Физика и удовольствие от геологии

Мы уже знаем, что с помощью изучения периодов полураспада радиоактивных элементов мы можем определять более или менее точно возраст геологических пород. Это дает нам в руки возможность получать удовольствие от такой, казалось бы, отвлеченной отрасли научного знания, как теории эволюции Земли. Рассуждения о том, как произошли континенты, океаны, почвы и т.д. кажутся чрезмерно отвлеченными, ведь почти ничего нельзя утверждать наверняка, и у любой теории есть как сторонники, так и оппоненты. Это формирует отношение к геологии, как к науке, лишенной прочного основания, скорее как к совокупности туманных догадок. Сегодня ты выучишь что-то, а завтра появится другая теория, опровергающая первую, ну и возникнет разочарование – зачем тогда учил… Да, так и есть. Геология – очень молодая наука, и если ты учишь ее ради галочки, чтобы сдать экзамен или чтобы испытать чувство собственной важности от того, что ты знаешь то или это, тогда тебе не избежать разочарований.

Но геологию, как и другие науки, можно изучать для удовольствия. Удовольствие можно получать и от чувства тайны, и от изумления от узнавания новых фактов, и, в том числе, от ясности, возникающей от стройных и последовательных рассуждений. Если потом окажется, что в ходе рассуждений ты не брал в расчет какой-то важный фактор, который, будучи теперь открыт, изменил конечные выводы, то удовольствие, которое ты тогда испытал, никуда не девается, так же как и твоя способность рассуждать, добиваться промежуточной ясности.

Ну например: известно (с помощью изучений концентраций радиоактивных элементов), что около 24 миллионов лет назад начали подниматься горные хребты Анд, Гималаев и Тибетского плато. Также известно, что 50 миллионов лет назад на планете было очень жарко, так что на полюсах даже не было льда, а примерно в одно и то же время с началом образования вышеупомянутых гор на Земле началось резкое похолодание. Связаны ли эти процессы? Если да, то какой может быть эта связь? Представим себе более или менее равнинную поверхность. Дует ли там сильный ветер? Нет. Так же как течение воды сильно замедляется у берегов и у дна, так же и ветры сильно замедляются за счет неровностей поверхности. И вот – тектонические плиты наезжают друг на друга, начинают подниматься горы. Слетаем в Гималаи и прогуляемся к треку к Эвересту. Несложно заметить, что ветра там не в пример равнинным даже в районе озер Гокьо, где высота не превышает пяти километров – иногда прямо таки с ног сбивают! Даже на четырех, трех километрах бывают сильные и постоянные ветры. Интересен район Джомсома (регион Аннапурны). Примерно в полдень, каждый день, год за годом, тысячелетие за тысячелетием в долине поднимается ветер, и дует с каждым часом все сильнее и сильнее, упорно, без перерывов неся массы пыли, так что идущим навстречу ветру не обойтись без очков и повязки, защищающей как минимум рот и нос. Если смотреть на долину издалека, она становится мутно-серой из-за пыли.

Таким образом, в горах под влиянием сильных ветров происходит интенсивный процесс выветривания. Слой за слоем слизывает ветер горные породы, и когда миллионы тонн уносятся с поверхности гор, сами горы немного всплывают, снова подставляясь ветру (ведь тектонические плиты плавают в мантии Земли, и если с плавающего корабля снять часть груза, он немного поднимется вверх за счет силы выталкивания воды – так же и с тектоническими плитами). Что происходит дальше с пылью? Она разносится ветрами на тысячи километров и оседает, то есть частицы горных пород попадают в почву. Составляющие пыль минералы становятся удобрениями для растений: растения активно потребляют их. Но для того, чтобы растения могли перерабатывать минеральные удобрения и осуществлять свой жизненный цикл, им требуется изымать из атмосферы углекислый газ CO₂. В результате такой деятельности возникает, например, известняк.

Таким образом, выветривание привело к уменьшению содержания в атмосфере CO₂, а углекислый газ является «парниковым газом» - чем больше его концентрация в атмосфере, тем меньше солнечное тепло рассеивается с поверхности Земли, тем больше его сохраняется. Так началось похолодание.

Когда при увеличении чего-то становится больше чего-то другого, такое явление называется «обратной положительной связью». Когда, наоборот, при увеличении чего-то становится меньше чего-то другого, это называется «обратной отрицательной связью». Таким образом, высота гор и концентрация CO₂связаны обратной отрицательной связью.

Логика, связывающая эти два явления, совершенно прозрачна, и объяснение связи появления гор и всемирного похолодания приносит удовольствие.

А что было дальше? На Земле становилось холоднее, растения не могли развиваться так интенсивно, как раньше, уменьшался ареал их обитания, и потребление ими CO₂также уменьшалось, да и нарастающий дефицит CO₂ также приводил к уменьшению количества зеленых морд. Поэтому поедание ими CO₂ замедлилось, в то время как поступление CO₂ в атмосферу (например, из вулканов) продолжалось, концентрация CO₂ снова начала расти… и так далее.

Кинетическая энергия: mv или mv²?

Еще столетия назад ученые заметили, что чем больше масса движущегося тела, тем больше и его энергия. Также понятно, что чем больше скорость тела, тем энергия его больше. Исследование закономерностей движущихся тел привело к рождению двух гипотез. Первую отстаивал Ньютон: энергия пропорциональна произведению массы на скорость: E≈mv. Лейбниц придерживался другой точки зрения. Он считал, что энергия пропорциональна квадрату скорости: E≈mv². И тот и другой были светилами мировой науки, но Ньютон, имевший «административный ресурс», фактически просто своим авторитетом задавил конкурента (он не брезговал решать научные споры в свою пользу именно таким образом). И только спустя много времени после смерти обоих, голландец Гравезанд поставил очень красивый эксперимент.

Энергия тела является, как нам известно, мерой способности совершать работу. Гравезанд стал бросать металлический шарик на мягкий глиняный пол. Высоту он подобрал так, чтобы в первом случае шарик подлетал к земле со скоростью, скажем, полметра в секунду, в во втором – метр в секунду. Если между энергией и скоростью есть «линейная связь» (то есть если Е≈v), то глубины ямок, образовывающихся после двух падений шарика, будут отличаться в два раза: в два раза больше скорость, в два раза больше энергия, в два раза больше совершается работа по раздвиганию частичек глины, в два раза больше глубина. Если «связь квадратичная» (то есть если Е≈v²), то глубины ямки будут отличаться не в два, а в четыре раза.

Эксперименты Гравезанда доказали, что Лейбниц был прав – при удвоении скорости глубина ямки возрастает в 4 раза, а при утроении – в 9. Такой элегантный эксперимент резонирует с чувством красоты.

Продолжение будет позже.

Поиск по сайту: