Продолжение. См. №18/05
К.Ю. Богданов,
школа №1326 г. Москва
Kbogdanov@mtu-net.ru
Где собака зарыта?
2. Что такое пыль?
Пыль — взвешенные в воздухе очень мелкие твёрдые частицы органического или минерального происхождения. Обычно пыль при большой влажности превращается в грязь. Отдельные частицы пыли имеют размеры от 10–9 до 10–4 м и самую различную форму. Они могут нести электрический заряд или быть электронейтральными. Концентрацию пыли часто выражают числом частиц в единице объёма. Меньше всего пыли на вершинах гор, например, в Альпах её концентрация всего 200–2000 см–3. На улицах крупных городов пыли в сотни раз больше, а в жилых помещениях её концентрация достигает 6•106 см–3. Постоянными источниками пыли являются некоторые виды производства, сельского хозяйства, транспортные средства, а также пожары, извержения вулканов, движущиеся ледники и различные катастрофы. Пыль причиняет ущерб промышленному оборудованию, снижает качество выпускаемой продукции, а также может быть причиной самых разных заболеваний. Поэтому исследование пыли – важная научно-техническая проблема.
Одна из крупнейших катастроф современности, когда в результате обрушения двух 450-метровых небоскрёбов Всемирного торгового центра образовалось более 100 000 т микроскопической пыли
Как избавиться от пыли? Для устранения пыли воздух пропускают через специальные пылеуловители, которые работают на самых различных эффектах. Многослойные тканевые фильтры бытовых пылесосов могут задерживать 99,9% частиц размером более 1 мкм. Так как частицы пыли способны электризоваться, то для их удаления часто применяют фильтры, внутри которых находится электрозаряженный элемент, притягивающий к себе микрочастицы. Для того чтобы сделать пылеудаление более эффективным, воздух в помещении ионизируют.
В некоторых современных пылеуловителях бытового и промышленного назначения используется центробежный способ концентрации микрочастиц. Воздух в этих устройствах заставляют вращаться, после чего частицы пыли, отброшенные от центра вращения, собирают на периферии.
Конструкция современного пылесоса
Влажный воздух служит хорошим индикатором пыли. Конденсация влаги (образование тумана) из пара может происходить только на так называемых ядрах конденсации. Такими ядрами и служат мельчайшие пылинки, парящие в воздухе. Поэтому, чем больше пыли в воздухе, тем чаще и гуще там туманы. Туманы, осаждаясь на землю, очищают воздух от пыли. Однако избавляться от пыли, осаждая её парами воды, чаще всего не представляется возможным. А когда это удаётся, то приходится бороться уже с грязью. Поэтому физики сейчас исследуют процессы, приводящие к слипанию частичек пыли, чтобы впоследствии ими можно было управлять, превращая облако пыли в маленький камешек, падающий на землю.
Силы Ван-дер-Ваальса. Это главные силы, приводящие к слипанию между собой одинаковых молекул и состоящих из них мельчайших частичек. Вот как работают эти силы.
Неполярную молекулу (например, О2 или Н2) можно изобразить в виде сплюснутого эллипсоида. В среднем, количество электронов у такой молекулы слева и справа одинаково.
Однако даже у неполярной молекулы время от времени один из концов становится отрицательным, а противоположный – положительным. Став на очень короткое время диполем, молекула электризует соседнюю молекулу, и они притягиваются друг к другу.
Это и есть силы Ван-дер-Ваальса, которые иногда ещё называют дисперсионными силами, т.е. силами, препятствующими рассыпанию (распылению) твёрдых тел и испарению жидких. Легко догадаться, что чем больше размер неполярной молекулы (например, инертного газа), тем в больших пределах может изменяться величина её электрического дипольного момента, оставаясь в среднем равной нулю. Поэтому притяжение между соседними молекулами высокомолекулярных соединений больше, чем у низкомолекулярных, при прочих равных условиях. А значит, температура кипения высокомолекулярных жидкостей должна быть выше, чем низкомолекулярных, что хорошо известно. К сожалению, в совершенстве управлять силами Ван-дер-Ваальса физики ещё не научились, и поэтому мгновенно превратить облако угольной пыли в кусочек угля ещё не могут.
Когда пыль взрывается? То, что мука взрывоопасна, люди знали очень давно. Достаточно уронить пакет с мукой так, чтобы концентрация муки в воздухе составила более 50 г/м3, а потом «случайно» зажечь спичку – и неминуемо раздастся взрыв. Такие взрывы довольно часто происходят на элеваторах и нередко сопровождаются жертвами. Происходит это из-за того, что в муке много крахмала, а крахмал – это много-много соединённых между собой молекул сахара. Каждая же из молекул сахара «хорошо» сгорает в воздухе, превращаясь в углекислый газ и воду и выделяя при этом большое количество теплоты. В обычных условиях муку зажечь совсем не легко. Это случается лишь тогда, когда частички муки распылены в воздухе, и каждая окружена кислородом. В этих условиях частичкам размером менее 0,1 мм легко соединиться с кислородом, и они горят с огромной скоростью – детонируют. Взрывоопасной оказывается мелкодисперсная пудра очень многих веществ, окисляющихся в присутствии кислорода.
Космическая пыль – вид пыли, не дающий покоя астрофизикам. Последние гипотезы связывают появление космической пыли со взрывами звёзд и утверждают, что эта пыль была первым твёрдым веществом во Вселенной. Считается, что все планеты образовались из сгустков космической пыли под действием гравитации, хотя окончательная модель этих процессов ещё не построена. Космическая пыль мешает вести наблюдения астрономам, заслоняя от них некоторые области звёздного неба и создавая так называемые тёмные туманности. В других случаях, наоборот, свет соседних звёзд, рассеиваясь на облаках космической пыли, делает их видимыми.
Химический анализ показал, что в космической пыли очень много углерода (5–10%), поэтому она могла стать источником возникновения органической жизни на Земле на основе углерода, – ведь в среднем каждый день на 1 м2 нашей планеты опускается из космоса 1 пылинка, что в сумме составляет около 100 т.
Космические пылинки
Космические пылинки размером с частичку, образующую дым, являются крошечными родственниками метеоритов – микрометеоритами. Астероиды и кометы служат постоянными поставщиками космической пыли на Землю. Малые размеры (менее 0,2 мм) позволяют пылинкам достичь поверхности Земли, не сгорев. На Земле космическую пыль можно найти в глубоководных отложениях на дне морей и океанов, в толще арктического льда и в стратосфере. Специальная программа сбора и изучения космической пыли проводится на околоземной орбите с помощью международной космической станции.
Беспилотные космические корабли, исследовавшие окрестности Юпитера и Сатурна, обнаружили там потоки космической пыли, источниками которых служат эти гигантские планеты. Оказалось, что мельчайшие частицы пыли размером 2–50 нм несутся от Сатурна со скоростью около 100 км/с. Разгоняться до таких высоких скоростей им помогает электрический заряд, приобретённый после взаимодействия с солнечной радиацией, и магнитное поле этой планеты. Однако потери этих гигантских планет от постоянного «пылевого ветра», дующего в космос, ничтожны. Так, Юпитер теряет каждую секунду всего от 20 г до 1 кг массы.
Лунная пыль – самая изученная из всех видов космической пыли. Ещё задолго до высадки космонавтов на Луну учёные задались вопросом, существует ли слой пыли, парящий на высоте нескольких километров над её поверхностью. В принципе, такой слой пыли мог появиться при равенстве между электростатической силой отталкивания одноимённо заряженной пыли и Луны и гравитационной силой притяжения между ними. Очевидно, что такой слой пыли сделал бы процесс прилунения очень сложным и опасным. Однако простой расчёт, доступный любому старшекласснику, показывает, что равенство электростатических кулоновских сил отталкивания и гравитационных сил, если оно есть, будет справедливо для любого расстояния между Луной и пылинкой, а поэтому никакого плотного слоя пыли быть там не может.
В 1972 г. одному из американских астронавтов (экспедиция «Аполлон-17»), Х.Шмидту после высадки на Луну и прогулки по её пыльной поверхности показалось, что вокруг пахнет порохом. Причиной этого оказалась лунная пыль, просочившаяся в скафандр астронавта. Шмидт даже стал чихать, и у него развилась аллергия – лунный вариант сенной лихорадки. Кроме того, прилипающая снаружи к скафандру пыль мешала передвигаться и создавала массу проблем в работе многих систем и приборов. Отсутствие атмосферы на Луне создало идеальные условия для возникновения и сохранения там очень толстого слоя пыли. Во-первых, всё, что летело в сторону Луны, благополучно долетело до её поверхности, а не сгорело в атмосфере, как это происходит на Земле. Во-вторых, на Луне нет ветров, рек и дождевых потоков, а значит, вся космическая пыль, смешанная с микро- и макрометеоритами, лежит там, куда упала очень давно или совсем недавно.
Микроскопический анализ лунной пыли показал, что она является смесью мельчайших базальтовых фрагментов, шариков и острых кусочков вулканического стекла с вплавленными минералами. После того, как несколько сот килограммов пыли были доставлены американскими астронавтами на Землю, возникли проекты по борьбе с пылью при следующих высадках на Луну. Оказалось, что лунная пыль очень богата элементарным железом. На Земле встречаются только оксиды железа, а чистое железо сразу окисляется и ржавеет.
Известно, что атомы железа поглощают микроволновую энергию на частотах, используемых в бытовых СВЧ-печках (2,45 ГГц). Поэтому авторы одного из проектов предлагают доставить на Луну СВЧ-устройства и обработать всю пыль в месте будущей высадки. Под действием СВЧ-излучения железо, вкраплённое в стеклянные пылинки, быстро нагреется до 1200 °С и расплавится. После этого оно начнёт нагревать и плавить стекло. В результате, частички лунной пыли должны сплавиться и образовать гладкую стекловидную поверхность. Это могло бы уберечь экипаж будущей экспедиции от неблагоприятного воздействия лунной пыли.