Vântul: când aerul prinde dor de ducă

[“Tower Mill at Wijk bij Duurstede, Netherlands”
by Jacob van Ruisdael (1670)]

“[…]S-aude și-un clopot de școală, 
E vânt, și-i pustiu, dimineața;
Hârtii și cu frunze, de-a valma, 
Fac roata-n vârteje, pe-o piață.[…]“

(“Toamna” de George Bacovia)

<— Cuprins: —>
Piază-rea
Invizibilul se pune în mișcare
Invizibilul se enervează
Tentativă de atotprezență
Unul urcă, altul coboară
Vreme trece, vreme vine…

Piază-rea

Vântul este una din chestiile alea ale naturii care în mod normal (cu unele excepții) are mai mereu darul să îți strice ziua perfectă. Colac peste pupăză, în general vântul (că e o adiere, că e o tornadă) oricum este băgat în seamă și contemplat doar atunci când te enervează, și chiar și atunci nu este contemplat pe cel mai frumos ton. Să-ți fie rușine. Așa că dacă tot a venit toamna și stai în casă la căldură, hai să aflăm mai multe despre vânt și să îl înțelegem. De ce aerul pe care îl respirăm zi de zi poate sta liniștit într-o zi, iar în alta e atât de puternic încât poate culca întregi copaci la pământ?

Răspunsul o să te surprindă un pic: este vorba de temperatură, mai exact despre diferența de temperatură dintre anumite zone, dar până acolo aerul se bazează pe anumite proprietăți fizice, pe mai mulți factori. În tot restul postării o să identificăm acei factori și o să-i punem cap la cap, să vedem în mare cum ajunge aerul să fie vânt.

Invizibilul se pune în mișcare

Deși vântul este un fenomen la scară macro, povestea lui începe la nivel microscopic, adică la nivel atomic. Ce trebuie să realizezi în primul și în primul rând (după cum am vorbit și în postarea Atmosfera apăsătoare) e că deși aerul din jurul tău nu pare așa, el este cât se poate de material. De fapt, în esență, este la fel de material ca tine, adică este făcut fix din același fel de atomi care se regăsesc în tine. Asta pentru că aerul din jurul tău este un amestec de gaze, care sunt compuse din tot soiul de elemente chimice: ba niște oxigen (20,95%), ba niște azot (78,09%), ba niște argon (0,93%), ba niște dioxid de carbon și altele (0,04%).

Aceste elemente chimice se află în jurul tău în stare gazoasă, adică sunt gaze. De ce sunt așa și nu lichide ca apa (care în mod dubios e făcută din două elemente pe care le găsești tot timpul sub formă de gaze în jurul tău: hidrogen și oxigen) sau solide ca o cărămidă? Asta are de a face cu atomii în general. După cum ți-am povestit și în acest Video extraordinar despre energiile din interiorul tău, fiecare atom din jurul tău și din tine are energie cinetică, adică se mișcă. Mai exact, se zgâlțâie și se tot zgâlțâie.

Acuma, în general, atomii ce compun aerul pe care îl respirăm nu plutesc singuri prin atmosferă, ci se organizează în tot soiul de grupulețe numite molecule. Adică unii atomi tind să se lege de alți atomi care aparțin fie aceluiași element chimic (cum este oxigenul pe care îl respiri), fie unui alt element chimic (cum e dioxidul de carbon) și, după cum am mai vorbit în postarea Universul e făcut din piese Lego, sunt o grămadă de moduri prin care un atom se poate lega de un alt atom, dar de orice legătură ai vorbi ea implică automat și electroni. Mai exact electronii de pe ultimul strat ai fiecărui atom. Astfel, atomii se înhăitează în urma acțiunii unor forțe ca să formeze acele molecule. Dar asta nu-i tot! Chiar și moleculele se pot înhăita cu alte molecule, tot prin astfel de forțe.

Forța de dispersie London este una dintre aceste legături dintre molecule și depinde mult de numărul de electroni pe care un atom îi are. Practic, dacă ești o moleculă, cu cât ai mai mulți electroni, cu atâta forța de dispersie London e mai puternică. De exemplu molecula de brom (care are doi atomi de brom legați unul de celălalt – Br₂) are mai mulți electroni decât molecula de clor (Cl₂). Ce înseamnă asta? Că forța de dispersie London a primei molecule menționate este mult mai puternică decât a celei de-a doua. Este cea mai slabă din forțele care țin moleculele împreună.

Imaginează-ți că ții pe cineva de mână. Ușor, nu cu forță. Dacă vine altcineva și te trage brusc în altă direcție, nu foarte tare, cel mai probabil o să-i dai drumul persoanei cu care te țineai de mână, datorită energiei cu care ai fost tras într-o parte. Acuma ia-o din nou de mână și ține-o mai bine, mult mai bine. Uite și tu…iar vine nenorocitul ăla să te tragă în altă direcție. Numai că, ha! De data asta, deși te-a tras cu aceeași energie, tu ai strâns mai bine mâna celeilalte persoane și nu i-ai mai dat drumul. Cam așa stă treaba și cu legăturile dintre atomi sau molecule, unele sunt mai puternice, altele mai slabe.

Invizibilul se enervează 

Toți atomii au energie cinetică, iar temperatura unui corp sau unei substanțe este dată fix de cantitatea de energie cinetică pe care atomii din interiorul lor o au. Cu cât aceștia au mai multă energie cinetică, cu atât se mișcă mai mult și mai violent, iar temperatura crește mai mult. În cazul unei molecule, când atomii se mișcă mult prea mult (deci temperatura e ridicată), pur și simplu rup legăturile dintre ei și încep să zburde în toate direcțiile.

Astfel, un solid este pur și simplu un corp ai cărui atomi nu au destulă energie să se miște astfel încât să rupă legăturile dintre ei. Un lichid are ceva mai multă energie astfel încât atomii să se miște mai mult, dar tot nu e destulă încât să rupă legăturile, în timp ce un gaz are destulă energie, iar atomii se mișcă destul de mult și violent încât să rupă acele legături. Aerul pe care îl respirăm este compus din elemente chimice în stare de agregare gazoasă. Sunt gaze. Înțelegi? Ușor ușor o să vedem și cum se leagă de vânt.

Ok, dar dacă aerul este compus din gaze, atunci cum de nu ne arde? Că parcă am stabilit mai sus că atomii care se mișcă foarte mult=temperatură ridicată. Răspunsul este că unele elemente chimice se transformă din lichid în gaz mai devreme (adică la o temperatură mai joasă) decât altele. Am zis mai sus că forța de dispersie London e cu atât mai puternică cu cât un atom are mai mulți electroni.

D-aia unele elemente chimice au punctele de fierbere (temperatura la care trec din stare lichidă în stare gazoasă) atât de joase: din cauza legăturilor slabe dintre atomii lor. Astfel, oxigenul este gaz la temperatura camerei, în timp ce aurul este cât se poate de solid: legăturile dintre atomii de aur sunt cu muuuuuuult mult mult mai puternice decât legăturile dintre atomii de oxigen, iar aceștia necesită energie mult mai multă pentru a le rupe.

Tentativă de atotprezență

Deci carevasăzică un gaz este practic o adunătură de atomi sau molecule care au destulă energie încât să se miște liberi sau libere, fiind destul de nărăvașe încât să rupă legăturile slabe dintre ele. Și chiar fac asta!

Una din caracteristicile fundamentale ale unui gaz e că o să încerce să umple un spațiu cât se poate de mult (și chiar ocupă mai mult spațiu decât solidele sau lichidele). Asta pentru că gazul (chiar nu contează din ce elemente chimice e făcut) este un spirit liber și va căuta constant să zburde și dacă îi dai ocazia în nici un caz nu o să rămână într-un singur loc. Asta pentru că gazul (la fel ca lichidele sau plasma) este un fluid, adică o substanță care curge și care capătă forma vasului în care se află.

Imaginează-ți că ai un recipient închis etanș cu un capac în care ai niște hidrogen. Dacă scoți capacul, hidrogenul nu o să vrea sub nici o formă să stea în recipient și o să încerce imediat să scape și să zboare peste mări și țări. Acesta se va amesteca împreună cu aerul până ajunge la un echilibru și se extinde uniform. Această proprietate se numește difuzie și este practic procesul prin care două fluide formează un amestec. Gazele difuzează mai rapid decât lichidele.

Și uite că deja începem să ne dăm seama cam care-i treaba cu vântul! Vezi tu, în natură lucrurile încearcă mereu să atingă un echilibru, să se uniformizeze, iar difuzia există fix din același motiv. O analogie utilă e să te gândești la un grup de oameni care intră într-un autobuz: or să stea toți în același loc? Or să stea străinii unul lângă celălalt, când deja sunt o grămadă de scaune libere? Nu, firește. Or să se răsfire prin tot autobuzul. Așa e și cu gazele și difuzia.

Unul urcă, altul coboară

Din câte am spus mai sus, temperatura unui corp sau unei substanțe ne este dată de gradul de energie cinetică pe care îl au atomii lor, adică mai pe românește, cu cât atomii dintr-un corp se mișcă mai mult, cu atât corpul e mai cald. E de la sine înțeles că un gaz cald are atomi care se mișcă mai mult decât un gaz rece, nu?

Una din particularitățile gazelor este că atunci când au temperatura ridicată (deci mai multă energie), atomii lor tind să se ridice. În schimb, gazele cu temperatura mai scăzută tind să coboare. Așa se întâmplă mereu: aerul cald urcă, aerul rece coboară. Tocmai datorită difuziei de care am vorbit mai sus. Aha!

Acuma, ideea crucială este că Pământul nu este încălzit uniform: în primul rând Soarele nu încălzește Pământul la fel peste tot, mai ales că planeta are forme de relief, munți, câmpii, văi, și se creează zone în care aerul este mai cald decât în altele. Deci în unele locuri există anumite “bule” de aer mai cald sau mai rece.

După cum am vorbit în Atmosfera apăsătoare, aerul din jur are masă, are greutate și te apasă pe tine și orice lucru de pe suprafața Pământului. Aerul cald, cum se ridică, apasă mai puțin și lasă în urmă o zonă cu presiune scăzută, un loc în care atomii din aer sunt mai răsfirați, mai rarefiați. Aerul rece, în schimb, coboară și apasă mai mult pe tine, formând o zonă cu presiune ridicată, o zonă în care atomii din aer sunt mai apropiați, mai aglomerați. Deci automat, o “bulă” de aer cald are și presiunea scăzută, iar o “bulă” de aer rece are și presiunea mai ridicată.

Vreme trece, vreme vine…

Dar ce rămâne în urma aerului cald când se ridică? Rămâne vid? Nu, în nici un caz! După cum am spus în aceeași postare amintită mai sus, Universul detestă vidul din tot sufletul și încearcă să îl umple cum apucă, iar în momentul în care aerul cald se ridică, cel mai la îndemână îi e să umple acel spațiu lăsat de aerul cald cu aer rece. Așa că imediat ce aerul cald s-a ridicat, țușt, și aerul rece să îi ia locul! Aerul a început să se miște. A apărut vântul!

Acum vezi exact cum se leagă tot ce ți-am spus până acum? Atomi, temperatură, molecule, legături intermoleculare, difuzie? Totul a pornit de la mișcarea atomilor și se sfârșește cu o adiere de vânt sau chiar cu o tornadă. Totul depinde de cât de mare e diferența de presiune dintre zona cu presiune ridicată și zona cu presiune scăzută: cu cât aceasta este mai mare, cu atât vântul e mai puternic. Asta pentru că aerul cald se ridică mai mult și mai rapid, iar aerul rece o va zbughi și el cât poate de repede să umple spațiul lăsat în urmă.

Firește, când vorbești de uragane, cicloane sau tornade, situația se complică un pic și devine ceva mai complexă, dar în esență este vorba de același lucru: despre zone cu diferite tipuri de presiune și diferența dintre temperatura unor gaze.

Mă bucur tare mult că am apucat să scriu postarea asta și să fac research pentru ea. Mereu m-am întrebat cum se face că aerul pe care îl respir poate sta la un moment dat liniștit în plămânii mei, iar apoi a doua zi să ia umbrele pe sus. Deoarece îmi pare a fi unul din cele mai bune exemple pentru un lucru absolut banal la care nici nu te gândești, dar care are în spate o poveste extraordinară și fascinantă. Despre asta e vorba pe site-ul ăsta.