Как хрустят тектонические плиты, конфетная обертка и магнит?

Строго говоря, хруст разворачиваемой целлофановой обёртки представляет собой последовательность нескольких щелчков, амплитуду которых и моменты появления предсказать невозможно. Как показали исследования, около 80% всей энергии деформации такого обёрточного материала хранится в его сгибах, и именно эта её часть освобождается при разворачивании, частично переходя в звук. Известно, что избежать потрескиваний при разворачивании обёртки невозможно, даже если делать это очень медленно. Также не удастся, чтобы все потрескивания слились в один щелчок, или следовали друг за другом с постоянным интервалом, имея при этом одинаковую амплитуду. В отличие от целлофана разворачивание, например, обёртки из шёлка никогда не сопровождается хрустом, т.к. при деформации шёлка сгибы не образуются, и энергия более равномерно распределяется по поверхности материала. Изучением механизма хруста учёные занялись, конечно, не для того, чтобы изготовить бесшумные конфетные обёртки и раздавать эти конфеты перед входом в театральные и киноконцертные залы. Оказалось, что многие процессы на Земле имеет ту же самую природу, например, землетрясения, – хрустят надвигающиеся друг на друга тектонические плиты. Долгое время учёные не могли найти физическую модель хруста – легко воспроизводимое явление, в основе которого лежали бы похожие механизмы. И вот наконец группа учёных из университета La Sapienza (Рим, Италия) предложила изучать хруст… магнита. Известно, что магнитные материалы состоят из доменов – областей с одинаковой магнитной ориентацией. Оказавшись во внешнем магнитном поле, каждый из доменов пытается приблизить направление своего собственного магнитного поля к направлению внешнего, как стрелка компаса вытягивается вдоль линий магнитного поля Земли. Однако каждый домен ориентирует себя не только вдоль линий внешнего магнитного поля, но и вдоль поля соседних доменов. Поэтому выстраивание доменов вдоль внешнего магнитного поля происходит скачками, постепенно охватывая весь объём образца. При этом моменты лавинообразных скачков намагниченности и их амплитуды предсказать также невозможно, как и параметры хруста разворачиваемой конфетной обёртки. Оказалось, что характеристики «хруста» магнетика и хруста обёрток очень похожи. Поэтому учёные уверены, что дальнейшие исследования хруста на такой модели позволит извлекать больше информации из сейсмограмм, а значит, и предсказывать, где и когда произойдёт следующее землетрясение.

www.newscientist.com/news.ns
24/12/2005

Почему у белого медведя кончик носа чёрный?

Казалось бы, чтобы быть невидимым на фоне снега, кончик носа белого медведя тоже должен быть белым. Неужели мы наконец столкнулись с небрежностью матери-природы, создавшей всё вокруг? Нет, и в этом случае всё было продумано до мелочей. Обоняние служит вторым зрением для многих животных. Поэтому внешняя поверхность носа, органа обоняния, лишена волос – они бы затрудняли диффузию молекул к отверстиям носа и дальше, внутрь, к обонятельным рецепторам. На лишённую волосяного покрова поверхность кончика носа падают УФ-лучи, которые, как установлено, являются причиной многих раковых заболеваний. Чтобы защитить животных от этих последствий УФ-облучения природа включила в состав кожи, покрывающей кончик их носа, меланин – тёмно-коричневое вещество, поглощающее УФ-лучи. В результате большая часть ультрафиолета, падающего на кончик носа, поглощается меланином, что значительно снижает риск заболеть раком. По этой же причине почти у всех собак кончик носа тёмный, а у коренных народов центральной Африки кожа тёмно-коричневая.

New Scientist. 10/12/2005

Горячий лёд

Схематическое изображение молекул воды в обычных условиях (вверху) и при действии сильного электрического поля (внизу). Получено при моделировании. Голубые шарики – атомы кислорода, серые цилиндрики – атомы водорода

Лёд – это состояние воды, когда соседние молекулы оказываются жёстко связанными между собой. Мы привыкли к тому, что лёд всегда холодный, а вода замерзает только в морозильной камере холодильника или зимой на улице. Понижение температуры помогает соседним молекулам образовать связи, т.к. уменьшает скорость их теплового движения. В принципе можно помочь молекулам воды найти друг друга и при более высокой температуре, если учесть, что каждая из них представляет собой электрический диполь с отрицательным полюсом вблизи атома кислорода. С электрической точки зрения лёд образуется тогда, когда диполи соседних молекул притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами, и структура этих связей потом остаётся неизменной. Очевидно, что внешнее электрическое поле, ориентируя диполи молекул воды в одном направлении, облегчит образование водородных связей между ними, одновременно фиксируя их структуру. А значит, внешнее поле может привести к образованию льда... даже при комнатной температуре. Теоретические и экспериментальные исследования способности электрического поля замораживать воду при комнатной температуре были начаты в 2003 г. группой учёных из университета г. Groningen (Нидерланды). Оказалось, что вода при комнатной температуре действительно переходит в твёрдое состояние, если напряжённость электрического поля превышает 10⁶ В/м. Следует отметить, что в неоднородных материалах поля такой напряжённости встречаются довольно часто. Например, электрический заряд на стенках микротрещин в частицах глины может создавать в этих трещинах электрические поля вполне достаточные, чтобы вода становилась льдом. Электрическое поле, пронизывающее все биологические мембраны, составляет около 10⁷ В/м, и поэтому, по-видимому, вся вода внутри них должна находиться в твёрдом состоянии. Ну и, конечно, обнаруженная связь между замерзанием воды и электрическим полем должна изменить сложившуюся теорию образования льдинок в облаках. До сих пор считали, что для образования льдинок необходимы мельчайшие пылинки, которые и служат ядрами кристаллизации. Но, как следует из вышесказанного, в микротрещинах этих пылинок может уже находиться вода в твёрдом состоянии, облегчая, таким образом, дальнейшую кристаллизацию. Как считают учёные, существование льда при относительно высоких температурах поможет объяснить многие явления живой и неживой природы.

New Scientist. 24/12/2005

Ядерные испытания и определение возраста человека

С 1955 г. в результате ядерных испытаний концентрация радиоактивного изотопа углерода (¹⁴С) в воздухе увеличилась примерно в 10 раз к 1963 г., когда эти испытания в атмосфере были наконец запрещены. Растения, «вдыхая» углекислый газ, содержащий радиоактивный изотоп, становились радиоактивными. Животные и люди питались этими растениями, замещая в себе нормальные атомы углерода изотопами ¹⁴С, ну а невегетарианцы ели ещё и мясо животных. С 1965 г. содержание ¹⁴С в воздухе постепенно стало падать (на 50% каждые 11 лет), но многие из нас, особенно те, кто родился в период «холодной войны», до сих пор носят в себе радиоактивные метки. Однако эта трагедия человечества позволила учёным провести уникальные исследования возраста клеток человека. Дело в том, что возраст клетки можно определить, если узнать возраст хромосом – генетического материала, находящегося в его ядре. А возраст хромосом можно узнать, если измерить процентное содержание в них ¹⁴С, ведь оно должно быть точно таким, каким было содержание ¹⁴С в воздухе при рождении данной клетки, т.к. хромосомы – это паспорт клетки, выдаваемый ей на всю её жизнь. Измеряя концентрацию ¹⁴С в хромосомах, группа учёных из США и Швеции показала, что некоторые части нашего тела гораздо моложе других. Так, например, мышцы 30-летнего человека оказались в два раза моложе его самого. В тех же экспериментах было установлено, что нервные клетки головного мозга имеют тот же возраст, что и сам человек. Поэтому мозг можно назвать компьютером, составные части которого никогда не обновляются. Содержание углерода в эмали зубов (0,4%) больше, чем в других тканях нашего организма. Поэтому, изучая процент ¹⁴С в эмали зуба можно с высокой точностью (±1,6 лет) определить дату рождения человека. Этот метод, в частности, был использован для определения возраста и идентификации жертв разрушительного цунами, произошедшего в Индийском океане 26 декабря 2004 г. К счастью, этот метод определения возраста работает очень плохо для тех, кто родился после окончания «холодной войны».

Scientific American, Dec 2005, c. 20–22.
К.Ю.БОГДАНОВ
(подборка и пер. с англ.)