Чудеса природы

Чудеса природы
Сергей Юрьевич Афонькин

Узнай мир
Мы сталкиваемся с удивительными явлениями природы, скрывающими в себе тайны этого мира. Для того чтобы увидеть эти чудеса своими глазами, подчас не надо отправляться в далекое путешествие. Самая обычная снежинка, опустившаяся зимой на рукав вашей шубы, способна рассказать об удивительном мире кристаллов. Круглый, переливающийся всеми цветами радуги бок мыльного пузыря может поведать о волновой природе света. Детский вроде бы вопрос – почему небо голубое? Однако он далеко не так наивен. Чтобы на него ответить, мало знать только оптику. Обычная капля воды полна загадок. Маленькая, трепещущая на конце иголки стрелка компаса показывает нам воочию существование магнитного поля нашей планеты. Северное сияние говорит о солнечном ветре и о явлениях, происходящих над вашими головами на высоте сотни километров.

Для многих таких явлений физики нашли объяснения, в правильности которых никто не сомневается. Для многих, но не для всех. Причина возникновения того же магнитного поля Земли до конца не понятна. Нет вразумительно объяснения природы и поведения шаровой молнии. Уже не один десяток лет будоражат умы людей таинственные круги на полях.

В книге вы найдете объяснения некоторым удивительным природным феноменам. Другие еще не разгаданы – их тайна лишь только открывается. Интересно? Тогда скорей читайте!

Для среднего и старшего школьного возраста.

Сергей Афонькин

Чудеса природы

© В. А. Карачёв, текст, оформление обложки, иллюстрации, 2010–2018

© В. А. Карачёв, составление серии, 2000–2018

Предисловие

Мы сталкиваемся с удивительными явлениями природы, скрывающими в себе тайны этого мира. Для того чтобы увидеть эти чудеса своими глазами, подчас не надо отправляться в далекое путешествие. Самая обычная снежинка, опустившаяся зимой на рукав вашей шубы, способна рассказать об удивительном мире кристаллов. Круглый, переливающийся всеми цветами радуги бок мыльного пузыря может поведать о волновой природе света. Детский вроде бы вопрос – почему небо голубое? Однако он далеко не так наивен. Чтобы на него ответить, мало знать только оптику. Обычная капля воды полна загадок. Маленькая, трепещущая на конце иголки стрелка компаса показывает нам воочию существование магнитного поля нашей планеты. Северное сияние говорит о солнечном ветре и о явлениях, происходящих над вашими головами на высоте сотни километров.

Для многих таких явлений физики нашли объяснения, в правильности которых никто не сомневается. Для многих, но не для всех. Причина возникновения того же магнитного поля Земли до конца не понятна. Нет вразумительно объяснения природы и поведения шаровой молнии. Уже не один десяток лет будоражат умы людей таинственные круги на полях.

В книге вы найдете объяснения некоторым удивительным природным феноменам. Другие еще не разгаданы – их тайна лишь только открывается. Интересно? Тогда скорей читайте!

Магнитное поле Земли

Порой самые привычные явления могут говорить о глубинных тайнах и загадках природы. Один из самых ярких примеров – притяжение Земли. Вроде бы простое, обычное дело – падение самых разных предметов на землю. Однако потребовался гений Эйнштейна, чтобы объяснить гравитацию искривлением пространства и времени. Аналогичная история с магнитным полем нашей планеты, о котором и пойдет речь.

С компасом, наверное, в лес все ходили хотя бы раз в жизни. Почему его отпущенная на свободу стрелка ведет себя так трепетно и странно, постоянно указывая на юг и север?

Просвещенным жителям Европы магнитные свойства некоторых веществ были знакомы еще с античности. Римский историк Плиний Старший донес до нас предание про некоего пастуха, который жил на острове Крит. К его подбитым железом сандалиям приставали мелкие черные камешки, валявшиеся на склонах горы Идо. Имя пастуха было Магнис, отсюда и возник термин «магнит».

Китайцы к тому времени давно пользовались магнитами, которые называли чу-ши, то есть «любящие камень». Жители Поднебесной империи изобрели компас по меньшей мере на тысячу лет раньше европейцев. Выглядел он просто – полоска намагниченного железа, положенная на кусок плавающей в воде пробки. Такой компас помогал караванам в пустыне не сбиваться с верного направления. Были у китайцев и более изощренные навигационные приборы. Это были фигурки, указывающие на юг; их устанавливали на коляски. Позже появился компас лопань, дошедший до наших дней. В отличие от европейского, он имеет много колец. Их называют тсэн – «слои». Некоторые были разделены на 24 сектора, каждый по 15 градусов. Лопань используется не только для навигации, к нему прибегают последователи системы фен-шуй, без которой, как известно, в Китае не обходятся ни при строительстве домов, ни при оборудовании внутреннего пространства помещений. С помощью иероглифов, нанесенных на сектора колец, можно якобы определять благоприятные и негативные направления в помещении.

Так, согласно реконструкции, выглядит компас синан

Лопань

В Европе честь изобретения компаса присвоили себе итальянцы. Они рассказывают легенду о талантливом мастеровом Флавио Джойя. Он жил в начале XIV века в приморском городке Амальфи и был влюблен в дочь состоятельного рыбака Доменико. Тот мечтал выдать ее за богатого судовладельца. Чтобы отвадить «сухопутного» Джойя от своего дома, Доменико поставил невыполнимое, как он думал, условие – пусть-ка научится лоцманскому искусству вести лодку в нужном направлении в тумане и ночью, а без этого чтобы к его дочери и не подходил. Джойя выполнил это требование, сверяя ход судна по иголке, сделанной из магнитного железняка.

Скорее всего, история про находчивого мастерового – легенда. Говорят, что в европейских рукописях компас со стрелкой упоминается уже в конце XII века. Впрочем, это не помешало итальянцам соорудить в Амальфи памятник своему земляку. Джойя стоит на вершине как бы небольшой скалы. На нем просторная накидка по моде XIV века. В левой руке он держит компас и сверяет по нему направление.

Немцы же в свою очередь уверены, что компас изобрели древние тевтоны, поскольку в большинстве стран Европы моряки называют тридцать два румба компаса на немецком языке. Кстати, и наше слово «компас» пришло из немецкого языка. На многих европейских языках compass означает еще и «циркуль», поскольку на латыни compassare – «измерять шагами». Именно так порой – для измерений на картах расстояний – использовали в старину циркуль.

Довольно долго причина любопытного поведения магнитной стрелки оставалась неясной. Например, считали, что ее притягивает к себе Полярная звезда. Впрочем, с этой идеей быстро расстались. Как известно, за счет движения земной оси положение Полярной звезды на небосклоне немного меняется, а компасная стрелка упорно смотрит в одном и том же направлении.

Определенная ясность наступила, когда магнетизмом в конце XVI века увлекся придворный врач Елизаветы I Уильям Гильберт. Он был весьма образованным человеком. Учился в Кембридже и Оксфорде. Был не только доктором медицины, но философом и магистром искусств. Гильберт перечитал все, что было известно к тому времени о магнитах, и занялся собственными опытами. В результате в 1601 году в Лондоне было опубликовано его сочинение «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Уже в заголовке была высказана главная догадка автора – наша планета представляет собой гигантский магнит, а точки, через которые проходит воображаемая ось ее вращения, являются его полюсами.

В духе экспериментальной физики, которая в то время только зарождалась, Гильберт соорудил действующую модель – намагниченный стальной шар. Он назвал его Тереллой – то есть маленькой Землей (от лат. terra – «земля»). Так вот, магнитная стрелка у его поверхности всегда указывала своим острием на магнитные полюса этого шара. До Гильберта никто о магнетизме Земли не говорил. Именно поэтому он по праву считается основоположником науки о магнитных свойствах нашей планеты. После открытия Гилберта стало ясно – стрелка компаса стремится занять положение вдоль магнитных силовых линий Земли, которые веерообразно расходятся из одного полюса и вновь сходятся в другом.

Однако вслед за этим открытием неизбежно встал вопрос – почему наша планета является гигантским магнитом? Магнитная порода – магнетит – составляет в составе ее коры ничтожную часть. За редкими исключениями остальные породы ярко выраженным магнетизмом не обладают…

До недавнего времени была популярна гипотеза о том, что магнитные свойства нашей планеты обусловлены ее жидким железо-никелевым ядром. Однако почему оно порождает магнетизм, оставалось неясным. Ядро нашей планеты от поверхности отделяет около 2900 километров, и что там в деталях творится – ученые вряд ли скоро узнают. В XX веке ученые обнаружили, что остывающая лава способна запечатлевать направление и силу магнитного поля Земли. Исследовав тысячи образцов лавы и определив их возраст, исследователи пришли к любопытному выводу. Оказывается, в истории нашей планеты бывали периоды, когда интенсивность ее магнитного поля резко падала. Неужели в ядре планеты в это время происходили какие-то существенные сдвиги?

Уильям Гильберт – автор сочинения о магнетизме

У «ядровой» гипотезы был и еще один недостаток. Как известно, магнитное поле Земли довольно чутко реагирует на солнечную активность. Вспышки на Солнце порождают так называемые магнитные бури. Многие люди весьма к ним чувствительны. Если бы источник земного магнетизма находился в ядре планеты, вряд ли солнечная активность могла на него существенно влиять. Наконец, еще один странный факт. У таких тел нашей Солнечной системы, как Луна, Венера и Марс, ядра есть, а магнитное поле практически отсутствует. Неувязка получается.

Силовые линии магнитного поля Земли

Совсем недавно в научном мире заговорили о новой гипотезе, которая объясняет причину существования у Земли магнитного поля. Ее выдвинул геофизик из Татарстана Марсель Марданов. Вкратце его идеи сводятся к тому, что важнейшую роль в формировании эффекта геомагнетизма играет водно-воздушный океан нашей планеты.

Под воздействием энергии Солнца за сутки с освещенной поверхности Земли испаряется один триллион кубометров воды. При ее испарении микрокапельки электризуются – приобретают положительный заряд. Отрицательный заряд при этом уходит в землю. А на ночной поверхности планеты происходит иной процесс – конденсации жидкости.

Магнитные бури оказывают воздействие на самочувствие

Загадочное явление магнетизма

Воздушный океан непостоянен. Он движется. В результате и в атмосфере, и в коре Земли возникают потоки ионов. Отсюда и магнетизм. Ведь как пишут в учебниках физики: «Магнитное поле создается электромагнитной индукцией, когда электропроводящий материал окружен переменным или вращающимся электрическим полем». Иначе, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц. Таким образом, нашу вращающуюся вокруг своей оси Землю, которая окружена движущимся воздушным океаном, несущим различные заряды, можно сравнить с динамо-машиной, которая постоянно вырабатывает магнитное поле.

Гипотеза Марданова объясняет отсутствие магнитного поля у планет, лишенных атмосферы и океанов. Понятно также, почему вспышки на Солнце так существенно влияют на земной магнетизм. Они сказываются и на испарении, и на состоянии газов в верхних слоях атмосферы. Можно также объяснить, почему в геологической истории нашей планеты ее магнитное поле порой резко менялось. Вероятно, это результат катастроф, вызванных падением крупных метеоритов. Следствие – глобальное изменение прозрачности атмосферы и падение уровня испарения воды под воздействием солнечных лучей.

Между прочим, многие экологи считают, что промышленная деятельность человека в течение последнего столетия начинает сказываться на состоянии атмосферы Земли. Возможно, в результате начнет меняться и магнитное поле нашей планеты. А ведь оно защищает нас с вами от губительного влияния солнечного ветра. О нем и его последствиях – северных сияниях – следующий рассказ.

Изложенная точка зрения – пока всего лишь гипотеза. Ее надо проверять и уточнять. Поэтому магнитная стрелка компаса продолжает хранить свою тайну, вернее тайну земного магнетизма.

Северное сияние

На севере, за Полярным кругом, можно порой наблюдать красивое и величественное зрелище. На ночном небе возникают полосы, ленты, дуги, вспышки и словно колышущиеся «занавеси» зеленоватого, красного и фиолетового свечения. От поверхности нашей планеты до этих огней далеко. Их нижняя граница находится на высоте 65 км, «занавеси» образуются на высоте около 113 км, а верхнюю границу огней может отделять от Земли почти тысяча километров. Удивительное явление длится от нескольких минут до нескольких суток и называется северным или полярным сиянием. Увидеть его можно не только на Крайнем севере, но и за Полярным кругом Южного полушария.

За Полярным кругом

В старинных индейских легендах говорится, что сияния появляются, когда живущие в небесном невидимом дворце духи умерших открывают ставни, и свет из них льется на облака. Наши северные поморы называли эти огни сполохами. Это слово недаром происходит от глагола «полошить», то есть «тревожить». На Севере рассказывают мрачные истории, связанные с «мерячкой» – странным зовом, который действует на некоторых людей во время северных сияний. И это не сказки.

В 1792 году был документально описан один такой случай. После появления яркого пульсирующего северного сияния сын капитана шхуны, промышлявшей в районе Шпицбергена, внезапно бросился за борт в ледяную воду. Спасти его не удалось. Другая трагедия произошла в 1898 году во время зимовки у берегов Антарктиды бельгийской экспедиции, возглавляемой лейтенантом Адриеном де Жерлашем. Когда небо над головами полярников осветилось огнями полярного сияния, молодой норвежец Толлефсен перепрыгнул через борт и побежал по льду в сторону полюса. За ним последовал еще один матрос. Того пытались остановить, но он вырвался, чуть не зарубив при этом топором штурмана. Этнографы и историки слышали рассказы о том, как почти все жители эскимосского или индейского поселка внезапно бросали свои дома и уходили в черноту полярной ночи, освещаемой лишь таинственными небесными сполохами.

Что мы знаем о полярных сияниях? Как они возникают? И могут ли действительно повлиять на психику человека? Современная физика утверждает, что полярные сияния являются следствием взаимодействия солнечного ветра, магнитного поля нашей планеты и ее самых верхних слоев атмосферы.

Мы нежимся, греемся и загораем под солнечными лучами потому, что наше светило постоянно испускает электромагнитное излучение. Однако помимо видимого света и тепла Солнце ежесекундно выбрасывает в космическое пространство около одного миллиона тонн вещества. Речь идет об ионах, то есть заряженных частицах. В основном это протоны, электроны, лишенные электронов ядра гелия, а также, в меньшем количестве, ионы кислорода, кремния, серы и железа. Все эти частицы обладают очень высокой энергией и отрываются от солнечной короны со сверхзвуковой скоростью – около 400 км в секунду. Так возникает солнечный ветер. Гипотеза о его существовании была выдвинута относительно недавно – в 1957 году – профессором Чикагского университета Е. Паркером. Позже было подтверждено, что солнечный ветер действительно состоит из отрицательных электронов и положительных ионов, то есть представляет собой плазму. Ее суммарный электрический заряд приблизительно равен нулю.

Если бы поток солнечного ветра беспрепятственно достиг поверхности Земли, наша планета превратилась бы в безжизненную пустыню. На пути этого смертоносного излучения стоят две преграды – атмосфера Земли и ее магнитное поле. Поскольку входящие в состав солнечного ветра частицы заряжены, их траектории в магнитном поле изменяются.

Проделайте простой опыт – насыпьте на лист бумаги железные опилки и поднесите снизу магнит. Металлические крошки выстроятся вдоль силовых линий электромагнитного поля, и вы увидите два магнитных полюса. В этих районах силовые линии сходятся, как деревянные спицы в ручке веера. Магнитные полюса есть и у нашей планеты, и они почти совпадают с Северным и Южным географическими полюсами. Теперь внимание! Важная информация. Заряженные частицы – протоны и электроны – двигаются вдоль линий электромагнитного поля. Это приводит к тому, что солнечный ветер начинает обтекать Землю в районе экватора и устремляться к овальным зонам-поясам в районах полюсов. Эти зоны называют авроральными овалами – по имени древнегреческой богини зари Авроры. Ведь именно в этих районах и появляется красивое свечение на фоне черного ночного неба.

Солнце ежесекундно выбрасывает в космос миллионы тонн вещества