Лаборатория климата | ТМ 1938-12

Инж. Н. ФОМИН, Фото И. ПАШИНА

Влияет ли ветер на температуру почвы? Как строить дома в районах так называемой вечной мерзлоты? В каких условиях происходит обледенение самолета? Каков механизм совместного действия температуры и влаги на бетонные сооружения?

Все эти и многие другие вопросы нередко требуют многолетнего кропотливого изучения в природной обстановке. Такое изучение представляет большие трудности и не всегда возможно. Если, например, нужно исследовать какое-либо явление в условиях жаркого летнего дня или холодного осеннего утра, когда начинаются первые заморозки, то иной раз приходится очень долго «сидеть у моря и ждать погоды».

Между тем есть возможность искусственным путем в лабораторных условиях создать любую погоду и любой климат. Такая лаборатория существует.

Из многих метеорологических условий наиболее важными являются температура воздуха, его влажность, ветер. Если мы сможем в лаборатории по своему усмотрению управлять этими тремя главными метеорологическими условиями и создавать из них любые комбинации, то нетрудно будет получить искусственным путем какую угодно погоду. Посмотрим, как это делается.

Лаборатория искусственного климата представляет собой небольшую комнату без окон. Стены и потолок изнутри и снаружи деревянные, а в середине состоят из пробковых плит, разделенных влагоизолирующими прослойками. Двери сделаны так же, как и стены, и имеют ту же толщину. Таким образом, помещение лаборатории представляет собой тщательно изолированную большую камеру, стены которой совершенно непроницаемы ни для тепла, ни для влаги.

Общий вид камеры искусственного климата.

Температура воздуха в камере может меняться от 40° ниже нуля до 60° выше нуля.

Охлаждение воздуха осуществляется при помощи особых холодильных машин. На стенах и потолке устанавливаются батареи труб. В трубы поступает под давлением жидкий газ. Этот газ испаряется и поглощает при своем испарении большое количество тепла, которое и отнимается от окружающего воздуха. Такие батареи называются батареями непосредственного испарения.

В лаборатории имеются и батареи холодильных аккумуляторов. Они действуют по другому принципу. Здесь каждая груба заключена в цилиндр, наполненный раствором соли в воде, т. е. рассолом. Рассол и охлаждает воздух через стенки цилиндра.

Аккумуляторы действуют медленнее батарей непосредственного испарения, но зато позволяют дольше сохранять низкую температуру.

Если мощность холодильных машин оказывается в некоторых случаях недостаточной, то для дополнительного охлаждения используется «сухой лед». Температура сухого льда — 78° ниже нуля.

Так создаются в камере самые трескучие морозы.

Значительно проще устроить жаркую погоду. Для этой цели служат электропечи и большие электрические лампы. Эти лампы мощностью в 1—2 тыс. вт выполняют в лаборатории роль солнца.

Электрическое солнце камеры — огромные лампы по 2 тыс. вт.

Влажность воздуха понижается при помощи особой установки — «воздухоохладителя». Последний представляет собой закрытую коробку, хорошо защищенную от проникновения внешнего тепла. Внутри коробки проходят трубы, охлаждаемые холодильной машиной. Когда воздух протекает по каналам воздухоохладителя, то влага, содержащаяся в нем, оседает на стенках холодных труб в виде инея. Воздух выходит из труб уже сухим. Правда, он при этом значительно охлаждается, но, как мы уже видели, его нетрудно подогреть.

Для повышения влажности воздуха служат испарители. Они представляют собой открытые сосуды, наполненные водой, которая испаряется сама по себе или же путем кипячения. Поднимающиеся от сосудов пары увлажняют воздух камеры. Если нужно быстро поднять влажность воздуха, то применяется распыление воды под давлением.

Наличие измерительных и регулирующих приборов позволяет создать любую степень влажности — от очень низкого, едва уловимого процента до «непроглядной туманной погоды».

Источником ветра в лаборатории служит аэродинамическая труба. Она имеет квадратное сечение и состоит из четырех колен, образующих замкнутый прямоугольник. Благодаря этому при работе воздушного винта в трубе циркулирует один и тот же поток воздуха. Максимальная скорость искусственного ветра, поручаемого в трубе, составляет 25—30 м в секунду. Влажность и температура воздушного потока регулируются. Здесь можно создать любые условия: от полного штиля, когда бессильно опускаются ветви деревьев, до сокрушительного урагана, от знойных ветров юга до холодного, пронизывающего насквозь бриза.

Таково главное оборудование камеры искусственного климата.

*

Можно ли создать в лабораторных условиях погоду, которая была, скажем, в Туле 23 мая 1929 г.? Оказывается, что эта задача не представляет больших трудностей. Нужно только знать, какая именно погода была в этот день в Туле. А это известно.

По всей стране раскинута густая сеть метеорологических станций. На этих станциях изо дня в день непрерывно записывается погода, т. е. регистрируется суточный ход температуры и влажности воздуха. Эту работу выполняют особые самопишущие приборы — термограф и гигрограф.

Для того чтобы искусственно воспроизвести интересующую нас погоду, нужно взять на метеорологической станции данного пункта соответствующие ленты с записями термографа и гигрографа, скопировать эти записи карандашом на чистые ленты и наложить их в самопишущие приборы лаборатории. Режим камеры регулируется таким образом, чтобы перо самописца неуклонно шло по заданной линии. Если перо пойдет ниже этой линии, то включается дополнительное нагревание, а если выше — включается охлаждение. Так же воспроизводится и влажность.

На ленте термографа проведена карандашом кривая линия. Это заданный ход температуры. Если перо самописца опускается ниже заданной кривой, то, чтобы снова направить перо по линии, включается дополнительное нагревание.
Если же перо самописца поднимается выше кривой, то включается дополнительное охлаждение. 
В сетке заключена приемная часть термографа, которая весьма чувствительна ко всяким изменениям температуры.

Если изо дня в день в течение года непрерывно воспроизводить различную погоду в той последовательности, в какой она наблюдалась где-либо в природе. то мы получим уже определенный климат, т. е. типичные для данной местности годовые изменения температуры, влажности и других условий. А это очень важно, когда необходимо изучить влияние климата, а не только погоды, на какое-либо сооружение, скажем, на прочность железнодорожной насыпи. Но такие исследования потребуют очень много времени, обойдутся весьма дорого и, по существу, не будут иметь никаких преимуществ перед исследованиями в природных условиях. Как же быть?

Здесь на помощь лаборатории приходит теория подобия. Эта замечательная теория позволяет в несколько дней получить такие же результаты исследования, какие в естественных условиях достигаются в течение ряда лет.

Делается это так. Допустим, что нужно установить, какие изменения происходят в железнодорожной насыпи на протяжении ряда лет в зависимости от температуры воздуха. В лаборатории устраивается модель обычной насыпи в 1/25 натуральной величины. Согласно теории подобия, в такой модели за 48 часов произойдут те же изменения, которые совершаются в обычной насыпи за целый год. Получается, что в лаборатории год «равен» двум суткам. Здесь в течение месяца можно произвести наблюдения, которые потребуют в природной обстановке ни больше ни меньше как 15 лет.

Модель насыпи, сделанной на искусственной мерзлоте. Изменения уровня модели измеряются с помощью отсчетной трубы и рейки.

*

Температура поверхности почвы имеет большое значение для земледелия, строительства и т. д. Несмотря на это, до последнего времени люди не знали, как же надо правильно измерять эту температуру?

На различных метеорологических станциях термометры клались по-разному. В одних случаях шарик термометра только касался почвы, в других — наполовину погружался в почву, а в-третьих — целиком находился в земле. Можно ли было сравнивать показания таких, по-разному установленных термометров? Менее чем через 4 часа лабораторного опыта было выяснено, что эти показания совершенно несравнимы. Кривые температур таких трех термометров не совпадали, хоти почва имела одну и ту же температуру. В лаборатории были изучены возможные отклонения и показаниях термометра при установке его тем или иным способом.

Известно, что почва нагревается солнечными лучами и теплым воздухом. Охлаждение происходит путем излучения тепла или при поступлении холодных масс воздуха. Возник возрос: какую роль в этих процессах играет ветер? Поставили опыт в лаборатории, и оказалось, что при наличии ветра почва охлаждается и нагревается в несколько раз быстрее, чем в безветреную погоду.

Около 50% всей территории нашего Союза охвачено мерзлотой почвы. В районах мерзлоты почва даже летом оттаивает не вся, а только на поверхности. Такое периодическое оттаивание и замерзание верхних слоев земли вредно сказывается на сооружениях: в сравнительно небольшое время здания дают трещины и разрушаются, сваи и столбы буквально «выталкиваются» из земли, насыпи оползают.

Получение искусственного климата позволило заняться исследованием новых методов строительства. Для этого в лаборатории прежде всего создали искусственную мерзлоту, т. е. такие условия, при которых грунт, заключенный в особый ящик, оставался мерзлым внутри и только сверху периодически оттаивал и замерзал. Год в лаборатории, как мы уже знаем, равнялся двум суткам. Грунт был взят тот же, что и в реальных условиях мерзлоты. Глубина протаивания получилась в лаборатории в 25 раз меньше, чем в природе.

Создав модель мерзлоты, в лаборатории стали изучать методы защиты сооружений от разрушительного действия ее.

Что будет, например, с мерзлотой, если прикрыть ее сверху малотеплопроводным слоем, своего рода одеялом? Такой опыт проделали: положили слой паровозного шлака толщиной в 2 см (в природе это равносильно 50 см), и мерзлота тотчас же поднялась вверх, т. е. летом земля стала оттаивать меньше, чем обычно. Такое явление вполне понятно: летнее тепло не может проникнуть сквозь шлаковую подушку, в то время как в земле холод распространяется свободно.

Сделали другой опыт: в лабораторную «мерзлоту» была зарыта деревянная стойка. Затем в течение «четырех лет», т. е. восьми суток, велось наблюдение, как изменяется высота стойки. И что же? Стойка выпучилась точно так же, как в природной обстановке выпучиваются столбы и сваи. Этот опыт позволил проверить в лаборатории новый способ борьбы с выпучиванием — так называемую перемычку — локализатор. Была сделана модель устоя моста, которую поставили на лабораторную «мерзлоту». Устой окружили перемычкой из гальки, обкатанной в мазуте. В течение «трех лет», т. е. шести суток, шли испытания. Оказалось, что перемычка значительно уменьшает выпучивание.

Всем известно, что в снежные зимы много труда требует очистка от снега железнодорожных путей; особенно тщательно приходится очищать стрелки. Был предложен способ оттаивания стрелок при помощи электричества. Прежде чем ставить широкие опыты на линии, нужно было установить наиболее подходящую мощность электронагревателя. Для этого в камере лаборатории установили на шпалах и на песчаном балласте стрелку с нагревателем и при разных температурах измерили степень нагревания стрелки. Затем покрыли стрелку льдом и определили, в какой срок она может быть полностью очищена от льда. Опыт позволил установить нужную мощность нагревателя для различных климатических районов.

Так в лаборатории изучается влияние климата на различные сооружения и материалы, с тем чтобы приспособить их к естественным условиям. Но, приспособляясь к природе, человек одновременно научается управлять ею. И, несомненно, придет время, когда любая погода и искусственный климат будут создаваться не только в лаборатории, но и в окружающей нас природе. И тогда за Полярным кругом города будут утопать в тропической растительности, а суховеи и гололедицы, приносящие огромный вред народному хозяйству, исчезнут вовсе.