Ответы. Эволюция неоднородности

С другой стороны, препятствием для массового падения на поверхность Земли молекул и атомов атмосферы является постепенное повышение интенсивности их внешней энергетической подпитки с уменьшением расстояния до этой самой поверхности. Не смотря на повышение давления, плотности и массы атмосферы в приземных слоях, не смотря на то, что вся эта плотная смесь газов и пара начинает обладать существенной силой гравитации и более интенсивно притягивается к Земле, не смотря на это воздух не падает, не «сливается» на Землю. Это потому, что он буквально кипит, воздух приобретает явные признаки тела, которое буквально распирается снизу и изнутри набравшими энергию и «бешено скачущими» молекулами и атомами. Как вода в кастрюле на огне, так и воздух в атмосфере: подогревается снизу и всплывает вверх. Энергия его расширения сильнее гравитации.

Кстати, в приземных слоях атмосферы у многих атомов и молекул хватает энергии и скорости, чтобы покинуть Землю и улететь в космос. Не происходит этого только по двум причинам, каждой из которых хватило бы и по отдельности. Во-первых, частицы в атмосфере из-за своей скученности постоянно натыкаются друг на друга и двигаются настолько сложно (хаотично), что суммарный вектор каждой из них ни коим образом не ведёт к космосу. Во-вторых, даже если случайно какая-либо высокоскоростная частица продвинется в попутных вертикальных потоках воздуха вверх на заметное расстояние, то она начинает испытывать вполне ощутимое снижение внешней подпитки и всё равно теряет энергию и шансы на вылет в космос.

Вот ещё такая мысль: атмосферу можно считать за тело, покрывающее Землю, и толщина этого тела зависит от его температуры. Если на планете станет жарче, то атомы этого тела приобретут большую амплитуду движения, а значит плотность этого тела уменьшится, а объём – толщина атмосферы – увеличится. К тому же в атмосферу вольются дополнительные атомы, которые станут в результате повышения температуры более энергичными и оторвутся от различных веществ с поверхности земли, превратятся в газ и вольются в атмосферу, дополнительно увеличив её объём. И наоборот – с понижением температуры планеты её атмосфера станет более тонкой и более плотной. Для сведения: в среднем, в приземных слоях атмосферы, молекулы летают друг от друга на расстоянии, превышающем их собственный размер в 100 раз. Казалось бы – не густо. Однако, скорость этих молекул в обычных условиях – от 0,5 до 1,5 километров в секунду! В среднем, каждая молекула газа в воздухе сталкивается с другими молекулами несколько миллиардов раз в секунду! При этом длина её свободного пробега составляет около одной миллионной доли миллиметра. Учитывая всё сказанное, нам надо осознать, что воздух – это настоящее тело, с серьёзным внутренним сопротивлением сжатию, и поэтому сила тяжести не может его просто так взять и «сплющить».

– Теперь нам точно понятно, почему атмосфера не падает. И тут самое время задать Вам ещё один детский вопрос, безответный для меня в рамках общепринятых у нас представлений: почему облака не падают на Землю?

– Ну вы даёте, Профессор, даже я это знаю, не смотря на не полное высшее образование! Облака и разные там тучи не падают на Землю потому, что капли воды в них очень маленькие, и молекулам воздуха хватает сил, чтобы своими частыми многочисленными ударами снизу удерживать капли воды от падения. А те капли, что покрупнее, всё-таки начинают падать потихоньку, но при этом они расплющиваются из-за встречного сопротивления молекул атмосферы, а из-за этой деформации у капелек воды увеличивается парусность и они начинают затормаживать своё падение, а затем и вовсе начинают удерживаться на высоте встречными потоками более тёплого воздуха, поднимающегося от земли. И лишь ещё более крупные капли при более резкой конденсации падают на землю, так как их уже не могут удержать на высоте ни удары молекул, ни сопротивление воздуха, ни восходящие потоки.

– Извините за прямоту, юноша, но своим ученикам я бы за такой ответ поставил бы чистый неуд! Детский сад и глупости. Сейчас я, как профессор, сделаю подробный разбор вашего ответа. Капли падают в форме капли, а не какой-то там плоской картонки – бумажного змея. Если бы капля даже и стала бы более плоской, сопротивление воздуха её моментально бы развернуло вертикально, и капля бы полетела вниз как нож в масле. Сколько хаотических молекулярных ударов капля воды (или льдинка) получает снизу, столько же и сверху, и никакое расплющивание этого не изменит. Поэтому результирующий вектор влияния кинетической энергии молекул атмосферы на каплю воды будет нулевым, и гравитация заставит её падать. Надеюсь, вы не будете утверждать, что под каплей воды атмосфера плотнее, чем над каплей, и мол поэтому снизу молекул больше и бьют они чаще?! И вообще: молекул воздуха всё равно недостаточно, так как даже в маленькой капле воды находится примерно триллион миллиардов молекул. Такой сгусток воды ни как нельзя, следуя вашей логике, принимать в расчёт как некую корпускулу, сопоставимую по размерам с молекулами атмосферы. Тем более, плотность воды в 800 раз превышает плотность воздуха. Диаметры капель в облаках составляют от 1×10—4 метра до 1×10—6 метра. Диаметры молекул азота и кислорода в воздухе – около 3×10—10 метра. Разница – примерно от трёхсот тысяч до тридцати тысяч раз. Никакого броуновского движения тут быть не может и в помине.

А что касается восходящих потоков воздуха, то это ещё более глупо, подумайте сами. Во-первых, в природе сколько восходящих потоков, столько и нисходящих, а значит, как максимум, только половина туч при сплошной облачности тогда бы удерживалась вверху, а половина – падала бы вниз. В шахматном порядке, ха —ха —ха! Не бывает же одного сплошного восходящего потока от горизонта до горизонта. Во-вторых, тёплые потоки воздуха поднимаются под тучей и сквозь тучу вверх только при зарождении, при образовании тучи. Совершенно ясно, что когда уже сформировавшаяся туча начинает под действием ветра дрейфовать по небу, то вероятность сохранения старого или возникновения нового тёплого восходящего потока под тучей, то есть в тени тучи, наполненной холодными водой и льдом, совершенно минимальна в сравнении с вероятностью возникновения восходящего потока где-нибудь сбоку от тучи, в просвете между туч. Вы же не будете искать тёплого воздуха под включённым кондиционером, голубчик? В-третьих, так как вода в 800 раз тяжелее такого же объёма воздуха – это с какой же силой должен дуть пресловутый восходящий поток, чтобы удержать целую тучу? Мы бы с вами тогда наблюдали ураган под каждым даже безобидным облаком.

– Ну и почему же, господин всеведущий Профессор, летают тучи? Расскажите уж неучу-студенту, или и вам придётся неуд поставить!

– Не хамите! Я с самого начала сказал, что не знаю, почему…

– Да уж, уважаемые мои слушатели, придётся вас прервать и помочь вам с этим вопросом немедленно разобраться, пока вы окончательно не перессорились. Вот как на самом деле. Облака не падают на Землю, потому что облако – это не статическое образование, а динамическая система. Элементы в этой системе находятся в постоянном движении, в постоянном изменении своих свойств, но при этом они прочно связаны в единое целое электромагнитным взаимодействием. Вы совершенно упустили в своём споре фактор электризации составных элементов облака.

Итак, электричество в облаках образуется несколькими процессами, протекающими, как правило параллельно.

Основной процесс обусловлен тем, что более тёплые и лёгкие приземные воздушные массы, поднимаясь из-за этого вверх, расширяются по причине своей большей энергичности в сравнении с прохладным и более пассивным окружением. При расширении газы охлаждаются. При охлаждении выделяется много энергии, которая частично идёт на выбивание протонов (ионов водорода) из молекул воды. Эти молекулы воды содержатся на поверхности образованных в результате конденсации капель воды или кристаллов льда. В основном выбиваются именно протоны, так как выбивание электронов в 2,5 раза более энергозатратно. Чем больше капля воды, тем больше из неё выбивается протонов, тем более она становится электроотрицательной. Более тяжёлые и более отрицательные капли в облаке опускаются на самый низ облака. Более лёгкие капли и пар, заряженные менее отрицательно, собираются наверху облака. Туда же в верхнюю часть облака перемещаются ионы – положительно заряженные выбитые из молекул протоны. Свободные электроны при этом наоборот, спускаются вниз облака. В облаке возникают разноимённо заряженные области, верхняя и нижняя, создаётся серьёзная разность потенциалов. При этом образуется огромная, в сотни раз, разница между удельным весом нижней и верхней страт облака. Повторяю: верхняя часть облака по сравнению с нижней значительно более тёплая, менее плотная, содержит больше лёгкого пара, меньше капель воды, а сами капли более мелкие и лёгкие.

Второй процесс, который может проходить одновременно с первым – это практически те же самые процессы выбивания протонов, только энергия для них выделяется при переходе воды в следующее агрегатное состояние – при замерзании капелек воды с образованием кристалликов льда. Масштабы этого процесса поменьше, но суть та же – охлаждение вещества с выделением энергии.

Третий процесс, постоянный – это воздействие на капли воды электромагнитного поля Земли, которое слегка смещает поверхностные электроны вниз по капле, превращая капли в диполь: сверху «полюс», снизу «минус». В массиве постоянно сталкивающихся капель это приводит к «межкапельному» перетеканию разноимённых зарядов вверх-вниз и дополнительной поляризации облака.

Четвёртый процесс: на верхние слои облака влияние оказывают космические и солнечные излучения. Они достаточны для выбивания электронов из атомов и довольно эффективно ионизируют верхнюю часть облака. Выбитые электроны даже запускают некоторое подобие цепной реакции по ионизации составных элементов облака. Полученные таким образом отрицательные заряды также находятся в основном в более крупных каплях и быстрее спускаются вниз облака, опять же дополнительно поляризуя его.

Пятый процесс – это энергия ветра, деформирующего и перемещающего части и слои облака, а также энергия восходящих и нисходящих потоков и завихрений внутри самого облака, порождённых разницей плотности его частей. Всё это вызывает трение составных элементов облака – капель воды, кристаллов льда, частичек пыли и молекул газов. В результате трения образуется статическое электричество. При этом избыток электронов также постепенно перетекает вниз облака, а положительные ионы подтягиваются вверх. И снова усиливается поляризация облака.

В результате всех пяти перечисленных процессов облако очень серьёзно электризуется, а его составные элементы связываются электрическим взаимодействием – притяжением разноимённых зарядов – в единое целое, в локализованную систему. Это единение происходит несмотря на то, что сила тяжести оттягивает нижнюю отрицательную часть облака с крупными тяжёлыми каплями вниз. И не смотря на то, что разница в плотности оттягивает верхнюю, постоянно расширяющуюся, менее плотную и более лёгкую часть облака, состоящую из мелких положительных капель и пара, вверх. Я имею в виду разницу в плотности между верхней частью облака и окружающей атмосферой на этом же горизонте. Гравитация и разница в плотности растягивают облако по вертикали, а электрическое притяжение стягивает его. Учитывая многосотметровые и даже километровые размеры облаков по вертикали, очевидно, что плотность воздуха, окружающего и подпирающего облако снизу, значительно больше, чем плотность воздуха, окружающего и накрывающего облако сверху. Давление воздуха на облако снизу значительно больше, чем давление сверху. В такой ситуации облако, как единое целое, получает возможность плавать в атмосфере, как минимум – очень-очень медленно снижаться, на считанные сантиметры за многие часы. Однако, даже при слабом боковом ветре, если облако начинает горизонтально двигаться, разница в давлении на облако снизу и сверху приводит к появлению подъёмной силы (как у крыла самолёта) и такое летящее облако способно не только не падать, но уже и подниматься вверх. Подъёмная сила возникает потому, что верхняя часть облака более расширенная и выпуклая, чем нижняя.

Очень важно понять, что одна капля, какой бы она мелкой не была, всегда будет падать вниз, и никакое сопротивление воздуха её не остановит. Не падать вниз может только огромное сообщество капель – облако – как единая система, зафиксированная электромагнитным «каркасом». Кстати, в дождевой туче, в нижней её части, в каждом кубическом сантиметре содержится примерно от 100 до 300 капелек воды, а вот в верхней части – всего по несколько капель в 1 см3. Такая вот огромная разница в удельном весе тучи по стратам. В среднем, туча – дождевое облако – имеет объём несколько кубических километров, и в каждом усреднённом кубическом метре туча несёт от 1 до 5 граммов воды. А в перистых облаках – лишь тысячные доли грамма воды на 1м3.

Туман – это тоже облако, но из-за приземлённой точки росы, из-за своих малых размеров по вертикали и невозможности расширяться, из-за безветрия и соответствующей слабой электризации, из-за отсутствия солнечного воздействия, из-за всего этого облако тумана не способно оторваться от земной поверхности, молекулы которой заменяют собой в данном случае молекулы нижних плотных слоёв воздуха для обычных облаков.

Теперь я сниму некоторые спорные моменты и противоречия, которые возникли между вами, Профессор и Студент, по данной теме.

При дрейфе уже сформированного облака, под ним, конечно же, не сохраняется породивший его тёплый восходящий поток от земли. Но всё равно облако продолжает получать восходящие потоки, засасывая более тёплый воздух прямо из-под себя по ходу движения. Это не какие-то выраженные восходящие потоки тёплого воздуха: а просто внизу, под облаком, воздух всегда теплее, чем вверху, над облаком.

Далее: некоторые капли в нижней части облака в любом случае не удерживаются электрической составляющей и падают вниз, даже если не создаётся условий для повышенной конденсации влаги и выпадения дождя. Но такое падение носит далеко не массовый характер, поэтому эти капли не могут насытить влагой воздух между облаком и землёй, и низкая относительная влажность вкупе с повышающейся по пути вниз температурой и сопротивлением молекул воздуха обуславливают быстрое измельчение и испарение рассматриваемых капель воды при их падении. Снизу мы даже не замечаем этого явления. Как и другого явления, при котором сверху облако постоянно прирастает новыми свежими каплями, перманентно образующимися при конденсации только что поднявшегося и расширившегося и охладившегося воздуха (именно этот воздух туча засасывает из-под себя даже при движении). Я уже говорил, что туча – это динамическая система, в том числе и потому, что она постоянна подтаивает снизу и прирастает сверху. Поэтому, даже если туча постоянно чуть-чуть проседает вниз, то визуально и фактически она остаётся на одном месте по высоте: просевший низ скапывается и рассевается, а просевший верх нарастает заново. И общая толщина тучи (высота) тоже сохраняется. Указанный процесс может быть нарушен. Если образование новых капель в верхней части тучи начинает идти слишком быстро, то туча проливается дождём. Если слишком медленно – то туча постепенно испаряется.

Вот как-то так.

– Я всё понял: тучи не падают потому, что они – не отдельные капли, они – цельные корабли!

– Может быть и чересчур образно, но верно! Кстати, пыль в нашей комнате держится в воздухе, не смотря на то, что каждая из её частичек тяжелее воздуха, примерно по тем же причинам, что и туча: из-за электризации пыли и электромагнитного взаимодействия между всеми её частичками, что превращает пыль в единый массив. Такой трёхмерно-мелко-ячеистый массив обладает огромной парусностью, поэтому очень-очень медленно оседает. Часами и сутками. Вторая причина его «зависания» – это то, что частички пыли этого массива буквально «цепляются» электромагнитным взаимодействием за соседние молекулы воздуха, ещё больше замедляя своё снижение. Ну и третья причина, это движение воздуха, перемешивающее пыль и поднимающее её снова вверх. Вызываются эти движения воздуха сквозняками (или ветром, если мы говорим про улицу), конвекцией, движением людей или животных, предметов.

Электризация пыли происходит по нескольким причинам. Это электризация пыли от электронов и ионов самого воздуха. Это статическое электричество, образующееся в результате перемешивания слоёв воздушно-пылевой смеси. Это воздействие на пыль электромагнитного поля Земли. Это электризация под действием солнечного излучения. Думаю, я рассказал просто и понятно.

– Так вот почему я чихаю! Не удивляйтесь. Я озвучил лишь последнюю часть мысленной логической цепочки. У меня аллергия на пыль…

– А у меня глаза слипаются, если честно. Так долго, как сегодня, мы ещё не беседовали…

– Конечно же, вы правы. Давайте отдохнём.