Влажность и звук
В конце прошлого века в Англии производились длительные наблюдения слышимости вестминстерского часового колокола. Было установлено, что колокол вечером слышен лучше у. дальше, чем днем. Уже тогда это объясняли высокой влажностью и стабильностью приземного слоя воздуха в вечернее время.
В дореволюционном киевском Подоле существовало выражение «Лавра гудит» (особенная густота и явственность колокольного звона Лавры).
Эта примета была связана с надвигающимся ненастьем, т.е. с повышенной влажностью воздуха. В США также было отмечено значительное влияние влажности на распространение звуков разной тональности. В концертной чаше Голливуда, например, при исполнении музыкальных произведений, в задних рядах для публики, на расстоянии 165 м от оркестра, во влажную погоду высокие тона воспринимались в несколько раз громче, чем в сухую. Подобное влияние влажности на распространение звука было установлено и для закрытых помещений. Специальные наблюдения над слышимостью сирен плавучих маяков в Англии показали, что изменения слышимости сигналов во многих случаях почти в точности следовали за изменениями относительной влажности воздуха. Эти наблюдения обратили внимание исследователей на явную связь между влажностью и поглощением звука. Большое значение звуковых сигналов для навигации явилось стимулом к изучению явления не только в естественных, но и в лабораторных условиях.
Акустические колебания проходят среду как последовательность адиабатических разрежений и сжатий. При адиабатическом сжатии газа часть энергии сжатия переходит в энергию внутримолекулярных движений, при адиабатическом разрежении она возвращается обратно. Если время, необходимое для осуществления разрежения и сжатия, будет одного порядка со временем, требующимся для установления термического равновесия (релаксации), то известная доля звуковой энергии, превратившись во внутреннюю энергию молекул в процессе сжатия, по окончании расширения не успеет превратиться во внешнюю. В этом случае произойдет наиболее значительное поглощение звука молекулами газа.
Энергия, затрачиваемая на сжатие, превращается прежде всего в поступательную энергию молекул, движущихся параллельно направлению сжатия. Определенная часть поступательной энергии переходит затем во вращательную и колебательную энергию атомов в молекулах, но может быть затрачена и на осуществление перехода атомных и молекулярных электронов на более высокие уровни энергии.
В сухом, чистом и неподвижном воздухе поглощение акустических колебаний имеет наименьшую величину и осуществляется молекулами кислорода. Во влажном воздухе поглощение возрастает, но остается меньшим по величине, чем в турбулентном воздушном потоке. Поглощение звука во влажном воздухе происходит за счет взаимодействия молекул кислорода и водяного пара. Часть звуковой энергии при неупругих столкновениях молекул переходит в колебательную энергию атомов в молекулах. Для всех частот с увеличением относительной влажности поглощение звука сначала возрастает, при влажности 10...20% достигает максимума и при дальнейшем увеличении влажности монотонно уменьшается.
При температуре ниже или около 0°C столкновения между молекулами энергетически недостаточны для возбуждения колебательных движений атомов в молекулах кислорода. Зато при увеличении температуры воздуха от 20 до 55°C молекулярное поглощение звука благодаря возбуждению колебательных движений в молекулах кислорода возрастает примерно в 2 раза. В Калифорнии, например, при температуре около 55°C и влажности в 2,5% во время штиля на частоте 3 кГц поглощение звука составляет 0,13 дБ/м.
В зоне умеренного климата на той же частоте при влажности 40% и отсутствии ветра оно равняется лишь 0,02 дБ/м.
Внутренняя энергия молекул азота слишком мала, чтобы влиять на поглощение звука. В углекислом газе поглощение звука становится значительным, начиная с частоты в 3 кГц, и в дальнейшем быстро растет.
Воздух, наполненный туманом, не может не вызывать добавочного поглощения и рассеяния звука. Затухание звука в тумане происходит благодаря его рассеиванию на каплях, так как капли участвуют в колебательном движении и испаряются при сжатиях звуковых волн. Наблюдаемое иногда при редких туманах улучшение слышимости можно объяснить влиянием свойственной туману высокой влажности, наличием температурных инверсий, отклоняющих звуковые лучи к земле, и почти полным отсутствием ветра.
Обычно при подъеме над земной поверхностью температура атмосферного воздуха падает, при инверсиях наблюдается обратный ход температуры.
Английские аэронавты, поднимавшиеся во время тумана над Лондоном, наблюдали следующие любопытные явления. Во время поднятия шара в тумане ничего не было видно и все идущие от земли звуки были сильно ослаблены, благодаря чему казались очень отдаленными. Сразу после поднятия над слоем приземного тумана все звуки города были вновь хорошо слышны. Из-за отсутствия перспективы при обзоре окружающего пространства и довольно сильного поглощения звука в облаках аэронавты ощущали изолированность от земли. Лишь иногда ее нарушали слабые звуки земли: гудки поездов, пенье петухов, лай собак. Опознавание земных звуков затруднялось благодаря изменению их тембра в результате преимущественного поглощения в облаках высоких частот.
В практике мореплавания известны случаи, когда звуковые сигналы в тумане слышны на далеких расстояниях и одновременно не слышны на более близких. Если звуковой маяк и корабль не находятся в зоне тумана одновременно, то в зависимости от угла падения звуковых лучей на границу чистого воздуха и тумана возможно и сильное поглощение сигнала, и образование эха.
Лабораторные измерения показали, что в тумане с водностью 2·10–6 г/см3 при радиусе капель 6,25 10–4 см затухание звука на частоте 0,5 кГц составляет 0,016 дБ/м, на частоте 8 кГц оно значительно больше и достигает 0,04 дБ/м.
При изменении влажности и содержания в атмосфере пыли и ядер конденсации могут возникнуть условия, при которых распространение мощных ударных волн благодаря фазовым превращениям на их фронтальных границах становится видимым. В чистом воздухе, не насыщенном водяным паром, взрывные волны могут быть видимы за счет изменения показателя преломления на фронте волны в результате сильного сжатия.
В лабораторных условиях на фронте ударной волны в аргоне удавалось получать температуру до 30 000°C. При этом газ сильно ионизировался, и за продвижением фронта волны можно было следить по исходившему от него яркому свечению. В принципе подобные явления возможны и при мощных взрывах в атмосфере.
Видимые волны звука отмечались неоднократно. В 1906 году их наблюдали во время извержения Везувия, в 1910 году – при извержении Этны. Во время войны 1914 года в низких облаках над стреляющими гаубицами нередко можно было видеть темные и светлые круги толщиной 4...6 угловых минут, быстро удалявшиеся в облаке, расположенном непосредственно над стреляющим орудием. Однажды бегущие по небу темные и светлые полосы наблюдались в ясный летний день с высокой влажностью после взрыва у земной поверхности 30 кг взрывчатого вещества. Во время Великой Отечественной войны в ясное и тихое утро без росы в одном из районов Западной Украины над местом разрыва бомб весом до 300 кг возникали маленькие темно-пепельного цвета дуги шириной в 4 угловые минуты. Сначала медленно, а затем все быстрее дуги приближались к зениту. Перемещение дуг от горизонта к зениту занимало по времени 15 секунд. У горизонта расстояние между дугами составляло 0,5...1°, в зените оно доходило до 5...8°. При каждом взрыве возникало от 2 до 4 концентрических дуг. Быстро пройдя через зенит, дуги уменьшались в размерах и исчезали на фоне неба. Грохот взрыва был слышен во время прохождения дуг через зенит.
Иногда на фоне светлых перистых облаков можно видеть и баллистическую волну, возникающую в передней части летящего со сверхзвуковой скоростью самолета, Волна имеет вид темной полудуги с резко очерченным передним краем. Тыльная часть волны постепенно сливается с фоном облаков. За первой волной может следовать более слабая вторая. Длительность наблюдения явления достигает 10 сек. При пролете через атмосферу крупных метеоритов видимые баллистические волны пока отмечены не были.
В головах комет нередко наблюдаются равномерно расширяющиеся круговые полосы (галосы). Скорость их распространения в верхнем пределе достигает нескольких километров в секунду. Наблюдениями установлено образование следующих друг за другом концентрических галосов с центром чаще всего (но не всегда) в ядре кометы. Расположенные в плоскости галактического экватора, рукава Галактики также состоят из последовательности сгущений и разрежений, но уже в межзвездной среде – нейтральном водороде. Оба явления возникают в результате распространения в космическом пространстве ударных волн и имеют общие черты с развитием ударных волн в земной атмосфере.
Осмос
Если разделить воду и водный раствор какого-либо вещества пленкой (мембраной) животного или растительного происхождения, через нее будет происходить односторонняя диффузия растворителя к растворенному веществу. Когда такая пленка разделяет два раствора различной концентрации, растворитель переходит от раствора с меньшей концентрацией к раствору с большей концентрацией. Проникновение растворителя к растворенному веществу через полупроницаемую перегородку получило название осмоса (греческое «толчок», «давление»). За счет ударов тех молекул, которые не пропускаются мембраной, возникает одностороннее давление на мембрану – осмотическое давление. Всасывающее действие мембраны может быть скомпенсировано избытком гидростатического давления со стороны более концентрированного раствора.
Явление осмоса открыто в 1805 году русским академиком Г.Ф. Парротом. Голландский химик Я.Г. Вант-Гофф установил, что при постоянной температуре осмотическое давление возрастает пропорционально концентрации растворенного вещества, с повышением же температуры давление растет пропорционально первой степени температуры.
Осмосом объясняется «оживление» увядших цветов в воде, набухание семян, прорастание растений сквозь асфальтовое покрытие дорог и тротуаров. Если подрезать стебель растения у земли, можно наблюдать выделение из него соков под влиянием осмотического давления. Вместе с соками при этом выделяется и поступающая через корни вода («плач» растений).
В организме людей осмотическое давление составляет около 8 атм, у млекопитающих оно меняется в пределах 7,5...9 атм, а у костистых рыб – в диапазоне от 10 до 15 атм. У луговых растений осмотическое давление поддерживается на уровне 5...10 атм, у солончаковых и пустынных – на уровне 60...80, иногда до 100 атм, а у семян при небольшой влажности приближается к 400 атм.
В эпоху построения египетских пирамид не существовало взрывчатых веществ. Для отвала скальных пород египтяне использовали явление осмоса. С этой целью в скале делалось отверстие, куда забивался деревянный клин. При поливании водой клин постепенно разбухал и раздвигал скальные стенки. Так производился отвал породы. После этого крупные куски известняка на катках и полозьях перевозили к месту построения пирамид.
В последнее время осмос стали применять и при очистке сточных вод. Для этого резервуар со сточными водами отделяется от чистой воды полупроницаемой мембраной. Накладывая на такую систему давление, противоположное осмотическому, которое не только компенсирует осмотическое давление, но и значительно превышает его, заставляют молекулы растворителя проходить через полупроницаемую перегородку не в направлении разбавления раствора (обычном направлении осмоса), а в противоположном направлении. При этом растворитель (вода) уходит из растворенного вещества, и сточные воды постепенно очищаются.
Где вода теплее?
Термический режим поверхностного слоя воды в морях и океанах обусловлен географическим положением акватории, метеорологическими условиями и течениями. Значительное влияние на температуру воды в морях и океанах оказывают также рельеф дна и сток пресных вод. В прибрежных и мелководных участках температура значительно выше, чем над большими глубинами. Термический экватор (область наиболее высоких температур) в морях и океанах смещен в Северное полушарие.
Наиболее высокая температура поверхностного слоя воды – до 32,8°C – наблюдается в августе в Мексиканском заливе, Флоридском проливе и в южной части Красного моря. В Красном море в августе предельно высокая температура удерживается более длительно, чем в других местах (повторяемость 60%). В Советском Союзе наиболее высокая температура (до 37,2°C) отмечена в Каспийском море, в районе Бирючьей косы. В Аральском море (в районе Актумсука) максимальная температура достигает 32,4°C, в Азовском (у Таганрога) 32°C, в Черном (у Николаева) 31,2°C, в Японском (в бухте Угловой) 31,2°C, в Охотском (у острова Байдукова) 25,9°C и в Беринговом (у Петропавловска) 22,2°C.
На термический режим рек, особенно небольших, значительное влияние оказывает климат окружающей местности. Поэтому температура воды в реках в низких широтах может быть значительно выше, чем в морях и океанах. Наивысшая температура поверхностного слоя воды в реках нашей страны отмечена на реке Таирсу (приток Аму-Дарьи) у кишлака Шахбур (до 45,2°C). На реке Тилигул в Одесской области, которая впадает в лиман Тилигульский, у села Ново-Украинка была зарегистрирована температура 39,4°C. В большинстве случаев предельно высокие температуры воды в реках наблюдаются в течение одного дня. Однако повышенные температуры держатся дольше. Так, на реках Ичгул и Кубань температура выше 25°C держится до 20 дней, на Северном Донце до 30 дней, а на реках Туркмении и бассейна Аму-Дарьи 50...60 дней.
Используя разницу в температуре поверхностных и глубинных вод, можно из природных вод извлекать тепло и перерабатывать его на электростанциях в электроэнергию. Первая станция такого типа мощностью в 14 тыс. киловатт работает в Абиджане (Африка, Берег Слоновой Кости). Холодную воду она получает из моря с глубины 500 м. Разность температур поверхностных и глубинных вод составляет здесь 10...15°C.
Воды открытых водоемов имеют температуру, достаточную для испарения жидкостей с низкой температурой кипения. Температура пара легко кипящей жидкости может быть повышена за счет сжатия его в замкнутом резервуаре с помощью компрессора. Во время первой мировой войны, когда в Швейцарию не подвозился уголь, получаемый таким образом пар было экономически выгодно использовать для подогрева воды в системах отопления.
Морозные узоры на окнах
Ледяные узоры на окнах представляют собой редкое по красоте зрелище. Среди многих видов морозных узоров чаще других встречаются дендриты (древовидные образования) и трихиты (волокнистые формы).
Характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. При охлаждении от 0 до – 6°C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда. Для начального образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей охлаждающейся поверхности.
Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной температуре и более высокой относительной влажности и в процессе охлаждения проходится точка росы, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов. Чаще дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от имеющегося для их образования материала. В нижней части окна, где пленка воды толще, дендриты обычно имеют большие размеры По мере перехода к верхней части окна размеры дендритов уменьшаются, В случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями.
Трихиты образуются у острых краев царапин на поверхности охлаждающегося твердого тела. При этом вначале кристаллы образуют узкие параллельные полоски инея, вырождающиеся при дальнейшем охлаждении в достаточно плотные ледяные волокна, исходящие от основного стебля. В большинстве случаев как основное волокно, так и прилегающие к нему тонкие полоски инея слегка изогнуты.
При осаждении льда вблизи охлаждающейся поверхности отмечаются колебания температуры величиной до 0,5°C, что указывает на существование в этой области ощутимой конвекции.
В метеорологии инеем называется отложение льда из влажного воздуха на достаточно охлажденную горизонтальную поверхность. Отложение рыхлого льда на стеклах окон имеет черты сходства с инеем несмотря на вертикальное расположение охлаждающей поверхности.
Известно, что крепкая серная кислота хорошо поглощает воду. Если между рамами окна поставить стаканчик с такой кислотой, основное количество водяного пара из пространства между стеклами поглотится ею, и отложения льда на окне при не очень сильных морозах происходить не будет. Тщательная теплоизоляция внешнего оконного стекла в местах его соприкосновения с рамой не допускает сильного охлаждения прилежащего изнутри к стеклу слоя воздуха, что также не благоприятствует осаждению льда на внутренней стороне стекла. С помощью этих мер затрудняется образование морозных узоров на окнах и обеспечивается необходимая прозрачность оконных стекол в зимнее время.
Сооружения из льда
Предки современных эскимосов, населявшие арктическое побережье Северной Америки в районе залива Коронации и Медной реки, еще во второй половине первого тысячелетия нашей эры научились строить хижины из льда. В большинстве это были небольшие хижины «игло» на семью из четырех человек (общественные постройки эскимосов для игр и праздников могли вмещать до 100 человек). Эти хижины имели куполообразную форму. Внутренний диаметр обычной хижины составляет около 3 м при высоте от пола до потолка до 2 м. Куполообразная форма придает хижине повышенную прочность и сводит до минимума тепловые потери через внешнюю поверхность.
Для постройки хижины заготавливается около 60 снежных кирпичей размером 60х60х20 см3. При кладке кирпичи скрепляются водой. Вход в хижину ориентируется под углом 90° к направлению господствующих ветров. При горении жировых светильников температура в хижине поддерживается около 2°C. Если же в хижине развести очаг и стены покрыть шкурами животных или тентом, температура в ней на высоте 1,5 м над полом может быть поднята до 25°C.
В Якутии иногда также создают «ледяные хижины». Для этого деревянные жилые строения щедро обливают на морозе водой. Образующаяся после замерзания воды довольно толстая корка льда способствует лучшему сохранению тепла в помещениях.
Лед представляет собой материал с небольшим пределом упругости. Его упругие свойства обычно проявляются при кратковременных нагрузках. Под действием постоянных нагрузок (даже небольших) происходит пластическая деформация льда, лед медленно «течет». Этим объясняется движение ледников в горах. Разрушение льда происходит при деформации изгиба, начиная примерно с 15 кг/см2, и при сжатии от нагрузок порядка 30 кг/см2 и более.
Во время исторической битвы на Чудском озере в 1242 году Александр Невский, искусно используя природные условия, перевел битву с немецкими псами-рыцарями на участок не очень крепкого льда. Одетые в тяжелые доспехи, тевтонские рыцари в ходе боя создали настолько большую нагрузку на поверхность озера, что стали проваливаться под лед.
В 1740 году русская императрица Анна Иоановна ради забавы решила отпраздновать женитьбу шута на одной из придворных приживалок. Для этого в Петербурге на Неве был выстроен ледяной дом с площадью основания около 80 м2 и высотой до 6 м. Стены и пол дома были выложены ледяными плитами и скреплены водой. Дом получился добротным и красивым, соответствующим церемонии, для которой был предназначен. Весной он растаял.
Как строительный материал лед использовался еще руководителями крестьянских восстаний Болотниковым и Пугачевым в военных целях. Для этого они обливал на морозе стога сена водой. Через некоторое время вода замерзала и превращала каждый стог в солидную преграду.