. По крайней мере, с почтовой ракетой. Цукер пытался совершить прорыв в непознанное, но, как теперь стало понятно, возможно, выбрал не самые подходящие время, место или идею. Если бы были выполнены все три условия, мы бы назвали Цукера гением. Но «малая ракетная техника», к которой относится почтовая ракета Цукера, была слишком хлопотным, дорогостоящим и ненадежным способом быстрой доставки почты. Она не выдержала конкуренции с моторизованным транспортом и телеграфом. Тем не менее Цукер был прав: использование раскаленного, находящегося под большим давлением газа в качестве движущей силы обладает огромным потенциалом в деле доставки объектов из пункта A в пункт B. Однако раскрытием такого потенциала занялись другие люди, которые воспользовались этим принципом, нашли для него подходящее применение и решили практические проблемы, что привело их в конечном счете к успеху. Конструирование ракет стало уделом военных: немецкие ракеты «Фау-1» и «Фау-2», использовавшиеся в годы Второй мировой войны, указали направление, в котором должны вестись разработки ракетной техники. В послевоенное время начали интенсивно развиваться гражданские программы освоения космического пространства.
В наши дни всем хорошо знакомы фотографии гигантских ракет, доставляющих на Международную космическую станцию людей и огромные грузы или выводящих на околоземную орбиту спутники. Современные ракеты поражают воображение своими масштабами, а современные системы управления делают их вполне безопасными и надежными, и это огромное достижение человеческой мысли. Однако базовый механизм, положенный в основу каждой ракеты – «Союз», Saturn V, Arianne или Falcon 9, – остается тем же, что и в почтовой ракете Герхарда Цукера. Если вам удастся достаточно быстро выработать соответствующее количество раскаленного газа под высоким давлением, то вы сможете использовать огромную кумулятивную силу, исходящую от миллиардов отдельных молекул, бомбардирующих определенную поверхность. Давление, создаваемое на первой стадии полета ракеты «Союз», приблизительно в шестьдесят раз превышает атмосферное давление, в результате чего сила тяги в шестьдесят раз больше обычной силы давления воздуха. Но в том и другом случае природа силы та же: бомбардировка молекулами газа той или иной поверхности. Огромные количества таких молекул, соударяющихся с достаточными частотой и скоростью, могут даже обеспечить полет человека на Луну. Никогда не следует недооценивать возможности частиц, столь ничтожных по своим размерам, что их нельзя увидеть невооруженным глазом!
Молекулы газа всегда с нами. Земная атмосфера окружает нас, воздействует на нас, оказывает на нас давление и обеспечивает нам жизнь. Замечательное свойство земной атмосферы – это то, что она нестатична и пребывает в постоянном движении и изменении. Окружающий нас воздух невидим, но если бы мы могли его видеть, то увидели бы, как его огромные массы поднимаются в результате нагрева и опускаются вследствие охлаждения, как он расширяется и сжимается, находясь в непрерывном движении. Процессы, происходящие в атмосфере, как и в любой другой совокупности молекул газа, подчиняются газовым законам, которые мы рассматриваем в этой главе. Хотя окружающий нас воздух на первый взгляд не имеет ничего общего с тем, что содержится в легких кашалота или паровом двигателе, он оказывает на нас физическое воздействие. Но поскольку он также находится в окружении воздуха, это означает, что он воздействует сам на себя, приспосабливаясь к изменяющимся условиям. Мы не можем видеть подробностей процессов, происходящих в окружающем нас воздухе, но у нас есть название их последствий: погода.
Идеальное место для наблюдения за ураганом – обширная открытая равнина. Еще вчера воздух мог быть спокойным, а бескрайний голубой простор над головами – казаться вечным. Невидимые молекулы воздуха концентрируются ближе к поверхности земли. Чем дальше от нее, тем разреженнее воздух. Воздушные массы постоянно сталкиваются между собой, перемешиваются и перестраиваются, пребывая в непрерывном движении. Они перемещаются из областей высокого давления в области низкого, реагируя на нагрев и охлаждение, и все время устремляются то в ту то в другую сторону. Но эти изменения происходят довольно медленно и спокойно. Ничто даже не намекает на перенос молекулами воздуха огромного количества энергии.
День, когда происходит ураган, начинается так же, как и предыдущий, только небо обычно еще яснее, чем накануне, поэтому земля прогревается гораздо быстрее. Молекулы воздуха принимают на себя часть этой энергии и ускоряются. Ближе к полудню надвигается плотная облачность, захватывая по мере своего приближения все большую часть небосвода, и вскоре застилает весь горизонт. Наблюдается интенсивный обмен энергией. Разность давлений толкает это газообразное архитектурное сооружение по равнине. Вследствие его неустойчивости нарастает напряжение. Хотя молекулы воздуха с большой силой соударяются друг с другом, им не хватает времени перестроиться в более сбалансированную структуру. Наряду с этим происходит интенсивное перемещение огромного количества энергии, поэтому ситуация непрерывно меняется. Воздух, нагревшийся у поверхности земли, поднимается, достигает облаков, продирается сквозь них и выстраивает поверх них все новые и новые сооружения.
Когда такая грозовая туча нависает над вашей головой, ярко-голубое небо сменяется зловещим сумраком, охватывающим всю равнину. Стоя на земле, мы оказываемся в центре схватки, происходящей над нашими головами. Мы не можем видеть молекул воздуха, но можем наблюдать клубящиеся и вздымающиеся над нами облака. Но созерцаемое нами – лишь слабый намек на драму, разворачивающуюся внутри облаков, где сгустки воздуха яростно сталкиваются между собой, поскольку дисбалансы давлений настолько велики, что перегруппировка молекул воздуха представляет собой очень быстрый и энергичный процесс. Когда молекулы воздуха обмениваются энергией, водяные капли охлаждаются и увеличиваются в размерах и на землю падают первые крупные капли дождя. Когда интенсивное движение молекул воздуха начинается даже у поверхности земли, поднимается сильный ветер.
Огромные грозовые облака напоминают нам о том, какой внушительный запас энергии присутствует высоко в голубом небе. Мы видим лишь последствия столкновений и перемещений молекул воздуха, происходящих у нас над головами, хотя даже эти последствия выглядят весьма впечатляюще. Тем не менее это только слабое отражение реальной драмы, разворачивающейся на молекулярном уровне. Молекулы воздуха могут поглощать энергию излучения Солнца, отдавать свою энергию океану, накапливать энергию от конденсации при формировании облаков или отдавать энергию, испуская ее в окружающее пространство; они постоянно приспосабливаются к изменениям обстановки, подчиняясь закону идеальных газов. Наша вращающаяся планета, с ее неровной и многоцветной поверхностью, усложняет эти перестройки; дополнительные сложности вносят облака, присутствие разнообразных крошечных частиц и наличие тех или иных конкретных газов. Прогноз погоды – лишь попытка сделать те или иные выводы на основании наблюдений за битвами у нас над головами и идентифицировать те процессы, которые окажут наибольшее влияние на нас, землян. Но в основе этих процессов лежат те же законы, которые использует слон, конструктор ракет и создатель парового двигателя, – законы газов в действии. Те же законы газов, которые заставляют лопаться попкорн, определяют погоду на нашей планете.
Глава 2. Все возвращается на круги свояСила притяжения
Любознательность присуща всем членам моей семьи. Они с удовольствием исследуют все новое, обожают экспериментировать и делают это без излишней суеты. Поэтому никто из них не удивился, когда во время семейного ужина я отлучилась на кухню, чтобы отыскать там бутылку лимонада и горсть изюма. Был чудесный летний день. Мы – то есть моя сестра, тетя, Нана и мои родители – решили поужинать на свежем воздухе и накрыли стол в саду моей мамы. На кухне я нашла двухлитровую бутылку дешевого газированного лимонада, содрала с нее этикетку и поставила бутылку на середину стола. Присутствующие наблюдали за моими действиями со спокойным любопытством. Я отвинтила крышечку бутылки и всыпала внутрь горсть изюма. Из горлышка бутылки взвилось маленькое облачко газа, а затем, когда шипение пузырьков прекратилось, мы увидели внутри бутылки множество танцующих изюминок. Я думала, что это зрелище развлечет присутствующих каких-то пару минут, но Нана и мой отец оказались им буквально заворожены. Бутылка с лимонадом превратилась в некое подобие лава-лампы[8]. Изюминки, сталкиваясь друг с другом, вращаясь вокруг собственной оси и пританцовывая, поднимались со дна бутылки к ее горлышку, а затем снова опускались на дно.
На стол уселся воробей, намеревавшийся склевать несколько крошек, и с подозрением уставился на бутылку. С другой стороны стола на бутылку не менее подозрительно уставился мой отец. «Этот фокус можно проделать только с изюмом?» – спросил он.
Ответ – «да», и по весьма веской причине. До того как вы снимете крышечку с бутылки с газировкой, давление внутри бутылки будет значительно превышать давление окружающего воздуха. В момент, когда вы отвинтите крышечку, оно резко снизится. В воде растворено значительное количество газа. Он удерживается в ней за счет высокого давления, но при его резком снижении газ может устремиться наружу. Проблема в том, что ему нужен путь для выхода из бутылки. Инициировать появление нового пузырька газа не так-то легко, поэтому молекулам газа гораздо проще присоединиться к какому-либо из уже существующих пузырьков. И тут на помощь приходят изюминки. Дело в том, что они покрыты V-образными складками, которые не на 100 % заполнены лимонадом. На самом дне каждой такой складки есть протопузырек – крошечный карман газа. Вот почему нужны изюминки или что-то другое, достаточно маленькое, морщинистое и чуть-чуть более плотное, чем вода. Газ выделяется из лимонада и попадает в протопузырьки, причем на каждой изюминке нарас