Я неоднократно слышал офигительные истории про то, что на Севере не мерзнут. То ли дело в европейских районах, особенно в южных. Там -5 воспринимается как -30 и никак иначе. Меня всегда забавляют такие разговоры, да зачем тогда вводить северные надбавки, надо вводить южные. А в Якутии или на Чукотке так вообще увеличивать пенсионный возраст, они же живут чуть ли не в климатическом раю, и мороз не мороз, а не то, что где-нибудь на Кубани или в Ростове. И связывают это, непременно, с некой "влажностью". Мол в ЯНАО воздух сухой на морозе, а в Москве - совсем другое дело.
Но если глянуть ту же буржуйскую Википедию, то окажется, что в приполярном Тарко-Сале среднегодовая влажность 75,6%, а в Москве - 76%. Где то в эти 0,4% проходит граница между влажно, как в бане, и сухо, как в памперсе, и именно где-то там лежит разделение "мороз не чувствуется, ибо сухо" и "ужасно мерзну, потому что влажность"
Вот ей Богу, для человека, который столько проработал на Севере слышать это смешно.
На Севере мороз чувствуется, да еще как
Достаточно походить на морозе градусов в сорок на Ванкоре и понять, что такое настоящий мороз. А не эти вот сказки.
Но чтобы не быть голословным, проведу небольшое исследование.
Начнем с того, как человек теряет тепло?
Вспоминаем базовый курс школьной физики, как осуществляется теплопередача.
1. Кондукция (теплопроводность) — передача тепла без перемещения вещества. Она происходит там, где есть контакт разных тел, например кожи и воздуха, кожи и жидкости и так далее. Способность тела к кондукции характеризуется коэффициентом теплопроводности.
2. Конвекция — передача тепла путем перемещения нагретого вещества. Она работает только в жидкостях и газах, чем они менее вязкие - тем выше конвекция
3. Излучение - передача энергии в форме волн или частиц через пространство или через материальную среду. Вообще все физические объекты излучают и поглощают излучение, в том числе и человеческое тело.
Откуда же происходят теплопотери у человека?
Человек теряет тепло как через открытые, так и через закрытые части тела, а также дыхание и потовыделение.
Потеря через открытые части тела:
1. Излучение - происходит с открытой кожи лица, шеи, рук и так далее.
2. Кондукция - тепло передается от кожи к воздуху. При этом тепло передается очень тонкому слою воздуха вокруг кожи и величина теплоотдачи очень сильно зависит от температуры и ветра. Чем ниже скорость ветра - тем толще этот слой. "А влажность," - спросите вы. А с влажностью все не так однозначно, Про это будет позже
Потеря через закрытые участки тела:
Схема потерь тут иная. Тепло передается сначала через все слои одежды к поверхности одежды. Оттуда тепло передается в окружающую среду кондукцией и излучением. Также мы теряем тепло из-за конвекции. Испарение имеет свои оговорки.
1. Передача тепла в слоях одежды от кожи к поверхности одежды - одежда это твердый слой, с определенным коэффициентом теплопроводности Это достаточно точная и простая модель, используется для параметров микроклимата, при определении степени тяжести работ ). На ее величину будет влиять температура поверхности одежды и кожи, теплопроводность одежды.
1.2. Передача тепла от поверхности одежды в окружающую среду - ситуация аналогична передаче тепла с открытых частей тела
2. Конвекция - тут есть две составляющих, перемещение теплого воздуха через одежду и через зазоры в одежде (молнии, полы куртки и так далее). Так как вся зимняя одежда делается непродуваемой, то потери через одежду очень малы. А через зазоры вообще подсчитать практически невозможно, так как много зависит от покроя одежды, подвижности человека, подгонки и так далее. Итого - тепло передается кондукцией от кожи к поверхности одежды, затем излучением и кондукцией от поверхности одежды в окружающую среду. Из-за зазоров и щелей в одежде при движении и ветре теплый воздух заменяется холодным.
Дыхание:
При дыхании мы вдыхаем воздух какой-то температуры и влажности, а выдыхаем воздух с температурой 25-35°С и влажностью 70-100%. Энергия тратится на обогрев воздуха и на испарение влаги из легких. Соответственно, на теплопотери будет влиять температура среды, влажность и теплоемкость воздуха.
Потовыделение:
Пот - это секрет потовых желез, основа его - обычная вода, на испарение которой тратится масса энергии.
Испарение пота с открытой кожи на морозе - явление нестандартное, и происходит при сильных физических нагрузках. Пот сразу начинает испаряться, так как, поверхность кожи создает приграничный нагретый слой воздуха. При нагревании относительная влажность воздуха падает, причем очень резко (изменение на 10°С осушает холодный воздух в 2.5-3 раза). Поэтому не важно, какая была влажность окружающего воздуха, при соприкосновении с кожей он нагреется и станет сухим, и если хоть какая-то жидкость и была на вашей коже, она начнет быстро испаряться. При этом другие теплопотери через кожу резко снижаются.
Большая часть пота выделяется через одежду. После выделения пота он впитывается одеждой, а то, что не впиталось, начинает медленно испаряться. Если испаряется недостаточно быстро, то одежда промокает, а вот тут, уже могут возникнуть дополнительные теплопотери, т.к. мокрая одежда значительно увеличивает теплопроводность, за счет замены воздуха в одежде водой (разница в коэффициенте теплопроводности примерно в 25 раз).
Пар выходит через одежду и через щели/зазоры в одежде. Основное количество пара отводится через одежду. Температура и влажность под одеждой практически не зависят от окружающей среды и формируются человеком. Поэтому температура под курткой близка к температуре кожи, а влажность высокая. В итоге, под одеждой создается сильное избыточное давление водяного пара, так например давление водяного пара при 0° и 30°С и 100% влажности отличается в 6.9 раз. Ну а газ двигается из области высокого давления в область низкого согласно градиенту концентрации. Таким образом, происходит отвод влаги из под одежды, без значительных потерь тепла из-за потерь теплого воздуха.
При этом на скорость отведения пара окружающая влажность конечно влияет, так при 0°С разница между 0% влажности и 100% влажности будет 1/6,9*100% = 15%, если учитывать, что реальный разброс влажности не более 20%, то получается 15*0,2 = 3%, и это при 0°. При -10° разброс уменьшится пропорционально давлению пара в холодном воздухе и станет около 1%. Поверьте, если вы будете высыхать после пробежки не 10 минут, а 10 минут и 6 с, вы не замерзнете за эти 6 с.
При ношении специфической одежды, например тонкой мембранной куртки, возможно образование конденсата на внутренней части куртки, который не будет выводится, а начнет опять смачивать одежду, причем при конденсации будет выделятся тепло, которое будет обогревать именно куртку, а т.к. куртка легкая это будет приводить к увеличению температуры поверхности куртки и дальнейшему увеличению теплопотерь. . И чем ниже температура среды, тем более вероятнее образование конденсата. От влажности окружающего воздуха это не зависит, так как влажность под одеждой будет выше, чем снаружи
Краткие промежуточные выводы
Во всех случаях имеется отрицательная связь теплопотерь с температурой окружающей среды. Собственно, оно и понятно. Влажность имеет положительную связь в потоотделении и отрицательную в испарении (чем влажнее воздух вдыхается, тем меньше испаряется из легких). Скорость ветра имеет положительную при кондукции и конвекции, но отрицательную в потовыделении, которой можно пренебречь.
Теперь перейдем к самому важному: а влияет ли влажность воздуха на ощущение мороза?
Для всех дальнейших расчетов необходимо знать, а сколько водяного пара содержится в воздухе при разных температурах. Плотность водяного пара в зависимости от температуры и давления находится благодаря уравнению Менделеева-Клапейрона.
Я просто взял готовую таблицу и график из интернета
Как видим, чем сильнее мороз - тем ниже плотность водяного пара.
Массовое содержание водяного пара также имеет обратную корреляцию с температурой, чем сильнее мороз - тем ниже его концентрация.
А теперь поговорим про теплоемкость и теплопроводность сухого (0%) и влажного (100%) воздуха при низких температурах.
Теплоемкость
И тут нас ждет просто замечательное открытие. Теплоемкость влажного воздуха действительно выше сухого, но на тысячные (!!!) доли процента! Но разница теплоемкости из-за температуры куда значительнее, чем из-за влажности. А разница в 0,324% процента вряд-ли физически сможет ощущаться человеком, только приборами.
Теплопроводность
Возьмем табличные значения.
И тут нас ждут еще более замечательные открытия - разница практически неотличима, 0,002% процента между влажным и сухим воздухом! Собственно оно и понятно теоретически.
Теплопроводность сухого воздуха при нуле градусов составляет 0.0244 Вт/(м*град). Теплопроводность водяного пара при этой же температуре составляет 0,01697 Вт/(м*град).
Плотность сухого воздуха при 0 градусов - 1,2928 кг/м3, а при влажность 100% - 1,2909 кг/М3.
Т.е., всего лишь 2 грамма. И это при 100% влажности.
А теперь считаем это все в процентах:
1293+2=1295 общая масса газов
Сухого воздуха от общего объема 1293/1295*100=99,84%
Водяного пара - 2/1295*100=0,15%
Теперь считаем теплопроводность этих 2 газов уже от этого процентного соотношения:
Сухой воздух: 99.84%*0,0244=0,02436096 Вт/(м*град)
Водяной пар: 0.15%*0,01697=0,000025455 Вт/(м*град)
Вот вам влияние одного и второго газа в воздухе на теплопроводность. Сильно водяной пар влияет на это? В разы? И при этом разница во влажности редко привыкает 20-30%, то есть значения будут еще меньше.
Но самое смешное, эти цифры никого не убедят. Если человек не хочет верить фактам - то приводить их бесполезно.
Потовыделение
Разница в давлении пара под одеждой и улицей для сухого и влажного воздуха в реальных условиях составляет около 3% при 0°, 1% при -10°, ну и дальше уменьшается до 0. Скорость отвода пара прямо пропорциональна разнице давлений, ну а время высыхания обратно пропорционально скорости отвода пара. Грубо говоря, вы высыхаете на 3% дольше во влажном воздухе.
Величина теплопотерь зависит от скорости испарения. Надо взять время, в котором человек находится в мокром состоянии, умножить на число, показывающее во сколько раз отличаются средние теплопотери вспотевшего человека от сухого, и разделить на время нахождения на улице. Сделать так для сухого и влажного воздуха и сравнить.
Пусть человек промокает сразу и мгновенно и высыхает все время прогулки, если воздух мокрый. А вот если воздух сухой, то он 3% времени прогулки ходит сухой. А промокает он настолько сильно, что его теплопотери связанные с одеждой (2/3) всех теплопотерь) увеличиваются в 2 раза. Тогда при большей влажности теплопотери увеличиваются на 2%. Это, конечно, уже ощутимее, но никак не может увеличить восприятие холода во множество раз.
Итог
Тут все очевидно, влажность на восприятие холода не влияет никак
Это чисто физическое обоснование, а физика тем и хороша, что ее законы работают независимо от того, верит в них человек или нет.
И это, в принципе, давно известно ученым. Даже есть замечательный калькулятор, который наглядно показывает, что при отрицательных температурах влажность практически не влияет. А вот ветер очень даже влияет, но с этим я и не спорю, физически это как раз обосновано. Вот один из них:
Берем данные для условного Норильска, где зимой мороз не чувствуется от сухого воздуха, мороз ставим на максималку, влажность на минималку:
Ставим влажность на максималку, иииии - восприятие температуры становится на 0,1% ТЕПЛЕЕ, чем при абсолютно сухом воздухе.
А теперь возьмем условный Краснодар, где, как известно, -5 холоднее, чем в Якутске при -30. Начнем с пустынно-сухого Якутска
И сравним с влажно-морозным Краснодаром при 100-й влажности
Но еще более чудесные цифры нас ждут, если в Краснодаре при -5 будет СУХО, то там будет ХОЛОДНЕЕ
Я в очередной раз убедился что москвичи орущие "в якутске -50, как в Москве -5" просто, ээээ, как бы помягче сказать, немножечко обманывают и ошибаются. Ну или не были на Севере.
Но стоит открыть интернет - то нас ждут открытия чудные:
Как видим, многие упирают на солидную разницу в двадцать градусов, при этом указывают какую-то совершенно невероятную сухость воздуха в Воркуте. Но в реальности там влажность воздуха зимой 81-82%
А вот в Питере влажность порядка 88-89%
То есть разница меньше 10%.
То есть все разговоры про то, что люди сильнее мерзнут при более влажном климате не имеют ни эмпирического, ни физического доказательства и являются стереотипом и массовым заблуждением.
Откуда же растут ноги этого?
Как мне кажется, все заключается в адаптации, психологии и готовности инфраструктуры к холодам.
Самая главная причина восприятия сильных морозов на Севере – это адаптация организма
Расскажу одну историю из жизни. Лет десять назад мы отправились на Ванкор. Прибыли туда, когда температура была -56 градусов, затем она опустилась до -53, а после этого две недели держалась на уровне ниже сорока. Каждую ночь мы могли наблюдать северное сияние, что было просто великолепно.
И вот однажды утром я вышел из балка и почувствовал, что стало тепло, настолько, что можно было снять шапку. Взглянул на градусник и увидел, что температура действительно поднялась до «всего» -30 градусов. Просто я уже привык к таким условиям.
А что же происходит в Москве? Несколько дней температура держится на уровне -20 градусов, потом немного теплеет. Естественно, организм не успевает адаптироваться, и даже -20 кажутся невыносимым холодом. В Якутии, например, -40 градусов переносится гораздо легче. Хотя если бы в Москве ударили тридцатиградусные морозы и продержались пару недель, а затем температура поднялась до -20, люди бы начали снимать шапки.
Психология
Человек изначально готов к тому, что если в данном месте постоянный дубак и все знают, что тут дубак, все получше одеваются и морально готовы замерзнуть. А когда оказывается, что не так страшен черт как его малюют, наш мозг ищет рационального объяснения — влажность отлично подходит. Ее мало кто смотрит в прогнозе погоды, ничто не запрещает сказать «ухх, как тут холодно, это все влажность высокая», ведь это распространенное мнение, никто косо не посмотрит.
Третья причина – это приспособленность инфраструктуры и людей к своему климату
Я каждый год слушаю с удовольствием новости о том, как Европа, Индия, Северная Африка, Боливия и пр. погрузились в лютый холод.
В Индии +5 градусов – и замерзли сотни индусов.
В Боливии -10 – передохли все ламы.
Но самое забавное произошло со мной, кажется, в 2006 или 2008 году. Мы работали в условиях экстремального холода — температура опускалась до -35 градусов, и нам приходилось поднимать трубы с сифоном (заполненные жидкостью, с переливом). Это было настоящее испытание.
Вечером, когда мы смотрели новости, оказалось, что Великобритания тоже оказалась в плену суровой погоды. В центре внимания был Siberian frost, эпицентром которого стала Шотландия. Там наблюдался арктический мороз, и на улицах замерзали бездомные, на дорогах образовывался гололёд и снежные заносы, что приводило к транспортному коллапсу. Техника не справлялась с уборкой снега, лопались трубы, а в Эдинбурге поезда примерзали к рельсам.
Когда мы узнали, что в полюсе британского холода температура опустилась до -12 градусов и выпало 15 сантиметров осадков, вся наша бригада орала орком в голосину. Оказалось, что британская инфраструктура и жители страны привыкли к своему климату, и даже такие редкие явления, как морозы свыше минус десяти, могут стать для них неожиданностью.
То же самое касается и нашей страны
Мои коллеги из Краснодара рассказывали, что у них бывает очень холодно, даже при -5 градусах. Ёмкости примерзают, долив замерзает, люди мёрзнут, а моторы не заводятся. Это не то, что Нижневартовск или Мегион.
Так естественно, люди имеют робу, приспособленную к первому климатическому поясу, а тут при минус пяти ветер. Все продувается насквозь. Зимняя солярка – нет, не слышали, как мотор заведется. Примерзла емкость – так ведь грязь, она не мерзнет, не подложили подкладки – так и примерзла. А на севере песочек и подкладки. Замерзает долив – так в нем и не предусмотрен подогрев. Да просто инфраструктура не приспособлена к холоду –вот и вся причина. Кубанцы даже не имеют нормальной теплой одежды, привыкли носить осенние куртки и туфельки, а тут цельных -5, да еще с ветром.
Поневоле начинаешь завидовать якутянину, который живёт при -35, но одет как капуста — шуба, меховая шапка, унты, тёплые рукавицы, шерстяное бельё. Поэтому он говорит, что «мороз не чувствуется».
Сибиряк не тот, кто не мерзнет, а тот, кто хорошо одевается
Когда же мы уезжали с Ванкора, то было тепло для февраля там, всего -18. Скинули валенки, теплую спецодежду, термобелье. Надели курточки, джинсы, ботиночки, т. е. все, в чем привыкли рассекать по Оренбургу, Уфе, Мелеузу, Самаре. Обычно от машины идти в магазин и дом. И просто задубели, пока прилетел вертолет, хотя раньше не мерзли при -40