Жара внутри и снаружи
Заходят однажды в кафе гляциолог, радиохимик и врач… Так произошло на лекции «Жара», которую провел Информационный центр по атомной энергии (ИЦАЭ). Мы сходили на нее и узнали, станут ли летние вечера еще теплее, почему не надо залезать внутрь ядерного реактора и как наш организм справляется со всей этой жарой.
Тополиный пух, жара, январь
Почему повышается температура?
4 июля 2023 года стал самым теплый днем на планете. С конца XIX века температура в среднем поднялась на 1,1 °С. Но перемены происходят неравномерно. Если мы посмотрим на карту изменения температуры, увидим, что в некоторых регионах России она поднялась на 2-3 °С , а в северных широтах — на 4-5 °С . При этом растут не только средние, но и экстремальные высокие температуры.
Перенос воздушных масс происходит по волнам Россби. Воздух циркулирует за счет контраста температур между экватором и полюсами. Эта разница создает градиент давления, из-за которого появляется поток ветра. Когда контраст температур большой, эти потоки сильные и равномерные, а погодные условия привычные: в Арктике — холодно, а в тропиках — тепло. Но если градиент температур между полюсами и экватором снижается, атмосферный поток начинает расширяться. Из-за этого зимой бывают затоки холодного воздуха с Арктики в южные широты или наоборот. Эти процессы изменяют температуру планеты.
Один из примеров аномальной жары — лето 2010 года. Такие экстремальные погодные условия часто возникают из-за блокирующих антициклонов. Антициклон — это вихрь с двумя главными особенностями: повышенным атмосферным давлением и нисходящими потоками воздуха. Когда он образуется, находится на одном месте по несколько месяцев и не пропускает в атмосферу циклоны, которые могли бы принести осадки. За счет этого в таких районах держатся высокие температуры. Возникает порочный круг: солнце нагревает землю, осадков выпадает мало, жара держится долго.
Как жара влияет на природу?
Чем выше температура воздуха, тем сильнее ливни. Влага с поверхности земли или моря интенсивно испаряется, поднимается в атмосферу и образует осадки. После конденсации влаги в атмосфере выделяется дополнительное скрытое тепло, которое усугубляет аномальную погоду. Так произошло в Крымске в 2012 году, когда за один день выпало 170 мм осадков (столько же выпадает в Петербурге за три месяца).
Повышение температуры может усиливать само себя. Например, из-за аномальной жары возникают лесные пожары, выгорают огромные участки леса. При этом древесина, сгорая, образует углекислый газ. Он попадает в атмосферу и еще больше ее нагревает, усиливая парниковый эффект.
Еще один очевидный, но печальный факт: чем выше температура, тем меньше льда. Это приводит к снижению альбедо — отражательной способности Земли. Если посмотреть на нашу планету из космоса, то мы увидим большие белые пятна — льды Арктики, Гренландии, Антарктиды. Они отражают солнечную энергию обратно в космос. Если лед тает, то тепло не отражается, а накапливается на поверхности Земли.
Что будет дальше?
Климатологи уверены: температура будет повышаться. В будущем могут быть побиты рекордные температуры. Согласно сценарию Climate Change Response Program в России к концу века аномальные температуры будут увеличиваться, а уже привычные для летней Москвы тридцать градусов поменяются на сорок.
Делим атомы, греем дома
Что такое температура?
Когда мы говорим про жару с научной точки зрения, используем термин «температура».
Существует понятие эмпирическая температура: ее измеряем с помощью термометра или прикосновений.
В физике — термодинамическая температура: она показывает степень нагретости одного тела относительно другого.
Еще одно определение температуры выводится из молекулярно-кинетической теории, благодаря которой ученым удалось связать скорость движения частиц с температурой.
Иллюстратор: Василиса Клён
Все вокруг нас состоит из атомов и молекул, которые постоянно движутся с определенной скоростью. Из-за движений атомов мы и ощущаем тепло. Например, тепловой нейтрон (нейтрон, который уже столкнулся с ядрами вещества и потерял кинетическую энергию) при обычной температуре движется со скоростью 2000 м/с.
Какая температура в ядерном реакторе?
Есть разные виды атомных реакторов: исследовательские, космические, судовые и электрические — на них и остановимся. Давайте рассмотрим основной реактор атомной энергетики — ВВЭР–1200 (водо-водяной энергетический реактор). В нем в качестве топлива чаще всего используют диоксид обогащенного урана. Он помещается в тонкие циркониевые трубки в виде небольших таблеток. Они объединяются в тепловыделяющие сборки.
Когда происходит цепная реакция деления урана, топливо нагревается и отдает тепло воде первого контура. Она разогревает воду второго контура в парогенераторе. В нем образуется пар, который заставляет вращаться турбину. Присоединенный к ней электрогенератор начинает вырабатывать ток.
Вода, которая проходит через реактор, нагревается до 328 °С. Для сравнения, спичка загорается при 300 °С. Пар из парогенератора идет в турбину уже с температурой 286 °С.
В некоторых реакторах (например, на реакторах быстрых нейтронах) вместо воды через реактор циркулирует жидкий натрий, температура которого на выходе составляет 547 °С. При такой температуре самовозгорается лист бумаги.
Самая высокая температура в ядерном реакторе может быть зарегистрирована по центру урановой таблетки — до 1800 °С. Но на стенке таблетки температура будет ниже — до 900 °С.
Тепло наших тел
Большинство реакций в организме протекают при определенных температурах. Утела и внутренних органов они поддерживаются на постоянном уровне, но могут колебаться в пределах ± 0,1 °C. Но что считать нормальной температурой? Зависит от того, как измерять: в подмышечной впадине, во рту или ректально. Разница при этом может составлять около 1 °C.
Откуда в организме берется тепло?
Основное тепло появляется благодаря обмену веществ. Чтобы оно не рассеивалось, у нас есть изолирующая оболочка — кожа и подкожно-жировая клетчатка.
На теплопродукцию влияют и другие факторы, например, мышечная активность, концентрация гормонов щитовидной железы и надпочечников, а также пища. Когда желудок и кишечник переваривают и всасывают еду, также выделяется тепло.
Как организм регулирует температуру?
Температура кожи непостоянна. Она зависит от условий внешней среды. Через широкую сеть сосудов происходит теплоотдача. Между венами и артериями на конечностях есть особые соединения — шунты. Они нужны, чтобы быстро сбрасывать артериальную кровь в венозное русло. В просвете шунта есть мышечные волокна, которые регулируют его работу. Они получают сигнал от центра терморегуляции из гипоталамуса.
Когда в организме вырабатывается много тепла, а на улице жарко, центр терморегуляции дает телу сигнал — охладиться. Для этого расширяются и открываются шунты, венозные сплетения заполняются кровью, а тепло, которое несет кровь, испаряется с поверхности кожи.
Когда организму холодно, происходит обратный процесс через теплообмен с кожей: шунты спазмируются, сброс крови прекращается, а тепло сохраняется внутри тела.
В первом случае организм отдает тепло за счет инфракрасного излучения: атомы и молекулы кожи «колеблются» и передают тепло воздуху. У него низкая теплопроводность, поэтому вокруг человека сохраняется «оболочка», которую можно увидеть на тепловизоре.
С помощью второго способа, теплопроведения, человек отдает около 3 % тепла. Это происходит даже когда мы лежим на кровати или сидим на стуле.
Испарение — самый мощный способ отдачи тепла. За сутки в процессе дыхания человек теряет до 600-700 мл жидкости, а через пот отдается еще больше тепла.
Потоотделение — единственный способ охладить тело, когда температура окружающей среды выше температуры кожи.
Главный центр терморегуляции в организме находится в гипоталамусе. Его передняя доля отвечает за восприятие тепла. Когда терморецепторы кожи фиксируют повышение температуры, сигнал направляется в переднюю часть гипоталамуса. Она фиксирует перегрев и отдает команду задней части, которая включает механизм потоотделения.
Что делать при тепловом ударе?
Если человек долго находится под солнцем или в горячих водоемах, он может перегреться и получить тепловой удар. Повышение температуры влияет на весь организм: возникает слабость, головокружение, бред, расстройства желудочно-кишечного тракта. Из-за диареи, рвоты человек теряет много жидкости, а вместе с ней электролиты (натрий, калий). Их потеря приводит к возникновению шока.
Важно помочь человеку с тепловым ударом: отведите его в прохладное место, намочите одежду и напоите холодной подсоленной водой, чтобы восполнить потерю электролитов.
Фото: офиальная группа ИЦАЭ во «ВКонтакте»
Еще почитать по теме
