Жидкости

Небо своей красотой во многом обязано облакам и их содержимому. Небесная вода влияет на свет, который мы видим, множеством разных способов и представляет собой одну из главных причин того, почему разные места в мире различаются так тонко в плане освещения. Но, по мере того как масса крохотных капелек, образующих облако, становится плотнее, свету оказывается всё труднее пробиться сквозь нее сверху донизу, постоянно отражаясь от капелек, и облако видится нам темно-серым. Мы знаем, что это означает, особенно в Британии: будет дождь. Крохотные сферические капельки воды, плавающие в облаке, начинают укрупняться, и земное тяготение действует на них с заметно большей силой. Когда капельки по размеру соответствуют всего лишь крохотным пылевым частицам, архимедова подъемная сила и воздушные конвекционные течения влияют на них гораздо больше, чем сила тяжести, поэтому капельки плавают в воздухе, как пыль. Но стоит им стать крупнее, и земное тяготение начинает доминировать; оно тянет их вниз, к земле, превращая в дождь. Это если нам повезет; они могут образовать и грозовую тучу — из тех, что убивают каждый год сотни людей.

Грозовые тучи формируются при конкретном сочетании условий. Попадая в более прохладный воздух, водяной пар переходит из газообразного состояния в жидкое. Это обратный процесс по отношению к тому, что происходит, когда влажное белье сушится на веревке. При этом вода отдает энергию в форме тепла — мы называем это скрытой теплотой. Она исходит от молекул H₂O, когда они еще в облаке, а это значит, что воздух в нем становится теплее. Как нам известно, теплый воздух поднимается вверх, поэтому верхушка облака вспучивается, как гора. Так образуются пушистые кучевые облака. Но если это происходит, когда с земли поднимается много теплого и влажного воздуха — как в летний день, — конвекционные потоки, толкающие капельки вверх, могут оказаться достаточно сильными, чтобы обратить дождь вспять и заставить его тоже идти вверх. Капельки поднимаются на несколько километров в небо, пока несущий их воздух наконец не остынет достаточно, чтобы перестать подниматься. Там, высоко в атмосфере, дождевые капельки замерзают, превращаясь в частицы льда, и снова падают вниз. Правда, в зависимости от погодных условий, они могут вновь встретить поднимающийся поток теплого воздуха, который загонит их еще выше. Облако между тем становится больше и выше и сильно темнеет, превращаясь из кучевого в кучево-дождевое — грозовую тучу. Скорости конвекционных течений, толкающих капельки вверх, растут до 100 км/ч, и в облаке начинается настоящая свистопляска: ледяные частицы падают сквозь восходящий воздушный поток, несущий новые капельки, и всё это яростно сталкивается между собой на протяжении нескольких километров.

Ученое сообщество до сих пор не пришло к единому мнению о том, как условия внутри кучево-дождевого облака приводят к накоплению электрического заряда. Но мы знаем, что в облаке, как и на земле, электричество возникает благодаря движению заряженных частиц, которые возникают из атомов. Все атомы имеют сходную структуру: центральное ядро, содержащее положительно заряженные частицы (протоны), окружено отрицательно заряженными (электронами). Иногда некоторые электроны отрываются от ядра и начинают свободно двигаться; это и есть основа электричества. Если потереть о шерстяной свитер воздушный шарик, на нем образуются заряженные частицы. Затем, если поднести его к голове, волосы поднимутся, поскольку заряды на шарике притягивают заряды противоположного знака на волосах. Отрицательный заряд жаждет воссоединиться с положительным и вытягивает волосы в сторону шарика, в результате они встают дыбом. Если бы количество заряда было больше, то энергии хватило бы на то, чтобы заряженные частицы перепрыгивали через воздушный промежуток, создавая искру.

В облаке вместо воздушного шарика, который вы мягко и осторожно трете о свитер, в процессе участвуют водяные капельки и ледяные частицы; они вертятся в безумном круговороте и сталкиваются друг с другом с огромной энергией. В результате некоторые частицы льда, уносимые к верхушке облака, получают положительный заряд, а некоторые дождевые капли, падающие к нижней его части, — отрицательный. Такое разделение зарядов многими километрами облачной толщи обеспечивается энергией ветров внутри облака. Но сила притяжения между положительным и отрицательным полюсами никуда не девается — они хотят вновь соединиться, а значит, внутри тучи нарастает напряжение. Оно может стать настолько высоким, достигая величин в сотни миллионов вольт, что срывает электроны с молекул в самом воздухе. В таком случае описанный выше процесс мгновенно вызывает высвобождение электрического заряда, который течет между тучей и землей или между верхушкой тучи и ее основанием, в зависимости от условий. Разряд этот настолько велик, что раскаляет атмосферу добела и светится — это молния. А гром — звуковая волна, возникающая из-за стремительного расширения окружающего воздуха при нагреве его до десятков тысяч градусов Цельсия.