19. Искусственный климат

Собственно понятие "искусственный климат" не существует. Есть климат географической области или зоны, есть местный климат внутри какой-то ограниченной территории, обусловленный особенностями данной местности, и, наконец, есть еще микроклимат в приземном слое воздуха в пределах совсем малого по размерам пространства - под листвой растений или кроной дерева, на лесной поляне или на дне оврага... Все это климат, сложившийся естественно, как элемент природной среды. Однако микроклимат может быть создан и искусственно - посадкой деревьев или кустарников, орошением поля и дренажными работами на болоте. Еще в большей мере преднамеренно он создается человеком в оранжереях, теплицах, зимних садах, зимних стадионах, овощей фруктохранилищах, рефрижераторах, закрытых плавательных бассейнах и, само собой разумеется, во всех помещениях вообще, в которых живут и работают люди или в которых они укрывают от непогоды домашних животных. Режим температуры, влажности, воздухообмена в наших домах - вещь обыденная, привычная. В обиходе у нас нет специального термина для его обозначения. А это ведь, по существу, не что иное, как искусственный климат. Пожалуй, лишь для помещений, оборудованных воздушными кондиционерами, в странах с жарким климатом и у нас на юге страны, термин "искусственный климат" применяется часто и практически прижился, хотя он в равной мере может быть применен и ко всем Другим помещениям, отапливаемым и неотапливаемым, поскольку состояние воздуха в них регулируется человеком, то есть создается искусственно.

Именно об условиях, создаваемых людьми в закрытых помещениях, то есть о разных вариантах искусственного климата, мы и поведем речь ниже.

19.1. Можно ли создать искусственный климат под защитой снежного покрова?

Можно: снег является отличным естественным строительным материалом, вполне пригодным для создания искусственного климата в его толще. Это было известно и людям древности, известно и многим животным. И те, и другие с большим успехом использовали зимой снег как укрытие не только от ветра и осадков, но и от мороза. Благодаря пористой структуре снег - неплохой теплоизоляционный материал. Им и сейчас пользуются на севере и в горах охотники, туристы, альпинисты. Полярники в Антарктиде нередко укрывают под снегом свои жилища и рабочие помещения научных станций.

19.2. Какие требования предъявляются к помещениям с искусственным климатом?

Для рабочих помещений, не имеющих прямого сообщения с наружным воздухом и лишенных естественного освещения, обязательно создание искусственного климата, показатели которого не выходили бы за пределы зоны комфорта. Это касается режима температуры и влажности воздуха, а также вентиляции, то есть воздухообмена. Указанные характеристики рабочих помещений должны быть стабильными и обеспечиваются искусственно. Современные нормы предусматривают объем помещений из расчета не менее 10 м на человека и скорость вентиляции 250 л/мин, то есть полный обмен воздуха в течение часа. Кроме того, помещение должно иметь искусственное освещение в соответствии с нормами для обычных рабочих помещений.

19.3. В чем особенности искусственного климата кухонь?

Кухни с газовыми плитами нуждаются в усиленной вентиляции, так как концентрация загрязняющих воздух веществ в них в 10 - 20 раз больше, чем в обычных жилых помещениях. Особенностью искусственно создаваемого микроклимата кухонь является изменение состава воздуха за счет интенсивного поступления углекислого и угарного газов. Кроме того, в воздухе кухонь много аэрозольных тел и скоплений тяжелых ионов, вредных для человеческого организма. Лучше всего вентилируются кухни, оборудованные дровяными печами с сильной тягой. В настоящее время микроклимат кухонь улучшается внедрением электроплит, инфракрасного подогрева пищи. Однако в любом случае помещение кухни нуждается в усиленной вентиляции для удаления загрязнений воздуха и поддержания требуемого режима температуры; в плохо вентилируемых кухнях температура обычно намного превышает норму, соответствующую зоне комфорта.

19.4. Существует ли связь между микроклиматом рабочих помещений и производительностью труда?

Такая связь определенно существует: экспериментальным путем установлено, что наивысшая производительность труда достигается при прочих равных условиях там, где устойчивый оптимальный влажностно-температурный режим и постоянное равномерное поступление чистого свежего воздуха без ощутимой его подвижности (сквозняков). Особенно велико значение отклонений температуры от комфортных условий. В одном из специально поставленных опытов у людей, выполняющих несложную работу, зафиксировано снижение производительности труда на 12% при понижении температуры в рабочем помещении с 17 до 10° С. При одновременном, даже значительном, изменении температуры, влажности и режима воздухообмена, производившемся, однако, в пределах зоны комфорта, сколь-либо существенных колебаний в производительности труда не наблюдалось.

19.5. Какая роль в формировании условий комфорта принадлежит солнечной радиации?

Большинство исследователей считает нежелательным, чтобы прямые солнечные лучи проникали в рабочие помещения. Исключения составляют лишь зимние месяцы в средних широтах, когда ощущается общий недостаток естественного света даже в околополуденное время. Солнечная радиация, поступающая через окна в дневное время, в холодную часть года, в состоянии нагреть помещение на 2 - 3° С. В низких широтах радиационные притоки тепла признаются недопустимыми; для защиты от них необходимо пользоваться различными средствами затенения (занавеси, жалюзи, навесы, тенты, лоджии и т. п.).

19.6. Как лучше учесть особенности климата при строительстве дома?

Чтобы грамотно учесть все особенности местного климата при гражданском строительстве, нужны консультации специалистов-климатологов о влиянии таких факторов, как солнечная радиация, господствующие ветры, влагосодержание воздуха, водопоглотительная способность почвы, наклон местности, близость открытых водных пространств. Располагая такими характеристиками, архитектор и инженер-строитель смогут спланировать здание, наилучшим образом приспособленное к местному климату и располагающее максимальной комфортабельностью, возможной в данных конкретных условиях, то есть лишенное недостатков, связанных с неблагоприятными влияниями климатических особенностей.

19.7. Как создается искусственный микроклимат на борту космических кораблей и орбитальных станций?

На борту искусственных спутников Земли и космических кораблей должны создаваться благоприятные условия для длительного пребывания и активной деятельности экипажей. Это прежде всего - постоянство режима температуры и влажности и чистота воздуха, его неизменная пригодность для дыхания.

В условиях невесомости не существует естественного воздухообмена, которым снимаются излишки тепла с тела человека. Поэтому на космических кораблях устанавливается система принудительной циркуляции воздуха и автоматически работающая система контроля за температурным режимом в различных частях кабины.

В зависимости от состава смеси газов, которыми заполняются кабины кораблей, устанавливается постоянный оптимальный режим температуры: на советских кораблях он близок к обычному режиму, привычному на Земле, а на американских, в которых вместо азота разбавителем кислорода служит гелий,- режим температуры поддерживается на 6 - 8° С выше, так как ощущение комфорта в гелиевой атмосфере наступает при температуре около 30° С.

19.8. Насколько различны условия радиационного облучения на Земле и в космосе, на орбитах полетов ИСЗ?

Поскольку орбиты ИСЗ находятся на высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли, то есть в разреженных слоях верхней атмосферы, то уровень радиационного облучения на высоте полета космических кораблей выше, чем на Земле. В нормальных условиях, при спокойном состоянии Солнца, на орбите советской станции "Салют-6" (высота 260 - 310 км) доза облучения примерно в полтора раза больше, а на орбите американской станции "Скайлэб", летающей на 100 км выше, онa больше уже в несколько раз. Дело в том, что по мере удаления от земной поверхности уменьшается защитная способность толщи атмосферы, очень разреженной на такой высоте, и магнитосферы, отклоняющей часть потока солнечного излучения в сторону от Земли. При вспышках солнечной активности, приблизительно соответствующих по времени появлению на поверхности Солнца новых пятен, уровень радиации, вредной для человеческого организма, на орбитах ИСЗ возрастает в десятки и сотни раз; космонавты в этих случаях должны искать защиту под тепловой обшивкой своих кораблей, пристыкованных к орбитальным станциям.

19.9. Как обеспечивается радиационная защита космических кораблей?

При спокойном состоянии Солнца, то есть при обычном уровне солнечной активности, дозы облучения, получаемые космонавтами на борту космических кораблей или орбитальных станций, хотя и превышают дозы, получаемые людьми на земной поверхности, абсолютно неопасны для здоровья. Опасность представляют случаи вспышек солнечной активности, происходящие время от времени, от одного до трех-четырех раз в год, в зависимости от цикла солнечной деятельности.

Предупреждения-прогнозы таких вспышек даются особой Службой Солнца, специалисты которой ведут непрерывные наблюдения за состоянием солнечной активности. Кроме того, с момента возникновения вспышки на Солнце до опасного повышения уровня радиации на орбите ИСЗ проходит некоторое время (около 20 мин), достаточное, чтобы принять необходимые меры радиационной защиты космонавтов. Для этой цели применяются как пассивные средства защиты - экранирование отсеков станций материалами, способными поглощать опасные для организма заряженные частицы, так и активная, основанная на использовании электромагнитных полей, способных отклонять корпускулярные частицы от космического корабля.

19.10. Существует ли опасность радиационного облучения людей на борту самолета?

На самолетах обычного типа, летающих в нижнем слое атмосферы, опасности радиационного облучения не существует вообще. Для сверхзвуковых транспортных самолетов, летающих в нижней стратосфере, такая опасность, хотя и меньшая, чем для ИСЗ, может возникнуть только в периоды интенсивных солнечных вспышек. Международная система оповещения о таких случаях и постоянный контроль Службы Солнца за состоянием солнечной активности обеспечивают радиационную безопасность полетов самолетов в нижней стратосфере, как и ИСЗ в околоземном пространстве.

19.11. Обязательна ли герметичность теплиц для выращивания в них овощей?

87. В оранжерее ботанического сада. Фото В. Быкова

Теплицы нуждаются в хорошей термоизоляции, но для достижения последней совсем не обязательна герметичность. Даже наоборот, полная герметичность теплиц, если бы она была достигнута, оказалась бы губительной для растений, которые нуждаются в обмене воздуха теплиц с наружным воздухом. Дело в том, что поглощая в процессе фотосинтеза углекислый газ из воздуха теплицы, растения за 2 - 3 ч полностью израсходуют весь запас газа в замкнутом пространстве теплицы и, лишившись питания, окажутся без строительного материала, необходимого им для формирования урожая. Подсчитано, что для выращивания 7 - 8 кг томатов или огурцов требуется 1 кг углекислого газа.

19.12. В чем различия климата, искусственно создаваемого в оранжереях и в теплицах?

Принципиально искусственный климат оранжерей и теплиц один и тот же. Создается он на основе использования оптических свойств стекла или полиэтиленовой пленки, обладающих способностью сохранять тепло у поверхности земли, предотвращая выхолаживание приземного слоя воздуха холодным ветром, а также пропускать солнечное излучение лучше, чем обратное тепловое излучение поверхности почвы (парниковый эффект). Однако для поддержания оптимальной для развития растений температуры, кроме естественного солнечного обогрева, необходим и искусственный обогрев (воздушный, электрический, водяной, паровой или боровой - обогрев за счет выделения тепла в процессе гниения внесенной под почву смеси навоза с ботвой или листьями). Помимо обогрева, искусственный климат формируется дополнительным искусственным освещением, увлажнением воздуха и поливом почвы. В зависимости от выращиваемых культур оранжереи имеют различный температурный режим и делятся на холодные (с температурой от 1 до 8° С), умеренные (от 8 до 15° С) и теплые (от 15 до 26° С). Умеренные и теплые оранжереи называют теплицами, в отличие от холодных, которые называются только оранжереями.

19.13. Можно ли земной климат рассматривать как "оранжерейный", формируемый под защитой атмосферы, играющей роль стеклянного или пленочного покрытия?

Да, вполне можно. Аналогия здесь полная, различия только в масштабах. Лучистый перенос тепла в атмосфере осуществляется видимым и инфракрасным излучением, которое практически не поглощается молекулами основных газов атмосферы - азота, кислорода, аргона. Непостоянные составляющие воздуха - водяной пар, углекислый газ, озон, капельки воды и кристаллики льда,- наоборот, способны активно поглощать длинноволновое излучение Земли и сравнительно свободно пропускать коротковолновое солнечное излучение. Атмосферные газы, поглощающие длинноволновое излучение, создают противоизлучение атмосферы, направленное вниз, к земле. Этим уменьшаются теплопотери земной поверхности. Эффективное излучение земной поверхности - излучение, не идущее на нагревание атмосферы, то есть не поглощенное газами, входящими в состав атмосферного воздуха, а уходящее в мировое пространство,- в среднем составляет всего около 20% излучения Земли. Оранжерейный эффект атмосферы в целом для Земли весьма значителен: он повышает температуру земной поверхности примерно на 33° С. Если бы на Земле не было атмосферы, как, например, на Луне, то средняя температура ее поверхности была бы не 15° С, а всего -18° С! (Раньше, когда не было спутниковых измерений, энергетический бюджет Земли определялся с некоторым занижением и расчетная температура земной поверхности при отсутствии атмосферы получалась еще более низкой: всего -23° С.)

19.14. Способна ли человеческая деятельность повлиять на механизм оранжерейного эффекта атмосферы?

Естественная оранжерея, создаваемая атмосферой на поверхности Земли, теоретически подвержена влиянию многих факторов, способных регулировать эффективность всей системы обмена теплом между Землей и ее атмосферой. В частности, велико значение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе, которое имеет тенденцию постоянно увеличиваться, создавая тем самым угрозу потепления. Рост концентрации других газов, поглощающих инфракрасную или ультрафиолетовую радиацию, также способен изменять температурный режим на Земле: аммиак, фреоны, окислы азота, так же как различные аэрозоли, в последние годы поступают в атмосферу во все возрастающих количествах и требуют к себе внимания. Воздействие некоторых загрязняющих воздух веществ на озон также создает проблемы. Оценить точно возможные последствия влияния всех этих факторов пока нельзя. Поэтому реализация теоретической возможности воздействия на механизм оранжерейного эффекта в настоящее время практически неосуществима.

19.15. Каков климат жилых помещений полярников в Арктике и Антарктике?

У зимовщиков в помещениях условия далеко не стандартные. Сейчас в Арктике много поселков с домами, отапливаемыми обычными печами. Внутри домов режим температуры такой же, как внутри домов зимой в средней полосе. На научных станциях, расположенных на дрейфующих льдинах или в Антарктике,- условия иные. Можно назвать три основных вида жилья в полярных экспедициях: временные выносные "точки" летнего сезона - утепленные палатки с двойными стенками и водонепроницаемым днищем, фанерно-деревянные передвижные домики на санях, так называемые балки, с печью на жидком топливе и, наконец, стационарные домики, обогреваемые теплым воздухом от жидко-топливных печей или же электричеством.

Искусственный климат внутри палаток не обеспечивает сохранение зоны комфорта. В палатке, пока горит печка, наверху тепло, а у пола - холодно. В балках хотя и тепло, но трудно обеспечить нормальный воздухообмен и потому внутри них повышенное содержание углекислого газа. В стационарных домиках условия наиболее благоприятные, в них вполне достижим режим комфорта, но в таких домах постоянно ощущается излишняя сухость воздуха, поскольку наружный воздух в силу низких температур отличается очень незначительной абсолютной влажностью, Это становится заметным уже в первые часы пребывания внутри такого стационарного домика: отпадает необходимость пользоваться полотенцем - после умывания лицо и руки мгновенно становятся сухими. Это наиболее характерная черта искусственного климата в помещениях полярников. Вторая черта - недостаток дневного света даже летом, во время полярного дня, и его полное отсутствие зимой, во время полярной ночи.

19.16. Как в Антарктиде зимовщики строяг свои жилища, оберегая их от снежных заносов?

В зависимости от места расположения станции ее жилые домики строят под снегом или, наоборот, поднимают над ним на своего рода сваях из труб, с тем чтобы снег, переносимый ветром, не заносил дома.

Если научную станцию сразу строят из расчета укрытия ее жилых помещений под снегом, то все строения размещают на дне вырытого в снегу тоннеля глубиной 5 - 6 м; над крышами домиков вровень с местностью тоннель закрывают гладким перекрытием, по поверхности которого свободно переносится снег, не отлагаясь и не накапливаясь. Если домики поставить просто на снегу, их за два-три зимних сезона занесет снегом так, что они окажутся погребенными под многометровой снежной толщей. Под тяжестью снега крыши домиков могут обрушиться.

19.17. Что собой представляют и для чего используются микроклиматические камеры?

Помещения, в которых можно искусственно создавать требуемые климатические условия, называют микроклиматическими камерами. В них можно задавать любой режим температуры, влажности и ветра. Существуют и такие камеры, в которых можно задавать режим радиации.

Используются микроклиматические камеры для исследований теплового состояния людей и животных при различных режимах температуры и ветра, а также для определения теплозащитных свойств различных образцов одежды и оценки способности человеческого организма к адаптации в экстремальных условиях, к восстановлению теплопотерь.

Такого рода исследования в микроклиматических камерах широко практикуются в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте в Ленинграде при подготовке полярных экспедиций. Камеры позволяют создать и сохранять в течение нескольких часов режим холода и сильного ветра, сильного холода и слабого ветра и т. д. Например, -28 ± 0,9° С и ветер 6,1 ± 0,4 м/с или -36 ± 0,9° С и ветер 2,5 ± 0,2 м/с.

По результатам испытаний людей и одежды в микроклиматической камере можно определять доступную продолжительность пребывания на морозе человека в различной одежде.

19.18. Какой микроклимат поддерживается в кабине самолета при полетах на различных высотах?

Микроклимат в кабине самолета искусственно поддерживается на уровне условий, соответствующих зоне комфорта. Для этого работает система кондиционирования воздуха, автоматически регулирующая режим температуры и влажности, а также атмосферного давления внутри кабины самолета. Герметичность кабины позволяет поддерживать атмосферное давление, равное примерно ³/₄ нормального давления на уровне моря даже при полетах на самых высоких эшелонах в нижней стратосфере, где давление вне кабины в три-четыре раза меньше, чем на уровне моря. Забортный воздух, прежде чем поступить в кабину самолета, нагревается до обычной комнатной температуры и сжимается в турбокомпрессоре. Одновременно в нем происходит разрушение значительной части избыточного озона, что также очень важно, так как озон оказывает освежающее действие только при небольшой его концентрации, обычной в приземных слоях атмосферы. Если же концентрация озона в воздухе достигает более одной десятимиллионной части по объему, то озон начинает оказывать токсичное влияние на человеческий организм.

19.19. Почему необходимость снижения концентрации озона внутри кабины самолета возникает лишь на больших высотах?

Воздух у земной поверхности содержит незначительное количество озона, составляющее стомиллионные доли по объему. К такой его концентрации или несколько большей человеческий организм привык, в этом случае озон не является для него токсичным. С высотой в атмосфере содержание озона возрастает, но его концентрация в тропосфере остается в пределах допустимой. Однако уже в стратосфере, выше тропопаузы, концентрация озона резко возрастает и несколько превышает допустимую уже на эшелонах полетов обычных дозвуковых самолетов в нижней стратосфере, а на эшелонах полетов сверхзуковых самолетов, приближающихся по высоте к уровню максимальной концентрации озона (21 - 26 км), превышает ее уже в несколько раз. Воздух, подаваемый в кабины сверхзвуковых самолетов, должен пропускаться не только через турбокомпрессоры, но и через специальные фильтры, освобождающие его от избыточной концентрации озона, поскольку в турбокомпрессорах разрушается только 75 - 90% количества озона, превышающего допустимый уровень.