Выйдите в жару в чёрной футболке — нагреетесь быстрее, чем в белой. Светлая ткань возвращает большую часть света обратно, чёрная вбирает его почти целиком и оттого копит тепло. То же самое можно почувствовать прямо здесь.
Приложите ладонь к белой пластине, потом к тёмной рядом — за несколько секунд разница температур становится отчётливой.
Светлая поверхность возвращает большую часть лучей, тёмная вбирает их почти полностью и быстро греется. Кора берёзы светлее, чем у большинства деревьев средней полосы, и под прямыми лучами остаётся заметно прохладнее дубовой или сосновой.
Тонкий светлый слой на наружной стороне рельефного среза — это внешняя кора. Она и работает экраном: отражает свет и защищает живые ткани под собой.
Вот и ответ. Берёза белая потому, что светлая кора отражает солнце и бережёт ствол от перегрева и резких зимних колебаний тепла. Дуб решает ту же задачу иначе — прячет живые ткани под толстой корой, и отражать свет ему уже незачем. Берёза ставит экран снаружи, дуб — изнутри.
Встаньте на помост лицом к противоположному склону. За спиной — звукопоглощающий экран: он гасит звук, уходящий в сторону леса, чтобы обратно приходило только эхо от склона. Громко хлопните в ладоши один раз — и отсчитайте про себя время до возвращения эха. Затем обогните экран, встаньте лицом к лесу и хлопните снова: лес ближе склона, и его эхо вернётся заметно быстрее. Разницу слышно на слух.
Звук идёт с известной скоростью, поэтому задержка эха — это, по сути, линейка: чем дальше склон, тем дольше ждёте ответа.
Посмотрите на мост перед вами. Он сложен из десятка с лишним брёвен, и ни одно из них не прибито, не связано и не склеено с соседями, и тем не менее конструкция надёжно держит вес взрослого человека. Разберём, как это устроено.
Представьте каменную арку над дверным проёмом старого дома. Камни арки вытесаны клиньями: вес сверху давит на верхний клин, тот передаёт усилие не вниз, а в стороны — соседним клиньям, и так далее до самих опор. Чем больше нагрузка, тем плотнее клинья прижаты друг к другу.
В мосту Леонардо роль клиньев играют сами брёвна — благодаря тому, как они уложены. Каждое бревно прижато сразу с нескольких сторон: снизу его подпирают два соседа, сверху давят ещё два, и каждый из этих четырёх, в свою очередь, удерживается такими же соседями дальше по конструкции. Любая попытка вытащить отдельное бревно упирается в разнонаправленные прижимы со всех сторон; пока соседи на месте, бревно остаётся зажатым. Между брёвнами действует только сжатие и сила трения, и крепёж становится не нужен. Такие конструкции называют самонесущими.
Схему предложил Леонардо да Винчи на рубеже XV—XVI веков — как переправу, которую армия могла собрать без единого гвоздя и инструмента и разобрать, вынув одно бревно, после прохождения1. Современный мост построен по той же геометрии. Стоящая рядом модель собирается без крепежа — на ней принцип можно увидеть в чистом виде.
Самонесущий мост да Винчи (Атлантический кодекс, листы 69ar и 71v) держится только сжатием от собственного веса и трением между брёвнами, без гвоздей и верёвок (L. A. Geddes, «Drawing Bridges: Leonardo da Vinci on Mastering Nature», in: Illuminating Leonardo, Brill, 2016, 285–299). ↩
Цветные полосы на этой колонке — не раскраска. Каждая из них — отпечаток времени, когда над этой землёй было что-то совсем другое: то море, то берег, то ледник.
Посмотрите на колонку снизу вверх. Внизу лежит то, что осело раньше, сверху — то, что легло позже. Так устроен любой осадок: снег на земле, ил на дне озера — что упало первым, окажется в самом низу (если ничто не потревожит). Этот простой порядок — главный инструмент геолога: разрез читается как лента времени, снизу вверх.
Материал каждого слоя — подпись среды, в которой он родился. Известняк внизу сложён из раковин и скелетов морских существ: значит, здесь было мелководное море. Выше — грубые, песчанистые отложения: море отступало, появлялся берег. Ещё выше — рыхлые породы, что принесли ледники, реки и ветер. А тонкий тёмный слой наверху — современная почва, самый молодой участок разреза. Среда диктует осадок, осадок диктует цвет и зернистость — поэтому по виду слоя читается обстановка, в которой он лёг.
И вот что сбивает с толку: один и тот же метр породы может означать и тысячу лет, и целый миллион — всё решает, как быстро он накапливался. Где прячется этот миллион — на обороте.
Посмотрите через рамку на склон. Маленькая промоина сбоку по форме похожа на большую ветвь балки — только уменьшенную. Уберите мысленно траву, кусты и крыши вдалеке, оставьте один контур — и ответ будет «нет»: по одной форме уже не понять, метровая это промоина или стометровая балка. Масштаба у формы нет.
Сетка на рамке как раз и ловит эту похожесть. Крупная ячейка накрывает большие ветви рельефа, мелкая — маленькие отвершки, а контуры в обоих случаях выходят узнаваемо одинаковыми. И вот осязаемое число прямо у рамки: уменьшите ячейку вдвое — задетых контуром клеток станет почти втрое больше. Не вдвое, как было бы у простой линии, и не вчетверо, как у закрашенного пятна. Форма живёт где-то посередине между линией и плоскостью.
Любой овраг начинается одинаково. Струйка воды находит понижение, промывает в нём русло, русло собирает следующие струйки, углубляется и ветвится. Тот же самый процесс, но в сто раз крупнее, создаёт большую балку. Когда один механизм работает и на сантиметрах, и на сотнях метров, форма получается похожей на всех масштабах. Это свойство называют самоподобием1: овраги наследуют форму у того процесса, которым сделаны.
То же видно у речной сети, кроны дерева, разряда молнии, прожилок в листе — всюду одно локальное правило повторяется много раз и порождает узнаваемый ветвящийся узор. Один принцип — разные явления.
Важная оговорка. Самоподобие здесь работает не до бесконечности. Мельче комка земли — уже не овраги, а просто грунт. Крупнее самой балки — уже другой тип рельефа. У природных «фракталов» всегда есть верхняя и нижняя граница.
Попробуйте: наведите рамку на крупную ветвь балки, потом — на маленький отвершек ближе к себе. Сравните, какие ячейки сетки лучше ловят контур в каждом случае.
Самоподобие — точное или приближённое повторение формы на разных масштабах (Википедия, «Самоподобие»). ↩
Конёк двускатной крыши делит дождь между двумя жёлобами: капли с одного ската уходят в один водосток, со второго — в другой, а граница пробегает ровно по верхней линии. Площадка под ногами устроена так же, только сделана не строителем, а самой природой.
Присмотритесь: от узкой полосы под ногами поверхность мягко понижается в две стороны, к вытянутым ложбинам. В сухую погоду их легко не заметить, но во время дождя и снеготаяния по ним сбегает вода. Капля, упавшая чуть в одну сторону от линии под ногами, уйдёт в один сток, упавшая чуть в другую — в соседний.
Эту линию называют водоразделом. Площадь, с которой вода собирается в один сток, — её водосбором. Водораздел нигде не размечен: его рисует сам рельеф, и проходит он по гребням — там, где склон меняет направление. Площадка вокруг стенда — примерно сто на сто метров; короткий ливень в десять миллиметров обрушивает на неё около ста тонн воды, и ту часть, что сбежит по поверхности, водораздел под ногами делит надвое.
Когда уровень в водохранилище сбрасывают рывками, на бетонной стенке остаются горизонтальные полосы — отметки, на которых вода держалась дольше всего перед очередным сбросом.
Склон, на котором вы стоите, — край долины Волги. Здесь, на высоком правом берегу, он обрывается к воде без ступеней. А на пологом левом берегу, в 7–15 км отсюда, лежат такие же следы, только намного крупнее: ровные площадки на разных высотах, вытянутые вдоль реки. Современное русло проходит ниже всех площадок.
Каждая площадка когда-то была дном реки или её поймой. Потом река опустилась ниже, а прежняя поверхность осталась на старой высоте. Чем выше площадка, тем она древнее. Эти ровные ступени называются речными террасами.
Верхняя терраса над Волгой поднята на несколько десятков метров над рекой — самые древние и высокие площадки в долинах Волги и Камы доходили до 75–95 м над меженным урезом1. Это лестница, в которой каждая ступень — отдельная эпоха, а весь склон — летопись сотен тысяч лет.
Наиболее древние и высокие надпойменные террасы в долинах Волги и Камы (Республика Татарстан) сформировались около 1 млн лет назад, а их высота до затопления водохранилищами достигала 75–95 м над меженным урезом. Террасы — Татарская энциклопедия TATARICA ↩
Загляните внутрь рамки. Сверху лежат свежие листья — их ещё можно узнать по форме и цвету. Ниже — старые, прошлогодние: потемневшие, ломкие. Под ними слой, в котором уже не отличить лист от коры или веточки. Ещё глубже — рыхлая тёмная масса без отдельных частей. Это и есть почва. На несколько сантиметров вглубь спрессованы годы: каждый слой темнее и однороднее предыдущего, и где-то по дороге листья перестают быть листьями и становятся землёй.
Резкой границы здесь нет. Найти её и не получится: в лесной подстилке живое и неживое непрерывно перетекают друг в друга и обмениваются веществом. Для таких неразделимых систем советский геоботаник Владимир Сукачёв в 1940-х годах разработал учение о биогеоценозе1 — это сообщество живых организмов вместе с неотделимой от них средой.
Опавшие листья разбирают на молекулы грибы, бактерии и мелкие почвенные беспозвоночные. Освободившиеся минеральные вещества тут же перехватывают корни и отправляют в новые побеги и листья. Так живое и неживое строят друг друга: лист уходит в почву, почва возвращается в растение. Один и тот же атом углерода или азота проходит этот круг снова и снова, не задерживаясь надолго ни в «живом», ни в «неживом».
Зимой круговорот не останавливается. Под снегом, у самой почвы, грибы, бактерии, черви и корни продолжают работать — и это возможно по причине, которая поначалу кажется парадоксальной. О ней — на обороте.
Учение о биогеоценозе разработано В. Н. Сукачёвым в 1940-х годах. ↩
Этот шар диаметром 2,5 метра — модель Солнца. Отсюда до Нептуна, самой дальней планеты, 165 метров пешком. Один ваш шаг по маршруту — это примерно 20 миллионов километров настоящего космоса. А вот сам шар честному масштабу не подчиняется: настоящее Солнце здесь было бы мандарином в 5 сантиметров, но и его, и планеты пришлось увеличить, чтобы их вообще можно было разглядеть, — об этом ниже.
На картинках в учебниках планеты стоят почти впритык. В жизни всё иначе.
Первые четыре планеты — Меркурий, Венера, Земля, Марс — теснятся возле Солнца: все они умещаются примерно в первых восьми метрах от него. А дальше начинается пустота. От Марса до Юпитера — ещё двадцать метров. От Сатурна до Урана — около пятидесяти. На большей части пути по маршруту вы не встретите ничего. Солнечная система — это в основном пустое пространство, и редкие планеты в нём — скорее исключение.
4,5 миллиарда лет назад на месте Солнечной системы крутилось облако газа и пыли. Под собственной тяжестью оно сжалось в плоский диск. Внутри этого диска пылинки сталкивались и слипались — сначала в камни, потом в глыбы размером с гору, и в конце концов в планеты.
Возле молодого горячего Солнца лёгкие вещества — газ и лёд — быстро испарились. Остались только тугоплавкие материалы, и из них собрались небольшие каменные планеты. Дальше от Солнца было холодно, газ и лёд никуда не делись — там выросли огромные Юпитер и Сатурн, а ещё дальше — ледяные Уран и Нептун.
Между Марсом и Юпитером планета так и не получилась. Юпитер был слишком тяжёлым: своей гравитацией он разгонял соседние обломки и не давал им слипнуться. Этот рассыпанный материал так и остался кружить вокруг Солнца — мы называем его поясом астероидов.
Посмотрите вниз. На металлическом кружке у вас под ногами выбиты координаты этой точки — широта и долгота, измеренные геодезистами с точностью до сантиметров. А теперь откройте на смартфоне любое навигационное приложение. На экране появятся почти те же самые цифры.
Координаты местоположения на Земле можно определить с помощью спутниковых навигационных систем, таких как GPS или ГЛОНАСС. Эти системы работают благодаря сети спутников, которые постоянно передают сигналы с информацией о своём местоположении и времени отправки сигнала. Ваше устройство, будь то смартфон или автомобильный навигатор, принимает эти сигналы и рассчитывает расстояние до каждого спутника.
Представьте, что каждый спутник — это маяк, который сообщает, где он находится в определённый момент времени. Ваше устройство знает, как далеко оно от каждого маяка, но чтобы точно определить своё местоположение, ему нужно знать расстояние до трёх спутников. Когда это расстояние известно, устройство может определить, где вы находитесь, решая систему из трёх уравнений. Это похоже на пересечение трёх сфер, где каждая сфера описывает возможное положение в пространстве относительно одного спутника. Точка пересечения всех трёх сфер и будет вашим местоположением.
Найдите в настройках навигационного приложения список видимых спутников. Над открытой площадкой их обычно видно от восьми до пятнадцати. Перейдите под навес или под плотную крону дерева и посмотрите снова: спутников станет меньше, а указанная погрешность в метрах вырастет.
Причина в том, что навигация зависит не только от самих спутников, но и от качества принимаемого сигнала. Чем больше спутников одновременно «видит» устройство и чем меньше сигнал искажается препятствиями, тем точнее определяется положение. Поэтому в городе среди высоких зданий или в густом лесу координаты работают заметно хуже, чем на открытом пространстве.
Потрогайте валун с разных сторон. В солнечный день вы заметите, что одна сторона ощутимо теплее остальных. Эта сторона — южная. Откуда берётся разница?
Если фонарик светит на стол прямо сверху, получается маленькое яркое пятно. Если его наклонить, пятно становится крупнее и тусклее: тот же свет растекается по большей площади. С солнечным светом происходит то же самое.
В среднем за день, и особенно в полдень, больше всего света достаётся южной стороне. К северной стороне полуденное солнце вообще не поворачивается: на наших широтах оно в полдень стоит над южной частью горизонта. На широте Иннополиса летом полуденный луч встречает вертикальную южную грань под углом около $32°$, а северная в это время остаётся в тени. Эти несколько градусов разницы температуры и чувствует ладонь.
Снег весной дольше лежит на северных склонах оврагов и холмов. Мох на стволах деревьев чаще гуще с северной стороны. Виноградники разбивают на южных склонах: они теплее, потому что подставляют лозу солнцу под бо́льшим углом.
По разнице температур на валуне можно приблизительно найти юг — достаточно повернуться лицом к самой тёплой стороне. Способ работает в ясную погоду, на открытом месте, около полудня. Почему именно в этих условиях — на обороте.
Перед вами две пары маятников — попробуйте их раскачать. Кажется, что массивный груз разгоняется лениво и должен отставать. Проверьте.
Левая пара: нити одинаковой длины, но один шар тяжелее другого в 2,5 раза. Отведите оба на один угол и отпустите вместе — они идут в один ритм, почти не расходясь. Масса на темп качания не влияет.
Правая пара: шары одинаковые, нити различаются в четыре раза, 25 сантиметров и 1 метр. Здесь разница сразу видна: короткий маятник частит, длинный ленится. Но вот что неожиданно — длину увеличили вчетверо, а период вырос лишь вдвое. Время одного качания растёт как квадратный корень из длины.
Оба опыта можно повторить и без стенда — в модели с двумя маятниками: там меняются длина нити, масса груза и угол отвода, а период меряется прямо на экране.
Научно-популярный туризм