Miks on taevasinine?
Enne kui igas autos (või ekslike matkajate seljakottides) oli globaalse positsioneerimissüsteemi (GPS) vastuvõtja, oli seal magnetkompass. Tegelikult kasutasid maadeavastajad, meremehed ja piraadid enne autode ja nailonist seljakottide leidmist oma usaldusväärseid kompasse, et leida tee suurele, iseloomulikule ookeanile. Isegi pilves öösel, ilma et teid tähistaks ühtegi tähte, ütles väike magnetiseeritud metallist tükk, mis oli kinnitatud nii, et see saaks vabalt kiikuda, teile põhja poole.
Mis on põhjaosas nii erilist? Kui teate, kus on põhi, siis teate seda kõike. Suunake põhja ja lõuna jäävad selja taha, ida paremale ja lääne vasakule. Pöörake pihu kompassi ja nõel kummalisel kombel sellega ei pöördu.
Tundes atraktsiooni, millest me ei tea, liigub ujuv metallist nõel ise, nagu osuti õudse filmi Ouija tahvlil. Tundub, et nõel on tõmmatud mõne kauge majaka poole, tundes tõmmet isegi läbi seinte.
Kuid kompassi nõel pole valmistatud vanast metallist. Selle asemel on see magnetiseeritud metall. Sellel õhukesel kergekaalulisel magnetil on oma põhja- ja lõunapoolus, mida tõmbavad teiste magnetite vastaspoolused. Vahepeal võib magnet vabalt igas suunas pöörata.
Kaotatud reisijate õnneks (eriti enne mobiiltelefonide ja autode GPS-i jälgimist) on planeet, millel reisime, ise magnetiks. Taskukompassid reageerivad Maa magnetismile, rivistudes selle magnetvälja. Nii et isegi pilves öösel, kui teda ei juhiks tähed, võib pimedas meres triiviv meremees leida põhja - ja seega lõuna, ida ja lääne.
(Maa väli pöörab end ümber umbes iga 500 000 aasta tagant, kuid praeguseks on Maa „lõunapoolus“ põhjas, „põhjapoolus“ lõunas. Seetõttu on magnetiseeritud nõela põhjapoolus, mis on meelitatud selle vastaspoolele, umbes põhja pool. Umbes 800 000 aastat tagasi oleksid kompassinõelad osutanud lõunasse.)
Inimesed on kompassid navigeerimiseks kasutanud üle 2000 aasta. Varasemad kompassid olid valmistatud puidust, peal oli natuke lodestone, looduslikult magnetiline rauamaak. Vee või muu vedeliku peal hõljudes sai puidust kompass vabalt liikuda ja lodjakivi pöördus, kuni see joondus Maa väljaga.
Teadlased arvavad, et Maa magnetväli tekib meie planeedi vedeliku metalli südamikus olevate elektrivoolude kontuurimisel. Kujutage ette vardamagnetit, mis on vertikaalselt läbi Maa keskosa kinni torgatud ja mille nähtamatu väli kaardub kosmosesse nagu horisontaalne joonis 8.
Kuigi me seda ei märka, tunnevad magnetiseeritud esemed selle tõmmet.
Kuigi Maa on suur, on selle magnetväli üsna nõrk. Meie planeedimagnet on tuhandeid kordi nõrgem kui teie külmkapi magnetid, mis suudavad klassi fotosid ja ostunimekirju hoida metallist ukse külge kinni (või haarata hulkuva kirjaklambri, kui see liiga lähedal on).
Maa magnetväli varieerub kogu planeedil, kuid tugevaim on see poolustel. Magnetjõudu mõõdetakse tavaliselt gaussi või tesla ühikutes. Kõige nõrgemal kohal, Lõuna-Ameerika osades, on Maa väljatugevus umbes 0,3 gaussi (30 mikrotlaset). Põhja- ja lõunapooluse magnetpooluse lähedal suureneb tugevus umbes 0,65 gaussini (65 mikrotlaset). Seevastu see külmkapi väike lehmakujuline magnet võib olla 50 gaussi (5000 mikrotlaset) tugev. Seega pole ime, et Maa nõrk magnetism ei saa panna kirjaklambreid massiliselt poolustele rändama.
Sügise jahedad päevad on kärbitud sügavsinise taeva ja kuldse valgusega ning säravate kollaste, oranžide ja punaste lehtedega. Sügisel värvi muutvad lehed on puu viis pikaks talveks valmistumiseks, pigem see, kuidas paneme tormiaknad üles ja tõmbame hoiust välja soojad riided ja tekid. Suvel on puude lehed, näiteks tammed ja suhkruvahtrad, rohelised, kuna need on täis rohelist pigmenti klorofülli.
Puud vajavad klorofülli tootmiseks päikesevalgust. Omakorda kasutab klorofüll päikesevalguse energiat vee (H2O) vesinikuks ja hapnikuks. Vahepeal neelavad lehed õhust ka süsinikdioksiidi. Lehtkeemia lõpptooted: süsivesikud (puu omatehtud taimsed toidud) ja õhku eralduv hapnik (gaas, mida peame hingama). Kogu protsessi nimetatakse “fotosünteesiks”.
Koos rohelise klorofülliga sisaldab enamik lehti ka kollaseid, oranže ja punakasoranže pigmente, karotenoide. Puud ei vaja karotenoidide valmistamiseks valgust. Botaanikud nimetavad neid abipigmentideks, sest karotenoidid neelavad osa päikesevalgusest ja annavad (kenasti) energia edasi klorofüllile. Me ei näe suvel neid asenduspigmente (karoteen, lükopeen ja ksantofüll) palju, sest neid varjab rohke roheline klorofüll.
Kuid üha lühenevad sügispäevad tähendavad vähem päevavalgust ja jahedamat ilma. Keskmine puu kiirustab talviseks talveuneks säästma kõiki toitaineid. Lämmastik ja fosfor tõmmatakse lehtedest oksadesse ladustamiseks. Lehtede varte ja nende okste vahel kasvab korgirakkude kiht, mis vähendab lehtede toitainete ja veega varustatust.
Vähenenud päikesevalguse, vee ja toitainete korral klorofülli süntees aeglustub. Kuid vana, kulunud klorofüll laguneb tavapärase kiirusega - iroonilisel kombel päikesevalgus seda hävitab -, nii et iga lehe varu väheneb järk-järgult. Paljudel puudel ilmuvad rohelise tuhmudes varjatult kollased ja oranžid pigmendid. (Nende hulka kuuluvad karoteenid, porgandeid oranžiks värvivad pigmendid.)
Kuid punased ja lillad pigmendid tekivad lehtedena esmakordselt siis, kui ilm muutub jahedaks, toonides mõne puu lehed punakaks ja burgundiks. (Pigmendid on antotsüaniinid, mis muudavad redised ka punaseks, baklažaanid lillaks ja mustikad siniseks.) Botaanikud on juba ammu imestanud, miks on mõned puud geneetiliselt programmeeritud sügisel antotsüaanide tootmiseks. Uued uuringud näitavad, et antotsüaniinid võivad olla puu enda päikesekreem.
Antotsüaniinid on valmistatud lehtede suhkrumahlas, palju päikest ja jahedat temperatuuri kasutades. Botaanikud arvavad, et antotsüaniinid kaitsevad lehtede tuhmuvaid fotosünteesitehaseid liiga palju päikesevalgust, nagu pigment melaniin kaitseb meie nahka päikese eest. Kui punased pigmendid toimivad kilbina, puruneb puu palavikuliselt ja tõmbab toitaineid lehtedest ning jäsemetesse ja tüvesse, enne kui lehed langevad või surevad.
Antotsüaniinid võivad toimida ka nagu C- või E-vitamiin, püüdes nn vabu radikaale, enne kui nad saavad langeva lehe habras struktuuris oksüdeerivaid kahjustusi teha.
Ülemised ja välimised lehed kipuvad olema kõige punakamad, kuna nad on kõige rohkem päikesevalguse ja külma käes. Mõnel puul, näiteks suhkruvahtral, moodustavad antotsüaniinide punased koos karotenoidide kollastega eriti hiilgavad apelsinilehed.
Värv, mis lahkub, on enamasti pärilik, nagu meie juuksevärv. Kuid kas need värvid on tuhmid või erksad, sõltub ilmast.
Sügavamad, säravamad toonid tekivad pärast nädalatepikkust jahedat päikesepaistelist sügist. Näiteks kui temperatuur langeb vahemikku 32 ° F kuni 45 ° F (0 ° C kuni 7 ° C), moodustub rohkem antotsüaniine. Ameerika Ühendriikides on uimastamise jaoks ideaalne ilm kohtades nagu Vermont.
Kui sügis talveks vaibub, tuhmuvad ka värvid ja lehed lõdvenduvad. Lehti hoitakse okstena nende varte järgi. Kui ilm jaheneb, lagunevad rakud iga varre otsas. Lõpuks hoiavad iga lehte oma haru juures ainult õhukesed veenid, mille kaudu vesi ja toitained kunagi voolasid. Kerge tuul või vihm võib need õhkõrnad niidid murda, saates lehed värvivaibana maa peale triivima.
Kollased ja punased pigmendid võivad lehtedes püsida päevi pärast nende kukkumist maapinnale. Kuid järk-järgult lagunevad värvilised pigmendid. Järele on jäänud vaid tanniinid - pruunid kemikaalid, mis värvivad ka teed.
Praegu pruunid lehed, mis on veevarustusest ära lõigatud, kuivavad. Tuule poolt korjatuna keerlevad nad lehtsüklonites läbi õhu ja Halloweeni ajal krõbistavad.
Kaamelid, erinevalt inimestest, sobivad kuivale maale nagu käsi kindasse.
Kaameli keha sobib ideaalselt kõrbeelu äärmise kuivuse ja äärmuslike temperatuurimuutustega: päevane kuumus, öine külm, ägedalt puhuv liiv ja vähene juurdepääs veele.
Me arvame, et kaamelid on Saudi Araabia-suguste riikide kõrbetes käijad. Kuid üllatuslikult arenesid kaasaegsete kaamelite (küüliku suuruses) esivanemad Põhja-Ameerikas, umbes 45 miljonit aastat tagasi. Miljonite aastate jooksul arenesid kitsesuurused ja suuremad kaamelid. Kaamelid elasid kogu Põhja-Ameerikas, Kanadast Mehhikoni.
Tegelikult elas praeguses Californias kaheksa erinevat tüüpi kaameleid. Üks neist oli kõrguv Titanotylopus, mille kõrgus oli 11,5 jalga ja mis otsis toitu 3 miljonit aastat tagasi mööda California rannajoont. Teadlased on avastanud ka teise Põhja-Kanada Arktika metsades elanud hiiglasliku kaameli fossiile.
Kaamelid levisid Põhja-Ameerikast Lõuna-Ameerikasse ja üle Beringi maasilla, mis ühendas seejärel Põhja-Ameerika Aasiaga. Seitse miljonit aastat tagasi olid kaamelid levinud praegusesse Hispaaniasse.
Kuid 10 000 aastat tagasi olid kaamelid Põhja-Ameerikas välja surnud, võib-olla elupaikade, inimasustuse ja jahinduse muutmise tagajärjel.
Praegu on tõelisi kaameleid vaid kaks elavat liiki. Kaheküünelised baktrialased elavad Kesk-Aasias. Ühe küüruga dromedaarid rändavad Aafrika Sarvel ja Lähis-Idas.
Kõigil kaamelitel on pikad, paksud, lokkivad ripsmed, ripsmetušši pole vaja. Ääris tabab puhuva liiva kenasti kinni, hoides seda kaameli suurtest pruunidest silmadest eemal. Kaamelitel on ka kolmas silmalaud, mis libiseb küljelt kinni. Õhus, mis on täis puhuvat liiva, võib kaamel sulgeda oma (väga õhukese) kolmanda kaane ja näeb endiselt piisavalt hästi, et edasi trügida.
Kaameli rippuvad kulmuluud ja kohevad kulmud varjutavad tema silmi kõrbepäikese pimestamise eest. Tema laienevad ninasõõrmed võivad tuule käes liiva kinni hoida. Ja tema väikesed karvased kõrvad aitavad hoida ära tüütu kõrvaliiva.
Järgmisena kohandub kaameli temperatuur automaatselt õhutemperatuuriga, langedes külmadel kõrbeöödel nii madalale kui 93 ° F, tõustes seejärel viljapäevade ajal peaaegu 106 ° F-ni (kui temperatuur võib tõusta üle 125 ° F). Kui keha ja õhutemperatuuri vahe on minimaalne, ei soojenda õhk kaameli keha nii palju kui meie jahedam keha.
Vesi on kogu Maa elu jaoks hädavajalik ja kaamelid ei saa ilma selleta hakkama. Veri on 91 protsenti vett. Kui vesi kaob - näiteks higistamise ja urineerimise tõttu - ja seda ei asendata, vere pakseneb. Veresoonte kaudu voogesituse asemel liigub see nagu melass.
See on ohtlik, sest kiiresti voolav veri aitab keha jahutada. Kuidas? Kui keha muundab toidu energiaks, tekib soojus. Nendest reaktsioonidest sügavalt kehas soojeneb veri, kandes seda soojust, kui see voolab naha sisse ja läbi selle. Presto: Nahk kiirgab soojust õhku. Tulemus: keha jääb jahedaks. Kuid meepaksune, veetustatud veri ei pääse nahale piisavalt kiiresti. Kuumus koguneb; sellele võib järgneda surm.
Isegi kõige jahedama ilmaga saavad inimesed ilma veeta elada vaid paar päeva. Kaamelid võivad aga jookide vahel elada kuni 17 päeva.
Kaameli ainevahetus - kiirus, millega keha põletab toitu - aeglustub kuuma ilmaga, vähendades kehasoojust.
Kaamelid on välja töötanud ka võimaluse oma neerudest vett ringlusse suunata, suunates selle ühte kolmest maosektsioonist ja seejärel verre tagasi. Kuid seal on rohkem: kui vaatate kaameli verd mikroskoobi all, näete, et punased verelibled on pigem ovaalsed kui ümarad nagu teiste imetajate omad. Sujuv kuju võimaldab hapnikku kandvatel rakkudel anumate kaudu hõlbustada - isegi kui kaamel on dehüdreeritud.
Lõpuks on ka need küürud. Kuigi kaameli küür pole tegelikult vett täis, hoiab see kaamelit kuuma ilmaga jahedamas. Küürade sisse pakitud on paksud, kuni 80 naela ühes küngas. Kuidas aitab see lisapolster pärastlõunal, kui temperatuur on 120 ° F? Küür toimib kaitsva kapuutsina. Kõrbepäikese käes küpsetades neelab ja hoiab rasvamägi soojust kinni, aeglustades selle laskumist kaameli elutähtsatesse siseorganitesse. Samal ajal kiirgab ülejäänud kaameli keha - eriti need õhukesed, pöörlevad jalad - õhku soojust.
Kuid ennekõike on küür kaameli hädavajalik toiduvarustus, nagu matkaja seljakott, mis on täidetud rada seguga, kalkunitõmmetega ja energiabatoonidega. Küür (või kaks) võimaldab kaamelil mitu nädalat ellu jääda ilma tegelikult söömata. Rasva põletamiseks energia saamiseks väheneb küür järk-järgult, muutudes lõtvaks ja disketiks.
Järgmine kord, kui jõuate kõrge hoone fuajees liftile, sulgege silmad. Kui kast, millega sõidate, tõuseb sujuvalt, võite tunda, et te ei liigu üldse - vähemalt seni, kuni see aeglustub teie korrusel. Mõelge sellele ja saate aru, et teil on olnud sama kogemus rongis või autos. Või isegi reaktiivlennukiga, liikudes läbi pilvede kiirusega üle 500 miili tunnis.
Ka meie reisime oma planeedil, tiirleme ümber Päikese, rännates kogu ülejäänud päikesesüsteemiga läbi kosmose, samal ajal kui Maa pöörleb oma teljel nagu tipp.
Tegelikult on meie planeedi pöörlemiskiirus ekvaatoril suurem kui kommertslennuki reisikiirus. Maa laius on umbes 24 900 miili. Jagage see 24 tunniks, mis kulub ühe korra pööramiseks, ja saame Maa kiiruse ekvaatoril: peadpööritav 1040 miili tunnis.
Kuid kuna kaugus planeedi ümber pooluste poole liikudes väheneb, muutub ka suhteline kiirus. Nii on New Yorgi laiuskraadil Maa pöörlemiskiirus umbes 783 miili tunnis. Mis tähendab, et iga sekund („üks jõehobu, kaks jõehobu”) on teie planeedil keerulisel ringil 1148 jalga edasi liikunud. Ja nagu lennukis püsikiirusel, ei tunne te seda lihtsalt.
Füüsikud avastasid selle põhimõtte juba sajandeid tagasi: suletud kastis, kus pole aknaid, kust piiluda, pole mingit võimalust öelda, kas oleme seisma jäänud või liigume muutumatu kiirusega.
Kuid kui „kast” (või lift või lennuk) kiireneb või aeglustub, ilmub äkki ka liikumistunne. Kogeme liikumist, kui see muutub.
Kuna Maa pöörlemiskiirus on nii püsiv, ei saa me (õnneks) tunda, kui kiiresti me tegelikult pöörleme. Sama kehtib ka meie 365-päevase retke ümber Päikese, mille meie kiire planeet vilistab 67 000 miili tunnis.
Kuigi teid ketratakse ida suunas, ütleme näiteks ligi 800 miili tunnis, tõmbab teie keha aine tugevalt planeedi palju suurema aine massi poole. Pöörlemisega loodud tsentrifugaaljõud, väljapoole suunatud „jõud“ on väike osa meie planeedi allapoole suunatud gravitatsioonijõu tugevusest.
Kuid kui Maa pöörlemiskiirus järsku muutub, mõistaksime, et liigume meeletu kiirusega. Kui Maa järsku aeglustub, läheksime teadlaste sõnul edasi; kui see kiireneks, langeksime tahapoole.
Ja kui Maa pöörlemiskiirus ekvaatoril tõuseks enam kui 18 000 miilini tunnis ja päev kestis vaid 80 minutit, ei suutnud raskusjõud meid enam ohutult maasse istutada. Ja me läheksime pimedusse lendama.
Miks on taevasinine?
Päevane taevas valgustav päikesevalgus on valge. Miks siis pole taevas hiilgavalt valge? Selleks, et taevas näeks välja sinine, peab Maa atmosfääri läbides valgusega midagi juhtuma.
Kui valge valgus Päikesest sisse voolab, tõmbub see kosmose lähedalasuvast vaakumist meie planeeti kattevasse gaasilisse atmosfääri. Kui Maa õhk sisaldab palju gaase, alates süsinikdioksiidist kuni argoonini, moodustavad atmosfääri suurema osa lämmastik (78 protsenti) ja hapnik (21 protsenti). Ja kui päikesevalguse footonid kohtuvad Maa õhu gaasimolekulidega, siis kohtumine muudab neid.
Kust sinine tuleb? Tegelikult oli sinine kogu aeg päikesevalguses. Valge valgus on valmistatud varjatud värvide vikerkaarest, mis ilmneb siis, kui päikesevalguskiir läbib prisma. Siis näeme tuttavat vikerkaare spektrit: punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo, violetne. Igal värvil on erinev energia ja lainepikkus.
Õhugaasid kiusavad neid värve valgest valgusest välja. Osa päikesevalgust tõmbab lihtsalt gaasimolekulide vahel tühjadest ruumidest läbi, jõudes puutumatuna maapinnale. Kuid valgus, millel on gaasimolekulidega sissesõit, neeldub, jaguneb selle tõelisteks värvideks ja hajutatakse siis igal pool.
Kuidas see töötab? Gaasimolekuli liikme aatomid ergastuvad valguse footonite (osakeste) mõjul ja kiirgavad footoneid uuesti erineva lainepikkusega - punasest kollaseni violetseni. Seejärel suundub valgus maa poole või saadetakse külili taevasse. Olenevalt nurgast suumib mõni valgus isegi kosmosesse tagasi.
Ja nii muutub taevas siniseks: päikesevalguse spektri lühema lainepikkusega sinist kuni violetset otsa hajub palju rohkem kui punaseid ja kollaseid. Niisiis näeme taeva igast suunast sinist valgust, mis ületab nõrgemat punast, kollast ja oranži.
Huvitaval kombel hajutab violetset valgust gaasimolekulid isegi tugevamalt kui sinist. Miks me siis ei näe taevat lillades uhtumas? Clevelandi osariigi ülikooli füüsiku Jearl Walkeri sõnul on seletusi kaks: päikesevalguse violetne osa on hämaram kui sinine ja inimese silmad on vähem tundlikud lühema lainepikkusega violetse suhtes.
Maal elavate teiste jaoks võib see olla hoopis teine lugu. Kuna loomade silmad on tundlikud erineva valguse lainepikkuse suhtes, siis tõenäoliselt tajuvad paljud loomad Maa taevast erinevates toonides. Näiteks mesilased näevad spektri meile nähtamatut ultraviolettkiirgust. Mesilase jaoks võib taevas olla lillakas.
Meie, inimeste jaoks, paistab päeval silma sinine, mida võimendab päikesevalguse atmosfääri taga olev ruumi must taust. Aga kuhu läheb sinine öösel? Kui Päike on horisondi all, on Maa taevas endiselt sama täis gaasi, hajutades allesjäänud valguse. Walkeri sõnul on öine taevas tõepoolest endiselt sinine. Kuid sinine on meie silmade ja aju tajumiseks lihtsalt liiga hämar. Pika särituse jaoks seatud kaamera, mis kogub valgust mitu minutit kuni mitu tundi, võib aga paljastada tähistaeva sügava tõelise sinise värvuse.