Посудин укр.

пароутворення; Е – втрати вологи при диханні або потовиділенні). У процесі випаровування молекули рідини з найбільшою швидкістю і кінетичною енергією залишають поверхню тіла тварини, в результаті чого температура поверхні знижується. Цей процес відбувається тоді, коли температура повітря вища, ніж температура тіла. Типові значення втрат енергії через випаровування змінюються від 7,0 до 20,9 Вт/м2.

Процес потовиділення вдвоє збільшує втрати теплоти (людина спроможна виділити близько 1,5 кг вологи за годину, що еквівалентно 600 Вт/м2). Вівці та собаки здатні компенсувати неспроможність потіти важким диханням, тоді як велика рогата худоба втрачає велику кількість теплоти саме через потовиділення. Швидкість випаровування залежить від поверхні тіла тварини. Процес виділення поту потовими залозами тварин відбувається рефлекторно.

Репродуктивні тести

1.Що таке перенесення теплоти?

2.Пояснити, що таке вільна та вимушена конвекція.

Альтернативні тести

1. Чи вірно ствердження, що тварини білої масті поглинають більшу кількість сонячного випромінювання, ніж тварини з чорним забарвленням? Так Ні

2. Тепловий потік вважається додатним, якщо теплота переноситься з листка у повітря, і від´ємним − у протилежному разі.

Так Ні

Парно-вибірковий тест

Знайти відповідні пари “перенесення теплоти-визначення”

293

Конструктивний тест

Від чого залежить рівень відбивання сонячного випромінювання твариною?

294

IV. ЕНЕРГЕТИЧНИЙ БАЛАНС ФІЗИЧНИХ ТА БІОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ З НАВКОЛИШНІМ СЕРЕДОВИЩЕМ

25. КВАНТОВІ ВЛАСТИВОСТІ ВИПРОМІНЮВАННЯ

25.1. Закони теплового випромінювання

Кожне тіло випромінює за будь-якої температури, крім абсолютного нуля, енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Це електромагнітне випромінювання, що виникає за рахунок внутрішньої енергії ті-

симум енергії в спектрі рівноважного випромінювання, обернено пропорційна абсолютній температурі Т тіла, що випромінює:

295

де b = 2,897756 · 10-3 м/К.

Приклад

Температура поверхні листка становить 280 К. На яку довжину хвилі припадає максимум випромінювання поверхні листка?

Розв’язання

Використовуючи закон Віна, одержуємо:

max = 2,8978·10 –3/T = 2,8978·10 –3 / 280 = 10·10 –6 м = 10 мкм.

У 1900 р. М. Планк запропонував теоретичне обгрунтування спектральних закономірностей випромінювання абсолютно чорного тіла, яке було сформульоване як закон випромінювання Планка (формула Планка):

де h стала Планка (h = 6,626 10-34 Дж с); довжина хвилі; c швидкість світла; T абсолютна температура; k стала Больцмана; е основа натурального логарифма.

Як наслідок закону випромінювання Планка випливає закон ви-

промінювання Стефана Больцмана повна випромінювальна здатність R абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому степеню температури:

де R вимірюється в Вт/м2; стала Стефана Больцмана

( =5,67051·10-8 Вт·м-2·К-4).

Цей закон застосовується для оцінювання випромінювання та випромінювального балансу компонентів навколишнього середовища.

25.2. Короткохвильове сонячне випромінювання

Температура поверхні Сонця становить близько 6000 К. Довжина хвилі сонячного випромінювання визначається за законом зміщення Віна ( 25.1 ):

296

незначну концентрацію озону (одна молекула озону припадає на мільйон молекул повітря), він здатний поглинати ультрафіолетове сонячне випромінювання: майже все випромінювання УФ-С області (200– 300 нм), та частину випромінювання УФ-В області (280–320 нм). Саме УФ-В область призводить до еритеми, небезпечних генетичних порушень в організмі людини, раку шкіри. Короткохвильове (<270 нм) ультрафіолетове випромінювання спроможне розщепити молекулу кисню О2 на синглетний кисень О, який взаємодіє з О2 і утворює озон О3. В цілому, озоновий шар являє собою ефективний фільтр для сонячного ультрафіолетового випромінювання в ділянці 280–320 нм, в якій поглинають біологічно важливі молекули білків і нуклеїнових кислот.

У стратосфері під впливом сонячного випромінювання відбуваються такі процеси.

1.Взаємодія короткохвильового ( 240 нм) випромінювання з молекулою озону, яка призводить до появи атомарного кисню:

2. Взаємодія атомарного кисню з молекулярним:

де М – якась інша молекула (звичайно, азот або кисень).

3.Взаємодія довгохвильового ( = 300–315 нм) випромінювання з озоном, що викликає зворотне перетворення останнього:

Озонова дірка утворюється в шарі стратосферного озону, який дуже чутливий до впливу різних сполук, які містять хлор, навіть при незначних концентраціях останнього. Відносно механізму утворення озонової дірки немає єдиної думки. Існують дві версії щодо причин виникнення цього явища. Одні вчені вважають, що озоновий шар руйнується внаслідок послаблення потоку ультрафіолетового випромінювання, необхідного для утворення озону, в кінці року; тут певну роль відіграють швидкі переміщення великих повітряних мас над Антарктидою. Інші стверджують, що озоновий шар руйнується через потрапляння в атмосферу хлорфторвуглеців (фреонів), які використовують як хладоагенти та розпилювачі в холодильних установах, вогнегасниках, аерозольних виробах. Характерним є досить тривалий (від 70 до 500 років) проміжок часу існування цих сполук; поширюючись у пові-

298

тряному просторі, вони руйнуються під впливом сонячного випромінювання, виділяють атоми хлору чи брому, що взаємодіють із молекулами озону, руйнуючи останні.

У 1985 р. було прийнято Віденську конвекцію із захисту озонового шару, а в 1987 р. у Монреалі підписано міжнародний протокол щодо речовин, які руйнують озоновий шар. У 1988 р. Україна приєдналася до віденської конвенції, підписала доповнення та поправки до монреальського договору.

Спостереження за загальним вмістом озону (ЗВО) в Україні почалися в 1973—1974 роках на станціях Бориспіль, Карадаг, Одеса, Львів. Тоді ці станції входили до загальноозонової мережі моніторингу озону. Вони були розташовані так, що, з урахуванням станцій Воронеж і Цимлянськ, охоплювали практично всю територію України. Після розпаду Союзу схід України виявився практично не охопленим національними засобами спостереження. У 1990 році було відкрито озонометричні станції в Києві (УКРНДГМІ) і Богуславі, на яких вимірювали вміст озону, сонячну та ультрафіолетову радіацію. Тоді почали вивчати ультрафіолетовий клімат у всіх регіонах країни, робити моніторинг опромінення території України, щоб запобігти негативним наслідкам від озонових аномалій. Для більш повної інформації тепер використовують дані, отримані з супутникового приладу TOMS.

Глобальні вимірювання рівня озону за допомогою супутників протягом 1979-1993 рр. свідчать про суттєве збільшення ультрафіолетового опромінювання в високих і середніх широтах обох півкуль. Зменшення озонового шару продовжувалося до 1998 р., після чого спостерігається його поступове відновлення.

25.5. Вимірювання озону

Одиниці Добсона використовуються для вимірювання „товщини” озонового шару. Якщо уявити, що всі молекули озону, які присутні в стратосфері, можна зібрати на поверхні (при нормальних тиску та температурі), то товщина цього шару становитиме 3 мм. Ця кількість озону відповідає 300 DU (одиницям Добсона).

Озоновий зонд являє собою прилад, що встановлюється на повітряній кулі з газом, яка підіймається на висоту до 35 км. Він містить озоновий сенсор, джерело живлення, газову помпу та радіопередавач. Під час польоту кулі повітря з озоном пропускається за допомогою помпи через розчин, окислення якого озоном призводить до появи електричного струму, що реєструється. Величина цього струму пропорційна потоку озону і, таким чином, його концентрації.

Спектрофотометр Добсона. Цей прилад використовують для оцінювання озонового шару на основі диференціальної спектрофото-

299

метрії. Як джерело світла використовують ультрафіолетове випромінювання Сонця або Місяця. Метод диференціальної спектрофотометрії передбачає порівняння рівня поглинання на двох довжинах хвиль – 305 нм (поглинання озону) та 325 нм (опорна довжина хвилі). Аналіз поглинання ультрафіолетового випромінювання на аналітичних довжинах хвиль дає можливість оцінити концентрацію озону в атмосфері та його просторовий розподіл. Принцип дії спектрофотометра Добсона пояснюється на рис. 25.3. Клиноподібний фільтр поступово змінює інтенсивність опорного променя, доки обидва оптичних сигнали не зрівноважаться. Барабан, який пересовує клин, обладнаний шкалою в одиницях концентрації озону.

Фільтр

325 нм

Детектор

305 нм

Рис. 25.3. Принцип дії спектрофотометра Добсона

Лідари. Дистанційне зондування озону можна здійснювати шляхом вимірювання поглинання лазерного випромінювання на довжинах хвиль 308 нм та 351 нм озоновим шаром. Порівняння поглинання на цих довжинах хвиль дає можливість оцінити профіль озону в діапазоні висот від 10 до 50 км.

Супутники. За допомогою запуску космічних платформ відповідно до експерименту за моніторингом глобального озону (Global Ozone Monitoring Experiment) було здійснено спостереження за осно-

300

вними компонентами атмосфери, в тому числі й за озоном. Зрозуміти принцип та масштаб цих спостережень читач зможе за допомогою сайта

http://www.esa.int/esaLP/SEMTTEG23IE_LPmetop_0.html.

25.6. Парниковий ефект

На межі ХІХ-ХХ ст. шведський вчений С. Ареніус передбачив можливість нагромадження в атмосфері вуглекислого газу, що може призвести до підвищення температури нижніх шарів атмосфери. Дані свідчать, що в результаті господарської діяльності людини в атмосфері збільшується вміст вуглекислого газу (СО2), закису азоту (N2O), метану (СН4), галогенопохідних вуглеводнів і тропосферного озону (О3).

Оцінки вчених дають приблизну цифру швидкості зростання СО2 в атмосфері − 3 Гт/рік. Отже, в кінці ХХІ ст. вміст СО2 в атмосфері подвоїться порівняно із серединою ХІХ ст.

Основними молекулами атмосфери, які беруть участь у парниковому ефекті, є водяна пара, двоокис вуглецю, озон, оксид вуглецю, метан і оксиди азоту. Асиметричні молекули, такі як H2O, O3, мають електричний дипольний момент і здатні поглинати оптичне випромінювання.

Електричним диполем називається система, що складається з двох однакових за абсолютною величиною різнойменних точкових

зарядів (+q, q), які знаходяться на деякій відстані l один від одного.

Плечем диполя є вектор l , направлений уздовж осі диполя від негативного заряду до позитивного, і за модулем рівний відстані між ними. Основною характеристикою електричного диполя є його дипольний

момент – вектор , який чисельно дорівнює добутку заряду диполя p

на плече: p ql .

Симетричні молекули, такі як азот і кисень, внаслідок своєї симетричної структури позбавлені електричного дипольного моменту і не беруть участі у процесі поглинання.

У той же час, молекули, лінійні за своєю структурою (CO2, N2O) беруть участь у валентних (при яких змінюються довжини зв’язків) та деформаційних (що полягають у зміні кута між двома зв’язками) коливаннях (рис. 25.4). Очевидно, що завдяки таким коливанням у цих молекулах відбувається просторове зміщення різноіменних електричних зарядів та індукується електричний дипольний момент.

Отже, молекули типових атмосферних газів характеризуються такими значеннями електричного дипольного моменту (у дебаях):

301

азот ( 0), кисень ( 0 ), двоокис вуглецю ( 0 ), метан ( 0 ), озон ( 0,53 ), оксид вуглецю ( 0,112 ), оксиди азоту ( 0,17 ), водяна пара ( 1,85 ).

Рис. 25.4. Основні типи валентних та деформаційних коли-

вань: a − симетричне валентне; б − антисиметричне валентне;

в −симетричне валентне; г −антисиметричне валентне; д − деформаційне; є − деформаційне крутильне; ж − деформаційне різальне; з − деформаційне

Теплове довгохвильове випромінювання Землі поглинається атмосферними газами (СО2, Н2О, СН4), що викликає нагрівання приповерхневого шару атмосфери.

Дійсно, земна поверхня, яка випромінює довгохвильове випромінювання, характеризується відносно високим коефіцієнтом теплопровідності (k = 0,209 Вт/м·К); те ж саме можна сказати про водяну па-

302