Шрифт:
Закладка:
Несколько странным кажется тот факт, что для измерения давления в разных областях науки, а также на практике используются настолько разные единицы – несмотря на периодическое ворчание официальных органов по этому поводу. Как мы уже отмечали, медики и метеорологи все еще пользуются миллиметрами ртутного столба, в инженерных приложениях вы рискуете встретить обозначение psi, ученые пользуются барами и т. д. Похоже, корни этого кроются в привычке держаться за старое – в том числе и за старые системы измерения. А как иначе объяснить, что, когда вы в Америке приходите в хозяйственный магазин за гвоздями, вы видите, что их размеры в магазине указывают в пенни, причем обозначаются эти единицы буквой d? Так вот, представьте себе: мы унаследовали эти единицы от Римской империи! d происходит от слова «динарий», названия римской серебряной монеты. Еще один пример упорного нежелания расстаться с устаревшими единицами можно усмотреть в том, что Соединенные Штаты остаются единственной развитой страной, так и не перешедшей к метрической системе. Однако оба автора должны признать, что находят это в высшей степени разумным – такой переход принес бы гораздо больше хлопот, чем преимуществ.
Как мы уже говорили выше, когда мы погружаемся вглубь океана, мы испытываем рост давления. Самое глубокое место в мировом океане Земли – Марианская впадина в Тихом океане. Ее глубина составляет чуть меньше 11 километров – 10 994 м. На такой глубине давление воды равно 1086 бар, что более чем в 1000 раз превышает давление атмосферы на уровне моря. Чтобы наглядно представить себе это, вообразите, что на каждом квадратном дюйме вашего тела стоит слон, а потом еще добавьте для ровного счета еще по слону на каждые 4 квадратных дюйма (примерно на 25 см2).
Если ядро Нептунии по размеру примерно равно земному, а глубина ее океана составляет при этом 160 километров, то давление на дне этого океана будет примерно в 16 раз больше давления на дне Марианской впадины. Это как если бы на каждом квадратном дюйме вашего тела стояло уже по 20 слонов.
Такое огромное давление несложно получить в лаборатории при помощи устройства, называемого алмазной наковальней. В этом устройстве исследуемый образец помещается между двумя алмазами. На одном из алмазов имеется углубление, в которое и укладывается образец, а на втором – выступ, соответствующий по форме углублению. Так как давление зависит от размера площадки, к которой приложена сила, а соприкосновение инструмента с образцом происходит на пространстве, стремящемся к превращению в точку, при помощи этого устройства мы можем создать огромное давление, приложив относительно малую силу. На алмазной наковальне можно получить давление значительно выше тех, с какими мы могли бы столкнуться на Нептунии. (Между прочим, в исследованиях высоких давлений есть нечто ковбойское – ученые, работающие в этой области, говорят, что их алмазы раскалываются со звуком, напоминающим выстрел из ружья.)
Собственно, материалы при высоких давлениях ведут себя странно: например, изменяется взаимное расположение атомов и электронов. Этот процесс может в корне изменить даже самые основные свойства материала. Кислород, при нормальном давлении выглядящий как бесцветный и безвкусный газ, когда давление растет, становится голубым, затем превращается в рубиново‐красный кристалл, и наконец – в сверкающий металл. Подобные перемены происходили и с другими материалами. На Земле их можно наблюдать исключительно в лаборатории, поскольку даже на дне Марианской впадины давление значительно ниже.
Чтобы понять, что мы увидим, погрузившись в нептунийский океан, мы должны поговорить о понятии фазового перехода. Обычно мы говорим, что такие вещества, как вода, существуют в трех агрегатных состояниях или трех фазах: газ (пар), жидкость и твердое тело (лед). Переходы между ними (такие как замерзание и кипение) и называются фазовыми переходами. Нас в первую очередь будет интересовать переход от жидкого состояния к твердому, поэтому давайте посмотрим, что происходит на молекулярном уровне, когда что‐то замерзает. В жидкости молекулы движутся свободно, но находятся в тесном контакте со своими соседями – представьте себе мешочек с шариками, трущимися друг о друга и перекатывающимися. В твердом теле молекулы сцеплены друг с другом в жесткие структуры, наподобие деталей конструктора лего. Таким образом, чтобы сделать некое вещество из жидкого твердым, мы должны отобрать энергию у системы и лишить молекулы их свободы движения. Именно это вы и делаете каждый раз, когда кладете кубик льда в стакан с напитком – тепловая энергия напитка уходит на то, чтобы растопить лед (изменить его агрегатное состояние), и в результате температура жидкости в стакане падает.
Люди часто испытывают потрясение, когда осознают, что вода – добрая старая H2O – одно из самых загадочных веществ во Вселенной. Ученые установили, что при изменении температуры и давления вода может переходить не менее чем в 17 различных фазовых состояний льда, каждое из которых отличается расположением атомов водорода и кислорода. Эти фазовые состояния обычно обозначаются римскими цифрами: например, «лед X», или «лед‐десять», о котором мы поговорим ниже. (Надо заметить, однако, что ни одно из фазовых состояний льда, о которых у нас пойдет речь, не имеет ничего общего с фантастическим «льдом‐девять» из романа Курта Воннегута «Колыбель для кошки».)
Лед, с которым мы все хорошо знакомы, – например, лед, который лежит на тротуаре в тот самый холодный январский день, когда мы пишем эти слова, – называется «лед Ih» («лед один эйч».) В нем молекулы воды располагаются в узлах шестиугольной – гексагональной – решетки (h и означает «гексагональный».) В обычных земных условиях невозможно естественным образом создать давление, достаточное для превращения льда Ih в любую другую форму. Однако при сверхнизких температурах (ниже –222 °C) образуется структура, называемая «лед XI» – в ней шестиугольники выстраиваются более упорядоченно, чем в структуре льда Ih.
Ситуация несколько усложняется, когда мы переходим к давлениям, с которыми рассчитываем встретиться на дне нептунийского океана. Если его глубина 160 км, давление на дне достигнет примерно 16 000 атмосфер. Такое давление способно превратить жидкую воду при нормальной температуре в лед VI. Молекулы льда VI образуют тетрагональную (четырехугольную) решетку – представьте, что вы растягиваете куб так, что его грани становятся прямоугольниками, а не квадратами. Таким образом, вследствие колоссального давления воды, над каменной мантией Нептунии будет располагаться слой льда VI, а над ней – жидкий океан. А это значит, что глубоководная среда на Нептунии будет напоминать Айсхейм – водяные пузыри и туннели над термальными источниками, где под слоем льда может развиваться жизнь.
Это
