Γυμνοί σε ένα igloo!

austria-forest-freezing-698275

Είμαστε στην μέση μιας παγωμένης ερήμου της Γροιλανδίας, και πριν κάνουμε μια τρύπα στον πάγο και αρχίσουμε το ψάρεμα, κοιταζόμαστε και καταλαβαίνουμε ότι είμαστε εκτεθειμένοι στον τσουχτερό άνεμο. Πρέπει να βρούμε, λοιπόν, έναν τρόπο να ζεσταθούμε και η φωτιά δεν είναι επιλογή. 

Τι κάνουμε; Χτίζουμε ένα σπίτι από πάγο και χιόνι! 

Όχι, δεν τρελάθηκα. Λειτουργεί. Πώς, όμως, ένας σχεδόν ημισφαιρικός τρούλος μπορεί να μας ζεστάνει; Για να είμαι ακριβής, δεν θα το κάνει. Μόνοι μας θα ζεσταθούμε. Μπερδεύτηκες; Κι εγώ. Πάμε από την αρχή λοιπόν.

Ας μελετήσουμε ένα απλοϊκό μοντέλο. Έστω ότι πήγα εγώ για ψάρεμα κι εσύ θα χτίσει το igloo. Αρχικά, οριοθετείς τον χώρο σου, διαλέγεις, δηλαδή, ένα κέντρο και σχηματίζεις έναν κύκλο γύρω του με ακτίνα r=2.00m. Σπάζεις φλοίδες και κομμάτια πάγου βάζοντας τα σε αύξουσα σειρά ύψους ελικοειδώς, όπως στο Σχήμα 1. Αυτός είναι ο πιο γνωστός τρόπος κατασκευής ενός igloo. Δεν είναι όμως ο μόνος. Θυμήσου να κάνεις δύο μικρές τρύπες για εξαερισμό (σχήμα 2- ventilation hole) και όχι παράθυρο γιατί την νύχτα στη Γροιλανδία η θερμοκρασία ελαττώνεται ως και -43 βαθμούς Κελσίου. Με λεπτούς χειρισμούς φτάνεις στην κορυφή και ο παγωμένος τρούλος μας είναι ολοκληρωμένος.

Πώς θα μπεις; Πόρτα δεν μπορείς να βάλεις αλλά μπορείς να σκάψεις ένα τούνελ (σχήμα 2- passageway). Κανείς δεν είπε ότι θα ήταν εύκολο! Δες το Σχήμα 2 για να καταλάβεις πώς θα το κάνεις, αγνόησε το παράθυρο (σχήμα 2- window). 

Τα κατάφερες! Όταν γυρίσω με τα ψάρια θα μπορούμε να μείνουμε στο igloo και να τα φάμε χωρίς να μας ενοχλεί ο αέρας. Πώς θα ζεσταθούμε όμως;

Για να στο εξηγήσω, θα πρέπει να φτιάξω ένα μοντέλο (μια ιδανική κατάσταση) για να μελετήσουμε το πρόβλημα. Θα υποθέσουμε τα εξής. 

  • Το igloo είναι μόνο το τμήμα του τρούλου, χωρίς το τούνελ.
  • Μέσα βρίσκεται στο κέντρο ένα άτομο, χωρίς να φοράει ρούχα.
  • Το άτομο έχει ύψος 1.80m και ζυγίζει 90kg.
  • Έχεις καλύψει με χιόνι τον τρούλο για καλύτερη μόνωση.

Στο σχήμα 3 φαίνεται η ακτινοβολία που εκπέμπουν τα σώματα λόγω της θερμοκρασίας τους (θερμική ακτινοβολία- κόκκινα βέλη), η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στο igloo (μακρύ πορτοκαλί βέλος), η ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία (μικρό πορτοκαλί βέλος) και η διαχεόμενη θερμότητα (εσωτερικό πορτοκαλί βέλος). Το πορτοκαλί κουτάκι είσαι εσύ!

 Για να απλοποιήσω το μοντέλο περαιτέρω θεωρώ την θερμική ακτινοβολία του πάγου (έδαφος και τοιχώματα) μηδενική, αφού έχει μηδαμινή επιρροή στο πρόβλημα.

Το ίδιο και η εισερχόμενη ακτινοβολία αφού ο πάγος έχει πολύ υψηλή ανακλαστικότητα. Επίσης, υποθέτω ότι δεν αποβάλλεται θερμότητα προς το έδαφος. Συνεπώς, η μόνη πηγή θέρμανσης του νέου σπιτιού είσαι εσύ. 

Είναι όμως αρκετή η θερμότητα που εκπέμπεις για να ζεσταθεί  ο χώρος; Δεν ξέρω αν μπορείς να σκεφτείς το γυμνό σου σώμα ικανό να ζεστάνει έναν χώρο που περιβάλλεται από πάγο σε θερμοκρασία περιβάλλοντος αέρα -43 βαθμούς Κελσίου, αλλά ίσως και να μπορεί να το κάνει.

Μπορείς να σκεφτείς την θερμότητα σαν είναι ποτάμι που ρέει προς κάθε κατεύθυνση από το σώμα σου προς μια ψυχρότερη περιοχή. Την ροή του «θερμικού ποταμιού» από το σώμα σου μπορούμε να την υπολογίσουμε από τον νόμο των Stephan και Boltzman. Αυτή είναι η ενέργεια που προσφέρεις στον εγκλωβισμένο αέρα για να σε ζεστάνει. Άρα, ο αέρας σου επιστρέφει ενέργεια από αυτήν που έδωσες.

Η ενέργεια, όμως, που εκπέμπει το σώμα σου δεν παραμένει ολόκληρη εσωτερικά του igloo, αλλά ένα μέρος της μεταφέρεται στο περιβάλλον έξω από το κτίσμα και εξαρτάται από τη φύση και το σχήμα των τοιχωμάτων. Στην περίπτωσή μας, το  τοίχωμα είναι φτιαγμένο από πάγο και χιόνι, που δεν είναι πολύ καλοί μονωτές θερμότητας, και έχει πάχος 30cm. Θέλουμε, λοιπόν, να υπολογίσουμε πόση θερμική ενέργεια προσφέρεις εσύ στον εσωτερικό αέρα ή, πιο αποτελεσματικά, να βρούμε σε ποια θερμοκρασία η προσφερόμενη ροή ενέργειας εξισορροπείται με τις απώλειες του igloo.

Από τον υπολογισμό αυτόν, φαίνεται, ότι θα μπορούσες να διατηρήσεις εσωτερική θερμοκρασία στους 6 βαθμούς Κελσίου. Δεν είναι και άσχημα για ένα γυμνό άτομο σε περιβάλλον -43 βαθμών Κελσίου! Φυσικά, καταλαβαίνεις ότι αν αλλάξεις μια από τις παραδοχές, που δεχτήκαμε αρχικά για να φτιάξουμε το μοντέλο μας, θα αλλάξει και το αποτέλεσμα. Άλλωστε, το μοντέλο περιγράφει μια ιδανική κατάσταση, στην οποία έχουμε αγνοήσει απώλειες από πιθανές ατέλειες στο σχήμα και την κατασκευή του τρούλου και το γεγονός ότι θα φορούσες ρούχα, άρα θα κρύωνες λιγότερο! Επίσης, όταν έρθω κι εγώ θα έχουμε δύο πηγές θέρμανσης και μάλιστα με διαφορετικές διαστάσεις.

Το μοντέλο αυτό, λοιπόν, προβλέπει ότι σε ένα περιβάλλον με θερμοκρασία αέρα -43 βαθμούς Κελσίου, ένα άτομο (1.80m, 90kg) θα μπορούσε να διατηρήσει θερμοκρασία δωματίου 6 βαθμούς Κελσίου, αν το δωμάτιο έχει μονωθεί με πάγο και χιόνι πάχους 30cm και είχε κυκλική ακτίνα 2m.  

Τέλος, στο Σχήμα 2 φαίνεται η θεωρητική κίνηση του αέρα του igloo λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας άρα και της πυκνότητας του. Όπως διαπιστώνεται, οι κινήσεις αυτές ουσιαστικά «ανακυκλώνουν» τον αέρα μέσα στο igloo. Αυτό που είναι σημαντικό είναι ότι διαχέουν ουσιαστικά τη θερμότητα μέσα στο igloo και έτσι διαμορφώνουν ένα «φιλικότερο» περιβάλλον διαβίωσης.

Πηγές:

  1. Jinks S., Hopton R. & Glossop T. (February 23, 2011), A1_4 Thermal Properties of an Igloo, Journal of Special Topics.
  2. Dr Andrzej Odrzywolek, How to Build the Perfect Igloo, Institute of Physics, Jagiellonian University

Ευχαριστώ τον κύριο Κ. Καρτάλη, καθηγητή στο τμήμα φυσικής του Ε.Κ.Π.Α στον τομέα περιβάλλοντος, για την πολύτιμη καθοδήγηση του στην εύρεση πηγών και την τοποθέτησή του στην ορθότητα του άρθρου. 

Ακολουθείστε μας και χαρίστε μας ένα like:
Close Menu