Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

любой его металлической поверхности. Просто положите руку на металл кузова сбоку или сверху дверной рамы. И все же однажды вы наверняка забудете это сделать, и в действительно сухой день, когда на вас будет надето много хлопка, вы получите целый поток искр, как только поднесете руку к автомобилю. Так что есть и второй совет, возможно довольно непрактичный и неудобный, зато всегда срабатывающий: носите одежду из полиэстера и виниловой ткани.

Поддержание теплицы в тепле

Каждый из нас не понаслышке знает, что такое душное тепло оранжереи или плохо проветриваемого офиса, где все изнемогают от жары в солнечный день. Ну а еще одним примером так называемого парникового эффекта является обычная теплица. Я думаю, не один я задавался вопросами, связанными с этим эффектом. Например: почему, если тепло попадает в теплицу, оно не выходит наружу? Вместо этого оно постепенно накапливается, и температура взлетает вверх.

В основе парникового эффекта лежит интересный, хотя и сложный закон – закон излучения абсолютно черного тела. Физика этого процесса весьма утомительна, но по существу все сводится к распределению мощности электромагнитного излучения в различных диапазонах длин волн, испускаемых объектом, а также к зависимости этого распределения от температуры.

Средняя температура поверхности Солнца составляет около 5 500 °C. Наиболее интенсивно оно испускает электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 300 до 700 нм. Это расстояние между соседними пиками волн, которое практически невозможно представить, но гораздо проще остановиться на том, что в 1 мм помещается несколько десятков тысяч таких пиков. Следует отметить, что это как раз диапазон длин волн видимого света, что, впрочем, неслучайно. Человеческий глаз эволюционировал таким образом, чтобы использовать ту часть светового спектра, которая наиболее интенсивна на поверхности Земли. Конечно, в солнечном свете присутствует также некоторое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, но оно в значительной степени отражается или поглощается нашей атмосферой, хотя и то, что добирается до нас, если говорить об ультрафиолете, может вызывать появление загара на коже (или ожога, как в моем случае).

Когда солнечный свет достигает окна, видимый свет проходит сквозь него, а оставшееся инфракрасное и ультрафиолетовое излучение поглощается стеклом. Затем видимый свет попадает внутрь оранжереи, на плетеную мебель и комнатные растения. Ясно, что все это не является на 100 % отражающим, поэтому часть света мебель и растения поглощают. А поглощая, они захватывают энергию этого света и превращают ее в тепло.

Теперь нам нужно привлечь теорию излучения абсолютно черного тела. Все предметы внутри теплицы или оранжереи испускают электромагнитное излучение, пусть и в виде тепла. Если их температура около 15 °C, то максимальная мощность их излучения приходится на инфракрасную область спектра с длиной волны от 7 000 до 20 000 нм. Выше мы говорили, что свет, нагревающий предметы в оранжерее, характеризуется диапазоном длин волн 300–700 нм, так что имеет место примерно 25-кратное изменение длины волны, и это создает парниковый эффект.

Воздух вокруг нас гораздо менее прозрачен для электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне. Следовательно, это инфракрасное излучение не выходит прямо из оранжереи, а поглощается воздухом, который оно нагревает. И за счет смещения своего максимума излучение фактически оказывается в ловушке внутри оранжереи или любой другой теплицы. Как только воздух нагревается, он начинает создавать конвекционные потоки. Теплый воздух поднимается вверх, удаляясь от нагретых солнцем предметов и позволяя входить с ними в контакт более холодному воздуху. Этот воздух тоже нагревается, и цикл продолжается, так что постепенно нагревается весь объем воздуха. В результате оказывается, что обычная система отопления в теплице неэффективна (да она там и не нужна). Солнечный свет и без нее добавляет все больше энергии, а предметы внутри продолжают нагреваться, передавая тепло в воздух. Температура поднимается все выше и выше.

Все это объясняет и парниковый эффект в планетарном масштабе – тот, что служит сегодня движущей силой изменения климата на нашей планете. Правда, в этом случае есть крайне важное дополнение к приведенным рассуждениям: оно состоит в том, что углекислый газ особенно хорошо поглощает повторно испускаемое инфракрасное излучение. Кроме того, хотя у атмосферы Земли нет стеклянной крыши в буквальном смысле, более теплый воздух все же удерживается гравитационным притяжением нашей планеты. А углекислый газ, содержащийся в выбросах промышленных предприятий, дополнительно повышает температуру на ее поверхности.

Для планетарного варианта парникового эффекта, помимо идеи сокращения выбросов углекислого газа, решения у нас пока нет. Однако для более локальных внутренних случаев у науки есть ответ. Либо остановить поступление в помещение солнечного света, опустив жалюзи, либо использовать вентилятор для создания прохладного бриза. Если оборудовать вентиляционное отверстие в самом верху застекленной теплицы и позволить воздуху туда проникать, горячий воздух выйдет наружу и потянет холодный воздух внутрь. Это не остановит нагревание теплицы, но сделает парниковый эффект не таким сильным.

Обдув холодным воздухом

По мере приближения зимы и снижения ночных температур все сильнее ощущается необходимость утреннего обдува ветрового стекла автомобиля. В следующий раз, когда вы будете сидеть в машине и ждать, пока обогреватель автомобиля сделает свою работу, подумайте над тем, что же происходит в этот момент.

Все это чистая термодинамика. Представьте себе стакан воды температурой 20 °C. Этой температуре соответствует средняя энергия всех молекул в воде. Но при этом у одних молекул энергии все равно больше, а у других – меньше этого среднего значения. Время от времени какая-нибудь высокоэнергетическая молекула достигает поверхности воды и выходит из жидкости, испаряясь и превращаясь в молекулу водяного пара. Точно так же молекулы водяного пара с низким уровнем энергии из воздуха иногда сталкиваются с водой и остаются там, конденсируясь и превращаясь из пара в жидкость. Количество молекул воды в водяном паре над стаканом воды зависит от баланса между этими двумя процессами. Увеличьте среднюю температуру, и больше молекул улетучится в пар. Уменьшите – и перевес будет в сторону конденсации.

Теперь оставим гипотетический стакан и снова вернемся к машине. Но не к тому моменту, когда мы сталкиваемся с запотевшим ветровым стеклом, а к вечеру перед этим. Изрядное количество воды в машине есть всегда – она попадает туда с ботинок, мокрой собаки или просто присутствует в воздухе, который выдыхают водитель и пассажиры. Когда вы припарковались, в машине было очень тепло, а на окнах не было никакой росы. А значит, баланс между испарением и конденсацией сдвинулся в сторону первого. И когда вы покинули автомобиль, он был полон водяного пара.

А сейчас перенесемся в следующее