Продолжение. См. №  18, 20/05

К.Ю. Богданов,
школа № 1326, г. Москва
Kbogdanov@mtu-net.ru

Где собака зарыта?

Что такое пар и сколько его на Земле? Воздух всегда соприкасается с какими-нибудь водоёмами, а в них при любой температуре найдутся такие шустрые молекулы, которые сумеют покинуть жидкость и образовать водяной пар. Одновременно с испарением протекает и обратный процесс – конденсация (возвращение молекул из пара в жидкость). Если испарение происходит в закрытом сосуде, то, очевидно, сначала концентрация пара будет расти, но потом наступит момент, когда число покидающих жидкость молекул, станет равным числу возвращающихся обратно молекул. Такой пар называют насыщенным, т.к. его концентрация в воздухе соответствует максимально возможной при данных условиях (давлению и температуре). Очевидно, что, чем выше температура воздуха, тем интенсивнее испаряется вода и тем больше водяных паров может содержать единица его объёма. Поэтому концентрация водяных паров в тропических широтах в сто раз выше, чем у полюсов.

а) Зависимость давления насыщенных водяных паров от температуры при нормальном атмосферном давлении. Область над кривой соответствует образованию тумана и облаков, а ниже – их исчезновению. б) Та же зависимость для диапазона температур воздуха средней полосы России. Давление насыщенных паров надо льдом на 10–15% меньше, чем над переохлаждённой жидкостью

Если бы весь пар, содержащийся в воздухе, внезапно выпал дождём, то вблизи экватора слой воды был бы 50 мм, а вблизи полюсов – только 1 мм. При этом в среднем на поверхности Земли образовался бы слой толщиной 25 мм. Известно, что за год в среднем выпадает 1 м осадков. Поэтому набивший всем оскомину «круговорот воды в природе» совершается по крайней мере 40 раз за год. Концентрация (давление) водяных паров падает с удалением от поверхности Земли гораздо быстрее, чем для остальных газов. Происходит это из-за того, что при подъёме уменьшается температура воздуха, а значит, и его способность удерживать влагу. На высоте 5 км температура воздуха уже около  20 оС, и поэтому почти половина всей влаги атмосферы находится в самом её нижнем слое толщиной 1,5 км, и менее 5% висит над нами на высоте более 5 км. Относительная влажность воздуха тоже падает с высотой, составляя в среднем 60–80% у поверхности и 20–40% на высоте 9 км.

Как измеряют влажность на расстоянии? Чтобы предсказать погоду, надо узнать, откуда и куда движется влажный воздух. Для этого надо уметь определять влажность воздуха на расстоянии. Делают это, например, с помощью датчиков, измеряющих интенсивность инфракрасного излучения Земли, установленных на спутниках. Водяные пары очень сильно поглощают излучение в этом диапазоне, поэтому на фотографиях Земли, сделанных со спутника в этой части спектра, яркость изображения зависит от концентрации водяных паров, находящихся над данной точкой поверхности планеты.

Какая влажность лучше? Интересуясь прогнозом погоды, мы редко обращаем внимание на влажность воздуха, считая, что главное – это температура и осадки. Однако излишне сухой воздух с относительной влажностью менее 40% делает сухими слизистые оболочки лёгких и носоглотки, увеличивая риск инфекций и кровотечений. Влажный воздух (>60%) в помещении создаёт идеальные условия для роста плесени и размножения так называемых пылевых клещей, что может вызывать аллергию у лиц, склонных к этим заболеваниям. Кроме того, высокая влажность может стать причиной тепловых ударов, т.к. становится тяжело отдавать избыточное тепло с потом. Как следует из приведённой ниже таблицы, увеличение влажности до 70% при температуре 32 °С приводит к кажущемуся росту температуры окружающего воздуха на несколько градусов. Иными словами, нам кажется, что температура воздуха выросла до 41 °С. Наоборот, когда влажность нулевая, те же 32 °С ощущаются нами как 28 °С. Поэтому, если вам стало зябко в холодной комнате, то поставьте на пол таз с тёплой водой, влажность воздуха увеличится, и вам станет теплее. Считается, что условиям комфорта соответствует температура 20–22 °С при относительной влажности воздуха 45–50%.

Распределение количества водяного пара в атмосфере Земли 30 января 2005 г. Значения закодированы в цвете и соответствуют толщине слоя осадков в сантиметрах в случае, если весь пар конденсировался бы и выпал на землю в виде дождя

Зависимость кажущейся температуры воздуха от его относительной влажности

Известно, что зимой воздух в доме становится таким сухим, что иногда даже першит в горле. Объяснение кроется в зависимости парциального давления насыщенного водяного пара от температуры, ведь в тёплую комнату воздух поступает снаружи, где парциальное давление водяных паров очень мало. Например, если на улице 0 °С и 50%-ная влажность, то такой воздух после нагрева до 20 °С будет иметь относительную влажность всего 13%, т.е. в 4 раза меньше, чем необходимо для комфорта. Ну а когда за окном мороз, влажность воздуха в доме становится ещё меньше, и приходится прибегать к увлажнителям. Поэтому и комнатные растения зимой рекомендуют поливать чаще, чем летом.

Почему продукты быстро высыхают в холодильнике? В холодильной камере самое холодное место, испаритель, находится вверху, откуда холодный и поэтому тяжёлый воздух опускается вниз. Соприкасаясь с более тёплыми продуктами и стенками холодильника, воздух нагревается, а его относительная влажность уменьшается, т.к. нагретый воздух в состоянии поглотить больше влаги, чем холодный. Таким образом, холодный воздух, нагревшись, сразу становится сухим и отбирает часть влаги у продуктов. Потом тёплый, а значит, лёгкий воздух поднимается вверх к испарителю, где охлаждается до первоначальной температуры, но влажность его оказывается выше первоначальной из-за воды, отобранной у продуктов. Это повторяется несколько раз, пока относительная влажность воздуха не превысит 100%, и тогда на поверхности испарителя появляются капельки воды или кристаллики льда. Так циркулирующий по холодильнику воздух «перевозит на себе» воду от более тёплых продуктов к более холодному испарителю. При этом продукты, лишаясь воды, охлаждаются, т.к. они теряют тепло, необходимое для испарения. Легко посчитать, например, что огурец массой 50 г, потеряв всего 0,1 г влаги, охладится более чем на градус. Поэтому сухие продукты охлаждаются в холодильнике медленнее, чем влажные. А вообще, лучше хранить продукты в холодильнике в закрытой посуде или во влагонепроницаемой плёнке, хотя остывать они будут, конечно, медленнее. Чтобы ускорить циркуляцию воздуха и охлаждение продуктов, в современных моделях холодильников используют вентиляторы.

Как избежать запотевания стёкол? Влага из тёплого воздуха конденсируется на холодной поверхности. Из графика давления насыщенных паров от температуры следует, что при влажности 50% нагретый до 20 °С воздух начнёт конденсироваться на поверхностях, если их температура ниже 10 °С. Поэтому, когда мы входим с мороза домой, то у нас сразу запотевают очки, а маска для подводного плавания быстро запотевает изнутри при погружении в воду. Автомобилисты страдают от запотевания изнутри окон в неразогретых ещё машинах. Чтобы не дать образоваться скоплению мельчайших капелек на холодном стекле, необходимо уменьшить поверхностное натяжение воды, из которой они состоят. Тогда капелькам станет энергетически выгодно сливаться друг с другом, образуя плёнку воды, которая снова сделает окно или очки прозрачными. Чтобы понизить величину поверхностного натяжения, можно просто натереть куском мыла поверхность стекла, а потом сделать её опять прозрачной, растерев какой-нибудь тряпочкой. Таким же образом работают и фирменные антизапотеватели, цена которых часто зависит от фантазии и корысти их производителей. Кроме того, следует помнить, что в прохладную погоду окна автомобиля изнутри не будут потеть, если: а) воздух постоянно движется у внутренней поверхности стекла и б) стёкла изнутри уже тёплые.

Продолжение в № 24