Защо е небесно синьо?
Преди да има приемник на Глобална система за позициониране (GPS) във всяка кола (или в раниците на своенравни туристи), имаше магнитният компас. Всъщност, преди да има коли и найлонови раници, изследователите, моряците и пиратите използваха надеждните си компаси, за да се ориентират около големия безличен океан. Дори в облачна нощ, без звезди, които да ви водят, малко парче магнетизиран метал, монтирано така, че да може да се люлее свободно, ви подсказва кой път е на север.
Какво е толкова специалното в северната част? Ако знаете къде е северът, знаете всичко. Гледайте на север, а югът ще бъде зад вас, изток отдясно и запад отляво. Завъртете ръчен компас и иглата, странно, не се завърта с него.
Усещайки привличане, за което не сме наясно, плаващата метална игла се движи сама, като показалеца на призрачен филм дъска Ouija. Изглежда, че иглата е изтеглена към някакъв далечен фар, усещайки привличането дори през стените.
Но иглата на компаса не е направена от някакъв стар метал. Вместо това е метал, който е намагнетизиран. Този тънък, лек магнит има свои собствени северни и южни полюси, които се привличат към противоположните полюси на други магнити. Междувременно магнитът е свободен да се върти във всяка посока.
За щастие на изгубени пътници (особено преди GPS проследяване в мобилни телефони и автомобили), планетата, на която пътуваме, сама по себе си е магнит. Джобните компаси реагират на магнетизма на Земята, като се нареждат в нейното магнитно поле. Така че дори в облачна нощ, без звезди, които да го водят, морякът в тъмно море може да намери „север“ - и по този начин юг, изток и запад.
(Полето на Земята се обръща на всеки 500 000 години или така, но засега „южният“ полюс на Земята е на север, „северният“ полюс на юга. Ето защо северният полюс на магнетизирана игла, привлечен към противоположността му, ще точка на север. Преди около 800 000 години иглите на компаса биха насочвали на юг.)
Хората са използвали компаси за навигация повече от 2000 години. Най-ранните компаси са били направени от дърво, покрито с малко камък, естествено магнитна желязна руда. Плаващ върху вода или друга течност, дървеният компас беше свободен да се движи, носещият камък се въртеше, докато се изравни със земното поле.
Учените смятат, че магнитното поле на Земята се генерира от контурни електрически токове в течно-металното ядро на нашата планета (супер горещо). Представете си баров магнит, залепен вертикално през центъра на Земята, невидимото му поле се извива в пространството като хоризонтална фигура 8.
Въпреки че не го забелязваме, магнетизираните предмети усещат привличането му.
Но докато Земята е голяма, нейното магнитно поле е доста слабо. Нашият планетарен магнит е хиляди пъти по-слаб от магнитите на вашия хладилник, който може да държи снимки от класа и списъци за пазаруване прилепнали към металната врата (или да вземете безстопанствена кламер, ако се приближи твърде близо).
Магнитното поле на Земята варира на цялата планета, но е най-силно на полюсите. Магнитната сила обикновено се измерва в единици Гаус или Тесла. Най-слабата, в части от Южна Америка, силата на земното поле е около 0,3 гауса (30 микротесла). Близо до северния и южния магнитен полюс силата се увеличава до около 0,65 гауса (65 микротесла). За разлика от това, този малък магнит с форма на крава на вашия хладилник може да е с сила 50 гауса (5000 микротесла). Така че не е чудно, че слабият магнетизъм на Земята не може да накара кламери да мигрират масово към полюсите.
Прохладните дни на есента са изпъстрени с наситено синьо небе и златиста светлина и блестящи листа от жълто, оранжево и червено. Листата, променящи цвета си през есента, са начин на дърво да се подготви за дълга зима, по-скоро като това, как поставяме прозорци на бурята и издърпваме топли дрехи и одеяла от склад. защото те са пълни със зелен пигмент хлорофил.
Дърветата се нуждаят от слънчева светлина, за да произвеждат хлорофил. На свой ред хлорофилът използва енергията на слънчевата светлина за разделяне на водата (H2O) във водород и кислород. Междувременно листата също абсорбират въглероден диоксид от въздуха. Крайните продукти на химията на листата: въглехидрати (домашна растителна храна за дървото) и кислород, освободен във въздуха (газът, който трябва да дишаме). Целият процес се нарича „фотосинтеза“.
Заедно със зеления хлорофил, повечето листа съдържат също жълти, оранжеви и червено-оранжеви пигменти, каротеноидите. Дърветата не се нуждаят от светлина, за да произвеждат каротеноиди. Ботаниците ги наричат помощни пигменти, тъй като каротеноидите абсорбират малко слънчева светлина и (добре) предават енергията на хлорофила. Не виждаме много от тези заместник-пигменти (каротин, ликопен и ксантофил) през лятото, защото са маскирани от обилен зелен хлорофил.
Но постоянно намаляващите дни на есента означават по-малко дневна светлина и по-студено време. Средното дърво бърза да запази всички хранителни вещества, които може, за зимния си зимен сън. Азотът и фосфорът се изтеглят от листата за съхранение в клони. Слоят от коркови клетки расте между стъблата на листата и техните клони, намалявайки снабдяването на листата с хранителни вещества и вода.
С намалена слънчева светлина, вода и хранителни вещества синтезът на хлорофил се забавя. Но старият, износен хлорофил се разпада с обичайната скорост - по ирония на съдбата, слънчевата светлина го унищожава - така че запасите на всеки лист постепенно намаляват. В много дървета, когато зеленото избледнява, от скриването се появяват жълти и оранжеви пигменти. (Те включват каротини, пигментите, които оцветяват морковите в оранжево.)
Но червените и лилавите пигменти се образуват за първи път в листата, когато времето стане хладно, оцветявайки листата на някои дървета алено и бордо. (Пигментите са антоцианини, които също правят репичките червени, патладжаните лилави, а боровинките сини.) Ботаниците отдавна се чудят защо някои дървета са генетично програмирани да произвеждат антоцианини през есента. Ново изследване показва, че антоцианините може да са собствено слънцезащитно средство за дърво.
Антоцианините се произвеждат в захарен сок на листа, с помощта на много слънце и хладни температури. Ботаниците смятат, че антоцианините предпазват замиращите фабрики за фотосинтеза на листата от твърде много слънчева светлина, по-скоро като пигмента меланинът предпазва кожата ни от слънцето. Докато червените пигменти действат като щит, дървото трескаво се разпада и извлича хранителни вещества от листата в крайниците и ствола си, преди листата да отпаднат или да умрат.
Антоцианините също могат да действат като витамини С или Е, като изчистват така наречените свободни радикали, преди да могат да причинят окислително увреждане на крехката структура на падащите листа.
Горните и външните листа обикновено са най-червени, тъй като са най-изложени на слънчева светлина и студ. В някои дървета, като захарни кленове, червените на антоцианините, съчетани с жълтите на каротеноидите, правят особено блестящи оранжеви листа.
Цветът, който оставя, се предава най-вече по наследство, като нашия цвят на косата. Но дали тези цветове са скучни или ярки, зависи от времето.
Най-дълбоките и блестящи нюанси се развиват след седмици прохладно, слънчево есенно време. Например, когато температурата падне между 0 ° C и 7 ° C между 32 ° F и 45 ° F, се образуват повече антоцианини. В Съединените щати идеалното време за зашеметяваща зеленина се среща на места като Върмонт.
Тъй като есента избледнява към зимата, цветовете също избледняват и листата се разхлабват от техните акости. Листата се държат на клоните за стъблата им. С охлаждането на времето клетките в края на всяко стъбло се разпадат. В крайна сметка всеки лист се придържа към клона си само от тънките жилки, през които веднъж са текли вода и хранителни вещества. Лекият вятър или дъжд може да прекъсне тези крехки нишки, изпращайки листата да се носят на земята в цветен килим.
Жълтите и червените пигменти могат да останат в листата дни след падането им на земята. Постепенно обаче цветните пигменти се разпадат. Остават само танините - кафяви химикали, които също оцветяват чая.
Сега кафявите листа, отрязани от водоснабдяването им, изсъхват. Уловени от вятъра, те се вихрят във въздуха на листни циклони и пукат под краката на Хелоуин.
Камилите, за разлика от хората, се вписват в сухите земи като ръка в ръкавица.
Тялото на камила е идеално пригодено за екстремната сухота и екстремните температурни колебания в пустинята: дневна жега, нощен студ, свиреп духащ пясък и малък достъп до вода.
Смятаме за камилите като за нахлуване през пустините на страни като Саудитска Арабия. Но изненадващо, предците (с размер на заек) на съвременните камили са еволюирали в Северна Америка, преди около 45 милиона години. В продължение на милиони години еволюираха кози и по-големи камили. Камилите живееха в цяла Северна Америка, от Канада до Мексико.
Всъщност осем различни вида камили са живели в днешна Калифорния. Един от тях беше извисеният Титанотилопус, който беше висок 11,5 фута до рамото и търсеше храна по крайбрежието на Калифорния преди 3 милиона години. Учените са открили и вкаменелости на друга гигантска камила, живяла в арктическите гори в Северна Канада.
Камилите се разпространяват от Северна Америка в Южна Америка и през моста на Беринг, който след това свързва Северна Америка с Азия. Преди 7 милиона години камилите се бяха разпространили чак до днешна Испания.
Но преди 10 000 години камилите в Северна Америка са изчезнали, може би в резултат на промяна на местообитанието, човешките селища и лова.
Днес има само два живи вида истински камили. Двугорби бактрийци живеят в Централна Азия. Едногърби дромедарии обикалят Африканския рог и Близкия изток.
Всички камили имат дълги, плътни, навиващи се мигли, не се изисква спирала. Ресната спретнато улавя духащ пясък, като го държи далеч от големите кафяви очи на камилата. Камилите имат и трети клепач, който се плъзга затворено отстрани. Във въздух, пълен с духащ пясък, камила може да затвори нейния (много тънък) трети капак и все пак да вижда достатъчно добре, за да се тъпче.
Изпъкнали вежди на камила и гъсти вежди засенчват очите й от ослепително пустинно слънце. Пламтящите й ноздри могат да се затворят плътно срещу вятърния пясък. А малките й, космати уши помагат да се предпази от досаден ушен пясък.
След това температурата на камилата автоматично се приспособява към температурата на въздуха, падайки до 93 ° F през студените пустинни нощи, след което се повишава до почти 106 ° F през изгарящите дни (когато температурата може да скочи до над 125 ° F). С разликата между температурата на тялото и температурата на въздуха е сведена до минимум, въздухът не загрява тялото на камила толкова, колкото би по-хладно тяло, като нашето.
Водата е от съществено значение за целия живот на Земята и камилите не могат да оцелеят без нея. Кръвта е 91 процента вода. Ако водата се загуби - например чрез изпотяване и уриниране - и не се замени, кръвта се сгъстява. Вместо да тече през кръвоносните съдове, той се движи като меласа.
Това е опасно, защото бързо течащата кръв помага за охлаждане на тялото. Как Докато тялото преобразува храната в енергия, се получава топлина. Кръвта се загрява от тези реакции дълбоко в тялото, пренасяйки тази топлина, докато тече към и през кожата. Presto: Кожата излъчва топлината във въздуха. Резултат: Тялото остава хладно. Но дехидратираната кръв с плът на мед не може да достигне до кожата достатъчно бързо. Топлината се натрупва; смъртта може да последва.
Дори при най-хладното време хората могат да живеят само няколко дни без вода. Камилите обаче могат да оцелеят до 17 дни между напитките.
Метаболизмът на камилата - скоростта, с която тялото й изгаря храната - се забавя по време на горещо време, правейки по-малко телесна топлина.
Камилите също са разработили начин да рециклират водата от бъбреците си, насочвайки я към едно от трите отделения на стомаха и след това обратно в кръвта. Но има и още: Ако погледнете камилската кръв под микроскоп, ще видите, че червените кръвни клетки са овални, а не кръгли като тези на други бозайници. Рационализираната форма позволява на клетките, пренасящи кислород, да преминат през съдовете - дори когато камилата е дехидратирана.
И накрая, има тези гърбици. Въпреки че гърбицата на камила всъщност не е пълна с вода, тя поддържа камилски охладител в горещо време. Опаковани вътре в гърбиците са мазнини, до 80 паунда в една могила. Как всичко това допълнително подплащане помага в следобед, когато е 120 ° F? Гърбината действа като защитна качулка. Пече се на пустинното слънце, могилата от мазнини поглъща и улавя топлината, забавяйки нейното слизане до жизненоважните вътрешни органи на камилата. Междувременно останалата част от тялото на камилата - особено онези тънки, верести крака - излъчва топлина във въздуха.
Но преди всичко гърбицата е камилско аварийно снабдяване с храна, като раница на турист, пълнена със смесица от пътеки, пуйка и енергийни барове. Гърбица (или две) позволява на камилата да оцелее няколко седмици, без всъщност да яде. Тъй като мазнините се изгарят за енергия, гърбицата постепенно се свива, става млява и флопи.
Следващият път, когато се качите на асансьор във фоайето на висока сграда, затворете очи. Докато кутията, в която се возите, се изкачва плавно, може да почувствате, че изобщо не се движите - най-малкото, докато тя се забави, за да спре до вашия етаж. Помислете за това и ще разберете, че сте имали същото преживяване във влак или кола. Или дори на реактивен самолет, пътуващ през облаците с повече от 500 мили в час.
Ние също пътуваме по нашата планета, обикаляме около Слънцето, пътуваме през космоса с останалата част от Слънчевата система, докато Земята се върти по оста си като връх.
Всъщност скоростта на въртене на нашата планета на екватора е по-висока от крейсерската скорост на търговския самолет. Земята измерва около 24 900 мили наоколо най-широко. Разделете това на 24-те часа, необходими за еднократно завъртане, и получаваме скоростта на Земята на екватора: шеметните 1040 мили в час.
Но тъй като разстоянието около планетата намалява, докато пътуваме към полюсите, относителната скорост също се променя. Така че на географската ширина на Ню Йорк скоростта на въртене на Земята е около 783 мили в час. Което означава, че всяка секунда („един хипопотам, два хипопотама“) сте изминали 1148 фута напред на вашата планетарна въртележка. И както в самолет с постоянна скорост, просто не го усещате.
Физиците откриха този принцип преди векове: в затворена кутия, без прозорци, от които да надникнем, няма начин да разберем дали сме спрени или се движим с непроменлива скорост.
Но ако „кутията“ (или асансьор, или самолет) се ускори или забави, внезапно се появява и усещането за движение. Изпитваме движение, когато се променя.
Тъй като скоростта на въртене на Земята е толкова постоянна, ние (за щастие) не можем да усетим колко бързо се въртим. Същото важи и за нашето 365-дневно пътуване около Слънцето, което нашата бърза планета профучава със скорост 67 000 мили в час.
Въпреки че ви въртят на изток, да речем, близо 800 мили в час, материята в тялото ви е силно привлечена от много по-голямата маса на материята на планетата. Центробежната, външна „сила“, създадена чрез въртене, е малка част от силата на насочената надолу гравитационна сила на нашата планета.
Но ако скоростта на въртене на Земята се промени внезапно, ще разберем, че се движим с бясна скорост. Ако Земята изведнъж се забави, казват учените, ние ще се преобърнем напред; ако се ускори, ще паднем назад.
И ако скоростта на въртене на Земята на екватора се увеличи до над 18 000 мили в час, като един ден трае само 80 минути, гравитацията вече не може да ни държи безопасно засадени на земята. И ние наистина щяхме да полетим в тъмното.
Защо е небесно синьо?
Слънчевата светлина, която осветява дневното небе, е бяла. И така, защо небето не е блестящо бяло? За да изглежда небето синьо, трябва да се случва нещо със светлината, когато тя преминава през земната атмосфера.
Когато бяла светлина се влива от Слънцето, тя се затваря от близкия вакуум на космоса в газообразната атмосфера, покриваща нашата планета. Докато въздухът на Земята съдържа следи от много газове, от въглероден диоксид до аргон, азотът (при 78 процента) и кислородът (21 процента) съставляват по-голямата част от атмосферата. И когато фотоните на слънчевата светлина се сблъскат с газовите молекули на земния въздух, те се променят от срещата.
Откъде идва синьото? Всъщност синьото през цялото време беше на слънчева светлина. Бялата светлина е направена от скрита дъга от цветове, разкрита, когато лъч слънчева светлина преминава през призма. Тогава виждаме познатия дъгов спектър: червен, оранжев, жълт, зелен, син, индиго, виолетов. Всеки цвят е различна енергия и дължина на вълната.
Въздушните газове дразнят тези цветове от бяла светлина. Някои слънчеви лъчи просто ципват през празните пространства между газовите молекули, достигайки земята непокътната. Но светлината, която има натрупване на газови молекули, се абсорбира, разделя на истинските си цветове и след това се разпръсква по всякакъв начин.
Как работи? Атомите-членове на газовата молекула се възбуждат от фотоните (частиците) на светлината и излъчват фотони с различни дължини на вълната - от червено до жълто до виолетово. След това светлината се насочва към земята или се изпраща странично в небето. В зависимост от ъгъла, част от светлината дори се връща обратно в космоса.
И ето как небето става синьо: Синьо-виолетовият край на по-късата вълна от спектъра на слънчевата светлина е разпръснат много повече от червените и жълтите. Така че виждаме синя светлина от всяка посока на небето, преодоляваща по-слабите червени, жълти и оранжеви.
Интересното е, че виолетовата светлина се разсейва от газовите молекули дори по-силно от синята. И така, защо да не видим небе, залято в лилави? Според физика Джерл Уокър от държавния университет в Кливланд има две обяснения: Виолетовата част на слънчевата светлина е по-тъмна от синята, а човешките очи са по-малко чувствителни към виолетовите с по-къса дължина на вълната.
Може да е различна история за другите, живеещи на Земята. Тъй като очите на животните са чувствителни към различни дължини на вълната на светлината, вероятно е много животни да възприемат небето на Земята в различни нюанси. Пчелите, например, могат да виждат целия невидим за нас ултравиолетов спектър. За пчелите небето може да е оцветено в лилаво.
За нас, хората през деня, се откроява синьото, засилено от черния фон на пространството зад слънчевата атмосфера. Но къде отива синьото през нощта? Докато Слънцето е под хоризонта, небето на Земята все още е също толкова пълно с газ, разсейвайки светлината, която остава. Според Уокър нощното небе наистина все още е синьо. Но синьото е просто твърде тъмно, за да го възприемат очите и мозъкът ни. Въпреки това, камера, настроена за продължителна експозиция - събираща светлина в продължение на няколко минути до няколко часа - може да разкрие дълбокото, истинско синьо на звездната нощ.