. И там, к великому изумлению жителей одного местечка, с неба вдруг посыпалась пшеница.
Много разрушений приносят с собой смерчи и ураганы, но они бывают редко. Большинство ураганных ветров имеет свои определенные воздушные пути. Из года в год они проносятся над одними и теми же местами. А таких мест на Земле совсем немного. Гораздо больше районов и областей, где смерчи и ураганы случаются редко.
Но ветры дуют везде. В одних районах они дуют чаще и сильное, в других – реже и слабее. Но нет на Земле таких стран и областей, где люди не знали бы, что такое ветер. Но и обычный ветер является порой причиной редкостного явления природы.
18 сентября 1938 года жители ненецкого поселка Хальмер-Седэ, в устье реки Таза, близ Обской губы (Ямальский национальный округ), наблюдали неожиданное солнечное затмение. Оно было описано метеорологом-наблюдателем.
Утро в поселке началось, как обычно, но уже в половине девятого было замечено уменьшение света. Облака стали приобретать необычную красно-бурую окраску. Они становились темнее и темнее. День быстро угасал. Изумленные ненцы стали зажигать огни. В десять часов утра наступила темная ночь. Она была значительно темнее обычной для этого времени года. На расстоянии нескольких шагов нельзя было различить даже белых предметов. Земля и небо слились в непроницаемой тьме.
Но вот на северо-западе, на горизонте, появилась узкая полоска света. Она постепенно расширялась. Стало светлее. Но свет не радовал людей: он был буро-оранжевого цвета. Через час светлая полоса пропала, и землю снова окутала тьма. Наконец, в первом часу дня вторично начался красно-бурый рассвет, а через час необычайное затмение кончилось.
Не предсказанное астрономами затмение Солнца 18 сентября 1938 года по силе и продолжительности во много раз превосходило обычное полное солнечное затмение.
Что явилось причиной затмения?
Как было позднее установлено, причиной явились лесные пожары. Туча из дыма и пепла была местами настолько густа, что закрывала Солнце, подобно черному покрывалу. И здесь виновником затмения оказался ветер. Жители районов, охваченных затмением, рассказывали, что уже за неделю до события был слышен запах гари. В воздухе стояла легкая дымка. Временами наплывал густой туман, пахнувший дымом. Затем случилась «тьма сибирская».
Этот случай – явление очень редкое. Для такого необычайного солнечного затмения необходимы были очень сильные лесные пожары.
Известны и другие случаи, когда ветер поднимал высоко в воздух мельчайшую пыль; она носилась в воздухе многие месяцы, а порой и годы.
В 1883 году произошло извержение вулкана Кракатау (вулкан расположен на одном из небольших островов Индонезии в Тихом океане). В воздух были выброшены огромные массы мельчайшей вулканической пыли. Пыль была подхвачена воздушными течениями и занесена в верхние слои атмосферы на высоту до 70–80 километров. В течение нескольких лет после извержения Кракатау пыль «путешествовала» вокруг света и была причиной необыкновенно красивых закатов и утренних зорь во многих странах земного шара.
На островах Индонезии нередко наблюдают пыль, принесенную ветром из далеких пустынь Австралии.
КОГДА ПРИХОДИТ ВЕСНА
Среди многочисленных ветров очень интересен так называемый фён. Этот знойный, жаркий ветер дует часто со снежных гор.
С фёном приходит в страну весна. В Средней Азии зимой, когда дуют фёны, температура воздуха нередко поднимается до 20–23 градусов тепла. В некоторые годы здесь в декабре-январе при фёне появляются травы.
Очень часты фёны в Швейцарии. Горячими сухими потоками ветер низвергается с альпийских вершин в долины и в течение нескольких часов «съедает» весь снег. В Альпах ветер так и называют «пожирателем снега». Резко повышается температура воздуха, появляются первые весенние травы, набухают почки деревьев. Нередко зимние фёны повышают температуру в Альпах на 5– 20 градусов в течение нескольких часов.
Фёны осенних месяцев приносят с собой зной и сухость. Они скверно действуют на растения и животных. Люди чувствуют изнеможение и слабость.
Для образования фёна необходимо различное давление воздуха на разных склонах гор.
Вот как возникает альпийский фён на северных склонах гор. Когда к западу или северо-западу от Альпийских гор образуются области с давлением воздуха более низким, чем на южных склонах, с южной стороны начинают дуть ветры. Но свободный приток воздуха сюда с юга закрыт горами. Поэтому быстрые потоки воздуха начинают падать в долины с горных вершин. Так рождается ветер с гор.
Но почему же он приносит тепло, а не холод?
Причина кроется в следующем.
Спускающиеся массы горного разреженного воздуха по мере падения в долины уплотняются все больше и больше. Уплотняющийся воздух нагревается при падении на каждые сто метров на один градус. Воздух всегда нагревается при сжатии. В этом можно убедиться, прикоснувшись к велосипедной шине, когда ее накачивают воздушным насосом: шина всегда разогревается. Если вспомнить, что высота Альпийских гор достигает многих сотен метров, станет понятно, почему с их вершин низвергается знойный ветер.
Следует добавить, что зимой в горах верхние слои воздуха часто нагреты значительно сильнее, чем воздух, лежащий у самой земли.
Швейцарский фён дует много часов подряд. На место опускающегося в долины воздуха приходят воздушные массы с юга; в движение втягиваются воздушные потоки на больших пространствах. К Альпам устремляются потоки влажного морского воздуха с широких просторов Средиземного моря и Атлантического океана. При перевале через горные хребты – Пиренеи и Альпы – воздух благодаря расширению охлаждается и отдает здесь почти всю влагу в виде тумана и дождей. Поэтому, когда на северных склонах Альп дует сухой фён, на южных склонах часто идут дожди.
Фёны бывают во всех горных странах. У нас они часты на Кавказе – в районах Сочи, Кутаиси и в Рионской долине. В Кутаиси ежегодно бывает свыше ста дней с фёном.
Знают фёны также в Крыму, на Алтае, в Средней Азии. Близ Ташкента они дуют с гор с северо-востока.
Многие ветры, имеющие самые различные названия, по своей природе являются настоящими фёнами. Таковы, например, гармсиль – знойный южный или восточный ветер, дующий в предгорьях Копет-Дага и западного Тянь-Шаня (в Средней Азии); чинук, – сухой и жаркий ветер восточного склона Скалистых гор (в Америке); в зимнее время этот ветер настолько сух, что снег испаряется, не превращаясь в воду.
Другие жаркие ветры у нас – суховеи. Это – сильные ветры, дующие из пустынь Средней Азии. Они приносят с собой иссушающий злой. От него засыхает и желтеет трава, отмирают листья деревьев.
Особенно вредно действуют суховеи на молодые растения, когда те цветут и наливаются. За несколько часов суховея растения засыхают и становятся безжизненными. В степях Северного Кавказа бывали случаи, когда от знойного восточного ветра засыхали и гибли молодые деревца, даже в возрасте двух-трех лет.
Страдают от суховеев и хлеба. Стебли злаков высыхают, а колосья преждевременно созревают. Зерна в таких колосьях – мелкие, морщинистые, пустые. Их, по народному выражению, «зажаривает солнце».
В засушливых степных районах, особенно там, где большие пространства земель распаханы, суховеи поднимают в воздух мелкую сухую землю – с дорог, с полей. При этом нередко возникают черные бури. У нас такие бури наблюдаются в некоторых южных и юго- восточных районах.
Суховеи временами поднимают в воздух такое количество мелкой пыли, что в небе стоит мгла, затмевающая Солнце. На юге суховеи так и называют: «мгла» или «помоха».
Сильно страдают от пылевых бурь рыхлые обработанные поля. Взрыхленная земля сдувается ветром и уносится на многие сотни километров. Скорость ветра при черных бурях нередко достигает 15–18 метров в секунду.
Суховеи и черные бури становятся все более частыми в США. И это – не случайное, а вполне закономерное явление. В этой стране, где три четверти всех лесных богатств принадлежит капиталистам, хищнически истребляются леса. Ежегодно вырубается в три раза больше леса, чем его вырастает за это время. Не проводится никаких работ и по орошению полей. Расхищение естественных богатств капиталистическими монополиями США в эпоху империализма приняло столь гигантские размеры, что некоторые писатели и экономисты США называют эту эпоху периодом «ограбления материка». Правительство США тратит сотни миллиардов долларов на гонку вооружений, на подготовку новой мировой войны, а не на преобразование природы, не на мирные цели.
С каждым годом в США увеличивается число фермеров, разоренных черными бурями.
Совсем иная картина в СССР, где народ строит коммунизм. Грандиозный сталинский план преобразования природы дает советскому народу в руки действенные средства борьбы с вредным влиянием ветров-суховеев.
Решающим средством борьбы с суховеями и пыльными бурями является озеленение степей. Лес – лучшая защита от распространения пыли. Лесные полосы с успехом преграждают путь несущимся при суховеях массам пыли. Встречая на своем пути лес, суховей увлажняется парами воды, которые дают листья деревьев, и теряет свою губительную силу.
Историческое постановление партии и правительства «О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах Европейской части СССР», принятое в 1948 году и ныне успешно осуществляемое советским народом, предусматривает посадку грандиозных лесных полос в нашей стране. Эти полосы явятся прекрасной защитой от суховеев и связанных с ними черных бурь.
Рис. 23. На землях, защищенных от суховеев, зреют богатые урожаи. На рисунке – лесозащитная полоса в колхозе имени Ленина, Ново-Анненского района, Сталинградской области.
Очень хорошим средством в борьбе с пылевыми бурями и суховеями является также искусственное орошение и «дождевание» (искусственный полив) засушливых земель. Эти способы борьбы против суховеев в условиях нашего, социалистического земледелия осуществляются в широких масштабах.
Решения партии и правительства о строительстве гигантских электростанций и больших каналов предусматривают широкое орошение и обводнение засушливых земель нашей страны.
Великий сталинский план преобразования природы свидетельствует о том, что человек, познавший законы развития природы, причины и взаимосвязь ее разнообразных явлений, становится властелином природы, начинает сознательно и планомерно управлять ее неистощимыми силами.
СВЕТ «ИГРАЕТ»
О диковинных явлениях, порожденных игрой света в атмосфере, можно прочесть в русских старинных летописях и других рукописных трудах прошлого.
«В 7293 (1785) году, – писал один летописец, – явилось знамение в знаменитом граде Ярославле, с утренних часов стоял... круг до полудня с тремя солнцы, и при сих к полудни явился второй круг, в нем крест с короною, и солнце мрачное и под большим кругом явилося подобно радуге...»
Как же могут получаться такие необыкновенные изображения в воздухе? Каковы причины этого явления, называемого в науке гало?
Изучая появление на небе гало – ложных солнц, светящихся крестов, столбов, кругов, дуг, ученые уже давно заметили, что это явление бывает тогда, когда Солнце затянуто белой, блестящей дымкой – тонкой пеленой высоких перистых облаков. Такие облака плавают на высоте 6–8 километров над землей и состоят из мельчайших кристалликов льда. Эти-то кристаллики и являются причиной появления на небе гало. Самые различные, диковинные формы этого интереснейшего явления природы возникают благодаря преломлению и отражению солнечных лучей в ледяных кристалликах, плавающих в воздухе.
Однако, чтобы хорошо разобраться в том, как возникают на небе гало, надо знать о некоторых законах распространения света.
В однородной среде свет распространяется строго прямолинейно. Лишь при переходе из одной среды в другую лучи света изменяют свое направление, преломляются. Так преломляется луч света, попадая из воздуха в воду. Практически считается, что в воздухе распространение света происходит всегда по прямым линиям. Однако на самом деле это не так. Свет распространяется в воздухе совсем не прямолинейно. Летом в жаркий день все предметы на горизонте кажутся нам как бы дрожащими. Ясно, однако, что дрожат не сами предметы, а их изображения. Лучи света, отраженные этими предметами и идущие к нашим глазам, беспрерывно изменяют свое направление. Путь их не прямолинеен. Прямолинейное распространение света нарушается струйками теплого воздуха, поднимающимися от земли.
Преломление световых лучей в атмосфере называют рефракцией. Небольшие преломления световых лучей в атмосфере происходят всегда (исключая только один случай, когда лучи от небесного тела падают в наш глаз отвесно). Благодаря рефракции мы видим небесные светила несколько выше, чем они находятся в действительности. Вечером мы видим Солнце через 10–15 минут после того, как оно уйдет за горизонт.
Точно так же и изображения всех далеких предметов мы видим немного выше и ближе, в сравнении с действительным положением этих предметов.
Рефракция света в атмосфере Земли – явление обычное, вполне объяснимое. Окружающий нас воздух не представляет собой однородной массы. Он состоит из слоев самой различной плотности. Свет проходит по существу через различные среды. Каждый раз при переходе от слоя одной плотности к слою иной плотности луч света преломляется, изменяет свой прямолинейный путь.
Около трехсот лет назад было установлено, что белый свет – свет сложный. Он состоит из суммы цветных лучей. Это можно видеть на простом опыте. Возьмите трехгранную стеклянную призму и поставьте ее на пути пучка лучей света (рис. 24). Пройдя через такое стекло, свет изменит свое направление, или, как говорят, преломится, и при этом распадется на свои составные части, на цветные лучи. Если за призмой на пути солнечных лучей поставить какой-либо экран, например лист бумаги, на нем будет ясно видна широкая многоцветная полоса. Такую полосу называют спектром. В ней легко можно выделить семь цветов – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Расположение их всегда одинаково: за красным всегда идет оранжевый, за зеленым – голубой и т. д.
Почему же луч белого света, проходя через стеклянную призму, разлагается на свои составные части? Почему этого не происходит в других случаях, например, когда луч света проходит через оконное стекло или когда свет преломляется, входя в воду?
Разложение белого света стеклянной призмой объясняется тем, что отдельные цветные лучи преломляются в ней не одинаково: одни больше, другие меньше. Поэтому-то они и становятся видны после того, как белый луч пройдет сквозь призму. Наоборот, в других стеклах, например в оконном стекле, все цветные лучи, составляющие белый свет, преломляются в одинаковой степени, и вы видите поэтому тот же белый луч.
Рис. 24. Стеклянная призма разлагает белый свет в спектр.
Понятно и то, почему разноцветные полоски всегда располагаются в одном и том же порядке – от красного до фиолетового. В стеклянной призме всегда меньше всего преломляется красный луч, а больше всего – фиолетовый. Значит, и положение цветов в спектре всегда будет одинаковым.
Разложение света на спектральные цвета можно очень часто наблюдать в природе. Посмотрите, например, на водяную пыль фонтана, освещенную солнцем, и вы увидите в брызгах воды маленькую многоцветную полосу. Яркие радужные краски можно увидеть порой и в снежных узорах на окнах, и в капельках росы под лучами Солнца.
Благодаря разложению белого солнечного света на спектральные цвета люди видят одно из самых красивых явлений – радугу.
ЗАГАДКА РАДУГИ
Радугу мы видим довольно часто.
Формы этого явления бывают различными. Радуга появляется в виде одной многоцветной дуги и в виде двух-трех и более дуг. Над большими водоемами иногда появляется, вместе с радугой в ее обычной форме, радуга «вверх ногами», перевернутая радуга. Редкое явление одновременно четырех радуг наблюдали в Ленинграде в 1948 году, над Невой.
Причина появления радуги заключается в том, что белый солнечный свет при известных условиях разлагается на спектральные лучи.
Рис. 25. Необычного вида радуга над водой.
Но что же выполняет в природе роль стеклянной призмы? Оказывается, дождевые капли. Лучи света испытывают в них полное внутреннее отражение.
Внешнее отражение лучей света от поверхности того или иного предмета всем хорошо знакомо. Благодаря полному внешнему отражению мы видим изображения в зеркале.
А что же представляет собой полное внутреннее отражение света?
Посмотрите на рисунок 26. Здесь изображена схема простого перископа – прибора, который позволяет видеть предметы из-за укрытия, из-под воды и т. д.
Рис. 26. Схема устройства простейшего перископа.
Лучи света, идущие от предмета, падают на стеклянную призму, достигают внутренней поверхности грани и, полностью отразившись от нее, резко изменяют свое направление. Полное внутреннее отражение испытывают лучи света и во второй призме. Таким путем наблюдатель хорошо видит все, что происходит вверху, находясь сам за укрытием.
Полное внутреннее отражение света в капле воды отличается от отражения в призме тем, что здесь свет разлагается в спектр. Как это происходит?
Полоска света падает на поверхность капли (рис. 27) и, как только проникает внутрь ее, изменяет свой прямолинейный путь – преломляется. Достигнув внутренней стенки капли, свет от нее отражается и выходит из капли, вновь преломившись на выходе. При таком двойном преломлении света в капле различные цветные лучи преломляются неодинаково. Белый луч света разлагается в спектр. Именно такое отражение и разложение испытывают отдельные лучи солнечного света в падающих дождевых каплях.
Рис. 27. Схема простого полного внутреннего отражения солнечных лучей в капле воды.
Отразившись в капле, полоска света выходит из нее в форме полого многоцветного конуса. Каждый такой конус состоит как бы из разноцветных стеклянных воронок, вложенных одна в другую: в красную – оранжевая, в оранжевую – желтая, в желтую – зеленая и т. д. Своим широким отверстием радужная «воронка» обращена к Солнцу. А так как мы видим радугу только тогда, когда стоим к Солнцу спиной (увидеть радугу сбоку нельзя), то, значит, «воронка» таким же образом обращена и к человеку, который видит радугу.
Однако все цвета «воронки», выходящие из одной капли, мы не видим, потому что отдельные цветные лучи преломляются, выходя из капли, неодинаково – одни меньше, другие больше. В глаза наблюдателя попадает всего лишь один какой-нибудь цветной луч, например зеленый. Все другие лучи, преломившиеся в этой капле, пройдут мимо – выше или ниже наших глаз. От другой капли в глаз наблюдателя попадает какой-либо другой луч, например красный, от третьей – фиолетовый и т. д.
При дожде лучи Солнца преломляются в мириадах падающих капель воды. Однако далеко не все эти лучи попадают нам в глаза. Когда мы наблюдаем радугу, мы видим только отдельные цветные лучи, идущие к нам от некоторых капель. Какие же эти капли? Как они расположены в воздухе?
Оказывается, все такие капли располагаются по окружности. Все капли на этой окружности находятся в одном положении к Солнцу и к наблюдателю. Только от этих капель радужные лучи попадают в наши глаза.
Но и таких капель в воздухе множество. Цветные лучи, рожденные этими каплями, сливаясь, дают нам яркую картину радуги. Перед нами возникает многоцветная полоса – часть радужного круга.
Вечером и утром, когда Солнце стоит низко, радуга имеет вид полного полукруга. Чем выше Солнце поднимается над горизонтом, тем радуга меньше. Когда Солнце находится над горизонтом выше 42 градусов, радуга совсем уходит за горизонт.
Это понятно – ведь в радуге мы видим солнечные лучи, разложенные на свои спектральные цвета. Значит, положение радуги на небе должно зависеть от положения Солнца. Чем выше оно расположено на небе, тем меньшую часть радужного круга мы увидим. Остальное будет скрывать горизонт. Поднявшись высоко в воздух, можно увидеть весь радужный круг.
Почему же, однако, мы видим в радуге ряд цветных полос, расположенных всегда в одном порядке? А вот почему.
Рис. 28. Рисунок показывает, почему мы видим в радуге цветные полосы, расположенные всегда в одном порядке.
Взгляните на рисунок 28. В капле дождя меньше всего преломляются лучи красного цвета, сильнее всего – фиолетовые лучи. Отсюда понятно, что от капель, расположенных по самому внешнему кольцу радуги, в глаза наблюдателя попадут только красные лучи (см. рис. 28). Наоборот, капли, расположенные по внутреннему кольцу радуги, пошлют в наши глаза фиолетовые лучи; все другие лучи упадут ниже. От капель, находящихся вне радужной полосы, мы не получим ничего. Все отраженные и преломленные этими каплями лучи не попадут в наши глаза, они будут проходить выше, ниже или в стороне. И, наконец, от капель дождя, расположенных между каплями, лежащими на внутреннем и на внешнем кольце радужной полосы, в наши глаза будут попадать все другие лучи спектра – желтые и оранжевые, синие и зеленые.
Если мы возьмем вертикальный ряд капелек, расположенных в -воздухе там, где мы видим радугу (см. рис. 28), самая верхняя из этих капелек пошлет в наш глаз красный луч. От капельки, лежащей ниже, мы увидим отраженный оранжевый луч. Следующие капельки дадут лучи – желтый, зеленый, голубой, синий. От самой нижней капли, находящейся в области радужной полосы, в глаз наблюдателя упадет фиолетовый луч.
Такое же отражение дадут и все другие капли дождя, находящиеся в воздухе в одинаковом отношении к Солнцу и к наблюдателю. А такие капли, как говорилось выше, располагаются по окружности.
Мириады этих капелек посылают в глаза наблюдателя множество разноцветных лучей. Сливаясь, лучи и создают впечатление ярких цветных дуг – от красной до фиолетовой, как бы вложенных одна в другую. Мы видим многокрасочный воздушный призрак – радугу.
Каждый из нас видит на небе свою радугу. Отойдите несколько в сторону – и радужная полоса передвинется вместе с вами; вы увидите радугу в новых каплях.
Замечено, что яркость радуги меняется в зависимости от того, какое количество дождевых капель находится в воздухе, и от величины этих капель. Радуга тем ярче, чем крупнее капли дождя. Вспомните, как ярка радуга при летнем дожде, когда падают частые, крупные капли.
От величины дождевых капель зависит также и вид радуги. Когда в воздухе находятся более крупные дождевые капли, в радуге ярко выделяются зеленая и фиолетовая полосы. Хорошо видна также красная полоса. Более мелкие капли дают радугу, в которой выделяется желтый цвет. Когда радугу образуют совсем мелкие капельки– диаметром не более 0,03 миллиметра, в ней появляется белая полоса, а сама радужная полоса выглядит шире.
Но возникает еще один вопрос. Все объяснение радуги мы дали так, как будто дождевые капли висят в воздухе, а не падают, как будто они находятся на одних и тех же местах, а не меняют каждое мгновение свое положение в пространстве. А на самом деле капли дождя падают на землю, не задерживаясь где-либо в воздухе хотя бы на одну секунду.
Вспомните об одной замечательной особенности наших глаз. Когда низко над землей летит самолет, мы видим его вращающийся пропеллер в виде полного круга. Если в темноте быстро вращать перед собой тлеющую лучину, можно увидеть замкнутый огненный круг. Посмотрите на ярко горящую лампочку и закройте быстро глаза. Изображение этой лампы вы будете видеть еще некоторое время и после того, как закроете глаза.
Примеры говорят вот о чем: изображения, попадающие в наш глаз, задерживаются в нем на какой-то короткий промежуток времени. В течение этого времени изображение предмета сохраняется в нашем сознании.
Установлено, что человек сохраняет зрительное впечатление около 0,1 секунды. Эта особенность наших глаз положена в основу работы кино. Когда демонстрируется кинокартина, на экране быстро сменяются отдельные неподвижные кадры. Каждый кадр появляется на экране примерно всего на одну двадцатую долю секунды и тут же сменяется следующим. Так как промежуток времени, разделяющий одно зрительное впечатление от другого, не превышает в этом случае 0,1 доли секунды, изображения отдельных кадров сливаются в одно непрерывно движущееся. Не успевает в нашем мозгу исчезнуть одно изображение, как на него уже накладывается другое.
Эта особенность наших глаз и позволяет видеть на небе радугу.
От капли, находящейся в воздухе там, где возникает радуга, падает в глаз наблюдателя какой-либо один цветной луч – синий, зеленый, красный и т. д. Это происходит лишь в короткий миг. В следующее мгновение эта капля уже опустится ниже. Но тут же ее заменяет другая капля, падающая сверху. Еще через мгновение эта капля уходит вниз, а на ее месте появляется новая и т. д.
Из дождевого облака выпадает огромное количество капель. В полосе дождя в каждой точке пространства непрерывно находятся дождевые капли. Они настолько быстро сменяют в каждой точке одна другую, что мгновенные лучи, попадающие от них в глаза наблюдателя, сливаются в один, постоянный. Получается, как в кино: ряд мелькающих на экране изображений сливается в одну картину. В кино отдельные кадры, идущие друг за другом, постепенно изменяются. На одном кадре, например, человек стоит у окна с опущенными руками, на следующем кадре – его правая рука уже немного приподнята, на третьем кадре – эта рука поднята еще больше и т. д., и на каком-то кадре изображен человек, уже открывающий окно. Когда все эти кадры быстро сменяют друг друга на экране, мы видим, как неподвижные фотографии человека «оживают» – человек поднимает руку и открывает окно.
В радуге нет таких постепенно изменяющихся картин. От каждой капли, находящейся в радужной полосе, в наши глаза падает какой-то один определенный луч. Каждое мгновение эти капли заменяются новыми, но и от них в глаза наблюдателя посылаются те же самые лучи. Таким образом, мы видим долгое время неизменяющуюся радужную полосу. Получается такая же картина, как если бы капли в воздухе висели на одних и тех же местах, а не падали на землю.
Так наука объясняет это красивое природное явление. Вызывается оно самыми естественными причинами.
В давно прошедшие времена, когда знание природы было очень невелико, радугу считали «божьим знамением» о том, что дождя больше не будет.
Следы поверья сохранились до наших дней. Еще и теперь некоторые думают, что радуга на небе – знак того, что дождь прошел и больше его не будет. Но примета несостоятельна. Радуга бывает и до дождя, и во время дождя, и после того, как дождь прошел.
Одним из первых людей, который дал научное объяснение появления радуги, был итальянский ученый Доминис. Это было в начале XVII века. Церковь в те времена жестоко расправлялась со всеми, кто пытался объяснить явления природы естественными причинами, не прибегая к помощи сверхъестественных сил. Поплатился за это и Доминис. Он был отлучен от церкви, объявлен вне закона и брошен в тюрьму. В ней он и умер. Труп ученого был сожжен вместе с его трудами.
На небе можно видеть иногда не одну, а две, три и более радуг.
Как они возникают?
Посмотрите на рисунок 29. На нем показано двойное полное внутреннее отражение солнечных лучей в капле воды. В отличие от случая, изображенного на рисунке 27, здесь луч света дважды отражается от внутренней стенки капли и при этом также разлагается в спектр.
Двойная радуга имеет вид двух радужных дуг, расположенных одна над другой (рис. 30). Цвета в этих радугах располагаются как бы в обратном порядке: если у нижней радуги ее верхняя часть – красная, а нижняя – фиолетовая, то у верхней радуги в красный цвет окрашена ее нижняя часть, а в фиолетовый – верхняя.
Нижняя радуга получается, как обычно, благодаря простому отражению лучей в определенных каплях дождя. Верхняя же появляется на небе тогда, когда одновременно с простым внутренним отражением лучи солнца испытывают двойное внутреннее отражение в каплях, находящихся выше капель, образующих нижнюю радугу.
Рис. 29. Двойное полное внутреннее отражение лучей Солнца в капле дождя.
Рис. 30. Двойная радуга.
Легко можно понять, почему в верхней радуге цвета располагаются иначе, чем в нижней. При двойном внутреннем отражении от капель, расположенных в самой нижней части радуги, в наш глаз попадают красные лучи, а капли, находящиеся на внешнем ее кольце, посылают в глаза наблюдателя лучи фиолетовые.
Несколько сложнее обстоит дело, когда в воздухе появляются три и более «радужных призрака». Секрет этого явления в том, что радуга может появляться и в тех случаях, когда в каплях дождя отражаются не прямые солнечные лучи, а отраженные водой рек, озер, морских заливов.
7 января 1948 года под Москвой на станции Тарасовская, Ярославской железной дороги, наблюдали редкое явление – зимнюю радугу.
Можно увидеть радугу и в ночное время, при Луне. Ночная радуга – явление очень редкое, краски ее не яркие, и заметить ее трудно.
О ТРЕХ СОЛНЦАХ НА НЕБЕ
Причины появления на небе воздушных призраков – гало – в прошлые времена были неизвестны. Суеверные люди верили любым вздорным сказкам об этом явлении. Очевидцы сочиняли самые фантастические картины, дополняли виденное всевозможными выдумками.
Вот как изобразил «очевидец» гало в 1785 году, виденное в городе Ярославле (рис. 31).
Рис. 31. Таким рисовали гало 1785 года суеверные «очевидцы».
Но вот совершенно точное описание редкого по своей форме гало. 6 мая 1928 года в г. Белом, Смоленской области, в течение продолжительного времени было видно сложное гало. Оно наблюдалось около 8 часов. Наиболее сложным гало было около 8–9 часов утра, когда были видимы следующие его части:
радужный круг, радиус которого был виден с земли под углом в 22 градуса (рис. 32);
верхняя, ближняя к зениту часть радужного круга с радиусом в 46 градусов;
две небольшие слабой окраски полосы, касательные к верхней и нижней точкам круга в 22 градуса;
два ложных солнца радужной окраски, расположенные около круга в 22 градуса; от каждого из них тянулись белесые, слегка изогнутые хвосты (см. рис. 32).
Рис. 32. Сложное гало 1928 года в г. Белом. Смоленской области.
Как же могут получаться такие воздушные призраки?
Каковы действительные причины этого явления?
Как уже говорилось, гало возникает благодаря преломлению и отражению солнечных лучей в ледяных кристалликах, плавающих в воздухе. В высоких слоях атмосферы, где летом и зимой царит холод, находится множество таких кристалликов. Они имеют самые различные формы, но чаще форму прямой шестигранной призмы. Такие кристаллы и дают гало.
Посмотрите на рис. 33. Лучи света, падая на шестигранную призму, преломляются в ней и рассеиваются, образуя спектр. Если поворачивать призму вокруг ее оси, вместе будет поворачиваться и спектр. Когда призма повернется так, что луч света будет испытывать в ней наименьшее отклонение, спектр остановится и при дальнейшем вращении призмы (все в ту же сторону) начнет поворачиваться уже в обратную сторону.
Рис. 33. Лучи света, падая на шестигранную призму, преломляются в ней и образуют спектр.
Продолжая поворачивать призму, мы дойдем до такого ее положения, когда луч света будет испытывать в ней наибольшее отклонение. С этого момента спектр пропадает: луч света уже не выходит из призмы, а испытывает в ней полное внутреннее отражение.
Если продолжать поворачивать призму, все повторится снова, только луч света теперь будет падать уже на другую грань – не на первую, а на вторую, затем на третью и т. д. Выходящие из призмы преломленные и рассеянные лучи света будут совершать то же колебательное движение.
Что же мы увидим, если начнем вращать призму быстро?
Все последовательные изображения спектра сольются, и мы увидим одну белую полосу, которая будет более яркой и иметь радужную окраску в месте наименьшего отклонения световых лучей.
Рис. 34. Схема образования гало-круга в 22 градуса.
Представим себе плавающие в воздухе кристаллики льда. Множество таких кристалликов, имеющих форму шестигранных призм, находится в самых различных положениях. Медленно падая, они вращаются, отражая и рассеивая в пространстве солнечные лучи. Но некоторая часть кристалликов будет посылать в глаза наблюдателя направленные лучи – те лучи, которые испытывают в шестигранниках наименьшее отклонение. Такие кристаллы располагаются на небе, подобно каплям воды в радуге, по кругу. В центре этого круга мы видим Солнце. Кристаллы находятся в одном положении как к наблюдателю, так и к Солнцу и будут казаться освещенными. В этом месте мы и увидим светлый радужный круг – гало (рис. 34). Радиус его – 22 градуса. Гало-круг появляется и ночью, вокруг Луны.
Бывают случаи, когда ночью наблюдают сложные гало. 28 ноября 1947 года сложное гало было видно в г. Полтаве (рис. 35). Луна находилась в центре светлого круга. Гало-круг в 22 градуса был виден не весь; наиболее ярок он был в своей верхней части и слева. На этом круге справа и слева были видны также ложные луны, или, как их часто называют, параселены; левый параселен был более ярок и имел хвост. Сверху у гало-круга была видна яркая касательная дуга.
Рис. 35. Сложное гало вокруг Луны, виденное в Полтаве в 1947 году.
Гало в виде круга у Солнца в 22 градуса совсем не редки. В Москве и Московской области такое гало можно наблюдать ежегодно десятки раз.
Другой вид гало-круга у Солнца с радиусом в 46 градусов наблюдается значительно реже. Чаще видны лишь отдельные части такого круга, как было и при сложном гало, виденном в г. Белом в 1928 году. Причина его возникновения та же – преломление света в ледяных кристаллах, имеющих форму шестигранников. В этом случае играют роль кристаллы, от которых падают лучи, преломившиеся не между двумя боковыми гранями, а между одной из боковых граней кристаллика и его основанием. Наименьший угол отклонения лучей при этом составляет уже не 22 градуса, а 46 градусов.
Рис. 36. Шестигранники такой формы, как показывает опыт, плавают в воздухе вертикально.
Гало-круги с радиусами в 22 и 46 градусов наиболее ярки в местах, высота которых близка к высоте Солнца над горизонтом, а также вверху над Солнцем и внизу под Солнцем. В этих местах образуются ложные солнца. Они бывают видны как на круге в 22 градуса, так и на круге в 46 градусов, и очень редко еще далее от Солнца – на расстоянии в 90 и 80 градусов. Этот вид гало наблюдается, когда Солнце стоит невысоко над горизонтом. Опыты показывают, что в образовании побочных солнц участвуют шестигранные кристаллики, изображенные на рис. 36. Они плавают в воздухе не беспорядочно, а так, что их оси располагаются преимущественно вертикально.
Ложные солнца можно видеть на небе также довольно часто. В северных областях, где гало появляется значительно чаще, ложные солнца наблюдают десятки раз в год. Нередко они настолько ярки, что не уступают Солнцу. Недаром еще древние историки писали о трех солнцах, появляющихся на небе.
Рис. 37. Светящийся столб над Солнцем.
Другой причиной игры света в атмосфере является отражение солнечных лучей от кристалликов льда.
Посмотрите на рис. 37. Солнце только что ушло за горизонт, и темное вечернее небо прорезал яркий, светящийся столб. Что это такое?
Рис. 38. Лунная «дорожка» на воде.
Вспомните солнечную «дорожку» на волнующейся поверхности воды. Мы видим в этом случае до неузнаваемости искаженное отражение Солнца в волнах: Солнце кажется нам в виде длинной светящейся полосы на воде. Ночью на воде серебрится лунная «дорожка» – сильно искаженное изображение Луны (рис. 38). Искаженное изображение Луны и Солнца можно наблюдать и в воздухе. Лучи света, отражаясь от горизонтальных граней ледяных кристалликов, рождают на небе длинную светящуюся полосу – возникает световой столб. Такие столбы тянутся от. Солнца или Лупы и тогда, когда последние находятся еще у горизонта. Иногда светящийся столб идет от Солнца как кверху, так и книзу.
Рис. 39. Так образуются светлые кресты около Солнца.
В сложных гало нередко наблюдают так называемы, околосолнечный круг – горизонтальный светлый круг, проходящий через Солнце. Такой круг возникает также благодаря отражению солнечных лучей от боковых граней шестигранников, вертикально плавающих в воздухе.
Рис. 40. Другой пример образования светящегося креста над Солнцем.
Благодаря отражению мы видим на небе ложные солнца на расстоянии от Солнца в 90 и 80 градусов.
И, наконец, нетрудно объяснить появление на небе светящихся крестов, вызывавших в прошлом у суеверных людей наибольший страх.
Мы не всегда видим на небе ту или иную форму гало полностью. Чаще бывают видимы только части кругов в 22 и 46 градусов. Зимой при больших морозах на небе появляются два столба по обе стороны Солнца. Это – видимые части дуг гало-круга. Также видим и отдельные части околосолнечного круга. Например, на рисунке 32, где изображено сложное гало 1928 года, видны лишь те части этого круга, которые примыкают к побочным солнцам. В других случаях видим только часть околосолнечного круга, непосредственно примыкающую к Солнцу.
Нетрудно догадаться, как возникают светящиеся кресты на небе. Например, мы видим вертикальные части дуг гало-круга и части околосолнечного круга у Солнца (рис. 39). Пересекаясь, они и дают два креста, расположенные по обе стороны Солнца.
Другой пример. У Луны мы видим часть горизонтального круга. Он пересекается светящимся столбом, идущим от Луны кверху и книзу. Образуется крест.
А вот и третий случай. Солнце стоит у горизонта. Вверх от него тянется длинный светящийся столб, который пересекается с видимой частью гало-круга (рис. 40). Над Солнцем возникает большой светлый крест.
Так наука объясняет причины появления гало.
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ТРЕТЬЕГО РОДА»
Полярное сияние наблюдается в приполярных странах, например у нас на севере. Там к нему привыкли и уже не удивляются этому явлению. По у человека, не северянина, полярное сияние оставляет неизгладимое впечатление.
Первым, кто изучал природу полярных сияний, был наш великий ученый М. В. Ломоносов. Он объяснил, что причиной полярного сияния служат электрические разряды в разреженном воздухе. «...Весьма вероятно, что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе Електрической силы», – писал ученый.
Чтобы убедиться в справедливости своего предположения, Ломоносов поставил специальные опыты. Он выкачивал воздух из стеклянного шара и пропускал через шар электричество.
Опыты подтвердили предположение. «...Возбужденная Електрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их месте выскакивают, так что беспрерывное блистанье быть кажется», – записал Ломоносов.
Свечение разреженных газов М. В. Ломоносов называл «электричеством третьего рода».
После Ломоносова явление проходимости электрического тока через разреженные газы изучали другие ученые. Для опытов ими применялись стеклянные трубки, запаянные с двух концов. С обоих концов в трубки впаивались небольшие металлические пластинки – электроды; к ним присоединялись провода от источника тока. Пока газ, заключенный в трубке, находился при атмосферном давлении, он не проводил электрического тока, и свечения в трубке не было. Но стоило только создать в трубке разрежение, как в ней от одного электрода к другому возникал поток быстро летящих заряженных частиц – электронов, то есть начинал течь электрический ток. При этом в трубке возникало мерцающее свечение. Оно возникало в результате столкновений быстро летящих электронов с частичками газа в трубке.
Обычно при опытах воздух из трубок удалялся и трубки заполнялись какими-либо разреженными газами. Применялся, например, азот, водород; позднее для этой цели стали использовать инертные газы – аргон и неон.
Трубки были названы «газосветными». Различные газы светятся в газосветных трубках по-разному. Трубки, наполненные аргоном, светятся голубым светом, трубки с неоном дают красное свечение и т. д.
Так были получены в лабораториях ученых маленькие искусственные полярные сияния. Как и в воздухе, в состав которого входят инертные газы аргон, неон и другие, в газосветных трубках возникал разноцветный мерцающий свет, полыхало миниатюрное полярное сияние.
Наука наших дней подтвердила выводы М. В. Ломоносова о природе полярных сияний. Действительно, величественная картина полыхающего красками неба является по своей природе не чем иным, как свечением разреженных слоев атмосферы – на высоте от 80 до 1000 километров – под ударами электрических частиц – электронов, прилетающих к нам от Солнца.
Рис. 41. Полярное сияние – одно из самых величественных явлений природы.
Как известно, Солнце – это раскаленный газовый шар громадных размеров. Оно является как бы гигантской печкой, излучающей в пространство огромное количество энергии.
Что поддерживает высокую температуру раскаленного газового шара – Солнца?
Долго на этот вопрос наука не могла дать убедительного ответа. Только теперь, с развитием атомной физики (науки об атоме и его строении), дано обоснованное объяснение того, откуда Солнце черпает свою энергию. В глубинах небесных тел царит температура, достигающая многих миллионов градусов. В этих условиях происходит постоянное превращение одних химических элементов в другие. В основном происходит превращение водорода в гелий; при этом выделяется огромное количество энергии, которую Солнце излучает в мировое пространство.
Вместе с тем, в недрах этого небесного тела возникают потоки электрически заряженных частиц. Особенно мощные потоки таких частиц выделяют области «солнечных пятен». С огромной скоростью выбрасываются они Солнцем в мировое пространство. Достигая атмосферы Земли, эти потоки и вызывают полярное сияние. Сталкиваясь с атомами газов, входящих в состав воздуха, электрические частицы приводят их в возбужденное состояние – атомы начинают испускать свет.
В некоторые годы полярные сияния бывают особенно часто. Ученые обратили внимание на очень интересное обстоятельство. Оказывается, полярные сияния особенно часты и сильны в те годы, когда на Солнце наблюдается наибольшее число пятен. Уменьшается число солнечных пятен, убывает и число полярных сияний.
Но почему же это явление мы наблюдаем только у полюсов Земли? Чтобы понять это, надо знать другое природное явление – магнетизм.
Вспомните, что магнитная стрелка компаса указывает своими концами на юг и на север. Какие силы здесь действуют?
Как известно, каждый магнит всегда имеет два (или более) полюса – северный и южный. Магнит притягивает к себе железные и стальные предметы. Объясняется это тем, что вокруг каждого магнита существует так называемое магнитное силовое поле. Говоря иначе, в пространстве вокруг магнита действуют особые магнитные силы. Направление этих сил можно увидеть с помощью очень простого опыта. Положите на стол магнит и поверх него – лист бумаги или кусок стекла. Затем посыпьте на бумагу мелкие железные опилки и встряхните слегка лист бумаги. Вы ясно увидите, что опилки расположатся вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 42).
Рис. 42. Магнитные силовые линии.
Магниты не только притягивают к себе вещи, сделанные из железа или стали, по и притягиваются друг к другу. Притягиваются они при условии, если подносить их друг к другу разноименными полюсами, то есть северный к южному или южный к северному. Попробуйте соединить два магнита одноименными, например южными, полюсами – и вы увидите, что оба магнита будут отталкиваться друг от друга.
На рисунке 43 показано, как располагаются магнитные силовые линии в случае, когда приближают друг к другу разнородные полюсы магнитов и когда однородные.
Природа магнитных сил оставалась долгое время неизвестной. Ее узнали лишь в прошлом веке. Около 30 лет назад было установлено, что между магнетизмом и электричеством имеется прочная связь.
Родство этих двух природных явлений можно видеть на очень простых опытах. Над магнитной стрелкой компаса протягивают провод так, чтобы он располагался параллельно стрелке. По проводу пускают ток (рис. 44). Магнитная стрелка тут же отклонится от своего прежнего положения. Если выключить ток, – стрелка вернется в свое прежнее положение. Следовательно, электрический ток отклоняет магнитную стрелку. Поток электронов, двигаясь по проводу (а это и есть электрический ток), образует вокруг провода магнитное силовое ноле. Пользуясь теми же железными опилками, мы можем без большого труда обнаружить это поле. Если через лист картона с опилками пропустить толстый провод и пустить по проводу электрический ток, железные опилки расположатся на картоне кругами вокруг провода.
Рис. 43. На рисунке показано расположение магнитных силовых линий между разнородными и однородными полюсами магнита.
Изучение электрических и магнитных явлений привело к открытию электромагнита. Оказалось, что проволочная катушка, по которой идет электрический ток, подобна магниту: один ее конец притягивает к себе южный полюс, другой – северный.
Наша экскурсия в область магнетизма была не напрасной. Она помогла нам понять причину того, почему свечение разреженных слоев атмосферы наблюдается только у полюсов Земли – у Северного и Южного. Эта причина заставляет маленькую магнитную стрелку компаса всегда держаться в направлении север-юг.
Наукой установлено, что наша Земля является огромным магнитом. И как всякий другой магнит, земной шар окружен магнитным силовым полем и имеет магнитные полюсы. Эти полюсы – северный и южный – расположены близ географических полюсов Земли.
Вот почему магнитная стрелка компаса показывает направление на юг и на север: на нее действует магнитное поле Земли; концы маленькой магнитной стрелки отталкиваются от одного магнитного полюса Земли и притягиваются к другому. Стрелка располагается вдоль силовых линий магнитного поля Земли.
По этой же причине полярные сияния наблюдаются преимущественно у полюсов, в полярных районах. Потоки солнечных электронов, попадая в магнитное поле земного шара, отклоняются этим полем к полюсам.
Рис. 44. Взаимодействие магнитных и электрических сил.
С магнитным полем связаны форма и беспрерывная «игра» небесных сполохов. Переливающиеся дуги, вспыхивающие и гаснущие лучи полярного сияния связаны с направлением сил магнитного земного поля. При непрерывном изменении этих сил каждое мгновение изменяется свечение атмосферы.
Такова разгадка величественного природного явления – полярных сияний.
Настоящая наука, связанная с жизнью, никогда не довольствуется одним объяснением того или другого природного явления. Она всегда стремится к большему. Раскрывая «секреты» природы, находя причины и взаимосвязь различных явлений, наука ставит полученные знания на службу человеку.
Изучение природы свечения атмосферы на высотах в сотни километров над Землей привело к использованию искусственного полярного сияния для освещения жилых и производственных помещений. Это – газосветные трубки, или «лампы дневного света». Всем, кто живет в больших городах, такие лампы уже знакомы.
Практически пригодные «лампы дневного света» были созданы незадолго перед Великой Отечественной войной. Большая заслуга в создании таких ламп принадлежит нашим советским ученым школы академика С. И. Вавилова.
Газосветные трубки, излучающие белый свет, подобный дневному, заполнены парами ртути. При пропускании электрического тока через такую трубку она излучает, главным образом, невидимый ультрафиолетовый свет. Чтобы превратить его в видимый, внутренние стенки трубок «дневного света» покрывают специальными смесями – так называемыми светосоставами. Светосоставы содержат вещества, светящиеся под действием ультрафиолетовых лучей. Каждое такое вещество в отдельности излучает свет какого-либо одного цвета. Но, смешанные в определенной пропорции, эти вещества светятся уже белым, «дневным» светом.
«Лампы дневного света», или, как их еще называют, люминесцентные лампы, почти не нагреваются; потери электрической энергии в них невелики. Поэтому «лампы дневного света» значительно более экономичны, чем лампы накаливания. Кроме того, свет люминесцентных ламп намного приятнее для глаз, чем свет всех других светильников. «Лампы дневного света» не «режут» глаз.
В нашей стране новые лампы уже находят себе широкое применение. На многих производствах, где необходим естественный дневной свет, такие лампы особенно ценны. Появляются люминесцентные лампы и в театрах, клубах, картинных галлереях, в метро и т. д.
ВОЗДУШНОЕ ЗЕРКАЛО
Историк Диодор Сицилийский, живший за две тысячи лет до нашего времени, писал, что в Африке происходят удивительные вещи. В некоторые времена года, особенно при полном отсутствии ветра, в воздухе показываются изображения различных зверей, неподвижных и движущихся. Эти звери то как будто бегут от зрителя, то сами его преследуют. Когда они настигают человека, то окружают его тело как бы холодным туманом. Путешественники пугаются этого явления, а местные жители не обращают на него внимания.
Речь идет о так называемых миражах, или, как их еще называют, маревах – призрачных, обманчивых видениях.
Путешественники, побывавшие в жарких пустынях, рассказывают о таких миражах следующее. Обычно на горизонте появляется либо большое озеро, либо цветущий оазис, порой в воздухе возникает видение целого города, с белыми минаретами и садами. Усталые люди не знают, верить или не верить своим глазам. Но видение настолько ярко, реально, что путешественники невольно начинают подгонять верблюдов. Однако их ждет разочарование. Проходит несколько минут – и яркий мираж блекнет, тает и, наконец, исчезает.
Миражи наблюдаются не только в жарких песчаных странах. Их можно видеть иногда и в умеренном поясе, и далеко на севере.
На море иногда появляются миражи островов.
В полярных, странах бывают еще более необыкновенные миражи. Один мореплаватель наблюдал движущийся мираж недалеко от Северного полюса – на 80-й параллели. Слабый ветерок едва бороздил поверхность моря. Корабль шел среди ледяных гор и обломков ледяных полей; они искрились и сияли в лучах ослепительного солнца. Воздух был замечательно чист и прозрачен. Вдруг горизонт как бы раздвоился, и предметы, находящиеся вдали, поднялись кверху и повисли в воздухе, беспрерывно изменяя свой вид. Перед изумленными моряками показывались и исчезали, поднимались и опускались, суживались и растягивались огромные ледяные горы, снеговые поля с ледяными торосами, волнистые берега с холмами. Мираж был виден несколько часов. К концу дня подул сильный ветер, и видение исчезло.
Надо ли удивляться тому, что в прошлом такие неожиданные и диковинные видения вызывали у человека суеверный страх?
Существует легенда о «Летучем Голландце» – корабле мертвецов. В старое время моряки верили, что такой корабль действительно плавает по морям и океанам. А многие из них говорили, что они сами, своими глазами видели этот корабль. Такие рассказы были похожи один на другой. «Летучий Голландец» внезапно появлялся перед кораблями, совершенно безмолвный, плыл прямо на них, не отвечая на сигналы, и затем столь же внезапно исчезал в тумане.
Корабль с мертвецами был выдумкой невежественных людей. Однако чем можно объяснить многочисленные рассказы о «Летучем Голландце»?
Рис. 45. Мираж в пустыне.
Теперь, когда наука дала точное объяснение миражам, для нас ясно, что легенда о «Летучем Голландце» возникла благодаря тому, что моряки видели на море миражи.
Какова же причина появления воздушных призраков – миражей?
Диодор Сицилийский, о котором мы упоминали выше, писал: «Некоторые врачи пробовали объяснить причину таких странных, кажущихся сказочными, явлений. В Ливии, говорят они, царствует почти постоянная тишина; сильных ветров не бывает. Поэтому там уплотненные массы воздуха, под влиянием малейших токов воздуха, перемешиваются между собой и соединяются в группы, имеющие странную форму, как у нас облака. Когда настанет полная тишина, группы эти от тяжести опускаются книзу, представляя разного рода изображения. Те из них, которые случайно попали на какое-нибудь животное, облепляют его, так сказать, принимая его форму. Если затем это животное побежит, то форма начинает его как бы преследовать; все же встречные формы, благодаря напору воздуха, как бы убегают. На кого налетит такая форма, того она облепит, производя ощущение холода».
Объяснение, приведенное древним историком, показывает, что в те времена не имели никакого представления об истинных причинах миражей. Только с развитием науки о свете и законах его распространения были найдены действительные причины этого интересного атмосферного явления.
Обычно преломления световых лучей в атмосфере незначительны. Рефракция света дает лишь небольшие смещения изображений предметов и не искажает их заметно; это так называемая нормальная рефракция. Но бывают случаи рефракции ненормальной. Об одном случае уже было сказано– о кажущемся «дрожании» предметов на горизонте в жаркий летний день.
Еще более поразительны явления ненормальной рефракции, когда далекие предметы кажутся находящимися совсем не там, где они расположены на самом деле, или в таком виде, что становятся неузнаваемыми.
В жаркий день песок в пустыне нагревается очень сильно, нередко до 60–70 градусов. От такого песка сильно нагревается воздух, особенно его нижние слои, ближайшие к поверхности земли. Воздух, как и все тела, при нагревании расширяется, становится легче, разреженнее.
Благодаря тому, что раскаленный песок пустыни сильно нагревает лежащий над ним воздух, нижние слои атмосферы становятся значительно менее плотными, чем вышележащие ее слои. Выше температура воздуха постепенно понижается, и соответственно этому повышается его плотность. Плотность воздуха в двух пограничных слоях у земли может быть резко различной.
Конечно, это явление бывает лишь местным и временным. В этих случаях и возникают миражи.
Посмотрите на рисунок 46.
Где-то далеко на горизонте перед караваном показывается небольшой оазис. Отраженные от пальм лучи света, прежде чем упасть в глаза наблюдателей, проходят через слои воздуха различной плотности и преломляются. Переходя из более плотного слоя воздуха в слой с меньшей плотностью, лучи преломляются в сторону более плотного слоя. Таков закон преломления света.
Что же получится, если воздушные слои располагаются у земли так: самый нижний слой – наименее плотный, следующий за ним – несколько более плотный, расположенный еще выше – еще более плотный и т. д.?
Рис. 46. Схема образования нижнего миража.
Получится следующее. Лучи, идущие вверх, мы не увидим. Лучи, идущие прямо в глаза наблюдателей через более верхние слои воздуха, создают обычное, нормальное изображение пальм. Но проследим, каков будет путь лучей, идущих к поверхности земли. В этом случае каждый луч света, преломляясь, будет постепенно направляться в сторону более плотных слоев. Искривление луча может дойти до того, что световой луч отразится от нижнего, самого теплого и самого разреженного слоя воздуха, как от зеркала, и пойдет снова вверх (см. рис. 46). Таким образом, эти лучи света также попадут в глаза наблюдателя.
Но ведь наш глаз не видит и не может видеть искривленных лучей. Он воспринимает изображение предмета всегда так, как будто бы от этого предмета идут прямолинейные лучи. В нашем случае наблюдатель, сидящий на верблюде, увидит изображение пальмы, даваемое преломленными лучами, на прямой линии, идущей от глаза (см. рис. 46), то есть ниже действительного положения деревьев. При этом мнимое изображение дерева, которое увидит человек, будет «вниз головой».
Таким образом, путешественники, подъезжая к оазису, увидят два его изображения: одно – действительное, нормальное, другое – мнимое, передернутое «вверх ногами».
Так нижние перегретые слои воздуха служат при мираже настоящим зеркалом, отражая от себя изображения предметов. Часто в таком «воздушном зеркале» отражается небо, которое кажется нам блестящей водной поверхностью.
Так возникает обыкновенный, наиболее простой вид миража. Такой мираж называют нижним. Наблюдающиеся в летнее время воздушные отражения на гудронированных дорогах, а также призрак озера в пустыне – это и есть явление нижнего миража.
Бывает, что воздушные призраки при этом принимают огромные, искаженные формы.
Хорошо известен и другой вид миража – верхний; его причиной является то же «воздушное зеркало».
Рис. 47. Так возникает верхний мираж
Взгляните на рисунок 47. На нем показано, как возникает такой мираж. Он может образоваться, когда нижние, прилегающие к земле слои воздуха – более холодные и плотные, а верхние – более теплые и разреженные.
Так бывает, например, ранним утром, когда за ночь нижние слои сильно охлаждаются от земли.
Верхний мираж чаще видят на море, а также на севере, где почти всегда нижние слои атмосферы холоднее верхних. На севере это часто бывает зимой и весной в дни, когда с юга дует теплый ветер, а нижние слои воздуха остаются холодными от снега.
Рис. 48. Двойной верхний мираж.
Явление верхнего миража и дает морякам возможность видеть то, что при нормальных условиях увидеть нельзя, – корабли и далекие острова, находящиеся под горизонтом.
В этом и кроется разгадка «Летучего Голландца». Ясно, что моряки встречались здесь лишь с воздушными призраками – двойниками далеких реальных парусных кораблей.
При верхнем мираже наблюдают не только прямое изображение предметов, но и опрокинутое, а также и оба таких изображения вместе (рис. 48).
Перевернутые воздушные призраки появляются даже значительно чаще, чем прямые.
В том случае, когда видим в воздухе прямое и перевернутое изображение, мы встречаемся с тем, что в атмосфере неравномерно располагаются воздушные слои различной плотности.
Можно наблюдать и боковой мираж. Этот вид миража хорошо известен на Женевском озере, в Швейцарии. Когда по озеру плывет пароход или лодка, рядом плывет их призрак. В этом случае «воздушное зеркало» как бы поставлено вертикально.
Миражи наблюдаются лишь при отсутствии ветра. Это понятно, ведь ветер – это движение воздуха, оно ломает «воздушное зеркало», и воздушные призраки при ветре появиться не могут. Известно, однако, что полного покоя в природе не бывает. Нет полного покоя и в атмосфере. И тем не менее условия для появления миражей в воздухе время от времени создаются. Следовательно, «воздушное зеркало» не такое уж хрупкое, и легкие воздушные колебания его не нарушают. Наоборот, легкие перемещения слоев воздуха создают более фантастические картины. Когда воздушные слои с различной плотностью находятся в медленном движении, когда они как бы ломают, колеблют, нарушают границы между собой, в воздухе и возникает более редкое явление– движущийся мираж.
Так наука объясняет интересное оптическое атмосферное явление – появление воздушных призраков – миражей.
⁎ ⁎ ⁎
Из огромной массы явлений природы, познанных наукой, в книге приведено лишь несколько в качестве примера, что в мире нет ничего загадочного и таинственного. Правильность диалектико-материалистического понимания явлений природы все более и более подтверждается наукой. Попытки разного рода буржуазных шарлатанов, прислужников англо-американских империалистов, повернуть ход истории вспять, насадить средневековое мракобесие, мистику – обречены на провал.
Диалектический материализм, являющийся мировоззрением коммунистической партии, дает правильный подход к явлениям природы, правильный метод изучения и познания явлений природы. Единственно верное понимание и научное обоснование природных явлений – материалистическое.
Несомненно, что узнать причины того или иного явления природы, выяснить связь его с другими, обусловленность от окружающих его явлений, установить, по каким законам оно происходит, раскрыть противоречия, свойственные этому явлению, найти новое, что возникает и развивается, -не легкое дело. Знание приходит только в результате длительного изучения и проверки опытом.
Вооруженный знанием советский человек все полнее и глубже познает природу. И вместе с тем он во все большей степени становится «господином природы», все больше использует в своих интересах могущественные силы.
Диалектический материализм, его метод, как показали Ленин и Сталин, не только служит ключом к раскрытию тайн природы, он позволяет также научно предвидеть будущее. Руководствуясь диалектическим материализмом – мировоззрением партии Ленина-Сталина, – можно видеть ход развития в окружающем нас мире, устанавливать направление этого развития, находить новые, зарождающиеся явления. А это, в свою очередь, даст нам возможность сознательно, по плану, направлять развитие всех областей нашей жизни.
