Человечество и холод: история взаимоотношений

Из Африки - в Арктику

По наиболее популярной в настоящее время теории происхождения человека, как биологического вида, случилось это в жаркой Африке. Естественно, что в условиях тропиков первоочередной задачей людей была защита от зноя и повышенной влажности, но никак не от холода. С течением времени представители людского вида заняли более обширный ареал обитания, и эта территория включила в себя уже и регионы со значительными сезонными колебаниями температуры. Сюда вошли и весьма суровые области, вплоть до полярных широт в обоих полушариях.

Ведь до сих пор, согласно недавно составленной Стефаном Груббером из Цюрихского университета карте, вечная мерзлота занимает 1/6 всей открытой поверхности суши, а, например, в России к «замороженным» относится 23% всех территорий.

Конечно, некоторую выгоду для себя человечество нашло и в мерзлой земле - продукты здесь хранятся долго. Те же эскимосы или чукчи еще в начале 20 в. периодически кормили собак ( а наверняка - и себя) мясом мамонтов, замерзших тысячи лет назад. Постоянный суровый мороз сохранил для ученых мумию бедняги Отци, родственников которого недавно нашли на Корсике

Однако для земледелия вечная мерзлота абсолютно непригодна. Абсолютные отрицательные температуры, зафиксированные в тех местах, где бывали люди, впечатляют: это без малого -90 °С на российской станции Восток в Антарктиде (для Южного полушария) и -68 °С для Северного - в российском же Оймяконе.

Поскольку по непонятной пока для науки причине не позднее 1,2 млн. лет назад человек потерял большую часть волосяного покрова, в условиях холодного климата организму пришлось вырабатывать специфические механизмы терморегуляции и обогрева. Ситуация довольно странная, поскольку из более чем 5 тысяч видов млекопитающих волосяного покрова не имеют лишь несколько видов, обитающих в жарком климате либо в водной среде. Тем не менее, человек выработал достаточно эффективные средства противостояния холоду. Их можно разделить на две группы: физиологические и цивилизационные.

В итоге развития технологий человечество научилось создавать помещения и одежду, достаточно надежно изолирующие представителей нашего вида от воздействий окружающей среды. Это привело к снижению адаптационных свойств организма, однако механизмы не утрачены, лишь не имеют должной эффективности без тренировки, что вполне поправимо при применении практики закаливания. В плане терморегуляции тело человека имеет несколько взаимосвязанных систем. Все органы делятся на внешние и внутренние, причем температура последних заведомо выше. К ним относятся все важнейшие структуры - сердце, легкие (они способны поддерживать температуру на уровне 37 °С при внешней среде от -70 до +90 °С), печень, почки. Эти органы справедливо считают жизненно важными, потому их обогреву физиология уделяет повышенное внимание.

В то же время, внешние органы, такие как конечности или кожа, имеют более низкую температуру, и способны варьировать ее в более широком диапазоне, реагируя на изменение внешних условий. При охлаждении организм вначале реагирует сужением сосудов кожи, уменьшая теплоотдачу. Затем внутренние органы начинают генерировать большее количество тепла. Наконец, если все это не помогает - начинаются сокращения мышц, которые мы расцениваем как озноб - и механическая выработка тепла таким образом может возрастать на 80%.

Общеизвестно, что человек на 75-80 процентов состоит из воды. Тем не менее, обморожение различных тканей тела начинается при температуре, намного меньшей точке замерзания воды. Это обусловлено тем. Что биологические жидкости являются по сути концентрированными растворами солей и минералов, потому начинают преобразовываться в кристаллы лишь при температуре -6 °С и ниже. При этом первой замерзает межклеточная вода, что при краткосрочном воздействии практически не приносит ощутимого вреда организму. И лишь если температура понижается, и охлаждает тело длительное время, повреждается жидкость внутри клеток, что в дальнейшем приводит к некрозу тканей.

Недавно всю мировую прессу облетело сообщение об уникальном шведе, проведшем в засыпанном снегом автомобиле без еды и воды 2 месяца, и оставшемся в живых.

Однако, так везет далеко не всем.

Морозы-убийцы

Замерзание, как причина смерти, известно с тех самых пор, как люди «познакомилис»ь с морозами. Конечно, с усилением внешней теплоизоляции - как персональной, в виде одежды, так и общей - в виде домов и прочих укрытий, а также использования огня и прочих источников тепла для обогрева, выживать в холода стало проще. Тем не менее, хроники свидетельствуют, что еще в начале XX века в России ежегодно погибали от морозов порядка 3 000 человек. Экстремальная жара - серийный убийца, это показало лето 2003 г., когда погибло 35 000 только в Европе. Однако, ученые подсчитали, что в мировом масштабе мороз ежегодно убивает всемеро больше.

Лютые зимы, пришедшие в Европу вместе с глобальным потеплением, возрождают былые опасности. Зима-2012 принесла жителям Старого Света давно, а порой - никогда, не встречавшиеся морозы,  что повлекло за собой масштабные человеческие жертвы, не говоря уже об ущербе для экономики и всеобщем коллапсе коммунальных служб. Всего погибло от обморожений и переохлаждения порядка 700 жителей континента, из них - до полутора сотен в Украине, и более двухсот - в России. Даже в высокотехнологичной и небольшой по размерам Японии лишь за последнюю неделю января 2012 г. погибло более 50 человек. Естественно, наихудшие последствия мороз вызывает в странах с традиционно мягким климатом - зима-2012 в Индии забрала около полутысячи жизней.  Удивила и Северная Африка - 16 смертей от связанных с холодами и снегом проблем зафиксировано в Алжире. Число госпитализированных с подобными диагнозами исчисляется десятками тысяч. В этих цифрах не учтены те, кто погиб или пострадал от сопутствующих причин - пожаров или задымлений, связанных с неисправностью отопительных приборов, гололеда или травм, полученных при очистке зданий от снега и наледи - таких также сотни .

При этом большинство смертей тем или иным образом связано с употреблением алкоголя. Кто-то выпил и не добрался до дома, кто-то - пытался согреться при помощи спиртного. Последний «народный способ» одновременно и неэффективен, и опасен. Алкоголь, вопреки нормальной физиологической реакции организма на холод, расширяет сосуды, что увеличивает теплоотдачу тела, соответственно приводя к перерасходу энергоресурсов. Помимо того, притупляется чувствительность кожи, и человек просто не чувствует обморожений. К тому же, изрядная доза выпивки вызывает сонливость, и одурманенный мозг не в состоянии сопротивляться желанию улечься вздремнуть на двадцатиградусном морозе. Заканчивается это, как правило, печально.

«Холодная» наука

Однако, человечество в состоянии использовать холод и себе во благо. Помимо использования низких температур для долгосрочного хранения продуктов (вначале - в форме холодных погребов и ледников, с развитием техники - в виде холодильных и морозильных камер), издревле известно и благотворное влияние на организм закаливания. Его проводят как на ежедневной основе в виде холодных обливаний или воздушных ванн, так и в виде контрастных процедур после бани.

Но с усовершенствованием химических и физических приборов, получением сильно охлажденных газов, холод нашел и новое медицинское применение. В медицине появилось целое направление, названное криотерапией. Диапазон температур в подобных процедурах варьируется от умеренного холода (от 0 °С) до экстремального (-180 °С и ниже). Область применения также очень широка - от лечения заболеваний суставов, нормализации обмена веществ и восстановления нервной системы, до хирургических операций на органах (включая офтальмологию) при помощи крио-скальпеля. Этот метод показал высокую эффективость, так как строго локализованное воздействие сверхнизкой температуры снижает степень травматизма окружающих тканей, в то же время являясь отличным анестетиком.

Однако медицина и хранение продуктов - не единственные области научного интереса ученых-криоников. В ХХ в. началось активное изучение сверхнизких температур - ниже   -200 °С. Кстати, в температурной шкале Цельсия, используемой для измерения температуры в большинстве стран мира, в качестве нулевой отметки принята тройная точка воды. (Тройной точкой называется момент фазового равновесия, когда вещество одновременно пребывает во все возможных состояниях - в случае с водой это означает, что она одновременно является жидкостью, испаряется и превращается в лед).

Абсолютный ноль

«Философским камнем» науки о холоде является абсолютный ноль - температура, при которой система имеет наименьшее из возможных по законам квантового мира количество энергии, когда энтропия этой системы (способность к передаче энергии вне себя) также нулевая. Значение этой точки принято как 0 °К (Кельвинов), -273,15 °С (градусов Цельсия), или -459,67°F (градусов по Фаренгейту). С физической точки зрения абсолютный ноль означает отсутствие всякого свободного движения частиц (которым, собственно, и определяется температура вещества). Любое вещество перейдет в твердое фазовое состояние, образует кристаллическую решетку и свяжет всякое перемещение «кирпичиков мироздания». Однако квантовая теория предрекает остаточные движения частиц в рамках их положений в решетках.

Освоение холода давалось человечеству с гораздо большим трудом, нежели покорение тепла - ведь рукотворный огонь применяется людьми на протяжении тысячелетий, тогда как искусственный холод (не считая хранения природного льда или использования вечной мерзлоты) стал подвластен нам лишь в последние века. История исследований и изобретений, связанных с холодом, хорошо описана в фильме производства BBC «Абсолютный ноль» (ч.1 и ч.2).

Сколь-нибудь продвинуться в приближении к экстремальному минусу удалось лишь в 30-х годах ХХ столетия. Следующий прорыв, произошедший в 60-х годах,  связан с изобретением метода растворения жидкого изотопа гелия-3 в гелии-4. Использование этого элемента обусловлено тем, что он - единственный, не переходящий в твердую фазу вплоть до абсолютного нуля (впрочем, это верно лишь при атмосферном давлении; при давлении в 25 атмосфер кристаллизуется и этот «Титан» материального мира). Возникает закономерный вопрос - как можно измерить температуру, близкую к -273 °С, если при приближении к ней любое вещество кристаллизуется? Газовые термометры перестают выполнять свои функции уже при температуре около 1 °К. Для более низких температур используют термометр сопротивления (для самых низких значений - угольный), либо применяют магнитную термометрию.

Уже при первых опытах температуру вещества удалось понизить до 0, 055 °К. С дальнейшим развитием технологии, применением обдува в конце 90-х годов прошлого века ученым из Массачусетского института технологий удалось достичь значения, лишь на 810 миллиардных градуса выше абсолютного нуля. Однако, второй закон термодинамики исключает возможность реального достижения этой критической точки. Расчеты ученых показывают - чтобы извлечь из вещества эти ничтожные остатки тепла, потребуются затраты, сопоставимые с энергией Большого взрыва. Даже «холодный Космос» с его вакуумом (практическим, а не теоретическим (0 частиц в объеме пространства), где отмечена концентрация вещества порядка 10²² г/см3 (для Солнечной системы), имеет температуру «всего лишь» в 265 °С ниже нуля.

Если все же допустить такую теоретическую возможность охлаждения вещества до 0 по Кельвину, что последует? Та же физика постулирует, что некий объект можно определить/измерить/обнаружить по его взаимодействию с окружающей средой. Однако объект, где отсутствует всякое движение частиц, не в состоянии ни отдать, ни принять никакую энергию. В результате обнаружить его будет невозможно никакой аппаратурой, с самыми высокопрецизионными настройками. Он «уйдет с радаров» исследователей, а вот где он окажется в итоге - не в силах предсказать никто.

Есть ли практический смысл в этом безудержном рвении физиков к абсолютному нулю - или это сродни энтузиазму британских ученых, вычисляющих, сколько метров колючей проволоки получится от скрещивания ужа с ежом? Бесспорно, есть. Еще в начале ХХ века, охладив ртуть до - 262 °С, ученые открыли ее сверхпроводимость - сопротивление вещества упало практически до нуля, позволив исключить затраты энергии при ее транспортировке. Позднее открылись подобные свойства и других материалов, а в конце второго тысячелетия удалось достичь и высокотемпературной (относительно, при температуре в 77 °К, кипение жидкого азота) сверхпроводимости. Исследования продолжаются, и, возможно, станут основой технологической революции в передаче электричества.

Второй эффект, поразивший экспериментаторов - сверхтекучесть. Пока неизвестно, обладает ли ей любой элемент - но в жидком состоянии (при температурах, приближающихся к абсолютному нулю), или в твердой фазе ею точно обладает гелий. Это означает, что супер-охлажденное вещество не в состоянии удержать ни один из существующих материалов - оно «просачивается» сквозь любые атомные структуры.

На бытовом уровне это можно проиллюстрировать так: существует рыболовная сеть с определенным размером ячейки. Если в нее попадет рыба размера меньшего, нежели ячейка сети - теоретически, вырваться для улова - не проблема. Однако, если рыба будет нетерпелива, и станет активно пытаться вырваться - амплитуда движений не позволит ей преодолеть ячейки. Зато в спокойном состоянии узник вполне способен покинуть ловушку. Точно так же атомы, окруженные лихорадочно движущимися электронами, застревают в «ячейках» материала, из которого изготовлен сосуд с веществом. С прекращением хаотического движения, фактически, уменьшается объем пространства, занимаемого атомной структурой - и элемент спокойно «протекает» сквозь кристаллическую решетку, ранее его сковывавшую.

Еще один поразительный эффект, в 20-х годах ХХ же века (1925) предсказанный практически одновременно Эйнштейном на основании исследований индийского ученого Satyendra Bose - конденсат, или плазма, в честь теоретиков так и названный - плазма(конденсат) Бозе-Эйнштейна. Эта субстанция обладает некоторыми уникальными свойствами, которые очень могли бы пригодиться в развитии техники.

Эрик Корнелл и Карл Вимен из Национального института стандартов и технологии США, на практике получившие вышеуказанный конденсат, получили в 2001 году «Нобелевку». Смысл их новации - в том, что им удалось при сверхнизкой температуре привести облако атомов натрия в такое состояние, при котором поток фотонов (свет, каким мы его привыкли представлять) не только утрачивал свою стандартную скорость (300 000 км/с), но и останавливался. При этом полученную энергию возможно практически без потерь перевести в электричество, а после передачи тока по сети - восстановить в конечной точке изначальное состояние облака. В результате, возникают неограниченные возможности в передаче энергии без потерь на большие расстояния, а также - в экономичных преобразованиях ее из одного вида в другой.

Как бы то ни было, пока абсолютный ноль - мечта науки, будет он достигнут или нет - вопрос не сегодняшнего дня. А сверхнизкие температуры уже встали на службу человечеству, и, вероятно, роль их в нашей жизни будет только возрастать.

У нас на форуме обсуждение погодных новостей Что происходит с погодой?

Метки: замерзшие, мерзлота, 2012, обморожение, нуль
Запись: Человечество и холод: история взаимоотношений
опубликована 10 марта, 2012 в 20:07 и находится в Мониторинг окружающей среды |
Копирование разрешено ТОЛЬКО С АКТИВНОЙ ССЫЛКОЙ: