Раньше предполагали, что Земля имеет форму правильного «сплюснутого сфероида», то есть шара, слегка сжатого на полюсах, но точные измерения последних лет показали, что это сплющивание у южного полюса чуть больше, чем у северного. С учетом этой разницы вращающаяся Земля напоминает волчок, поскольку форма «верхней» части у нее отличается от формы «нижней» части; и поэтому Земля несовместима со своим зеркальным изображением, даже если отвлечься от названия магнитных полюсов. Если бы она не вращалась, то не было бы и асимметрии. Поднесите волчок к зеркалу — вы сразу увидите, что он не отличается по форме от своего отражения. Но стоит его завертеть, и симметрия нарушается, У. волчка, вращающегося по часовой стрелке (если смотреть на него сверху), зеркальный близнец вертится против часовой стрелки. Если вы попробуете совместить направления вращения, перевернув, например, изображение, то и тогда наложения не получится, потому что верх и низ у волчка имеют разную форму. На поверхности любого вращающегося небесного тела существуют разного рода интересные асимметричные явления, «левые» в одном полушарии и «правые» в другом. Если вы, скажем, летите на самолете в северном полушарии, направляясь прямо к Северному полюсу, то пилот все время вынужден будет вносить поправку на курс, потому что машину постоянно сносит вправо. При полете в южном полушарии, когда вы летите к Южному полюсу, будет наблюдаться отклонение влево. Это пример действия силы Кориолиса, названной в честь Гюстава Гаспара Кориолиса, французского инженера начала XIX столетия, который впервые занялся серьезным изучением этого явления. Он заметил, что предметы, расположенные в разных точках земной поверхности, перемещаются в пространстве с разными скоростями. Если вы стоите на экваторе, то благодаря вращению Земли совершаете за сутки путешествие длиной примерно 24 000 миль (38 000 км) со средней скоростью 1000 миль в час (1600 км/час). Когда вы двигаетесь к одному из полюсов, то окружность, по которой вы вынуждены путешествовать из-за вращения Земли, становится все меньше и меньше. Поскольку полный круг замыкается каждый раз за 24 часа, скорость ваша в пространстве становится по мере продвижения к полюсу все меньше и меньше. На полюсе, конечно, она становится равной нулю.
Изменение скорости зависит и от того, насколько далеко вы отстоите от центра Земли. Находясь на вершине высокой горы, вы описываете круг большего диаметра, чем стоя у ее подножия. Когда вы спускаетесь с горы, эта окружная скорость уменьшается. Она будет продолжать уменьшаться, если вы начнете спускаться в шахту. Чем глубже вы спускаетесь, тем медленнее вращаетесь. В центре Земли эта скорость обратится в нуль.
Нетрудно видеть, что такое изменение скорости будет в разных полушариях приводить к отклонениям в противоположные стороны. Отклонение будет существенным, конечно, если тело движется с большой скоростью и проходит большие расстояния. При стрельбе из ружья по мишени результирующее отклонение из-за силы Кориолиса оказывается слишком малым, и его можно не учитывать, но, когда на север или на юг летит межконтинентальная ракета, отклонение получается очень значительное, и для точного попадания необходимо принимать его во внимание. Представьте себе ракету, пересекающую северное полушарие на пути к Северному полюсу. По мере ее перелета на север круг, который она описывает вместе с вращающейся Землей, становится все меньше. Из-за инерции ракета стремится сохранить первоначальную скорость, с которой она летела в восточном направлении, поскольку точка запуска вращается вместе со всей Землей.
Пролетев, скажем, 500 миль (800 км), она попадает в район, который движется к востоку с заметно меньшей скоростью. Но ракета имеет прежнюю составляющую скорости в направлении с запада на восток. Поэтому в своем движении к полюсу она и отклоняется относительно земной поверхности на восток, то есть вправо. Поразмыслив немного, можно убедиться, что в южном полушарии при полете к Южному полюсу ракета будет отклоняться влево. В обоих случаях отклонение происходит на восток, но, нанеся получившиеся траектории на глобус, вы убедитесь, что они являются зеркальными копиями друг друга.
В обоих полушариях движущийся объект отклоняется к востоку, если летит к полюсу, и отклоняется к западу, если летит к экватору. Неудивительно, что сила Кориолиса играет значительную роль в движении атмосферных и океанских течений. Некоторые геологи считают, что реки, текущие в южном полушарии на юг, а в северном — на север, размывают свои восточные берега сильнее, чем западные. Сила Кориолиса, несомненно, сказывается на течении рек, но среди геологов существуют разногласия по вопросу о том, достаточно ли велика сила Кориолиса, чтобы объяснить наблюдаемую разницу в подмыве восточного и западного берегов. Проводились исследования на берегах Миссисипи и других рек, текущих в меридиональном направлении, но результаты получены довольно спорные.
Нерешенным остается также вопрос о том, влияет ли сила Кориолиса на воронку, которая образуется при вертикальном стоке воды. Каждый знает, что, если выпускать воду из ванны, она образует водоворот у горловины спускного отверстия. Широко распространено мнение, что закручивание этого водоворота происходит в разных полушариях в противоположные стороны. Обосновывают это следующим примером: представим себе прямо на Северном полюсе большой круглый бассейн с плоским дном, в центре которого имеется спускное отверстие (рис. 17). Выпускная труба в центре бассейна уходит вертикально в землю. Когда вода течет к отверстию, сила Кориолиса стремится завернуть ее в восточном направлении, показанном стрелками, что и приводит к образованию водоворота с вращением против часовой стрелки. Образовавшись, водоворот усиливается; вполне вероятно, что вода, вытекающая из такой ванны на Северном полюсе, действительно будет стремиться образовать воронку с вращением против часовой стрелки.
На Южном полюсе картина меняется. Вода, правда, по-прежнему отклоняется на восток, но это приводит уже к образованию водоворота с закручиванием по часовой стрелке. Тенденция к образованию водоворота при спуске воды будет сильнее всего проявляться на полюсах, уменьшаясь по мере приближения к экватору, где она исчезает. В южном полушарии вода будет, с нашей точки зрения, вытекать «неправильно». На экваторе вода уподобится ослу между двумя охапками сена — она не будет знать, куда закручиваться.
Нет сомнения в том, что, будь бассейн, расположенный не на экваторе, достаточно велик, а вода перед открытием отверстия абсолютно неподвижна, вращение Земли повлияло бы на направление вращения водоворота. Но ванна невелика, и в действительности на водоворот влияют многие другие факторы. Сильнейшим из них является циркуляция воды в ванне при наполнении. У воды в этом отношении удивительно «длинная память»; круговой поток может сохраняться часами, когда вода внешне кажется абсолютно спокойной. Эта циркуляция при спуске воды будет поначалу определять, в какую сторону закрутится вода в стоке. Даже если дать воде «устояться» в течение нескольких дней, на направление водоворота могут оказывать влияние небольшие неровности поверхности дна и стенок бассейна, выпускной трубы и так далее.
Несмотря на это, некоторые опыты, по-видимому, показывают, что эффект силы Кориолиса можно заметить. А. Шапиро, физик из Массачусетского технологического института, проводил недавно эксперименты с круглой ванной диаметром шесть футов (1,8 м). Он обнаружил, что если воде дать возможность устояться несколько дней, а затем открыть пробку, то образуется устойчивый водоворот с вращением против часовой стрелки, который он приписал действию силы Кориолиса. Мэрвин Сибулкин из «Дженерал дайнэмикс» в заметке «О водяной воронке» («Journal of Fluid Mechanics», сентябрь 1962 г., стр. 21—24) не смог подтвердить этого вывода, возможно потому, что пользовался слишком маленьким бассейном. Используя круглый сосуд с прозрачными стенками, сквозь которые можно было следить за плавающими в воде частичками краски, Сибулкин обнаружил, что водоворот всегда следовал за направлением циркуляции воды, возникающей в процессе наполнения сосуда, если не тратить «на успокоение» нескольких часов. А если выпускать абсолютно спокойную воду, никакого предпочтения закручиванию против часовой стрелки обнаружить не удается. К своему великому удивлению, однако, он обнаружил, что независимо от первоначального направления водоворота направление это таинственным образом меняется на обратное, когда воды в бассейне остается меньше чем на полдюйма (1,3 см). Он высказал предварительное предположение, что верхние слои воды, вытекая, закручивают нижние слои в направлении, противоположном тому, в котором вращаются сами.
Вне сомнения, именно сила Кориолиса закручивает против часовой стрелки циклоны и торнадо в северном полушарии, а в южном — в противоположную сторону. Что касается воронки в ванне, то это вопрос еще спорный, и необходимо провести более чистые опыты с большими бассейнами, чтобы иметь окончательное суждение по этому вопросу.
Глава 7. Растения и животные
Поскольку во Вселенной рассеяны миллиарды галактик и в каждой из них — миллиарды звезд, разумно предположить, что вокруг многих звезд обращаются планеты и на некоторых из них должна быть жизнь. «Печальное зрелище!» — восклицал Томас Карлейль, когда рассуждал о возможности существования миллионов планет во Вселенной. «Если они населены, то сколько там зла и глупости, а если безлюдны — сколько места пропадает!»
В настоящий момент никто не знает, встречается ли жизнь, хоть в какой-то форме, по всей Вселенной или она ограничена только нашей Галактикой или даже нашей Солнечной системой. Мы даже не знаем, существует ли жизнь на Марсе и Венере — ближайших к Земле планетах. Однако быстро приближается время, когда на некоторые из этих вопросов будет получен ответ.