Посудин укр.

Акордно-вибірковий тест

Знайти вірні відповіді на запитання

“Якими перевагами характеризуються емністні гігрометри?” 1. невисока ціна; 2. проста конструкція; 3. лінійність шкали в ін-

тервалі 0-80 % відносної вологості;4. можливість вимірювання вологості в інтервалі температур від –80 до +100 0С.

Репродуктивні тести

1.Що треба зробити, щоб застосувати психрометр Асмана для автоматизованих вимірювань вологості повітря?

2.Від чого залежить величина психрометричного коефіцієнту?

Конструктивний тест

Пояснити механізми впливу солоності води на результати вимірювань об’ємної вологості грунту за допомогою методу часової рефлектометрії.

97

9. ТЕМПЕРАТУРА

9.1. Температурні шкали

Температура фізична величина, що характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи. Температура характеризує, наскільки гарячим чи холодним є тіло.

Кількісне вимірювання температури можливе завдяки використанню термометра та впровадженню температурних шкал. Термометр

це прилад для кількісної оцінки температури будь-якої системи. Один із перших термометрів “флорентійский термоскоп” (1610

р.) містив у трубці воду або вино. Великий герцог Тоскани, Фердинанд ІІ, запропонував спирт як робочу речовину термометра, який мав 50 поділок, але не мав нуля.

Далі датський астроном Реомюр (Ole Roemer) у 1743 р. запропонував шкалу між температурою танення льоду (0 0R) та температурою кипіння води (80 0R).

Німецький виробник інструментів Фаренгейт (Daniel Gabriel Fahrenheit) у 1724 р. розробив температурну шкалу на основі розміщення термометра у: 1) суміші морської солі, льоду та води (0 0F); 2) цієї ж суміші, але без солі (30 0F); у ротовій порожнині здорової лю-

дини (96 0F) [D.G. Farenheit. Phil Trans. (London), 1724.-33.-78]. Темпе-

ратура кипіння води на цій шкалі відповідала 212 0F, а замерзання 32 0F. Останній інтервал було поділено на 180 поділок градусів Фаренгейта (рис. 9.1).

180 поділок

98

Сонце можна порівняти з абсолютно чорним тілом, температура якого дорівнює 6000 К. Спектральна область сонячного випромінювання становить 200 5000 нм; максимум випромінювання припадає на 500 нм.

Земна поверхня діє як абсолютно чорне тіло з температурою 288 К. Спектральна область випромінювання становить 4 50 мкм з максимумом 10 мкм.

Термін тропосфера походить від грецького слова tropos, що означає “змішувати”. У цьому шарі, що займає висоту близько 10 км, відбувається вертикальне перемішування повітря завдяки нагріванню земної поверхні короткохвильовим сонячним випромінюванням. Молекули двоокису вуглецю СО2, метану СH4, закису азоту N2O та інших поглинають довгохвильове випромінювання земної поверхні та нагріваються. В тропосфері температура зменшується з висотою через переміщення повітря в горизонтальному напрямку.

Стратосфера займає область 10 50 км. Ультрафіолетова компонента сонячного випромінювання здатна розщепити молекулу кисню О2 на синглетний кисень О, що взаємодіє з О2 та утворює О3. Температура стратосфери збільшується з висотою. У температурному режимі стратосфери відіграє роль озон О3, який поглинає короткохвильове сонячне випромінювання, що викликає нагрівання стратосфери. Озоновий шар займає область висот 10 50 км з максимумом на висоті 20 25 км. Температура стратосфери залежить від густини озону – де вона більше, температура вище.

У мезосфері (від грецького mesos середній), що займає область висот 50 85 км, температура зменшується з висотою, оскільки тут відбувається значне перемішування повітря завдяки вітру, швид-

500 1000 км температура зростає з висотою за рахунок високої кінетичної енергії молекул газів, що обумовлена поглинанням високоенергетичного сонячного випромінювання залишками кисню. Температура частинок термосфери може досягати 2000 0С, хоча там існує велика розрідженість повітря. Ультрафіолетове сонячне випромінювання викликає іонізацію молекул (іоносфера). Висока енергія частинок дає можливість покидати атмосферу.

9.3. Температура грунту

Температура грунту залежить від таких факторів як теплообмін з повітрям (теплопровідність і конвекція); тепловипромінювання;

100

теплопровідність у грунті; хімічні і фізичні процеси, такі як випаровування, зволоження, конденсація.

Важливим фактором, який впливає на тепловий потік, що надходить у грунт, є колір останнього. Роль його зводиться в зміні альбедо і, таким чином, радіаційного балансу. Суттєво впливає на тепловий потік у грунт наявність ізолюючих шарів (гравію, соломи тощо) на поверхні. Нагрівання та охолодження грунту залежить від його теплоємності і теплопровідності. Теплоємність залежить від пористості і вологості грунту.

Розподіл температури грунту з глибиною і часом. На рис.9.3

наведено типові криві залежності температури грунту від часу та глибини. Видно, що максимальні зміни температури відбуваються на поверхні грунту, тоді як з глибиною амплітуда змін зменшується і набуває певний часовий зсув: якщо максимальна температура земної поверхні досягає близько 14 год, то з глибиною цей максимум “запізнюється” на 4 год для z = 12 см і 7 год для z = 24 см.

Рис. 9.3. Типові криві залежності температури грунту від часу і

глибини

Розглянемо рівняння, що описує зміну температури в грунті, якщо відома температура поверхні. Ця модель передбачає, що властивості грунту однорідні за глибиною; крім того, враховується синусоїдний характер зміни температури з часом. З такими припущеннями рівняння, що моделює залежність температури грунту від глибини z і часу t, має вигляд:

101

Визначення глибини загасання. Рівняння ( 9.2 ) і ( 9.3 ) викорис-

товують для опису зміни температури грунту з глибиною. З врахуванням того, що під час вимірювання температура грунту не змінюється за синусоїдним законом, можна оцінити глибину загасання D. Розв’яжемо рівняння ( 9.3 ) відносно T(z,t) − T для двох різних глибин z1 і z2:

Припускаючи, що амплітуда зміни температури на відповідних глибинах становить

можна отримати вирази:

Звідси, виключивши А(0), знайдемо глибину загасання:

9.4. Температура водойм

Зміна температури в водоймах відбувається не так, як у грунті. Теплоємність води в 2 7 разів перевищує теплоємність грунту. Крім того, температурний режим водойми визначається сонячним випромінюванням, яке проникає в глибину і нагріває воду. Впливає на зміну температури і турбулентність, завдяки чому інтенсивність теплоперенесення значно зростає. В цілому, в водному середовищі через високу теплоємність не відбуваються різкі зміни температури; температурні умови тут більш стабільні, ніж на суші.

У річках з повільною течією та озерах влітку поверхневі води нагріваються скоріше, ніж глибинні шари. Теплові випромінювання поглинається шаром води завтовшки 1 2 м. Цей верхній теплий шар називається епілімніоном, тоді як холодний нижній гіполімніоном. Між ними розташований проміжний шар металімніон, в якому температура змінюється дуже швидко при невеликих змінах глибини. Наявність таких шарів призводить до утворення температурного градієнта.

103

Озера мають характерну температурну стратифікацію, яка залежить від пор року (рис. 9.4). Взимку поверхневий лід має температуру 0 0С, тоді як під ним вода має температуру 3,94 0С (густина води при цьому максимальна). Низька температура і зменшення проникності сонячного випромінювання призводить до придушення біологічної продуктивності озера. Влітку поверхнева вода нагрівається швидко і в верхніх шарах відбувається постійне перемішування води, що сприяє росту фітопланктону. Таким чином, продуктивність озер залежить від теплової стратифікації.

Рис.9.4.Теплова стратифікація по глибині озера улітку

та зимою

9.5. Вплив температури на живі оганізми

Всі живі організми поділяють на ендотермів, які регулюють температуру тіла за рахунок внутрішньої теплопродукції, та ектотермів, які живляться від зовнішніх джерел тепла. Наприклад, ссавці і птахи є ендотермами, а інші тварини ектотермами.

Ендотермні організми здатні підтримувати температуру тіла на постійному (35 40 0С) рівні; саме через це вони віддають теплоту навколишньому середовищу. Втрати тепла сповільнюються завдяки теплоізоляції, функції якої виконуюють волосяний покрив, підшкіряний жир, оперення, а також за допомогою регуляції кровотоку під поверхнею шкіри. Слід зазначити, що незважаючи на високу теплоізоляцію, процес збереження тепла у ендотермних тварин досягається завдяки інтенсивним метаболічним затратам.

В умовах спекотного і сухого клімату ендотермні тварини мають перевагу, обумовлену невеликим значенням відношення “поверх-

104

ня-маса” і високою теплоємністю. Через те, що тканини в основному складаються з води, теплоємність цих тканин становить

cв = 4186,8 Дж/(кг 0С) для інтервалу температур 0 40 0С. Отже, чим більше тварина, тим більшу кількість теплоти містить її тіло при даній температурі. Важливу роль у процесі тепловіддачі відіграє регуляція кровотоку: при високих температурах кровоносні судини шкіри розширюються і тепловіддача збільшується.

Якщо температура зовнішнього середовища перевищує верхню границю термонейтральної зони, тепло активно розсіюється за допомогою процесу випаровування: або потовиділення, або теплової задишки (поліпное). Процес потовиділення не завжди супроводжується випаровуванням вологи. Ефективним засобом збереження в організмі тепла і води є дихання через рот (а не тільки через ніс). Тварина (наприклад, собака), яка страждає від перегрівання, вдихає через ніс, а видихає через рот, забезпечуючи додаткове випаровування з поверхні язика.

Вплив високих температур викликає збільшення швидкості обміну речовин , що сприяє підвищенню продукції теплоти. Крім того , процеси дихання і випаровування спричиняють збезводнення організму. Збільшення температури більше норми називається гіпертермією. Коли сільськогосподарських тварин, мешканців європейських країн, транспортують у тропічні або субтропічні зони, вони приречені на дію теплових стресів. Втрата апетиту, ураження здатності споживати, перетворювати та використовувати корми, порушення терморегуляції та обміну речовин – все це призводить, у свою чергу, до сповільнення розвитку тварин та зменшення тваринницької продукції.

У спекотну зволожену погоду тваринам важко віддавати теплоту через те, що процеси випаровування неефективні. Фізична робота, яку змушені виконувати тварини, призводить до небезпечного підвищення температури тіла. Аналогічна ситуація відбувається, коли собаку закривають у машині, що знаходиться на сонці; продукти дихання насичують повітря водяною парою і подальші втрати теплоти стають неможливими. Перевищення температурою значень 41,5 42,5 0С призводить до серйозного порушення функціонування організму і втрати свідомості, тобто до теплового удару. Несприятливий вплив високих температур пов’язаний з відносною вологістю повітря чим менша відносна вологість, тим вища вірогідність зневоднення організму. Безумовно, суттєву роль відіграє тривалість дії високих температур.

Ефективним засобом протидії низьким температурам у ендотермних організмів є волосяний покрив або підшкіряний жир, які вико-

105

нують функції теплоізолятора (теплопровідність хутра та жиру, як можна впевнитися з табл. 9.1, невисока).

9.1. Теплопровідність деяких речовин

Зміна теплопровідності під час тепловіддачі здійснюється за рахунок інтенсивності периферійного кровотоку, або теплоізоляційної ефективності волосяного покриву або оперення. Регуляція шкіряного кровотоку забезпечується шунтуванням артеріальної крові (рис.9.5): у шкірі судини звужуються, тоді як потоки крові внутрішніх органів збільшуються. Теж саме відбувається у підшкіряному жирі.

106