Есть мнение, – это именно мнение, хотя в комментариях оно было высказано в форме «каверзного» вопроса, – что со связью между образованием озоновой дыры и выбросом фреонов – ерунда какая-то. Молекулы фреона впятеро тяжелее молекул азота. Как они попадут на высоту 40 километров? И это ужасное мнение. Специально для предотвращения возникновения такового в школе, на уроках природоведения, в пятом, помнится, классе, объяснялось, что атмосфера Земли полностью конвективна. С высотой её состав не меняется. Вот, в частности, и тяжёлый озон не спешит падать с стратосферы вниз.
На этом пятиминутку ненависти к воинствующему невежеству можно считать досрочно оконченной и переходить к делу. К вопросам правильным, которых в данном контексте возникает два. Во-первых, как это работает? Почему, всё-таки, газы в атмосфере не разделяются на слои, хотя плотность у них разная. Во-вторых… Почему это, собственно, работает через раз? В предыдущих публикациях канала отмечалось, например, что атмосфера Юпитера делится на слои с разным составом и что в море углекислый газ скапливается в придонных слоях…
Наконец, многие наверняка слышали, что в шахтах и пещерах вблизи пола может возникнуть слой со смертельной концентрацией углекислоты, что бывали случаи, когда массово гибли овцы, тогда как пастух выживал, – его ноздри оказывались выше отравленного слоя… Соответственно, в тех же самых шахтах, пока ещё не было принудительной вентиляции, у потолка скапливался метан. Специально обученный человек, именуемый «кающимся», полз по полу (рискуя задохнуться в «луже» углекислого газа) и поджигал газ с помощью факела на палке.
То есть, газы иногда разделяются по массе, а иногда нет. Тут играем, тут не играем, тут рыбу заворачивали.
Следовательно о рыбе, – несвежей. Почему выделяющийся из её сероводород не падает на пол, а распределяется по помещению равномерно?
Интуитивно ясно, почему кирпич падает сразу, а пылинке требуется на это масса времени, за которое она может и сделать крюк через верхние слои атмосферы и залететь на другое полушарие. Скорость падения зависит от силы трения. По закону же квадрата-куба, с ростом массы, удельная поверхность убывает, и трение, относительно к весу, уменьшается. Соответственно, пылинка падает медленно, и скорость эта, в свою очередь, измеряется относительно среды. То есть, в восходящем потоке воздуха она будет падать со скоростью меньшей, чем скорость потока.
Вот, для молекулы вес пренебрежимо мал, «<<» как выражаются математики, относительно к силе трения. Да и о «трении» уже и в случае пылинки не совсем корректно говорить. Движение столь малых тел хаотичное, «тепловое», его направление зависит от того, с какой стороны импульс, переданный другими молекулами, окажется больше.
То есть, в общем случае масса молекулы газа не влияет ни на что вообще, и особенно на высоту парения данной молекулы над уровнем моря… Но есть, как отмечалось выше, случаи частные.
...Общий случай это именно атмосфера. Причём, атмосфера Земли. В море, вообще, в растворе, механизм равномерного распределения не действует, ввиду низкой мобильности молекул и самой жидкости. И если превращение углекислого газа в кислород происходит в приповерхностных слоях – в зоне фотосинтеза, – а разложение с выделением углекислоты на глубинах, – где углекислого газа будет больше?
В случае Юпитера принцип не действует, потому что там просто иной масштаб. Протяжённость атмосферы на три порядка больше. Да и сила тяжести повыше. Соответственно, эффектами, которыми можно пренебречь на Земле, там пренебречь нельзя. Газы, включая и гелий, в водороде, всё-таки, тонут… Но если бы речь шла о слое толщиной в десятки километров, как у нас, разница в составе атмосферы не была бы измеримой.
В случае же локальных скоплений газов, во-первых, обратить внимание следует что речь либо о замкнутых объёмах, либо о временных эффектах. Атмосфера-то конвективна, ибо нагревается снизу, так что, даже облако тяжёлого газа будет рассеиваться. Но в пещерах перепада температур и конвекции нет. Очень медленно, но фракции будут разделяться…
Есть, впрочем, и ещё один аспект проблемы, – менее очевидный. В водоёмах возникает эффект термоклина. В частности, в Черном он ответственен за скопление сероводорода на глубинах. Слои воды с разными температурой и химическим составом не смешиваются. Потому что температура, состав и, соответственно, плотность – разные. Для того же, чтобы разница исчезла, нужно совершить работу, – то есть, перемешать слои, подняв тяжёлую придонную воду. И кто будет оплачивать банкет, спрашивается, если на дне нет активных разломов, а значит и источников энергии? В физике, как в жизни. Работа сама себя не совершит.
В меньшей мере всё это верно и для газов. Ну как «в меньшей»? Как во всех описанных выше случаях. В атмосфере, поскольку конвекция происходит непрерывно за счёт энергии Солнца, такие эффекты будут краткосрочны. В тех редких случаях, когда вообще наблюдаемы. В случае же отсутствия конвекции, выдох создаёт некий объём газа с повышенным содержанием углекислоты, а значит, и потенциально более высокой плотностью (тут дело ещё и от температуры зависит). Локальное скопление, «облачко», пока концентрация не выровняется за счёт диффузии, окажется подверженным закону Архимеда точно также, как аэростат.
