Работа-игра (дрессировка собак — детекторов запахов)

Федорович А. Ю.

где m — масса молекул первого вещества в объеме второго, расположенном на расстоянии l от первого, прошедшая через границу раздела сред сечением S за время t;

D — коэффициент диффузии;

с₁ и с₂ — концентрация пахучего вещества в первой и второй средах соответственно.

Если речь идет о пахучем конденсированном веществе (твердом или жидком), то концентрация с₁ пропорциональна давлению насыщающего пара этого вещества, т. е. пара, находящегося в состоянии динамического равновесия со своей конденсированной

фазой. Давление насыщающего пара в свою очередь зависит от его химического состава и температуры. Для интересующих нас случаев расстояние l довольно значительно и с₂ в виду ее малости можно приравнять 0.

Следовательно, можно сделать выводы (довольно, впрочем, очевидные), что, если распространение запаха определяется диффузией, то сила запаха обратно пропорциональна расстоянию между носом собаки и источником запаха, а также, что чем больше отверстие (отверстия) в ёмкости, заключающей источник запаха, тем сильней запах. Также очевидно, что сила запаха увеличивается с возрастанием температуры источника запаха, а легко испаряющиеся (летучие) вещества пахнут сильнее, чем вещества, испаряющиеся слабо (нелетучие). Из закона Фика следует, что интенсивность распространения запаха путем диффузии пропорциональна коэффициенту диффузии D.

D = ¹/₃· u · , где u — средняя скорость теплового движения молекулы;

— средняя длина ее свободного пробега.

т. е. средняя скорость молекулы (или частицы пыли) обратно пропорциональна корню квадратному из молекулярной массы пахучего вещества или массы пылинки пахучего вещества.

Например, для кислорода (m=32/6·1023), u=4,8·102 м/с 500 м/с; для водорода (он в 16 раз легче и, значит, его молекула в 4 раза быстрее) u=2 км/с. Для пылинки размером в 1мкм (при плотности = 1) u = 0,5 см/с.

Исследование зависимости коэффициента диффузии от температуры показывает, что с увеличением температуры он возрастает как Т² (квадрат абсолютной температуры). То есть интенсивность запаха вещества, находящегося в помещении с неподвижным воздухом, закопанного под землю, завернутого в ткань и т. д. пропорциональна (t oC+273)², где t oC — температура окружающей среды по шкале Цельсия.Следовательно, сила запаха зависит не только от температуры пахучего вещества, но и от температуры окружающей среды (они не всегда совпадают). Интенсивность запаха при 20°С, например, будет приблизительно на 20% больше, чем при 0°С. Интенсивность запаха вещества при сокрытии его на теле усиливается от воздействия температуры тела. Некоторым из нас, профессиональных кинологов, об этом полезно помнить.

Коэффициент диффузии численно равен коэффициенту температуропроводности, поэтому, чем теплее одежда, тем медленнее распространяется через нее запах. Можно воспользоваться аналогией. В процессе сертификации температуропроводность одеял проверяют следующим способом: металлическую пластинку нагревают до 52oС (при t окружающей среды 20oС) и ждут, когда она охладится на 5oС. Для тонкого одеяла это время составляет 7 минут, для толстого › 25 минут. Следовательно, за время того же порядка запах источника запаха, накрытого одеялом, проникнет через одеяло. Таким образом, мы должны понимать, что для распространения запаха путём диффузии требуется значительное время. Иными словами, запах сквозь пористые среды не распространяется моментально (запах от источника, например, закопанного в землю, достигнет поверхности земли, а следовательно будет иметь шанс вступить в контакт с носом собаки только через некоторое время после того, как источник был закопан).

Когда речь идет об испарении, обычно подразумевается испарение жидкостей. Но твердые тела также испаряются. Испарение твердого тела называется возгонкой или сублимацией. Хорошо испаряющимся твердым телом является, например, нафталин. Нафталин плавится при 80oС и интенсивно испаряется уже при комнатной температуре. Именно это свойство и определяет его использование для уничтожения моли.

Всякое сильно пахнущее твердое вещество возгоняется в значительной степени — это становится понятно, если мы

вспомним, что запах создается молекулами, оторвавшимися от вещества и достигшими нашего носа. Однако, наиболее часты случаи, когда вещество возгоняется столь слабо, что его пары не могут быть обнаружены с помощью самых чувствительных приборов. В принципе, любое, в том числе твердое вещество: металл, стекло, камень и так далее, испаряется. Это можно проиллюстрировать следующим примером: когда хозяйки вывешивают в морозный день мокрое белье на просушку, вода вначале замерзает, а затем лед испаряется и белье высыхает. Если мы органолептически не обнаруживаем возгонки (не ощущаем запаха) того или иного вещества, то это значит лишь, что плотность насыщающего пара этого вещества очень незначительна. Мы уже отмечали, что плотность насыщающего пара зависит от температуры источника запаха. Действительно, можно на практике убедиться, что ряд веществ, имеющих острый запах при комнатной температуре, теряет его при температуре более низкой.

Скорость и характер распространения запаха зависит от состояния атмосферы. Обычно температура воздуха снижается с увеличением высоты над уровнем земли. В норме изменение температуры воздуха по вертикали постоянно и приблизительно равно 1oС/100 м. При этом некоторый нагретый объем сухого воздуха, всплывающий под действием естественной конвекции, поднявшись на 100 м, охладится на 1oС вследствие расширения, связанного с уменьшением давления окружающей среды. Следовательно, разница между его температурой и температурой окружающей среды останется постоянной. В этом случае установится стационарный конвективный режим, то есть возникнет устойчивый восходящий поток воздуха. Величина 1oС/100 м называется адиабатическим температурным градиентом сухого воздуха. Когда температурный градиент окружающей среды выше адиабатического, атмосфера неустойчива, когда он ниже адиабатического — устойчива. Т. е. в первом случае любое возмущение в атмосфере будет, развиваясь, усиливаться, а во втором случае — угасать.

Иногда в атмосфере возникает температурная инверсия, т. е. до определенной высоты температура окружающего воздуха не уменьшается, а растет. Инверсия прижимает запахи к земле не давая им диссипироваться (рассасываться) в атмосфере. Этим объясняется исключительно эффективная работа собак в некоторые дни (особенно с утра).

Рассмотрим некоторые простейшие случаи распространения запахов (так называемый «конус запаха»):

— При слабом ветре и неустойчивой атмосфере образуется завихренная струя запаха. Для нее характерна большая размытость. Благодаря активному перемешиванию воздушных масс в неустойчивой атмосфере запах быстро рассеивается. Расстояние, на котором собака причуивает запах сравнительно невелико.

— При скорости ветра свыше 8 м/с и нейтральной атмосфере струя запаха принимает конусообразную форму (отсюда и выражение «конус запаха»). Запах распространяется по конусу, причем имеет место лишь незначительное перемещение оси струи в горизонтальном и вертикальном направлениях. Собака причуивает запах на значительном расстоянии.

Заметьте, что собака может почуять запах только в том случае, если её нос находится внутри «конуса запаха». За пределами этого конуса молекулы РВ отсутствуют. Т. е. собака может пройти непосредственно под источником запаха и не учуять его, и, в то же время, «схватить» запах на значительном расстоянии, там, где «конус запаха» расширяется до уровня её носа.

— При очень слабом ветре и устойчивой атмосфере наблюдается веерная струя. Запах остается в очень тонком слое, постепенно рассеиваясь в поперечном направлении, по мере того как ветер относит его от источника и он приобретает форму веера.

Условия для появления веерной струи наиболее часто создаются ночью и ранним утром, когда в результате радиационного охлаждения земли возле самой ее поверхности возникают температурные инверсии. В очень устойчивых условиях инверсионного слоя запах не рассеивается ни вверх, ни вниз. Для работы собак-детекторов запахов такие условия особенно благоприятны. После того, как взойдет солнце, и земля прогреется, инверсия исчезает. Метеорологи говорят, что солнце «выжигает» инверсию.