О физических явлениях, с которыми мы сталкиваемся каждый день

СНОБНаука

Почему лето становится жарче

Пять циклов ледниковых и межледниковых периодов сменили друг друга на протяжении последних 450 000 лет. Эти циклы тесно связаны с орбитальными параметрами Земли; интервал между двумя периодами таяния льдов составляет приблизительно 100 000 лет.

Авторы книги «Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий» — физик-теоретик Андрей Варламов, физик-экспериментатор Аттилио Ригамонти и физик-теоретик Жак Виллен — рассказывают о физических явлениях, с которыми мы сталкиваемся каждый день: о выработке электрической энергии, распространении звука, возникновении трения и многом другом. «Сноб» публикует одну из глав.

Пять циклов ледниковых и межледниковых периодов сменили друг друга на протяжении последних 450 000 лет. Эти циклы тесно связаны с орбитальными параметрами Земли; интервал между двумя периодами таяния льдов составляет приблизительно 100 000 лет.

С течением времени на Земле установился климат, благоприятствующий для зарождения и дальнейшего существования жизни. Это заслуга и согревающего ее своими лучами Cолнца, и естественного парникового эффекта, и сложного динамического равновесия между океанами и атмосферой. В этой главе мы рассмотрим основные физические механизмы поддержания на земной поверхности температур, комфортных для человеческого организма. Однако производственная деятельность человека приобрела такие масштабы, что она уже не проходит бесследно для природы…

Какая погода устанавливается в той или иной точке Земли, определяется главным образом протеканием разнообразных физических явлений, хотя на ее формирование оказывают свое действие также химические и биологические процессы. Для предсказания погоды на ближайшие дни метеорологи применяют соответствующие законы физики. И, как нам хорошо известно, порой они ошибаются! Как же так, ведь они располагают уравнениями, которые, казалось бы, должны позволять предсказывать будущее, если хорошо известно «настоящее»? Дело, оказывается, в том, что «настоящее» никогда не известно в полном объеме, и сложнейшие уравнения, описывающие состояние атмосферы, решаются только приблизительно, с большей или меньшей точностью. При этом они оказываются крайне чувствительными к малейшей ошибке в начальных данных. Часто говорят (преувеличивая), что один взмах крыла чайки, изменяя совсем чуть-чуть состояние атмосферы, может повлечь радикальное изменение погодных условий и, например, стать косвенной причиной бури на другом краю света… Такая крайняя чувствительность к погрешностям в измерении начальных условий в метеорологии называется детерминистическим хаосом.

Спектры излучения (вверху) и поглощения (внизу) паров ртути, полученные путем пропускания излучаемого ими света через призму. Как и каждая из порождающих радугу капель воды, призма преломляет падающее на нее излучение. Показатель преломления света зависит от длины его волны. Спектр излучения, испускаемого возбужденным (например, нагретым) одноатомным газом, состоит из дискретного набора линий (линейный спектр). Изучая его, ученые судят о химической природе конкретного вещества

Задача климатолога в некотором смысле кажется более простой, чем задача метеоролога. Если климатолог делает прогнозы, то они должны быть применимы для довольно обширных регионов и в течение длительных периодов времени. Так, в климатологии делаются прогнозы климата, который установится и через 50, и через 100 лет. Выходит, на климат детерминистический хаос не оказывает влияния? Едва ли. Однако не хаос является главным противником климатолога — прежде всего он должен учитывать сложные, разнообразные и взаимозависимые физические явления, формирующие климат. Эти явления происходят в различных — вплоть до космических — масштабах, в очень разных временны интервалах (они могут длиться дни, месяцы, века, тысячелетия). Те или иные существенные для формирования климата процессы могут протекать на любых высотах атмосферы, на любой глубине морей и т. д.

Радиационный баланс Земли

В климатологии температура оказывается наиболее просто прогнозируемой физической величиной. Температура Земли зависит в первую очередь от тепла, которое она получает от Солнца и которое приводит в движение все механизмы формирования климата. Это тепло до нас доходит в виде электромагнитного излучения, частóты которого в основном находятся в видимой области спектра. Часть этого тепла Земля, излучая, в свою очередь, электромагнитные волны, возвращает обратно в космическое пространство. Однако ввиду того, что температура Земли гораздо ниже температуры Солнца, частóты излучаемых ею электромагнитных волн оказываются гораздо меньшими. Это — инфракрасное — излучение человек без специальных приборов не видит, и жить оно ему никак не мешает.

Поскольку электромагнитное излучение играет важную роль в нашем рассказе, то, прежде чем углубиться в исследования климата, давайте обсудим его свойства.

Физик Николя Леонар Сади Карно (1796–1832) в форме Политехнической школы. Из семьи Карно вышло много известных людей: Лазар Карно (1753–1823) — военный министр времен Первой Республики, математик; его внук, Мари-Франсуа Сади Карно — президент Франции в 1887–1894 годах; брат последнего — химик Мари-Адольф Карно (1839–1920), в честь которого назван минерал карнотит

От спектров атомов до спектра абсолютно черного тела

Все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Излучение, испускаемое каким-то телом с заданной температурой, характеризуется своим спектром, то есть зависимостью мощности излучения, приходящейся на единичный интервал длин волн (или частот), как функцией величины длины волны (или частоты = c / ). Простой способ визуализировать спектр испускаемого телом света состоит в том, чтобы поставить на его пути призму и спроецировать полученное изображение на экран; при этом белый свет разделится на различные цвета, его составляющие.

Спектр излучения того или иного тела зависит от его химической природы, температуры и агрегатного состояния: газ ли это, жидкость либо твердое тело.

Атомарный газ (например, пары ртути) при низком давлении испускает излучение определенных частот, его спектр состоит из четких линий. Этот факт выражает собой фундаментальное свойство атомов: порции энергии, которые атомы могут излучать или поглощать, дискретны (объяснение ему дает квантовая механика. Каждая линия спектра излучения соответствует переходу атома из состояния с энергией E1 в другое состояние, с более низкой энергией E2. Такой переход сопровождается испусканием излучения частоты = (E1 – E2) / h, где h = 6,610–34 Джc — постоянная Планка. Единичный акт такого излучения соответствует испусканию «кванта света», или фотона. Напротив, если атом помещается в поле монохроматического излучения частоты, то он способен его поглотить только при условии, что в его спектре существует два энергетических состояния, такие, что для них E1 – E2 = h. Следовательно, атом поглощает только такое излучение, которое способен излучать. Таким образом, спектр поглощения нагретого газа очень походит на спектр его излучения: ярким линиям излучения в последнем соответствуют темные линии в спектре поглощения.

Вышесказанное верно для газа, образованного атомами. А что можно сказать о свойствах молекулярных газов, таких как образующие земную атмосферу кислород (O2) и азот (N2)? Оказывается, что здесь ситуация принципиально схожа с описанной выше: молекулярные газы поглощают или излучают свет только определенных частот. Однако в определенных интервалах частот разрешенные энергетические состояния молекул оказываются весьма близкими друг к другу, так что форма спектра излучения молекулярного газа, как мы увидим далее, может весьма существенно отличаться от формы спектра газа атомарного.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

#инструктаж: как побороть стресс и тревогу этой осенью #инструктаж: как побороть стресс и тревогу этой осенью

Шесть простых практик, которые помогут отвлечься от тревожных мыслей

РБК
Как отрастить волосы после стрижки в домашних условиях Как отрастить волосы после стрижки в домашних условиях

Ваша переменчивая натура после короткой стрижки требует длинные волосы?

Cosmopolitan
«Непобедимое солнце» — новый роман Виктора Пелевина, который, кажется, понравится всем «Непобедимое солнце» — новый роман Виктора Пелевина, который, кажется, понравится всем

Новый роман Виктора Пелевина, который уже провозгласили самым профеминистичным

Esquire
Очень интимно Очень интимно

Отвечаем на распространенные вопросы о менструации

Лиза
Массаж лица в домашних условиях: простые и эффективные методики Массаж лица в домашних условиях: простые и эффективные методики

О принципах ухода за лицом рассказывает эксперт в области красоты Юлия Энхель

Psychologies
6 видов спа для беременных, которые разрешены 6 видов спа для беременных, которые разрешены

Пилинг и другие процедуры, которые подойдут будущим мамам

9 месяцев
10 актеров, которые потеряли роли из-за жадности 10 актеров, которые потеряли роли из-за жадности

Когда знаешь, сколько ты стоишь, но никак не удается убедить в этом окружающих…

Maxim
Зарабатывать, но не работать: как увеличить любые доходы Зарабатывать, но не работать: как увеличить любые доходы

Как зарабатывать так, чтобы деньги продолжали работать на нас?

Psychologies
Родиной современных пингвинов назвали Австралию и Новую Зеландию Родиной современных пингвинов назвали Австралию и Новую Зеландию

Предок современных пингвинов жил в прохладных водах Австралии или Новой Зеландии

N+1
Аморфофаллус/Amorphophallus Аморфофаллус/Amorphophallus

Арина Холина рассуждает о важности размера и красоте мужского достоинства

Elle
Скорость таяния Гренландского ледяного щита обогнала скорость прироста массы Скорость таяния Гренландского ледяного щита обогнала скорость прироста массы

Гренландский ледяной щит стал в среднем терять массу быстрее, чем наращивать ее

N+1
«Он выпивал в баре «Дракон» рядом с моей студией». В прокат выходит документальный фильм о Бэнкси «Он выпивал в баре «Дракон» рядом с моей студией». В прокат выходит документальный фильм о Бэнкси

Элио Эспана рассказал о том, как Бэнкси взломал привычную систему арт-рынка

Forbes
«Холод» — главное издание года о захватывающих историях из России. Интервью с его основательницей Таисией Бекбулатовой «Холод» — главное издание года о захватывающих историях из России. Интервью с его основательницей Таисией Бекбулатовой

«Холод» — это про Россию в целом. Интервью с Таисией Бекбулатовой

TJ
Мудборд: безупречный мужской стиль в фильмах Альфреда Хичкока Мудборд: безупречный мужской стиль в фильмах Альфреда Хичкока

Картины Хичкока могут служить энциклопедией мужского стиля середины XX века

Esquire
Юлия Снигирь: “У меня целая коллекция страхов” Юлия Снигирь: “У меня целая коллекция страхов”

То, как Юлия Снигирь начинала карьеру в кино, похоже на «гамбит королевы»

Psychologies
Ледяным шапкам на севере Канады предсказывали пять лет жизни. Они протянули лишь три Ледяным шапкам на севере Канады предсказывали пять лет жизни. Они протянули лишь три

Самые пессимистичные прогнозы климатологов на деле оказываются оптимистичными

National Geographic
Что вам нужно знать о пионерах панка – Ramones Что вам нужно знать о пионерах панка – Ramones

В 1974-м четыре неформала создали группу, потому что любили музыку

GQ
Бургер без мяса Бургер без мяса

Есть ли толк в растительном мясе?

Weekend
Физики смоделировали поведение странных металлов Физики смоделировали поведение странных металлов

Модель температурной зависимости удельного сопротивления странных металлов

N+1
Соблазни меня арбузом: почему летнее лакомство — это культурный код Соблазни меня арбузом: почему летнее лакомство — это культурный код

Провожая лето, Тася Федина фантазирует на арбузную тему

Cosmopolitan
Предел мечтаний Предел мечтаний

Почему мы не учитываем желания детей

Добрые советы
Новый хозяин золота Абрамовича: кто покупает 40% Highland Gold Новый хозяин золота Абрамовича: кто покупает 40% Highland Gold

Что известно о новом игроке на золотодобывающем рынке и активах

Forbes
Одна вокруг света: Катманду, кремация и сезон дождей Одна вокруг света: Катманду, кремация и сезон дождей

81-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко

Forbes
В дружеских отношениях человека и горилл нашли много общего В дружеских отношениях человека и горилл нашли много общего

Размеры группы приматов не отражаются на качестве и количестве социальных связей

National Geographic
«Хороший мальчик»: как собаки распознают похвалу и почему это важно для науки «Хороший мальчик»: как собаки распознают похвалу и почему это важно для науки

Ученые считают, что у человеческого языка существуют очень древние корни.

National Geographic
Пять кошмарных примеров итальянского дизайна Пять кошмарных примеров итальянского дизайна

Порой цвет итальянского автодизайна выплевывал на рынок откровенных крокодилов

Maxim
Беременные самцы морских коньков подкормили зародышей Беременные самцы морских коньков подкормили зародышей

Австралийские биологи нашли первые экспериментальные свидетельства патротрофии

N+1
Чудо на газоне: невероятный матч, на котором сборная Англии проиграла сборной США Чудо на газоне: невероятный матч, на котором сборная Англии проиграла сборной США

Историей «самого шокирующего футбольного матча» в истории человечества

Maxim
Проверь себя! 7 признаков, что твой гардероб подобран правильно Проверь себя! 7 признаков, что твой гардероб подобран правильно

Насколько правильно и функционально собран твой гардероб?

Cosmopolitan
Екатерина Гришина: Как мотивировать близкого человека и не навредить Екатерина Гришина: Как мотивировать близкого человека и не навредить

Для достижения успеха в жизни очень важна правильная поддержка близких

СНОБ
Открыть в приложении