Миф первый: Слеза ангела
В нашем сознании, с самого детства вскормленном мультфильмами и книжками с картинками, капля дождя имеет совершенно определенную, каноническую форму. Это изящная, элегантная «слеза» — идеально круглая у основания и грациозно заостряющаяся кверху. Она летит, пронзая воздух своим острым концом, как маленькая водяная комета. Этот образ настолько прочно въелся в нашу культуру, что мы принимаем его за аксиому. Мы рисуем такие капли на окнах, вырезаем из бумаги, используем в логотипах и прогнозах погоды. Эта форма кажется нам логичной, аэродинамичной, единственно верной. Но есть одна проблема. В реальном мире, за пределами детских раскрасок, капли дождя никогда, ни при каких обстоятельствах, так не выглядят. Этот красивый и романтичный образ — не более чем плод художественного воображения, имеющий к физике такое же отношение, как плоская Земля к астрономии.
Чтобы понять, как на самом деле выглядит капля, нужно проследить ее короткую, но полную драматизма жизнь, от рождения в облаке до столкновения с землей. Все начинается с крошечной частицы — пылинки, кристаллика соли, пыльцы, — плавающей на высоте в несколько километров. Эта частица становится «ядром конденсации». На ней, как на вешалке, начинают оседать и слипаться микроскопические капельки водяного пара. Поначалу наша будущая капля — это крошечный, почти идеальный шарик. И форму эту ей придает одна из самых фундаментальных сил во Вселенной — сила поверхностного натяжения. Молекулы воды, как маленькие магнитики, отчаянно цепляются друг за друга, стремясь занять положение с минимальной площадью поверхности. А идеальной формой, обладающей минимальной площадью при заданном объеме, является именно сфера. Так что маленькие капельки дождя, диаметром до одного миллиметра, — это почти идеальные водяные шарики.
Но по мере того, как наша капля растет, набирая вес и сливаясь с соседками, в игру вступает другая, не менее могущественная сила — сопротивление воздуха. Начав свое падение, капля ускоряется. Воздух, который она рассекает, начинает давить на нее снизу. И это давление деформирует ее идеальную сферическую форму. Представьте себе, что вы пытаетесь пропихнуть сквозь толпу надувной шарик. Толпа (воздух) будет сминать его спереди. То же самое происходит и с каплей. Ее нижняя часть, принимающая на себя основной удар воздушного потока, становится плоской. А верхняя, где давление меньше, все еще пытается сохранить свою округлую форму под действием поверхностного натяжения. В итоге, капля среднего размера (2-3 мм в диаметре) приобретает форму не слезы, а, скорее, булочки для гамбургера или парашюта. Плоская снизу и куполообразная сверху.
Если же капле повезет (или не повезет) и она продолжит расти, достигнув диаметра в 4-5 миллиметров, ее ждет трагический финал. Давление воздуха на ее плоское «дно» становится настолько сильным, что оно начинает прогибаться внутрь, превращая каплю в подобие водяного бублика с тонкой пленкой посередине. И в какой-то момент эта пленка лопается. Сила сопротивления воздуха побеждает силу поверхностного натяжения, и гигантская капля разрывается на несколько более мелких дочерей, каждая из которых снова принимает форму шарика или булочки и продолжает свое падение. Именно поэтому на земле мы никогда не видим капель размером с вишню. Они просто не могут долететь до нас в целости, совершая «самоубийство» еще в полете. Так что реальный дождь — это не элегантный плач ангелов, а довольно брутальный процесс, в котором миллиарды водяных «булочек» несутся к земле, чтобы разбиться о наши зонты и крыши. А изящная форма слезы пусть остается художникам и поэтам. Физика для нее слишком жестока.
Миф второй: Запах озона после грозы
Есть один запах, который невозможно спутать ни с чем. Запах, который знаком каждому, кто хоть раз попадал под летний ливень. Это свежий, чуть сладковатый, землистый аромат, который поднимается от земли после первых капель дождя. Мы часто называем его «запахом озона» или просто «запахом свежести». Мы вдыхаем его полной грудью, и он кажется нам квинтэссенцией чистоты, символом того, как природа умывается и очищается после долгой засухи. Этот запах настолько силен и характерен, что у него даже есть свое научное название — петрикор. И, вопреки распространенному мнению, пахнет вовсе не вода и не озон. Пахнет земля, которая, подобно актеру, выходит на сцену и начинает свой сложный парфюмерный монолог.
Термин «петрикор» (от греческих petra — камень и ichor — кровь богов) придумали в 1964 году два австралийских ученых, Изабель Беар и Ричард Томас. Они первыми решили выяснить, что же именно мы нюхаем после дождя. И оказалось, что этот божественный аромат — это сложный коктейль из трех основных компонентов. Первый компонент — это растительные масла. В засушливый период многие растения выделяют особые ароматические масла, которые накапливаются на поверхности листьев, а также впитываются в сухую почву и пористые камни. Эти масла служат своего рода защитным механизмом, замедляя прорастание семян и рост других растений, чтобы снизить конкуренцию за воду. Когда начинается дождь, капли, ударяясь о землю, высвобождают эти масла и поднимают их в воздух в виде крошечного аэрозоля. Это первая, свежая и немного терпкая нота в симфонии петрикора.
Второй, и главный, компонент этого аромата — вещество с поэтическим названием геосмин, что в переводе с греческого означает «запах земли». Именно он и придает петрикору его характерный, ни с чем не сравнимый землистый оттенок. Человеческий нос невероятно чувствителен к геосмину. Мы можем уловить его концентрацию в несколько частей на триллион. Это гораздо чувствительнее, чем у акул, которые чуют кровь. А производят этот аромат не камни и не растения, а крошечные, почти невидимые микроорганизмы — почвенные бактерии актиномицеты. В сухую погоду эти бактерии производят споры. Когда капля дождя падает на землю, она захватывает крошечные пузырьки воздуха. Эти пузырьки, поднимаясь на поверхность капли, лопаются и выбрасывают в воздух аэрозоль, содержащий те самые споры с геосмином. По сути, дождь работает как природный пульверизатор, который распыляет в воздухе парфюм, созданный бактериями. Этот запах служит для бактерий сигналом, что пришла влага и можно начинать размножаться. А для нас — сигналом, что начался дождь.
И, наконец, третий компонент, который и породил миф об озоне. Озон действительно имеет свежий, резковатый запах, который мы иногда чувствуем во время грозы. Но он образуется не от дождя, а от электрических разрядов молний. Молния, проходя сквозь атмосферу, своей колоссальной энергией расщепляет молекулы кислорода (O2) и азота (N2). Образовавшиеся свободные атомы могут соединяться, образуя озон (O3). Этот газ, будучи тяжелее воздуха, с нисходящими потоками может достигать земли, и его запах смешивается с ароматом петрикора, добавляя ему ту самую ноту «грозовой свежести». Так что озон в запахе дождя действительно присутствует, но он — лишь одна из составляющих сложного аромата, а не его причина. А главными парфюмерами, создающими этот неповторимый запах, являются не грозовые облака, а скромные растения и еще более скромные почвенные бактерии, которые терпеливо ждут своего часа, чтобы после долгой засухи, наконец, заявить о себе.
Миф третий: Промок до нитки — жди простуды
«Не стой под дождем, простудишься!», «Надень шапку, а то заболеешь!» — эти фразы, произносимые с разной степенью строгости, впечатаны в подкорку каждого из нас с самого детства. Убеждение в том, что между промоканием под дождем и последующим насморком, кашлем и температурой существует прямая и неразрывная причинно-следственная связь, — это один из самых стойких медицинских мифов, передаваемых из поколения в поколение. Он кажется таким же очевидным, как и то, что от сладкого портятся зубы. Но, как и многие «очевидные» вещи, он является заблуждением. Сам по себе дождь, каким бы холодным и противным он ни был, не может вызвать простуду.
Причина любой простуды, или, говоря научным языком, острой респираторной вирусной инфекции (ОРВИ), — это не вода с неба, а вирус. Чаще всего это риновирусы, которых насчитывается более ста типов. Эти микроскопические агрессоры попадают в наш организм через слизистые оболочки носа, глаз или рта. И делают они это не с дождевыми каплями, а гораздо более прозаическими путями: при контакте с больным человеком (рукопожатие, объятия), через предметы, на которых он оставил свои вирусы (дверные ручки, поручни в транспорте), или воздушно-капельным путем, когда кто-то рядом чихает или кашляет. Чтобы заболеть, нужен контакт с вирусом. Если вы в одиночестве, в абсолютно стерильной среде, промокнете под ледяным дождем, вы можете получить переохлаждение, но никак не простуду.
Почему же тогда этот миф так живуч? Потому что в нем, как и в любом хорошем мифе, есть доля правды. Прямой связи между дождем и простудой нет, но есть связь косвенная. И она объясняется несколькими факторами. Во-первых, это поведение людей. Когда начинается дождь, особенно холодный, осенний, люди инстинктивно ищут укрытия. Они набиваются в автобусы, магазины, кафе. Плотность населения в закрытых, плохо проветриваемых помещениях резко возрастает. А это — идеальные условия для передачи вирусов. Один больной человек в переполненном автобусе может за полчаса поделиться своим риновирусом с десятком соседей. Так что мы заболеваем не потому, что промокли, а потому, что, спасаясь от дождя, оказались в эпицентре вирусной атаки.
Во-вторых, это реакция нашего организма на холод. Переохлаждение, которое мы получаем, промокнув под дождем, — это стресс для организма. И этот стресс может временно ослабить нашу иммунную систему. Исследования показывают, что при охлаждении тела, особенно ног и носоглотки, сужаются кровеносные сосуды. Это приводит к тому, что к слизистым оболочкам носа поступает меньше лейкоцитов — наших главных защитников, которые борются с вирусами. В итоге, если вирус уже попал в ваш нос, но иммунитет его до поры до времени сдерживал, переохлаждение может дать этому вирусу зеленый свет. Он начинает активно размножаться, и через день-два вы получаете все «прелести» простуды. То есть, дождь и холод не являются причиной болезни, но они могут стать тем спусковым крючком, который позволит уже имеющейся в организме инфекции поднять голову.
И, наконец, сам риновирус, как оказалось, любит прохладу. Исследования Йельского университета показали, что риновирус лучше всего размножается при температуре около 33 градусов по Цельсию, то есть при температуре, которая устанавливается в нашей носовой полости, когда мы дышим холодным воздухом. Так что холодная, дождливая погода создает идеальные условия не только для нашего дискомфорта, но и для процветания вируса. Таким образом, наши бабушки были отчасти правы. Но они путали причину и следствие. Не дождь вызывает простуду, а те условия, которые он создает. Так что, промокнув, вы рискуете не столько «подхватить» вирус, сколько дать шанс тому, который вы уже «подхватили» ранее.
Миф четвертый: Кислотный ад, растворяющий статуи
Образ кислотного дождя, созданный массовой культурой, особенно в 80-е и 90-е годы, был поистине апокалиптическим. В фильмах-катастрофах и экологических триллерах он представал в виде едкой, дымящейся жижи, которая капает с неба и мгновенно растворяет все, к чему прикасается: краску на автомобилях, листья на деревьях и даже человеческую плоть. Этот образ был ярким, пугающим и очень далеким от реальности. Настоящий кислотный дождь — это не голливудский спецэффект. Это тихий, медленный и гораздо более коварный убийца, который действует не минутами, а десятилетиями.
Что же такое кислотный дождь на самом деле? Обычная дождевая вода сама по себе уже слегка кислая. Растворяясь в ней, углекислый газ из атмосферы образует слабую угольную кислоту, и в результате pH (водородный показатель) чистой дождевой воды составляет около 5,6. Кислотным же считается дождь, pH которого ниже 5,0. И причиной этой повышенной кислотности являются не какие-то таинственные химикаты, а два основных загрязнителя, которые мы сами в огромных количествах выбрасываем в атмосферу, — диоксид серы (SO2) и оксиды азота (NOx).
Главный источник диоксида серы — это сжигание ископаемого топлива, в первую очередь угля с высоким содержанием серы, на тепловых электростанциях и промышленных предприятиях. Оксиды азота образуются в основном в двигателях внутреннего сгорания автомобилей. Попадая в атмосферу, эти газы вступают в реакцию с водой, кислородом и другими химическими веществами и превращаются в серную и азотную кислоты. Эти кислоты, растворяясь в облаках, вместе с дождем, снегом или туманом выпадают на землю, иногда за сотни и тысячи километров от источника загрязнения.
И вот тут-то и начинается медленное разрушение. Кислотный дождь не растворяет мраморные статуи мгновенно. Но он вступает в химическую реакцию с карбонатом кальция, из которого состоят и мрамор, и известняк. В результате этой реакции образуется сульфат кальция, или гипс. Гипс — вещество гораздо более рыхлое и растворимое в воде, чем мрамор. Со временем, под действием дождей и ветра, этот гипсовый слой просто смывается и осыпается, унося с собой тончайшие детали скульптуры. Черты лица античных статуй расплываются, превращаясь в безликие маски. Тонкая резьба на фасадах готических соборов исчезает. Надписи на старинных надгробиях становятся нечитаемыми. Этот процесс идет десятилетиями, незаметно для глаза, но неотвратимо. Кислотный дождь, как химический наждак, медленно, но верно стирает с лица земли наше культурное наследие.
Не менее губителен он и для природы. Попадая в озера и реки, он повышает их кислотность, что приводит к гибели рыбы и других водных организмов. В 1970-80-х годах в Скандинавии и на северо-востоке США были зафиксированы тысячи «мертвых» озер, где из-за кислотных дождей, принесенных ветрами из промышленных районов Великобритании и Среднего Запада, погибло все живое. В лесах кислотный дождь вымывает из почвы жизненно важные питательные вещества, такие как кальций и магний, и высвобождает токсичный для корней алюминий. Деревья слабеют, их листья желтеют, и они становятся более уязвимыми для болезней, вредителей и засухи. Знаменитые «лесные смерти» (Waldsterben) в Германии в 80-х годах были во многом вызваны именно этим явлением.
К счастью, история с кислотными дождями — это одна из немногих экологических историй с относительно счастливым концом. Осознав масштабы угрозы, в 70-80-х годах большинство развитых стран приняли жесткие законы, ограничивающие выбросы серы и азота. На электростанциях начали устанавливать скрубберы, которые улавливают диоксид серы, а в автомобилях — каталитические нейтрализаторы. И это сработало. За последние 30-40 лет уровень кислотности осадков в Европе и Северной Америке значительно снизился. Озера и леса начали медленно восстанавливаться. Но проблема не исчезла полностью. Она просто сместилась в другие регионы — в Китай, в Индию, где бурный промышленный рост, основанный на сжигании угля, порождает новые тучи серы и азота. Так что кислотный дождь — это не страшилка из прошлого, а вполне реальная угроза настоящего, просто действует она не так эффектно, как в кино.
Миф пятый: Бегом от дождя!
Представьте себе ситуацию: вы идете по улице, и внезапно начинается ливень. Зонта нет, до ближайшего укрытия — сто метров. Что делать? Инстинкт подсказывает: бежать. Бежать со всех ног. Нам кажется очевидным, что чем меньше времени мы проведем под дождем, тем меньше промокнем. Но так ли это на самом деле? Этот, казалось бы, простой бытовой вопрос на самом деле является довольно изящной физической задачей, над которой ломали головы и ученые, и ведущие популярного шоу «Разрушители легенд». И ответ на него не так однозначен, как кажется.
Чтобы понять, что происходит, нужно разложить процесс промокания на две составляющие. Первая — это «вертикальное промокание». Это дождь, который падает на вас сверху, на голову и плечи. Количество воды, которое вы получите таким образом, зависит исключительно от времени, которое вы проведете под дождем. Чем дольше вы идете, тем больше капель на вас упадет. С этой точки зрения, бежать, чтобы сократить время, — абсолютно правильная стратегия.
Но есть и вторая составляющая — «горизонтальное промокание». Это дождь, в который вы «врезаетесь» своим телом во время движения. Представьте себе, что капли дождя не падают, а просто неподвижно висят в воздухе. Проходя сквозь это «поле» из капель, вы соберете на свою грудь, живот и переднюю поверхность ног определенное их количество. И это количество будет зависеть не от времени, а только от расстояния, которое вы пройдете, и от площади вашего «фронтального сечения». Независимо от того, пройдете вы эти сто метров за минуту или за десять секунд, вы столкнетесь с одним и тем же количеством капель, висящих на вашем пути.
Таким образом, общее количество воды, которое на вас попадет, — это сумма двух этих компонентов. Первый зависит от времени, второй — от расстояния. Поскольку расстояние до укрытия у нас фиксированное (сто метров), то компонент «горизонтального промокания» будет постоянным, независимо от вашей скорости. А вот компонент «вертикального промокания» напрямую зависит от времени. Следовательно, чтобы минимизировать общее промокание, нужно минимизировать время, проведенное под дождем. То есть — бежать. И чем быстрее, тем лучше. Физика, казалось бы, подтверждает наш инстинкт.
Однако в эту простую модель вмешиваются усложняющие факторы. Во-первых, ветер. Если дождь косой и дует вам в спину, то, двигаясь с определенной скоростью, вы можете частично «убежать» от капель, и тогда оптимальная скорость может быть не максимальной. Если же ветер дует вам в лицо, то бег лишь увеличит количество капель, в которые вы врежетесь. Во-вторых, форма вашего тела. Бегущий человек обычно наклоняется вперед, уменьшая площадь, открытую для «вертикального» дождя, но, возможно, увеличивая «горизонтальную».
«Разрушители легенд» в своем знаменитом эксперименте пришли к выводу, что бегущий человек действительно промокает меньше, чем идущий, но разница не так уж и велика. А итальянские физики, построившие сложную математическую модель, заключили, что оптимальная стратегия зависит от направления ветра и формы тела, но в большинстве случаев бег все же является выигрышной стратегией.
Но есть и еще один, нефизический, а скорее физиологический аспект. Бег, особенно в мокрой одежде, значительно усиливает теплоотдачу. Вы будете чувствовать себя гораздо холоднее, чем если бы шли шагом. Так что, возможно, вы прибежите к укрытию чуть более сухим, но при этом замерзнете гораздо сильнее. Так что универсального ответа, как это часто бывает в жизни, не существует. Но если ваша главная цель — минимизировать количество воды на одежде, то наука, с некоторыми оговорками, на вашей стороне: бегите, Форрест, бегите!