теплосодержание океана

Купальный сезон открывается, когда вода кажется терпимой. Но у каждого свой порог: один дрожит при двадцати градусах, другой спокойно плавает при пятнадцати. Учёные решили разобраться, откуда берётся эта разница. Они сравнили тело пловца с домом, который пытается сохранить тепло, пока снаружи дует холодный ветер. Внутри горит печка — это мышцы, вырабатывающие тепло при движении.

Лазерный луч бьёт по тонкой мишени, спрятанной внутри слоёв другого материала. За миллиардные доли секунды вещество сжимается до плотности 25 грамм на кубический сантиметр — это как если бы кусок свинца стал в два с лишним раза тяжелее, оставаясь на месте. Температура подскакивает до 20 электронвольт, что примерно в 230 тысяч раз горячее комнатной.

В стакане с мутной жидкостью, где оседает крахмал, глазу видна только серая пелена. Частицы внутри движутся, но что именно там происходит — остаётся загадкой. Обычные оптические приборы не могут пробиться сквозь такую взвесь: свет рассеивается уже в верхнем слое. Однако в новой работе использовали метод, похожий на ультразвук, только со светом — оптическую когерентную томографию (ОКТ).

Когда на кухне раскаляется сковорода, рука чувствует жар ещё до прикосновения — это инфракрасное излучение, невидимое глазу, но ощутимое кожей. Солнечный телескоп улавливает похожее невидимое тепло, только исходящее от звезды, а не от плиты.

Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, летящих от Солнца. В нём есть два главных компонента: протоны (ядра водорода) и альфа-частицы (ядра гелия, вчетверо тяжелее).

В центре скопления галактик в созвездии Персея находится галактика NGC 1275. Астрономы впервые детально разглядели ветер из разогретого газа, дующий из её ядра. Этот ветер заметен по свечению водорода и кислорода — элементов, которые при высоких температурах испускают характерное излучение.

Река раздваивается. Один рукав — широкий и быстрый, вода в нём течёт плавно, но с повышением температуры течение замедляется: появляются водовороты и волны. Второй рукав — узкий, с порогами, где вода перепрыгивает с камня на камень. Этот поток, наоборот, с прогревом становится живее.

Вода бывает разной. Не только пресной или солёной, но и «тяжёлой» — если в её молекуле вместо обычного водорода сидит дейтерий, его более массивный собрат. Такую воду называют HDO, и она — настоящий космический паспорт: по тому, сколько дейтерия в воде, можно понять, где и когда эта вода родилась.

Вода — не просто мокрое вещество. На масштабе пикосекунд она напоминает танцпол, где молекулы непрерывно рвут и создают связи друг с другом. Обычно этот танец описывают одним главным движением — коллективным расслаблением, как если бы вся толпа одновременно замедлялась после выключения музыки.

Спектроскопия всегда была способом услышать неслышимое. Ещё в XIX веке Иоганн Бальмер расшифровал стройные линии водорода — простую числовую гармонию, предвосхитившую квантовую теорию.

В 1930-х Фриц Цвикки первым заметил, что галактики в скоплениях движутся слишком быстро — их удерживало нечто невидимое. Позже Вера Рубин измерила вращение спиральных галактик, подтвердив: космос пронизан тёмной материей. Сегодня мы знаем, что она рисует космическую паутину, но природа её частиц — тайна.

Реликтовое излучение — это послесвечение Большого взрыва, которое мы видим на миллиметровых волнах. Но у него есть и длинноволновый хвост, уходящий в радиодиапазон. На волнах длиннее 21 сантиметра этот свет начинает поглощаться нейтральным водородом, разбросанным в далёком космосе.

Два фотона вылетают из одной точки в груди пациента. Они — близнецы: изменив один, мгновенно узнаёшь о другом. Такая связь называется квантовой запутанностью. При ПЭТ-сканировании эти пары рождаются внутри тела, когда введённое радиоактивное вещество встречается с электронами тканей. Степень этой запутанности не постоянна.

На окраине Солнечной системы, далеко за орбитой Нептуна, что-то сбивает с пути ледяные глыбы. Их орбиты вытянуты и наклонены одинаково, словно невидимая рука расставила их по одной схеме. Астрономы подозревают, что там прячется девятая планета — массивная, раз в пять-десять тяжелее Земли, но такая тусклая, что её не видно ни в один телескоп. Но даже невидимый объект можно выдать теплом.

Вокруг молодых звёзд кружатся плоские облака из газа и пыли — как тесто для пиццы, из которого со временем слепятся планеты. В этом облаке есть разные химические элементы, и сера — один из самых капризных: её трудно поймать телескопами, потому что она прячется в твёрдых крупинках или улетает в виде газа.

Вода — единственная распространённая жидкость, которая при остывании не сразу сжимается. Лёд тает, и вода становится плотнее, но только до 4 градусов Цельсия. Дальше, при дальнейшем охлаждении, она снова расширяется. Этот каприз объясняет, почему рыбы выживают в замерзающих прудах: самая плотная вода опускается на дно, а сверху остаётся более лёгкий холодный слой, который превращается в лёд.

Под ледяной корой Энцелада, спутника Сатурна, скрывается океан, функционирующий подобно идеальной тепловой помпе — системе, которая переносит тепловую энергию от экватора к полюсам, затрачивая на это в тысячу раз меньше энергии, чем перемещает.

Водород — самый лёгкий газ, но он умеет проникать в металлы. Если накачать водород в стальной баллон под большим давлением, часть атомов заберётся между атомами металла. Металл может стать хрупким, как сухарь. А можно использовать это свойство наоборот — хранить водород внутри металлической губки. В новой работе взяли два сплава из алюминия, кобальта, хрома, железа и никеля.

Водород — чемпион по энергии на килограмм, но хранить его — морока. В виде газа он занимает огромный объём, а если сжать или охладить до жидкости, нужны тяжёлые баллоны и много энергии. Есть третий путь: некоторые твёрдые материалы впитывают водород, как губка впитывает воду, и держат его внутри себя. Нагрел — водород вышел, остудил — впитался обратно.

Поверхность Солнца кипит, как вода в кастрюле. Горячий газ поднимается, остывает и опускается — это конвекция. Вокруг бурлят магнитные поля, которые рвутся и снова соединяются. В этой суете рождаются спикулы — узкие струи плазмы, которые взлетают на тысячи километров вверх.

Металлический брусок из пяти разных металлов — гафния, ниобия, скандия, титана и циркония — лежит в печи. После нагрева до 600 градусов внутри него появляются участки, похожие на узор из двух перемешанных металлов, как мраморные прожилки. Именно эти участки заставляют весь сплав проводить электрический ток без потерь при очень низкой температуре — около минус 263 градусов по Цельсию.

Металлический сплав похож на коктейль: смешали несколько элементов — и получили материал с новыми свойствами. Но если бармен пробует напиток на вкус, то инженерам нужно заранее знать, как сплав поведёт себя в работе. Например, выдержит ли он высокую температуру и не потеряет ли способность проводить ток.

Задолго до появления звёзд Вселенная была заполнена холодным водородом. Этот газ умеет «петь» — испускать радиоволны длиной 21 сантиметр. Когда зажглись первые звёзды и галактики, их ультрафиолетовый свет стал отрывать электроны от атомов водорода, превращая нейтральный газ в ионизированный.

Глубоко под нами, на глубине сотен километров, есть слой, который умеет впитывать воду, как губка. Минералы там — вадслеит и рингвудит — могут удерживать внутри своей кристаллической решётки до 1–2% воды по весу. Это значит, что в переходной зоне мантии (между 410 и 660 км) потенциально спрятано больше воды, чем во всех океанах на поверхности.

В облаке, где рождаются массивные звёзды, есть горячее плотное ядро. Как в переполненной кухне, где от жара плиты испаряются запахи, так и здесь тепло от молодых звёзд выпаривает молекулы с поверхности космических пылинок. Астрономы направили на такое ядро — G358.93-0.03 MM1 — большую антенную решётку ALMA в чилийской пустыне Атакама. И впервые поймали радиосигнал муравьиной кислоты.

Красное смещение далёкого объекта обычно указывает на пылевую завесу, скрывающую аккреционный диск, падающий в чёрную дыру — область пространства с гравитацией, не выпускающей даже свет.

В звёздных яслях массивные светила рождаются не поодиночке, а парами. Две звезды кружатся вокруг общего центра, и та, что потяжелее, первой раздувается и начинает сбрасывать внешние слои. Часть этого вещества не улетает в космос, а перетекает на соседку — как вода из переполненной чаши в подставленную. В результате звезда-получатель обогащается гелием, который накопился в недрах донора.

Ледяной керн из Антарктиды — это машина времени, которая записывала климат 130 тысяч лет подряд, год за годом, без пропусков. В пузырьках воздуха, запертых во льду, сохранился углекислый газ тех эпох. Учёные сравнили его содержание с температурой, которую лёд тоже помнит, и увидели, как эти двое разговаривают друг с другом.

Уран и Нептун долго озадачивали планетологов: их магнитные поля сильно наклонены относительно оси вращения и имеют сложную многополюсную структуру, совсем не похожую на сравнительно простой диполь земного поля. Разгадка скрывалась в необычной фазе воды — суперионном льде, который, согласно моделям, заполняет недра этих ледяных гигантов.

Летом в Южно-Китайском море можно увидеть странную картину: на севере вода теплеет, а на юге в то же время холодает. Через год всё наоборот. Это не случайность, а устойчивые качели, которые океан раскачивает каждое лето.

Вода помнит. Каждое течение, каждый вихрь, каждый градус температуры в глубине океана не исчезает бесследно — он оставляет след, который можно прочитать. Но до недавнего времени этот след читали только громоздкие физические модели, которые неделями считали на суперкомпьютерах и всё равно ошибались в деталях. Теперь появился другой читатель: нейросеть, которая учится у самого океана, а не у уравнений.

С 1955 по 1979 год площадь антарктического морского льда сократилась на 23% зимой и на 67% летом, а затем частично восстановилась. Это похоже на пружину, которую медленно сжимали, а потом отпустили: климат Южного полушария отреагировал на это с задержкой в несколько десятилетий.

Река, обогнувшая Антарктиду, не течёт одним руслом: она то разделяется на рукава, то сливается в единый поток. Так выглядят фронты Южного океана на картах, построенных по спутниковым данным о высоте морской поверхности. Раньше эти фронты искали по линиям одинакового уровня воды, и казалось, что они медленно ползут к югу. Новый анализ показывает: движения нет, есть перестройка.