Текст статьи Шефер В. Дж. Наблюдения над утренней чашкой кофе // Квант. — 1977. — № 4. — С. 24—26.
Эта статья заимствована нами из журнала «Успехи физических наук» (1972 г., том 108, выпуск 3).
Автор статьи Винсент Дж. Шефер является директором Исследовательского центра по изучению атмосферы при Университете штата Нью-Йорк в Олбэни, США. Статья печатается с некоторыми сокращениями.
Внимательные наблюдения над повседневными явлениями позволяют узнать многое о природе физических процессов.
Можно наблюдать много чрезвычайно интересных химических и физических явлений, если чашку очень горячего чёрного кофе осветить сильным пучком света, параллельным поверхности жидкости. Первый раз я наблюдал эти явления, глядя вдоль края кипящих источников зимой в Йеллоустонском парке. Через несколько лет я обнаружил их вновь за утренней чашкой кофе, вскоре после восхода Солнца. На этот раз всё происходило в сухом воздухе Северной Аризоны.
В Йеллоустоне наблюдение было часто затруднено влагой, поднимающейся от горячей воды, которая конденсировалась в воздухе и бо́льшую часть времени скрывала от глаз наблюдателя поверхность жидкости. В Аризоне, наоборот, чистый воздух раннего утра и яркий свет восходящего Солнца создавали идеальные условия для наблюдения интересных эффектов, к описанию которых я и хочу приступить.
Если наполнить чашку до краёв чёрным кофе (быстрорастворимым или обычным), близким к закипанию, и посмотреть на него при подходящем освещении, то первое, что бросится в глаза, это причудливые ячейки, которые образуются на поверхности кофе под поднимающимся паром (см. рисунок). Ячейки поперечным размером от 1 до 3 см имеют форму неправильных многоугольников и выглядят как пыльные светлые пятна, ограниченные узкими тёмными линиями. Пятнами отмечаются места выхода на поверхность восходящих потоков горячей жидкости. Затем эти потоки растекаются по поверхности, слегка охлаждаются и в тех местах, которые отмечены тёмными линиями, вновь погружаются внутрь кофе, образуя структуру, известную под названием вихревых ячеек Бенара.
Эти ячейки присутствуют во всех жидкостях и газах в тех случаях, если их нижние слои имеют более высокую температуру, чем верхние. Не важно, чем создан такой перепад температуры: тем ли, что жидкость подогревается снизу или охлаждается сверху, — существенно только, чтобы температура уменьшалась снизу вверх. Явление может проявляться в самых разных масштабах. Француз Анри Бенар, который в 1900 году впервые заметил его, пользовался для наблюдений микроскопом. Однако это явление можно видеть и в облаках над землёй, и на поверхности воды в морях, и даже в структуре фотосферы Солнца.
На поверхности горячего кофе ячейки Бенара хорошо видны благодаря следующему явлению. Интенсивный поток молекул водяного пара, поднимающегося от горячей поверхности кофе, действует на непосредственно прилегающие к поверхности жидкости слои более холодной атмоссферы с силой, направленной вверх. Бо́льшая часть водяных капель, конденсирующихся в насыщенном влагой воздухе, либо опускается назад в жидкость, либо поднимается в атмоссферу и испаряется в ней. Однако имеются и такие капельки, которые слишком велики, чтобы подняться в верхние слои воздуха, и одновременно — слишком малы, чтобы их сила тяжести могла преодолеть давление восходящего потока молекул воды, поднимающихся с поверхности горячей жидкости. В результате сила тяжести этих сконденсированных капелек уравновешивается силой давления вылетающих с поверхности жидкости молекул, так что капельки оказываются взвешенными в воздухе над поверхностью горячего кофе. На границах же ячеек Бенара имеется нисходящий поток пара, капельки оседают, и здесь чёрная поверхность кофе обнажается. Если воспользоваться микроскопом, обладающим небольшим увеличением, то можно заметить, что пылевидные пятна над восходящими потоками горячего кофе состоят из плотно упакованных крошечных однородных водяных капелек. Размеры капелек и высота их локализации над уровнем жидкости определяются давлением паров воды, числом центров конденсации в данном объёме и силой тяжести.
То, что число и размеры капелек определяются наличием центров конденсации, можно доказать с помощью зажжённой спички, поднесённой ниже края чашки. Пламя спички создаёт, как известно, дополнительные центры конденсации, в результате чего концентрация капелек резко уменьшается, размеры их становятся заметно меньше, и они локализуются ближе к поверхности горячей жидкости.
Если поверхность жидкости осветить ярким горизонтальным параллельным пучком света (например, лучами восходящего Солнца, световым пучком из проектора для диапозитивов или из яркого фонаря) и вести наблюдение в направлении освещения и близко к оси светового пучка, то над поверхностью тёмной жидкости можно увидеть спектрально разложенный свет. Явление дифракции света на мелких капельках в высоких слоях атмосферы приводит иногда к появлению окраски венцов вокруг Солнца или Луны, когда они закрываются облаками, состоящими из почти однородных капелек.
Искусный и настойчивый экспериментатор может заметить также характерное и довольно любопытное электрическое явление. Если к поверхности жидкости поднести наэлектризованный предмет (например, эбонитовую гребёнку), то взвешенные в воздухе капельки влаги исчезают. Это показывает, что капельки сильно заряжены. Если же наэлектризованный предмет заряжен не очень сильно, то одновременно с наличием вблизи поверхности жидкости стабильной зоны уравновешенных капелек возникает поток капелек, конденсирующихся на ионах, распространяющихся от заряженного тела.
Чашка горячего кофе является идеальным прибором для наблюдения всех или некоторых из описанных явлений. Однако по мере остывания кофе эффекты быстро ослабевают. Для более продолжительных наблюдений я пользовался следующим устройством. Чисто вымытая жестянка из-под консервов наполнялась водой, подкрашенной чёрными чернилами, и подогревалась на горячей подставке. В качестве горячей подставки служил электрический утюг, перевёрнутый вниз ручкой, которая зажималась в настольные тиски. Это приспособление позволяло проводить наблюдения сколь угодно долго. Прекрасным источником света служил проектор для показа диапозитивов, а наблюдать расположение, размеры и другие характеристики «плавающих» капелек можно было в микроскоп. Впоследствии я обнаружил, что горячий глицерин ещё лучше подходит для продолжительных исследований.
Грязь на поверхности жидкости в некоторых случаях может подавить интересующие нас эффекты, однако её легко удалить. Для этого к поверхноёти жидкости нужно прикоснуться кусочком газетной или другой бумаги и тут же его убрать. Загрязняющая поверхность жидкости мономолекулярная плёнка постороннего вещества (или пыль) высадится на поверхности бумаги и останется на ней. Для очистки поверхности горячей жидкости может потребоваться несколько таких операций, выполняемых каждый раз с новым куском бумаги. Разумеется, не представляет труда намеренно загрязнять поверхность кофе или другой жидкости для того, чтобы исследовать влияние постороннего молекулярного покрытия на описанные явления.
Начать опыты, по-видимому, лучше всего с глицерином или с подкрашенной чернилами водой, не расходуя кофе.