Почему на Южном полюсе холоднее, чем на Северном?
Разницу в температурах между двумя полюсами можно объяснить их неодинаковым положением относительно уровня моря. Северный полюс (средняя температура в зимние месяцы около (— 30 С)) лежит на ледяных полях Северного Ледовитого океана, Южный полюс (средняя температура в зимние месяцы около (— 60 С)) находится на высоте 2800 м над уровнем моря на ледниковом покрове Антарктиды.
На Южном полюсе вдвое холоднее, чем на Северном. Более половины этой разницы определяет уровень высоты (на Антарктиде с каждым километром вверх температура понижается примерно на 6 С). Также вследствие того, что на Южном полюсе воздух более разреженный (и соответственно, более холодный и сухой) и сравнительно малая облачность, на его поверхность отражается меньше тепла, чем на поверхность Северного полюса. Остальная часть разницы температур обусловлена различиями в режимах циркуляции воздушных масс двух полушарий.
Континенты Северного полушария посылают в атмосферу квазистационарные «планетарные волны». Эти волны переносят тепло в сторону Северного полюса и перемещают зоны пониженного давления средних широт в северополярные области. Континенты Южного полушария в сравнении с материками Северного полушария имеют меньшую территорию и меньшую среднюю высоту поверхности и, соответственно, излучают меньше «планетарных волн», переносящих тепло.
Высокие горы Антарктики также препятствуют перемещению зон пониженного давления средних широт, которые редко проникают в глубь материка. Наконец, атмосфера Северного полюса получает тепло от Северного Ледовитого океана. Конечно, 3-метровая толща морского льда, обычно покрывающего его поверхность, пропускает мало тепла, зато большое количество тепла попадает в атмосферу через проходы, иногда образующиеся во льдах.

Иногда холодным утром замечаешь, что окна домов и машин покрыты морозным узором в форме листьев, папоротника и ветвей. Как это происходит?
Разукрашенные морозом окна спален по утрам — это уже дело прошлого благодаря центральному отоплению и изоляционным свойствам окон с двойным остеклением. Но если у Вас до сих пор окна с одинарным остеклением, тогда, проснувшись зимним утром, вместо улицы Вы увидите папоротникообразные узоры на стекле.
В морозную ночь оконное стекло очень быстро теряет тепло, охлаждая молекулы водяного пара в воздухе помещения возле окна. Температура молекул воды в воздухе может упасть ниже точки замерзания, но сами молекулы при этом не замерзнут. Однако при соприкосновении с холодным стеклом этот переохлажденный водяной пар мгновенно, минуя стадию воды, превращается в лед.
Из молекул, скопившихся в крошечных царапинах на стекле, формируется затравочный кристалл, из которого затем произрастают замысловатые узоры. Если взглянуть на этот кристалл с очень близкого расстояния, можно заметить множество химических связей, отходящих от точек его поверхности. Молекулы водяного пара цепляются за эти химические связи, и кристаллы быстро растут. Структура замысловатых разветвлений зависит от температуры и влажности воздуха, а также от степени гладкости и чистоты стекла. Если воздух сухой, молекулы воды медленно конденсируются из воздуха, группируясь в устойчивые шестигранники. Шесть прямых относительно гладких граней этих кристаллов имеют очень мало свободных связей, так что молекулам воды почти не за что зацепиться.
Узоры в виде перьев, как правило, формируются на чистых оконных стеклах, когда воздух насыщен молекулами воды. В этих условиях большое количество молекул водяного пара бомбардируют затравочный кристалл и устойчивые шестигранники не успевают сформироваться. Молекулы цепляются за свободные связи, торчащие из выпуклостей кристалла, вследствие чего эти выпуклости увеличиваются в размерах еще быстрее и в итоге вырастают в большие ответвления, а выпуклости на ответвлениях, в свою очередь, превращаются в кружевные листья.


Отчего дождь бывает разный? Порой он льет «прутьями» — удлиненными каплями, падающими с огромной скоростью и высоко отскакивающими от земли. А иногда это просто туманная изморось — мелкие брызги, роящиеся на ветру. Почему порой дождь льет с такой силой, что может причинить физическую боль, а иногда просто обволакивает влажной пеленой? При каких условиях образуются промежуточные разновидности дождя?
Длинные «прутья» — это оптический обман. На самом деле крупные капли сплющиваются под воздействием силы сопротивления воздуха. На языке африкаанс (и, по-моему, по-валлийски) такие капли называют «старухи с дубинками»: круг воды, образующийся при ударе капли о землю, напоминает широкую юбку, а отскакивающая от его центра капля — дубинку.
Определяющим фактором при образовании того или иного типа дождя является размер капель, который, в свою очередь, зависит от условий, сложившихся в период их формирования: влажности и температуры воздуха, а также находящихся в нем ядер конденсации и, в частности, частичек пыли. Например, умеренное количество ядер конденсации в насыщенных влагой восходящих потоках способствует укрупнению капель, потому что вокруг много воды, а сами ядра не могут упасть, не достигнув размера, при котором они приобретают заметную скорость падения. Скапливаясь, ядра соревнуются друг с другом: каждое стремится впитать в себя как можно больше водяных паров и в результате образуют крошечные капельки, которые испаряются прежде, чем успевают достигнуть земли.
В неподвижном воздухе большие капли падают стремительно и грузно. Капли диаметром около 1 см развивают скорость до 30 км/ч и разбиваются на более мелкие под воздействием создаваемой ими струи, если только они частично не заморожены. Поэтому дождевые капли не могут достигать больших размеров.
Но большое количество падающих капель может создать нисходящий поток, в котором капли обретают способность падать с еще более высокой скоростью и при этом не разбиваться. Из-за сильных ветров, дующих в горизонтальном направлении, скорость соударения капель увеличивается более чем вдвое. А кинетическая энергия, как известно, возрастает пропорционально квадрату скорости.

Просыпаясь рано утром на природе, мы часто видим, что выпала роса. Если приглядеться к покрытой росой траве, заметно, что отдельные капли балансируют на самых кончиках листиков. Как они туда попадают и как удерживаются?
Капли воды на траве — это результат процесса гуттации. Корни растения вытягивают из почвы ионы неорганических веществ и переносят их в ксилему, из которой те уже не могут вновь просочиться в землю. Вода поступает в растение в процессе осмоса, в результате которого в ксилеме создается избыточное давление. Оно-то и является причиной того, что сок ксилемы вытекает из пор (гидатод) на кончиках травинок (или непосредственно из срезов по краям листьев). Увеличиваясь в размерах, капли падают, и на их месте образуются другие.
Гуттация обычно происходит в ночное время, потому что днем вода из листьев испаряется достаточно интенсивно, за счет чего в ксилеме поддерживается отрицательное давление. Условия, благоприятствующие гуттации, благоприятствуют и ночлегу в палатках: чистое небо, легкий ветерок, нагретая за день земля, охлаждающийся за ночь воздух (и, соответственно, повышающаяся влажность), относительно сырая земля, поэтому колышки для палатки вбить нетрудно.
Возможно, ионы некоторых полезных веществ возвращаются растению через гидатоды, а некоторые ионы в ксилеме корня повторно транспортируются флоэмой. В ходе процесса, аналогичного гуттации, развивающиеся плоды получают кальций. Временное прекращение данного процесса чревато печальными последствиями. Например, если в теплице ночью воздух сухой, в ксилеме не создастся избыточное давление. В результате в созревающих плодах может образоваться вершинная гниль, что является признаком недостатка кальция.
Гуттация наблюдается более чем у 330 видов 115 семейств растений и вызвана условиями, которые способствуют поглощению влаги корнями, но замедляют транспирацию. Как следствие, гуттация чаще происходит в ночное время и наиболее типична для растений влажных тропических зон, где более высокая температура почвы способствует поглощению влаги корнями, а влажная атмосфера замедляет транспирацию. Гуттация свойственна и растениям умеренного пояса, в частности бальзамину и многим видам трав, в том числе хлебным злакам. У тропического растения колоказии (Соlосаsiа antiquorum) всего лишь один лист за сутки может выделить 200 мл воды.

Недавно я летел на высоте 12 000 м со скоростью 800 км/ч при температуре воздуха -50 С. Холод был жуткий, но, к счастью, я сидел в самолете. Что интересно, стенки авиалайнера, имели толщину всего 10 см. Из какого изоляционного материала они сделаны? Мне хотелось бы приобрести нечто подобное для моего дома. Где можно приобрести такой материал?
Один из факторов охлаждения ветром — это, как правило, турбулентный поток, обычно воздействующий на оголенную кожу человека, которая теряет тепло за счет испарения и конвекции. При воздействии ламинарного потока на гладкую сухую металлическую поверхность, каковой является поверхность самолета, теплоотдача гораздо менее эффективна. На высоте 9000 м плотность воздуха в три раза меньше, чем на уровне моря: самолет будто летит в термосе.
При скорости свыше 500 км/ч внешняя поверхность самолета сильно нагревается за счет трения. Температура некоторых частей модели самолета «Concord» во время полета повышается на 200 С, а обшивка возвращающегося на землю космического корабля раскаляется докрасна.
В салоне самолета с большим количеством пассажиров плотность энерговыделения человеческих тел в ваттах на кубометр в сотни раз выше аналогичного показателя в условиях маленького домика, а отношение площади поверхности к объему у гладкого цилиндра гораздо меньше, чем у домика неправильной формы.
В герметичном салоне поддерживается определенная температура и осуществляется циркуляция воздуха. В полете двигатели самолета вырабатывают несколько мегаватт избыточного тепла, за счет которого и поддерживается комфортная температура воздуха в салоне. Изнутри салон обычно обшивают пластиком, чтобы пассажиры не касались холодного металла, а полость между внутренней и внешней обшивками заполняют обыкновенной изоляционной пеной или фиброй, по своим свойствам сходными с материалами, из которых сооружаются стены домов. В качестве изоляционного материала используется стекловолокно, состоящее из оптимально тонких волокон, наилучшим образом обеспечивающих звукоизоляцию. Толщина изоляционного слоя на крыше самолета обычно составляет 12 см, на стенках — 8 см, на полу — 3 см. Несмотря на тепло в пассажирском салоне, некоторые части самолета сильно охлаждаются, а хвостовой обтекатель и багажное отделение в хвостовой части самолета во время длительного полета даже замерзают.
Следует отметить, что в самолете, который находится на земле с выключенными двигателями, так же холодно, как и в неотапливаемом фургоне.

Колеса — весьма эффективное средство передвижения. Почему же в таком случае сама природа не придумала колесо?
Вы ошибаетесь, утверждая, что колесо изобретено не природой. Подобный механизм на протяжении миллионов лет используют бактерии для передвижения. Это — основа бактериального жгутика, который немного похож на буравчик и, постоянно вращаясь, приводит в движение микроорганизм. Почти половина всех известных науке бактерий имеет хотя бы один жгутик.
Жгутик присоединен к «колесу» в клеточной мембране, которое делает сотни оборотов в секунду. Само «колесо» приводит в движение крошечный «электродвигатель». Электричество вырабатывается в результате быстрой смены зарядов в кольце протеинов, присоединенных к мембране. Положительно заряженные ионы водорода выкачиваются с поверхности клетки за счет энергии химических реакций.
Вытесненные ионы затем вновь возвращаются на мембрану, завершая кругооборот и вырабатывая энергию, за счет которой вращается «колесо». Единственные питательные вещества, необходимые жгутику для роста, — это структурные элементы белка. Они нагнетаются через полый канал в центральной части жгутика и, пройдя через него, в совокупности образуют новый жгутиковый материал.
Это очень тонкая нанотехнология, которая даже имеет механизм задней передачи, помогающий организмам находить пищу. Поэтому утверждение о том, что колесо изобретено не природой, далеко от истины. Учитывая огромное количество существующих бактерий, можно сказать, что колесо — самое распространенное средство передвижения на свете.
Существует еще одна форма макроскопической жизни, которая вращается, как колесо: перекати-поле. Наземная часть этого растения отделяется от корня и, подгоняемая ветром, катится по земле, распространяя свои семена.

Несколько лет назад я посетил сайт выставки «Titanic exhibition» в лондонском Научном музее. Оттуда я узнал, что необходимо соблюдать крайнюю осторожность при поднятии чугунных предметов с морского дна глубиной 4 км, потому что при выходе на поверхность воды они могут взорваться. Почему это происходит?
Взрыв возможен по нескольким причинам. Во-первых, внутри чугуна непременно есть газовые раковины или пузыри, образовавшиеся на значительном удалении от его поверхности. Во-вторых, чугун не очень пластичен и, как правило, трескается, а не деформируется. В-третьих, это неоднородный материал, содержащий около 4,5% углерода, значительное количество кремния и марганца, а также фосфор и серу. Основные его включения — графит, аргентит и феррит.
При погружении чугуна в такую электролитную среду, как морская вода, поверхность литья подвергается коррозии. Одним из продуктов этого процесса является водород в ионном или атомном состоянии. Ионы или атомы водорода проходят через ферритную решетку и проникают в газовые пузыри, где вновь формируются в молекулы водорода, отчего давление в полостях повышается.
Поскольку данный процесс электролиза происходит на большой глубине, высокое давление, образовавшееся в газовых пузырях, становится равным значению давления воды извне. При поднятии чугунного предмета с глубины моря внешнее давление на металл уменьшается, а давление газа в полостях сильно возрастает. В лучшем случае чугун растрескается, в худшем — разлетится на куски.
Старые ядра иногда взрываются после их поднятия со дна моря на поверхность. Это происходит в особых условиях, когда сульфатвосстанавливающие бактерии, обычно обитающие в осадочных отложениях на дне океана, заселяют мельчайшие трещины и щели в чугуне. Сульфаты, содержащиеся в морской воде, служат бактериям источником кислорода. Поглощая их, бактерии выделяют соединения серы с низкой степенью окисления. Растворимые аллотропные модификации серы вступают в реакцию с железом и образуют двусернистое железо (пирит) или минералы, содержащие односернистое железо.
В восстановительных условиях морского дна сульфиды железа термодинамически стабильны, но, как только их поднимают на поверхность, они тут же начинают окисляться. В процессе этой экзотермической реакции образуется кислота, в результате чего металл может окислиться в считанные часы. В условиях ограниченного пространства хрупкие предметы, быстро и значительно увеличиваясь в объеме, могут взрываться.

Почему производители шин для автомобилей и мотоциклов постоянно придумывают разные рисунки протектора? Почему не существует стандартного испытанного рисунка?
Существует всего два требования к рисунку протектора шины автомобиля. Он должен обеспечивать сцепление с дорожным покрытием при увеличении скорости и торможении и удалять воду из-под колес, чтобы шины касались дорожного покрытия, а не аквапланировали по нему, иначе автомобиль будет бесконтрольно скользить по мокрой дороге.
Простой шашечный рисунок идеально подходит для езды по бездорожью, но передняя и задняя части шашечек быстро стираются на щебеночном покрытии. Рисунок протектора с продольными ребрами, окаймленными зубчатыми выступами, повышает сцепление шины с дорогой, но самой шине это не грозит быстрым изнашиванием. Правда, если поперечные канавки расположены на равном удалении друг от друга, шина производит сильный шум, поэтому используется несимметричный рисунок.
При скорости 100 км/ч в дождь умеренной интенсивности автомобильная шина, чтобы сохранять контакт с дорожным покрытием, должна вытеснять каждую секунду 5 л воды. Поперечные прорези на протекторе зачерпывают воду на дороге, и вода стекает в стороны через канавки в боковых ребрах шины.
Протекторы мотошин, имеющие овальный профиль, легко разрезают воду, поэтому перед мотоциклистами такая проблема, как аквапланирование, фактически не стоит. Не должен беспокоить водителя и возникающий при этом шум, так как он сливается с работой двигателя и прочими шумами. Главное, чтобы было сцепление.
Совершенно очевидно, что этим требованиям могут удовлетворить множество разных рисунков протекторов, а их разнообразие, по сути, определяют специалисты по маркетингу производителей шин.

Допустим, что большой корабль, например Queen Elizabeth 2, стоит у причала, и при этом на него не действуют никакие природные силы: ни ветер, ни морские течения. Если я, стоя на причале, толкну это судно в борт, сдвинется ли оно с места, пусть очень медленно и совсем чуть-чуть? Или существует некая сила трения покоя, возникающая в результате контакта корпуса корабля с молекулами воды, которую можно преодолеть только воздействием силы гораздо большей величины?
Вот слова очевидца:
«Когда я служил в ВМС Великобритании при короле Георге V, мне несколько раз случалось сдвигать эсминец в условиях, описанных вашим корреспондентом. Например, однажды в безветренную погоду в период прилива я, находясь на палубе одного корабля в Харидже (Эссекс), прижался животом к пиллерсу, дотянулся руками до леерной стойки стоявшего рядом другого корабля и со всех сил потянул его на себя.

Примерно с полминуты не наблюдалось никаких результатов, но потом расстояние между судами начало медленно сокращаться, и вскоре они бесшумно, не дергаясь, сошлись. После того как воздействие силы на корабли прекратилось, они продолжали спокойно стоять борт к борту. Потом я стал делать толкающее движение, и примерно за тот же период времени они вернулись на свои прежние места. Это было относительно просто».
«QE2» лишь немного больше эсминца ВМС Великобритании, поэтому, как мне кажется, потребовалось бы несколько больше времени на то, чтобы заставить его сдвинуться с места, но это — единственное отличие. Если Вы найдете возможность (что маловероятно) провести подобный эксперимент со столь большим лайнером, я посоветовал бы задержать дыхание во время толчка.

Главный вывод таков: один человек без посторонней помощи способен без особого труда сдвинуть корабль с места. Корабль сдвинется с места. В текучей среде сила трения покоя не возникает. Силы трения, возникающие в текучей среде, прямо пропорциональны скорости движения судна. Если скорость движения судна близка к нулю, то и значение этих сил фактически равно нулю.

Правда ли, что обычный способ простудиться — это соприкоснуться ладонями с носителем вируса, а потом тронуть этой же рукой свои глаза или нос. Очевидно, вирус можно подхватить и через третью поверхность (например, дверную ручку). Как долго живет на поверхности вирус, вызывающий простуду, или любой другой болезнетворный микроорганизм? Зависит ли это от типа поверхности? Имеет ли значение присутствие влаги?
Это зависит от типа поверхности. Например, на холодном влажном стекле, находящемся в тени, многие виды риновирусов и коронавирусов могут жить на протяжении нескольких дней.
Напротив, сухая, разогретая на солнце латунь, покрытая соединениями меди и цинка, способна очиститься от микробов буквально за полчаса после того, как к ней прикоснулся носитель вируса. Подобные соединения создают неблагоприятную среду для микробов, поэтому деньги, в частности монеты из медных сплавов, не столь заразны, как можно ожидать.
Простуду вызывают главным образом риновирусы. Это, как правило, пикорнавирусы, которые лишь относительно устойчивы. Многие типы поверхностей очень быстро обеззараживаются в процессе высыхания или находясь под прямыми ультрафиолетовыми лучами. Напротив, на влажном носовом платке микробы могут жить на протяжении многих дней, если только их не пожирают разлагающие бактерии, питающиеся как вирусами, так и выделениями хозяина платка.
Чтобы избежать заражения в периоды вирусных эпидемий, старайтесь как можно реже трогать свое лицо, и прежде всегда тщательно мойте руки.

Каким образом хлор убивает вредные организмы в бассейнах? Почему используют именно это обеззараживающее средство?
Хлор — не единственный из галогенов, который можно использовать для обеззараживания воды. Йод и бром — тоже хорошие дезинфекторы. А вот фтор применять нельзя, потому что этот химический элемент отличает высокая реакционная способность. Для дезинфекции чаще выбирают хлор, потому что это дешевый, доступный и относительно простой в использовании препарат.
Суть дезинфекции заключается в том, чтобы разрушить структуру — ферментную систему — болезнетворного организма. Этого можно достичь путем оксидирования или с помощью неокисляющихся препаратов, что дает одинаковый эффект, а также посредством нехимических процессов — воздействием ультрафиолетовых лучей (в том числе солнечных), рентгеновским излучением, ультразвуком, нагреванием (как при пастеризации), изменением степени кислотности среды и даже созданием определенных условий хранения. Все это способствует тому, что вредные микроорганизмы погибают естественным путем.
Хлор — газ, молекула которого состоит из двух атомов. Кислорода в его составе нет. При добавлении хлора в воду один из его атомов образует ион хлорида. Второй вступает в реакцию с водой, образуя хлорноватистую кислоту — окислитель. Дезинфекция происходит в результате окислительно-восстановительной реакции хлорноватистой кислоты с еще одной молекулой, по всей вероятности, из клеточной оболочки бактерии. Если реакция повторяется неоднократно, восстановительные механизмы организма подавляются, и он погибает. Поэтому концентрация дезинфицирующего средства и продолжительность его воздействия на патогенные микроорганизмы — это важные факторы.
Как обеззараживающее средство хлор производится в газообразном виде, а также в порошкообразном — хлорная, или белильная известь, гипохлорит натрия (часто используется в домашних бассейнах). Некоторые препараты, содержащие хлор, не являются обеззараживающими средствами, потому что находящийся в их составе хлор (обычно в форме хлорида) полностью восстановлен и не обладает окислительной способностью. Хлористый натрий (поваренная соль) — как раз такое вещество, поэтому воду невозможно продезинфицировать щепоткой этой соли. По этой же причине патогенные организмы могут выживать в морской воде, насыщенной этой солью.
При проведении дезинфекции необходимо строго контролировать степень кислотности среды. В идеале показатель pH должен составлять от 7 до 7,6. Если водородный показатель слишком низкий (менее 6,8), азотные соединения, особенно мочевина (типичный загрязнитель бассейнов), разлагаются и образуют хлорамины. Самый опасный из них — трихлористый азот, раздражающий глаза и придающий воде так называемый запах хлорки, который обычно стоит в бассейнах, за которыми плохо ухаживают или вовсе не чистят.