Повторение — Воздушный шар при запуске

Метеозонды и проблема гелия

Дважды в день, одновременно по всему миру, около 900 метеостанций запускают воздушный шар. Каждый из них несёт небольшую коробку с приборами — радиозонд, который передаёт по радио температуру, давление и влажность воздуха по мере подъёма. Эти данные используются во всех прогнозах погоды, которые вы читаете.

Метеозонд сделан из тонкой резины. У земли его наполняют примерно 2,500 L газа — получается шар диаметром около 1.7 m. По мере подъёма воздух вокруг него становится разреженнее, а внешнее давление падает, поэтому газ внутри расширяется, и шар раздувается. Высоко в небе также очень холодно, и из-за этого газ немного сжимается, но падение давления значительно сильнее. Примерно в 30 km над землёй шар вырастает до шести или семи метров в диаметре, резина рвётся, и радиозонд возвращается на Землю под небольшим парашютом.

Тот же гелий у земли и высоко в небе: снаружи происходит меньше столкновений, поэтому шар раздувается

Газ внутри должен быть легче воздуха. Водород — самый лёгкий газ, и он дешёвый: некоторые станции производят его на месте, расщепляя воду электричеством: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Но водород горюч, и утечка рядом с искрой может вызвать пожар. Поэтому большинство станций используют гелий — благородный газ, который вообще не вступает в реакции.

У гелия есть и своя проблема. Гелий на Земле медленно образовывался на протяжении миллионов лет в результате α-распада урана и тория в горных породах, а добывают его из скважин природного газа. Оказавшись в воздухе, он поднимается вверх и настолько лёгок, что медленно улетает в космос. Он нужен больницам для охлаждения магнитов аппаратов МРТ, а в годы дефицита его цена резко возрастала. Метеослужбы нескольких стран уже вернулись к использованию водорода для части запусков и применяют автоматические пусковые устройства, которые не допускают людей к газу.

Вычислите массу гелия, $m$, в шаре, наполненном 2,500 L гелия при комнатных условиях (He, 4 g/mol). Считайте, что 1 mol газа при комнатных условиях занимает 25 L.