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

Как дневной сон помогает мне быть бодрее и продуктивнее Как дневной сон помогает мне быть бодрее и продуктивнее

Никита Ларионов о том, как перестать тратить выходные на то, чтобы отоспаться

Reminder
7 вопросов об эндометриозе 7 вопросов об эндометриозе

Об этом заболевании должна знать каждая женщина

Лиза
Неожиданные предметы, которые побывали на Луне Неожиданные предметы, которые побывали на Луне

На Луне побывали, например, непочатая бутылка бренди и молоток

Maxim
Герои в масках Герои в масках

Как фильтры изменили стандарты красоты

Cosmopolitan
Древнейшие в мире кровати обнаружили в Африке Древнейшие в мире кровати обнаружили в Африке

Гоминины спали на подстилке из травы, под которой находился пепел

National Geographic
Премудрость Константинополя Премудрость Константинополя

В каждом камне Святой Софии запечатлелась вся светотень истории Европы

Дилетант
Как компактно собрать чемодан: 17 лучших советов для путешественников Как компактно собрать чемодан: 17 лучших советов для путешественников

Лайфхак: как правильно упаковать чемодан и сэкономить место в багаже

Playboy
Напугать до смерти! Самый отвратительный аттракцион в мире Напугать до смерти! Самый отвратительный аттракцион в мире

«Мак-Кейми Менор» — аттракцион, который считается одним из самых страшных в мире

Cosmopolitan
Пионер экометаллургии Пионер экометаллургии

Лидер трубной отрасли России задает стандарты качества в экологии

Эксперт
Пять признаков того, что вы в плохих отношениях с собой Пять признаков того, что вы в плохих отношениях с собой

Психолог помогает выяснить, как вы относитесь к себе и как это исправить

Psychologies
9 самых тупых поступков героев в фильмах-катастрофах 9 самых тупых поступков героев в фильмах-катастрофах

Тот случай, когда начинаешь симпатизировать торнадо или вулкану!

Maxim
Генетические различия между расами: миф или правда Генетические различия между расами: миф или правда

Существуют ли генетические различия между расами и народами?

Популярная механика
Студент МГУ открыл новый вид гекконов с леопардовой окраской Студент МГУ открыл новый вид гекконов с леопардовой окраской

Неизвестный ранее вид леопардовых гекконов обитает в Таиланде

National Geographic
Мат: посмотрим в корень Мат: посмотрим в корень

Доктор филологических наук Максим Кронгауз рассуждает о судьбе русского мата

Наука и жизнь
Как два россиянина и украинец переехали в Долину и устраивают соотечественников на работу в Apple и Google Как два россиянина и украинец переехали в Долину и устраивают соотечественников на работу в Apple и Google

Как Максим Гусаков помогает эмигрантам и зарабатывает на этом $1,5 млн

Forbes
Елена Лебедева. Журавль в небе Елена Лебедева. Журавль в небе

Жизнь актрисы Елены Лебедевой полна трагичных моментов

Караван историй
Принадлежит истребитель Су-57 к пятому поколению или нет Принадлежит истребитель Су-57 к пятому поколению или нет

Су-57 — вершина отечественного авиастроения?

Популярная механика
Малиновый — сухой, лимонный — жирной: 10 рецептов льда для разных типов кожи Малиновый — сухой, лимонный — жирной: 10 рецептов льда для разных типов кожи

Косметический лед – настоящее спасение для твоей кожи в жару

Cosmopolitan
В Австралии подсчитали содержание микропластика в морепродуктах с рынка. Он оказался везде В Австралии подсчитали содержание микропластика в морепродуктах с рынка. Он оказался везде

Становится все очевиднее, что в организм людей постоянно попадает микропластик

National Geographic
9 актеров, получивших на съемках травмы, которые вошли в фильм 9 актеров, получивших на съемках травмы, которые вошли в фильм

Если на стене висит ружье, задача режиссера — сделать его заряженным

Maxim
Смерть «Бизнес Молодости»: как два чебоксарца построили компанию на миллиард и почему закрывают самый скандальный инфобизнес в России Смерть «Бизнес Молодости»: как два чебоксарца построили компанию на миллиард и почему закрывают самый скандальный инфобизнес в России

Как «Бизнес Молодость» породила моду на инфобизнес?

Forbes
Алгоритм успеха: 5 шагов на пути к результату Алгоритм успеха: 5 шагов на пути к результату

Иногда цели, которые мы ставим, слишком абстрактны

Psychologies
Почему нет смысла очищать оперативную память смартофонов на Android? Почему нет смысла очищать оперативную память смартофонов на Android?

Очистка оперативной памяти позволяет гаджету работать быстрее. Это не всегда так

CHIP
Лучшие книги и курсы, чтобы развить критическое мышление Лучшие книги и курсы, чтобы развить критическое мышление

Навык, который поможет принимать оптимальные решения

Reminder
10 фактов о Русском музее 10 фактов о Русском музее

Русский музей — крупнейший музей русского искусства

Культура.РФ
Иван Дорн строит в Киеве музыкальную империю. Мы поговорили с ним и его окружением и узнали, зачем ему это Иван Дорн строит в Киеве музыкальную империю. Мы поговорили с ним и его окружением и узнали, зачем ему это

Предприниматель Иван Дорн не стесняется эпатировать музыкальный рынок

Inc.
«Никаких кошек!»: как зарабатывают на жизнь модели рук «Никаких кошек!»: как зарабатывают на жизнь модели рук

Как живется тем, кто зарабатывает на жизнь руками. В буквальном смысле — руками

Maxim
Превращение Сахары в пустыню вызвало засуху в Азии, которая длилась тысячу лет Превращение Сахары в пустыню вызвало засуху в Азии, которая длилась тысячу лет

Эта великая засуха произошла около 4000 лет назад

National Geographic
Биологи объяснили появление маскулинизированных X-хромосом Биологи объяснили появление маскулинизированных X-хромосом

И создали модель внутригеномных конфликтов

N+1
Зубы в мозге, вечная эррекция и еще 6 необычных медицинских случаев Зубы в мозге, вечная эррекция и еще 6 необычных медицинских случаев

Несколько странных случаев, из-за которых ваш визит к врачу покажется скучным

Популярная механика
Открыть в приложении