Солнечный луч - Барабой Вилен Абрамович - Страница 43

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 (2·10¹¹ вт), 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. км³ воды. 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 6,7·10²⁰ кал. тепла. Нагретые Солнцем поверхность Земли и атмосфера, в свою очередь, непрерывно излучают тепловые лучи в том же спектральном диапазоне.

Наряду с прямым влиянием инфракрасной радиации на животный организм, о чем речь пойдет ниже, немалое значение имеет и косвенное ее влияние в результате изменения температуры и других физических параметров воздуха.

Поглощение инфракрасных лучей атмосферой, зависящее от присутствия в ней водяных паров, возрастает при увеличении абсолютной влажности. В спектре Солнца появляется, широкая полоса поглощения между 0,9 и 3 мк. Воздух нагревается не только за счет прямого поглощения инфракрасных лучей, но и вторично, путем конвекции в результате нагрева земной поверхности. По мере увеличения температуры воздуха изменяется его газовый состав: уменьшается содержание кислорода (на экваторе оно на 0,5% меньше, чем в средних широтах). Этот процесс усиливается с повышением содержания в воздухе водяных паров. Кроме того, при нагреве воздух расширяется, в связи с чем снижается давление кислорода у поверхности Земли. Такие атмосферные явления, как ветер, дождь, гроза, в значительной степени обусловлены неравномерным солнечным нагревом земной поверхности и атмосферы. Тропические ураганы — наиболее могучее явление природы, связанное с испарением влаги и образованием конвекционных токов воздуха,— не что иное как способ отдачи тепла, аккумулированного водами тропических морей вследствие нагрева лучами Солнца. Морская вода поглощает до 95% падающей лучистой энергии Солнца. Именно деятельность Солнца, неравномерный нагрев и испарение влаги обусловливают движение воздушных и водных масс, глобальную систему ветров, циклонов и антициклонов, теплых и холодных течений, разнообразие климатических зон, погодных «условий, непосредственно влияющих на жизнедеятельность животных и растений, на самочувствие и состояние людей. Колебания атмосферного давления и температуры, особенно падение давления и увеличение температуры в сочетании с повышенной влажностью воздуха, действуют крайне неблагоприятно на людей, особенно с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Изменение температуры воды, нагрев ее лучами Солнца влияет на растворимость ряда веществ, а это, в свою очередь, может вносить изменения в жизнедеятельность растительных и животных организмов. Чем ближе к экватору, тем больше в океане кораллов и других организмов, накопляющих в теле известь, тем больше степень окостенения рыб. Для северных холодных морей характерны крупные бурые водоросли, своя богатая фауна и флора.

Микроорганизмы, простейшие, одноклеточные водоросли и грибы переносят значительные колебания температуры, не погибая (состояние анабиоза). Они выживают при температуре значительно ниже нуля, вплоть до температур жидкого азота (77° К). Разумеется, при этой температуре их жизненные процессы резко угнетены, размножение невозможно. Но одноклеточные сохраняют способность оживать при переносе в обычные температурные условия. Они выдерживают нагрев, в том числе и лучистый, до 60°С и выше. Отдельные организмы выработали специальные приспособления, позволяющие им переносить и более высокие температуры. Споры некоторых бактерий, грибков имеют толстую оболочку, защищающую их от колебаний температуры, влажности и других неблагоприятных воздействий. Семена растений также очень устойчивы к изменениям условий среды.