Пар из кофе: 3 удивительных факта, как он меняет мир

Оглавление:

1. Почему мы видим пар из кофе, хотя не должны? Разгадка тайны
2. Что скрывается в лёгком облачке над чашкой кофе? Ответ вас удивит
3. Как пар из кофе поднимается вверх? Узоры, которые вы никогда не замечали
4. Как вода превращается в необычайные мозаики? Секреты, которые вы не знали
5. Что такое четвёртая фаза воды и почему она важна для пара?
6. Как пар из кофе связан с дождём? Тайны круговорота воды
7. Почему пар исчезает и что это значит для нас? Узнайте истину

Какую картину вы представляете, когда слышите словосочетание «чашка кофе»? Скорее всего, уютное, наполненное непередаваемым ароматом, помещение маленькой кофейни или собственной кухни, где на маленьком столике стоит изящная чашка свежезаваренного кофе с поднимающейся над ним струйкой пара.

Знаете ли вы, что первую чашку кофе сварили вовсе не в кофейне Starbucks? Согласно преданию, первый кофе был сварен эфиопским пастухом по имени Калди, жившим в XIII веке. Причем, он не только приготовил, но и открыл необычные свойства кофе.

Однажды он заметил, что его козы едят странные красные ягоды, после чего некоторое время выглядят возбужденными и беспокойными. Он решил попробовать эти плоды сам. Разжевав несколько ягод, он убедился в их бодрящем действии. Удивленный пастух решил поделиться своим открытием с местным мусульманским священнослужителем. Однако тот не только не оценил находки, но даже рассердился и бросил ягоды в огонь.

Почти сразу от очага стал исходить заманчивый аромат. Калди удалось вытащить из очага несколько обгоревших ягод, которые он принес домой, перемолол на ручной мельнице и заварил порошок в горячей воде. Вот так в мир пришла первая чашка кофе.

Достоинства этого напитка всем известны. Его вкус и аромат будоражит наши чувства, обостряет восприятие. Причем, все эти метаморфозы зачастую происходят уже тогда, когда мы видим легкое облачно кофейного пара и вдыхаем его аромат.

А задавались ли вы вопросом, почему мы так хорошо видим кофейное облачко, ведь согласно общепринятому мнению пар не должен быть видимым? Действительно, вещества в газообразном состоянии, как правило, не видны. Что же должно произойти, чтобы такой объект стал видимым? Об этом рассказывает Джеральд Поллак в известной книге «Четвертая фаза воды».

Известно, что видимость зависит от рассеяния света. Пары кофе, состоящие из везикул (пузырьки очень малого размера), рассеивают падающий свет и становятся видимыми. Именно этот рассеянный свет улавливают наши глаза.

Количество рассеянного света зависит от размера везикул: если их диаметр будет не меньше, чем длина волны падающего света (примерно полмикрона), то рассеяние будет заметным. Очевидно, при таком размере каждая везикула должна содержать миллиарды молекул.

Если вы понаблюдаете за той же чашкой горячего кофе, вы заметите, что пар поднимается неравномерно, он состоит из своеобразных сгустков, которые появляются с определенной периодичностью. Каждый сгусток пара состоит из множества везикул, каждая из которых в свою очередь состоит из огромного числа молекул. Таким образом, с каждым «выбросом» пара в воздухе оказываются миллиарды молекул воды.

Следует отметить, что пар поднимается не только от горячей воды, но и с поверхности теплой жидкости. Этот пар представляет собой тонкие струйки, похожие на спагетти. Поскольку эти нити мы видим невооруженным глазом, они также должны содержать множество светорассеивающих элементов и, скорее всего, наполненные водой везикулы.

Конечно, отчетливые узоры пара мы можем наблюдать не только над горячим кофе. Принято считать, что жидкость теряет по одной молекуле за раз: случайное количество кинетической энергии отделяет оказавшуюся на поверхности молекулу от жидкости.

Затем эти молекулы собираются в достаточно большом количестве и конденсируются в видимые облака, которые поднимаются в более прохладные воздушные слои. Но что заставляет эти молекулы так быстро конденсироваться, и почему этот процесс представляет собой периодическое формирование отдельных сгустков, а не одного сплошного и непрерывного облака? Поговорим об испарении.

Эксперименты с паром, которые проводились в лабораторных условиях под руководством Джеральда Поллака, показали, что зарождающиеся паровые облака не были аморфными, их горизонтальные сечения имели четкие упорядоченные фрагменты. Одни кольцевые структуры плотно примыкали к другим кольцевым структурам, образуя «кренделеобразную» мозаику.

Внутри кренделя, как и полагается, было пусто, пара там не было. Границы мозаики содержали всю испаряющуюся воду. В целом облачко пара представляет собой стопки таких своеобразных кренделей, или, другими словами, имеет вид связки плотно упакованных трубок, вертикально поднимающихся с поверхности жидкости.

Несмотря на довольно четкие контуры, рисунок восходящего пара неустойчив. При движении вверх трубчатая структура неизбежно деформируется под воздействием отдельных конвективных потоков. Издалека мы воспринимаем эту структуру как бесформенное облако, но, если приглядеться, то можно заметить пустоты, которые выглядят как темные дыры.

Позже было установлено, что такие трубки поднимаются только из определенных участков жидкостной поверхности. С одной области поднимаются облачка или нитевидные струйки, тогда как другие области не «производят» совсем ничего заметного. Зоны испарения со временем могут смещаться, но облако пара появляется только с определенных участков поверхности.

Результаты наблюдений были поразительными. Ситуация складывалась таким образом, что везикулы собирались в большие трубки, уже сформированные к тому моменту, когда они отрывались от поверхности воды. Причем, несколько трубок достаточно долго сохраняют свою форму, поднимаясь вверх.

Исследователи понимали, что трубчатые структуры не формируются по волшебству. Так как они поднимаются непосредственно из воды, оставалось предположение, что вода содержит шаблоны соответствующих структур, которые потом формируют узоры из пара. Но существуют ли такие структуры в действительности?

Когда мы смотрим на поверхность теплой воды, она кажется идеально ровной и безликой. Однако, экспериментальные наблюдения свидетельствуют о другом. Инфракрасные снимки, сделанные сверху, отображают кольцевые мозаичные структуры, которые очень похожи на те, что наблюдаются в паре.

Кроме того, удалось установить, что темные границы на снимках воды соответствуют светлым границам на снимках пара. И те, и другие границы содержат воду. Таким образом, сходство между структурами жидкости и пара слишком очевидны, чтобы игнорировать его.

Очевидно, что характерные структуры, свойственные пару, есть в воде. Причем это справедливо в очень широком диапазоне температур. Чем выше температура жидкости, тем меньше размер ячеек в ней, и тем они многочисленнее и динамичнее.

Джеральд Поллак и его группа исследователей пришли к выводу, что структура пара и воды взаимосвязаны. Дальнейшие эксперименты вновь привели ученого к наличию у воды так называемой исключающей зоны, или четвертой фазы воды.

Если говорить коротко, четвертая фаза воды – это живая вода, находящаяся в зоне элиминации (исключения) и имеющая отрицательный заряд. Эта фаза отличается от трех известных: жидкой, твердой и газообразной.

Вода исключающей зоны – прекрасный кандидат для образования мозаики. Оптические свойства такой воды отличаются от объемной воды как минимум по двум параметрам. Во-первых, у них отличается поглощение света.

Во-вторых, у них разный коэффициент преломления – этот показатель в исключающей зоне примерно на 10 % выше, чем у объемной воды. Эти отличия вполне могут послужить причиной заметного контраста между областями, составляющими мозаику (на снимках они видны как темные и светлые области).

Другим, вполне вероятным «материалом» для образования мозаики, похожей на мозаику пара, является множество везикул. Обернутые слоем исключающей зоны, эти крошечные пузырьки могут использовать механизм притяжения подобного к подобному, благодаря чему могут объединяться в большие массивы.

Так как теплая вода содержит много везикул, сырья для образования мозаики более чем достаточно. Горячая вода отличается просто огромным числом везикул, поэтому и мозаики в ней многочисленнее.

Как уже отмечалось выше, скопление везикул также образуют границы узоров пара. Удивительно, но отдельные везикулы можно различить не только в воде, но и в облаках пара. Следовательно, мозаика жидкости и пара имеет схожую кольцевую структуру. Отсюда напрашивается вывод, что мозаичные массивы в воде при испарении формируют аналогичные массивы в воздухе. Мозаика воды дает начало мозаике пара.

Мы уже упоминали, что облака пара имеют структуру, вытянутую по вертикали, они представляют собой поднимающиеся вверх трубки. Если паровая мозаика возникает из водной, вполне возможно, последняя также имеет вертикальную протяженность. Другими словами, водная мозаика уходит вглубь от поверхности, и тогда одна структура может легко переходить в другую.

Эксперименты подтвердили это предположение. Темные линии границ водной мозаики уходят вниз от поверхности, образуя в толще воды трубчатые мозаичные структуры. Эти вертикали достаточно подвижны. В быстро испаряющейся воде они могут колебаться и изгибаться в направлении дна.

Этот нисходящий поток скорее всего состоит из везикул. Нисходящие везикулы играют важную роль: они пополняют везикулы мозаики. Так как материал мозаики постепенно теряется в процессе испарения, его надо постоянно восстанавливать.

Если процесс протекает исправно, мозаика может поддерживать сама себя, и испарение не ослабевает. Таким образом, нисходящие потоки нужны мозаичной структуре для поддержания существования.

Вертикальные потоки имеют значение и с энергетической точки зрения. Вода становится теплой, потому что поглощает лучистую энергию. Эта поглощенная энергия нарушает равновесие воды с окружающей средой. Чтобы вернуть это равновесие, вода должна отдать энергию.

Чтобы отдать энергию, необходимо ее излучать или выполнять работу. Вертикальные потоки делают и то, и другое. Они преодолевают трение молекул, чтобы течь, то есть выполняют работу. Они же генерируют лучистую энергию, так как заряженные везикулы быстро перемещаются через воду.

Джеральд Поллак сделал два вывода. Водная мозаика – это трехмерная сущность, как и мозаика пара. Они состоят из своеобразных вертикальных трубок. Кроме того, трубки водной мозаики постоянно возобновляются. Это возобновление позволяет продолжаться процессу испарения.

Чем же вызвано образование облаков пара? Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним, какая энергия вызывает испарение. Известно, что вода быстрее всего испаряется под действием тепла и света, следовательно, причина испарения – лучистая энергия.

Но почему везикулы поднимаются в воздух? Возможно, из-за низкой плотности, так как пузырьки, заполненные паром менее плотные, чем пузырьки, заполненные жидкостью. Но это не объясняет, почему везикулы имеют оболочки, состоящие из материала исключающей зоны, более плотного, чем жидкая вода.

Из-за соотношения масс оболочки и внутренней части везикулы могут оставаться более плотными, чем воздух. Очевидно, что для продвижения везикул вверх нужно что-то еще, кроме уменьшения плотности. Поллак предполагает, что это могут быть заряды.

Он объясняет это следующим образом. Испарившиеся везикулы поднимаются высоко в атмосферу, со временем они конденсируются и собираются в облака. Вода, содержащаяся в облаках, очень тяжелая.

Коллега Поллака, изучающий атмосферу, предлагает для лучшего понимания оценивать вес облаков не в килограммах, а в слонах. Так, в большом кучево-дождевом облаке общий вес аэрозольных частиц может достигать пятнадцати миллионов слонов.

Такое гигантское количество воды в конечном счете обрушивается на землю в виде дождя. Падение означает, что уменьшилась некая сила, которая поддерживала частицы высоко в небе. Джеральд Поллак говорит: «Что, если это та же самая сила, которая заставляет везикулы подниматься от поверхности воды?».

Эта подъемная сила может быть электростатической, то есть основанной на зарядах. Везикулы обладают отрицательным зарядом, отрицательный заряд несет и Земля. Заряд Земли может отталкивать везикулы, направляя их вверх.

Если опираться на эту теорию, можно объяснить, почему пар поднимается отдельными клубами. Мы помним, что мозаичные трубки обладают отрицательным зарядом, так как их составляют отрицательно заряженные везикулы. Протоны, расположенные между везикулами, ослабляют отталкивание отрицательных зарядов, поэтому в целом отрицательный заряд трубок сохраняется.

По мере того, как все больше и больше везикул адсорбируется, отрицательный заряд увеличивается, а внутреннее отталкивание усиливается. Как только критический порог будет превышен, трубка в самом слабом месте буквально разрывается на части.

Этот механизм и создает отдельные сгустки пара. Процесс повторяется, образуя знакомую последовательность клубков пара, подобных тем, что поднимаются над чашкой горячего кофе.

Облака пара в конце концов исчезают, они растворяются в воздухе, поднимаясь наверх. Почему это происходит, и как растворяются облака? Наиболее очевидны два объяснения: распадается совокупность везикул или разрушаются сами везикулы. Первое представить гораздо проще. Физический механизм разрушения везикул не так очевиден.

После освобождения везикулы должны рассеяться. Одиночные везикулы почти невозможно увидеть: хотя каждая и рассеивает свет, но его количество настолько мало, что практически незаметно.

Везикулы в более высоких концентрациях заметно рассеивают свет, что объясняет легкую дымку в воздухе. Такое часто происходит во влажном летнем воздухе. Этот рассеянный свет словно размывает виды вдали, и мы пытаемся смотреть сквозь тонкое облако.

Итак, вероятнее всего именно везикулы обеспечивают непрерывность процесса. Сначала они образуются в воде, затем поднимаются в виде пара, рассеиваются, образуют облака, затем сливаются друг с другом, образуя капли дождя, которые возвращаются на землю, чтобы завершить цикл.

Механизм движения везикул, считает Джеральд Поллак, является центральным элементом круговорота воды. Это справедливо как для процессов в планетарном масштабе, так и для образования ароматного кофейного облачка.