|
О ветряках---->
Статьи и небольшие публикации о ветряках и других источниках энергии.
Тайны облака.Физическая природа облака.
Вл. КЕЛЕР, инженер
Рис. Б. ДАШКОВА
•ОБЛАКА, СЕЮЩИЕ БЕДСТВИЯ
•ОБЛАКА - ИСТОЧНИК ЖИЗНИ
•УСЛУЖЛИВЫЕ ПРИЗРАКИ
•АЭРОЗОЛЬ, ИЛИ ТРЕТИЙ КОСМОС
•РЕШЕТО, НЕ ПРОПУСКАЮЩЕЕ ЖИДКОСТЬ
•ПОКОРЕНИЕ НЕУЛОВИМОГО
Огненное облако с огромной скоростью скатилось с вулкана Мон-Пелэ и превратило в пепел цветущий город Сент-Пьер с населением в 26 тыс. человек. Катастрофа была столь же ужасна, сколь неожиданна и непонятна. Никто не мог объяснить, каким образом мельчайшие частицы, к тому же раскаленные, не поднялись в воздух, не рассеялись, а упали на несчастный город и предали его страшной участи.
Это произошло в 1902 году на острове Мартиника в архипелаге Малых Антильских островов.
Иначе двигалось другое облако, сеющее смерть, — облако пустыни Кара-Кумов.
Оно двигалось не спеша — десятилетиями, веками, незаметно по земле подкрадываясь к городам. Это были пески пустыни. Они омертвляли все встречавшееся на пути: колодцы и сады, бахчи и пастбища, кишлаки и города, обнесенные глинобитными стенами.
Мириады всевозможных бактерий и грибков, взвешенных в воздухе, образуют облака, называемые воздушной микрофлорой. Распространяясь, такие облака порою служат источниками заразных заболеваний. Коклюш и грипп, туберкулез и легочная чума — все это передается воздушной микрофлорой.
Много смертоносных облаков реет над миром. Все они имеют общве название: аэрозоли. Разные бывают аэрозоли. Разный и вред, причиняемый ими. Но только ли вред?
Вот подул ветерок, и в воздух поднялись облака золотистой пыльцы. В виде «серного дождя» они где-то потом опустятся на землю и покроют собою огромные пространства. Но какая-то часть их оплодотворит цветки растений. Здесь аэрозоли выступают как могучий стимул жизни.
Мертвая пустыня Гоби несет жизнь Южному Китаю. Под влиянием рвэких переходов от тепла к холоду и обратно камни в течение веков измельчаются и превращаются в тончайшую желтоватую пыль — лёсс, которая затем подхватывается ветром и уносится на юг. Действуя веками, ветротранспортер создал грандиозные лёссовые отложения, в частности в бассейне реки Хуанхэ, а с ними замечательные условия для жизни, так как лёсс плодороден. Все возрастающую роль играют облака тончайшей пыли. Жидкое топливо сейчас перед сжиганием обычно механически распыливают, превращают в туман. В распыленном виде сжигают также твердое пылевидное топливо и некоторые виды минерального сырья (колчеданы).
В борьбе с вредителями и возбудителями грибных болезней растений, а также с малярийными комарами применяют почти исключительно распыленные ядовитые вещества—так называемые инсектициды.
Маскирующие дымы и туманы играют большую роль в военной технике.
В медицине часто применяют так называемую «ингаляцию» — лечение путем глубокого вдыхания специальных лекарственных препаратов. Преимущество этого метода — плотное осаждение лекарства в легких.
Специальные облака применяются в науке, в частности в экспериментальной физике. Исследуя движение капелек в вертикальном электрическом поле, впервые определили точно заряд электрона и число Авогадро, а также доказали квантовую природу фотоэффекта. Явление образования тумана при конденсации пересыщенного пара на газовых ионах послужило основанием для создания одного из важнейших современных приборов — камеры Вильсона.
Что ж в такое аэрозоли? Чем характерен мир частиц, поместившийся между микрокосмосом и макрокосмосом?
МИР АЭРОЗОЛЕЙ
Песчинку величиною в десятые доли миллиметра человек еще заметит невооруженным глазом. Молекулу в 5 млн. раз меньшую он не увидит и через электронный микроскоп. А в этом колоссальном интервале укладываются размеры всех частиц, из которых состоят аэрозоли.
Различают три вида аэрозолей
Туманы — аэрозоли с жидкими частицами: природный туман, дождевое облако, туман, образующийся при распылении падающей воды. Частицы таких аэрозолей, как правило, шарообразны.
Пыли — аэрозоли с твердыми частицами, образующиеся при измельчении твердых тел и при переходе порошкообразных тел во взвешенное состояние под действием воздушных потоков, сотрясений и т. д. К ним относятся угольная пыль, лёсс, цементный порошок и т. д. Под микроскопом пылинки выглядят как грубые обломки самой неправильной формы.
Дымы — аэрозоли также с твердыми частицами, но образованные не измельчением твердых тел, а конденсацией паров. И формы и размеры дымовых частиц многообразны. В отличие от пылинок, частицы дыма очень часто представляют собой рыхлые агрегаты, состоящие из большого числа частиц правильной кристаллической или шарообразной формы.
В строении частиц аэрозолей очень много общего со структурой крупных тел. Для пылей, например, кристаллическая природа вещества сказывается и здесь: в ряде случаев даже мельчайшие частицы сохраняют свойственную данному веществу пластинчатую форму (например, в слюдяной, шиферной и графитовой пыли) или форму волокнистую (асбестовая и текстильная пыль) и т. д.
Поэтому частицы аэрозолей вполне можно назвать просто очень мелкими осколками обыкновенных крупных тел.
Как движутся аэрозоли?
Одной из наиболее важных особенностей большинства облаков, встречающихся в природе, промышленности и обыденной жизни, является то, что они, во всяком случае в первый период своего существования, движутся как одно целое. Воздух омывает их, словно морская струя киль корабля. Это удивительное явление. Не всякий человек объяснит сразу, почему облака не продуваются насквозь, хотя главное, что составляет их объем, — это воздух или газ. Частицы занимают обычно лишь самую ничтожную долю объема. Например, в одном Кубометре обыкновенных водяных облаков в среднем содержится только 1 г воды. Иначе говоря, суммарный объем частиц составляет всего одну миллионную долю полного объема облака.
Почему же воздух не проходит сквозь огромные «пустоты» между частицами?
Объясняется это так называемыми гидродинамическими взаимодействиями между частицами. Двигаясь в одном направлении, частицы увлекают за собою окружающую среду и создают в ней течение, которое, с одной стороны, порождает сопротивление проникновению в облако внешнего воздуха, с другой — уменьшает сопротивление движению частиц.
В результате первого в объеме облака сохраняется та же газовая среда, что была в нем в момент образования. В результате второго плотные частицы облака в своей массе движутся быстрее, чем двигались бы отдельные из них.
Трагедия на острове Мартиника объясняется довольно просто. Сперва подземное газовое давление и высокая температура вытолкнули из кратера облако раскаленного пепла. Оказавшись на поверхности земли, облако, обладая плотностью более высокой, чем плотность воздуха, быстро скатилось вниз на город. Не будь удивительного свойства — целостности облаков, наружный воздух быстро выдул бы газ между частицами, около каждой раскаленной пепелинки образовалась бы нагретая и, следовательно, менее плотная воздушная оболочка. И пылинки, как на воздушных шариках, поднялись бы и рассеялись, постепенно остывая
Интересна одна особенность тяжелых оседающих облаков: верхняя их поверхность обычно бывает плоская. Это наблюдали как в лабораториях, так и на природных туманах.
Объяснение тут простое: при плотности аэрозоля, превышающей плотность граничащей с ним среды, гидростатические силы противодействуют нарушению горизонтальности верхней границы. Аэрозоли в этом случае ведут себя как жидкости.
Понятно, что стабилизация верхней границы будет наблюдаться только тогда, когда плотные частицы движутся как одно целое со средой, то есть при большой концентрации аэрозоля. Особенно устойчивыми оказываются поверхности аэрозолей, утяжеленные хлором, углекислотой и т. д.
И вот рисуется удивительная картина: «жидкость» (плотные частицы) не вытекает из «решета» (газовый объем аэрозолей). Природа переносит жидкость в «решете», и та не выливается.
ПОЯВЛЕНИЕ И ИСЧЕЗНОВЕНИЕ ОБЛАКОВ
Мы привели примеры деятельности, «жиэии» облаков, но все, что существует, рождается и умирает. Как же зарождаются и как исчезают облака?
Мы говорили, что большинство существующих облаков не пропускает через себя воздух, обдувается им снаружи. Но есть и продуваемые облака. Обычно это явление сопутствует процессу рождения или процессу смерти аэрозолей.
Вот порыв ветра скользнул по поверхности пустыни, и тот
час же зашевелились, заволновались песчинки. Те, что покрупнее, покатились по поверхности; помельче — запрыгали и потянулись за порывом ветра; мельчайшие приподнялись и больше не легли обратно: воздушные потоки подхватили и понесли их над землею. Прыжки и перекатывания больших песчинок вызывают действие, напоминающее цепную реакцию. То рикошетируя от слоя других песчинок и повторяя свой прыжок, то зарываясь в слой и передавая импульс другим частицам, которые начинают подскакивать или перекатываться в свой черед, песчинки дробятся дальше и дробят встречающиеся им, постепенно увеличивая количество аэрозольной пыли.
Такая же приблизительно картина наблюдается и при выветривании почвы, и при пневмотранспорте сыпучих материалов, и в процессах, известных под названием «кипящего слоя». Здесь всюду налицо: воздух (или газ), продувающий беспорядочно мечущиеся частицы; захват и перевод в аэрозольное состояние мельчайших из них; дробление (диспергирование) относительно больших и хрупких частиц.
Обратное явление наблюдается в «зрелых», существующих аэрозолях. Важнейшим свойством является их недолговечность. Приходит срок, они «дряхлеют» и разрушаются. Одни частицы налипают на поверхности встречных тел (тем скорее, чем мельче частицы), другие слипаются между собой, или, как говорят иначе, коагулируют. Образуя хлопья сравнительно больших размеров (от нескольких десятых до целого миллиметра), они утрачивают взаимосвязь и выпадают на землю.
Причины коагуляции частиц аэрозолей до сих пор не выяснены до конца. Но, без сомнения, здесь влияет масса факторов: и взаимное — так называемое гидродинамическое — притяжение летящих частиц, и действие атмосферного электрического поля, и отталкивание частиц от нагретых поверхностей, и проявление так называемого броунового движения, и (для жидкостных аэрозолей) конденсация паров на ранее образованных капельках.
Прекрасной иллюстрацией того, как исчезает аэрозоль, является выпадение обыкновенного дождя. Может показаться странным, но причины столь привычного явления, как выпадение дождя, стали выясняться только в самые последние годы.
Дело в том, что образующиеся в результате конденсации пара облачные капельки обладают весьма ничтожными размерами — порядка 10 микрон (то есть сотых долей миллиметра). Такая маленькая частица не в состоянии упасть на землю, так как поток теплого воздуха без труда поднимает ее кверху. Но даже если что-нибудь и толкало ее вниз, она тысячу раз испарилась бы, прежде чем достигла земной поверхности. Чтобы водяная капля, выпав из облака, могла достичь земли, она должна была бы иметь радиус по меньшей мере около 100 микрон, то есть 1/10 мм.
Но дождь все-таки идет. И капли воды, выпадая из дождевых облаков, имеют вполне значительные размеры — до 2—3 мм.
Это происходит потому, что на мельчайших капельках воды в облаках конденсируется пар. Идет процесс коагуляции, усиливаемый движениями капелек и сталкиваниями их между собою, а также действием электрических зарядов капель. В результате возникают два потока. Облако, как и прежде, под влиянием более высокой по сравнению с окружающей атмосферой температуры, со скоростью до 10 м в секунду, поднимается вверх. Дождевые же капли со скоростью от 0,01 до 8—9 м в секунду устремляются вниз.
ОХОТНИКИ ЗА ОБЛАКАМИ
Семь-восемь лет тому назад в США появились компании «по поставке дождя». Было объявлено, что отныне каждая ферма может заказать себе дождь в должном количестве и требуемой продолжительности.
Конечно, это было шарлатанство. Героями этой истории были охотники не за облаками, а за содержимым чужих карманов, умело сыгравшие на надеждах и ожиданиях людей.
Однако настоящая охота за облаками началась и уже дала вполне положительные результаты. В частности, больших успехов в этом направлении добились советские ученые. Так, еще с 1951 года аэрологи из Центральной аэрологической обсерватории начали применять практику «открывания» аэродромов, затянутых облаками. На самолете СССР-Л-902 они подлетали к затуманенным («закрытым») аэродромам Казани, Саратова, Арзамаса, Молотова и других городов и, выпуская в облака несколько килограммов углекислоты, рассеивали их и открывали аэродромы для регулярных взлетов и посадок самолетов.
Но есть облака, которые нужно уничтожить или направить куда-нибудь в безлюдные места, как, например, радиоактивные аэрозоли — продукты атомного взрыва. Ученые работают и над этим.
Великое начинается с малого. Умение улавливать небольшие аэрозоли — первый шаг на пути к победе над облаками. В быту и на производстве сейчас десятки остроумнейших ловушек подстерегают «малые облака», мешающие человеку работать или угрожающие его здоровью.
Вот некоторые из таких ловушек, очищающие запыленные потоки:
Центробежные сепараторы, в частности так называемые циклоны: аппараты, где отделение плотного от неплотного, твердых частиц от газовой среды производится при помощи закручивания аэрозолей и расслаивания этой среды на две вращающиеся сферы с разным удельным весом.
Аппараты налипания, основанные на свойстве частиц прилипать к слегка охлажденным, особенно металлическим поверхностям.
Фильтры тканевые и волокнистые — простейшая, но в то же время надежнейшая разновидность пылевых ловушек.
Ванны-барботеры, приспособленные для промывания, в целях очищения от пыли, запыленных газовых потоков.
Звуковые и ультразвуковые коагуляторы, основанные на том факте, что правильно подобранное акустическое облучение ускоряет процесс естественной коагуляции.
Электрофильтры — такие аппараты, где склонность частиц к прилипанию усиливается во много раз их искусственной электризацией.
Из перечисленных ловушек всего эффективнее обычные тканевые или волокнистые фильтры. К сожалению, у них существенный недостаток: высокие сопротивления.
Интересную идею разработал советский инженер С. Л. Эпштейн. Он предложил перегораживать путь движения аэрозолей в аппаратах не неподвижным фильтром, как обычно, а завесой из сыплющегося вниз тяжелого взвешенного порошка. Движение фильтрующих частиц увеличивает вероятность столкновения частиц аэрозолей с фильтром, то есть делает последний как бы более густым. В то же время фактически между фильтрующими частицами остаются большие промежутки для прохода газа, а отсюда — незначительное сопротивление его движению.
Человек научился обуздывать и частицы покрупнее тех, что текут по трубопроводам и аппаратам. Ограничимся одним, но очень интересным и поучительным примером.
Страшная вещь взрыв в каменноугольной шахте! Он быстр и внезапен. Думается, чем его остановишь? Но оказывается, это можно сделать с помощью аэрозоля.
Было установлено, что поднимаемая взрывной волной пыль (обычно известняковая) останавливает распространение взрыва. Важно лишь, чтобы применяемый для этой цели порошок хорошо распылялся. И вот стали делать так: добавлять к измельченному известняку с полпроцента сажи. Сажа уменьшает силу сцепления известняка и улучшает распыляемость его взрывной волной.
Получаемая смесь ограничивает распространение взрыва.
Так с аэрозолями борются аэрозолями же и из врагов превращают их в помощников человека.
|
