Вилен Барабой - Солнечный луч

Когда лучи одной спектральной области необходимо выделить, а лучи других диапазонов поглотить, пользуются специальными фильтрами. Обычная вода, например, прозрачна для лучей видимого света, но легко поглощает инфракрасные лучи. Если к ней добавить немного медного купороса, поглощение значительно усиливается. Когда же нужно поглотить видимые лучи, а инфракрасные пропустить, пользуются растворами черных красителей либо йода в сероуглероде или четыреххлористом углероде. Обычное стекло не пропускает инфракрасных лучей с длиной волны больше 1,5—2 мк. Зеленые растения, интенсивно поглощающие благодаря содержанию хлорофилла лучи красной и синей областей видимого света, хорошо отражают инфракрасные лучи.

Фото- и киносъемки, сделанные в инфракрасных лучах, из-за особенностей отражения и поглощения имеют необычный вид: вода в водоемах кажется черной, а зеленые растения на берегу — белыми. Растения, подвергающиеся в нормальных условиях жизнедеятельности наиболее интенсивному инфракрасному облучению солнечного света, обладают и наибольшей способностью отражения инфракрасных лучей. Мхи и водоросли, растущие в темноте и под поверхностью воды, лишены этой способности. Высокогорные растения, подвергающиеся действию особенно интенсивных потоков радиации, отражают инфракрасные лучи вдвое энергичнее, чем равнинные растения тех же или близких видов. Лист, растущий на полном свету, отражает 27% падающих инфракрасных лучей; другой лист такого растения, развивающегося в расщелине скалы, отражает всего 22% лучей. Можно предположить, что в процессе эволюционного развития растения приобрели способность использовать лучи определенных участков солнечного спектра, а от других защищаться. В данном случае таким защитным механизмом растений оказалось отражение.

Инфракрасные, как и другие лучи оптического диапазона, возникают в веществе при его нагреве и, поглощаясь веществом, нагревают его. Иными словами, эти лучи служат средством переноса тепла, передачи тепловой энергии на расстояние.

Теплота — форма движения материи, состоящая в беспорядочном колебательном и вращательном движении слагающих тело микрочастиц (молекул, атомов, электронов и др.). Чем ниже температура тела, тем меньше амплитуда их колебаний. При абсолютном нуле (0° по шкале Кельвина) движение атомов и молекул прекращается. Но при любой температуре выше абсолютного нуля, т. е. практически в наших земных условиях везде, наблюдается колебание атомов и молекул, их хаотическое движение, степень выраженности которого и характеризует, собственно, температуру тел.

Существенная особенность теплоты, отличающая ее от других видов энергии, заключается в том, что она присуща всем без исключения материальным частицам в любой момент их существования. В результате неупорядоченности движения микрочастиц некоторый переход в тепло наблюдается при любом превращении одного вида энергии в другой. Обратный переход от тепловой к кинетической, электрической, химической и другим формам энергии затруднен; он совершается с меньшим коэффициентом полезного действия.

Выравнивание энергетического уровня, т. е. передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым, может происходить различными путями. Первый путь — передача тепла посредством теплопроводности — осуществляется при непосредственном контакте тел с различной температурой. Частицы более нагретого тела передают часть своей вибрационной энергии частицам более холодного тела.

Второй путь — передача тепла путем конвекции — связан с тем, что воздух по мере нагрева становится менее плотным и поднимается вверх. Массы воздуха, нагреваясь у поверхности горячих предметов, при движении переносят часть тепловой энергии. Способ переноса тепла конвекцией используется для обогрева помещений. Тепловые завесы, устраиваемые у входа в метро, театры и другие общественные здания, представляют собой не что иное, как конвекционные токи нагретого воздуха, идущие от специальных обогревателей. Конвекционные токи возникают и в природе в результате неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. И конвекция, и теплопроводность предполагают наличие материальной среды, служащей посредником при переносе энергии.

Лучистая теплопередача коренным образом отличается от двух рассмотренных выше типов. Она не нуждается в вещественных посредниках и может осуществляться в пустоте, между телами, отделенными друг от друга колоссальными расстояниями. Кроме того, излучение — это свойство, присущее всем без исключения телам, нагретым свыше абсолютного нуля. Следовательно тело с более низкой температурой тоже излучает тепло во все стороны, в том числе и по направлению к телу с более высокой температурой, и лишь суммарный баланс теплообмена складывается так, что в направлении от более нагретого тела к менее нагретому переносится больше лучистой энергии, чем в обратном направлении.

Суммарный тепловой баланс Земли в самом общем виде таков. Из общего количества солнечной лучистой энергии, падающей на Землю (2·10 11вт), около 42% отражается обратно в мировое пространство, 14% поглощается атмосферой и только 44% — земной поверхностью, ее лито- и гидросферой. Из этих 44% расходуется на испарение влаги почти половина — 18%, на конвективный нагрев воздуха — 6% и на теплообмен излучением— 20%. В среднем за год со всей поверхности земного шара испаряется Солнцем 520 тыс. км 3воды. Столько же выпадает в виде осадков, однако весьма неравномерно. Отдача тепла в мировое пространство происходит главным образом за счет отражения солнечных лучей атмосферой. Из 42% солнечного тепла, отражаемого Землей, на долю атмосферы приходится 38%. Поверхность Земли отражает всего 4%. Это в большой мере результат присутствия в атмосфере водяных паров, поглощающих инфракрасное тепловое излучение планеты (парниковый эффект).

В состоянии непрерывного лучистого теплообмена о окружающей средой находится каждый живой организм, в том числе и организм человека. Это значит, что состояние организма, его температура в значительной степени зависит от температуры среды, от того, как сложится баланс излучений между организмом и окружающими его предметами. Максимум излучения тела человека приходится на длину волны 9,3 мк. Этот факт свидетельствует о важной роли инфракрасного излучения в жизнедеятельности человека. Ведь таким путем тело человека теряет значительную часть своего тепла.

Наиболее мощный источник инфракрасного излучения в земных условиях — это Солнце, свет которого более чем наполовину состоит из инфракрасных лучей с длиной волны 0,75—2 мк. Ежегодно Земля получает с инфракрасным излучением Солнца 6,7·10 20кал. тепла. Нагретые Солнцем поверхность Земли и атмосфера, в свою очередь, непрерывно излучают тепловые лучи в том же спектральном диапазоне.