На грани возможного: Наука выживания

В отличие от теплопроводности и конвекции, объясняющихся довольно просто, излучение ставило ученых в тупик не одно столетие. Любое тело испускает электромагнитное излучение, и чем тело горячее, тем излучение выше. Излучение охватывает весь электромагнетический спектр, однако пик его зависит от поверхностной температуры тела, и когда тело нагревается, излучение смещается в сторону коротковолнового.

От длины волны зависит, будем ли мы воспринимать излучение как цветовое или как тепловое. Длинноволновое излучение для нас невидимо, мы ощущаем его только как тепло: так, например, мы чувствуем жар от огня, который давно потух. Это так называемое инфракрасное излучение. При повышении температуры объекта длина волны наиболее обширного пучка излучения переходит в видимый спектр, и объект начинает светиться. Коричневый, бурый цвет сменяется по мере увеличения температуры и уменьшения длины волны красным, оранжевым, желтым и, наконец, белым (отсюда выражения «до белого каления», «раскаленный добела»). Логично было бы предположить, что цветовая гамма будет соответствовать цветам спектра, поэтому после желтого должен идти зеленый и синий. Однако, раскалив в огне обычную железную кочергу, мы легко убеждаемся в обратном. Происходит это потому (как уже отмечалось выше), что кочерга испускает излучение, охватывающее сразу весь электромагнитный спектр, и только длина волны, при которой происходит пиковое излучение, изменяется вместе с температурой. Более того, общий объем излучения значительно повышается с подъемом температуры, поэтому объем испускаемого длинноволнового излучения тоже возрастает. Таким образом, свечение раскаленной кочерги – это комбинация различных электромагнитных волн, поэтому, как солнечный свет, оно кажется белым, и раскаленная добела кочерга будет гораздо горячее, чем тускло-красная или догорающие угли.

Температура на поверхности Солнца составляет около 5500° С. Солнце испускает видимое излучение пиковой длиной волны около 0,5 мкм – именно поэтому оно такое ослепительно яркое. Оно испускает и более длинные волны, дающие тепло, благодаря которому на Земле существует жизнь. Человеческое тело при температуре около 37° С излучает на пиковой длине волны в 10 мкм, которой очень далеко до видимого спектра. Однако в достаточно замкнутом пространстве мы вполне можем ощущать тепло другого человеческого тела – например, в постели. Нелишним будет отметить, что температура Солнца превышает температуру человека примерно в 20 раз по шкале Кельвина (5800° K в сравнении с 300° K) и что пиковая длина волны испускаемого излучения у Солнца тоже примерно в 20 раз короче, чем у человека. Из этого следует, что пиковая длина волны попросту пропорциональна температуре.

Как и свет, тепло представляет собой одновременно и волну, и поток частиц (фотонов). Чтобы понять, как происходит лучистый теплообмен – и как тепловое излучение проходит через космический вакуум от Солнца к Земле, – можно представить тепло в виде фотонов, поглощаемых или испускаемых атомами нашего тела. Атом – это Солнечная система в миниатюре. В центре его расположено ядро, вокруг которого движутся один или более электронов. Электроны расположены через дискретные промежутки от ядра – как планеты на орбитах. И вот здесь аналогия заканчивается, поскольку орбиталь, на которой оказывается электрон, зависит от его энергии, поэтому электрон может, поглощая или отдавая энергию, перескакивать с одной орбитали на другую. Эту энергию можно представить в виде фотонов или световых частиц. Поглощая фотон, электрон перемещается на внешнюю орбиталь, а переход ближе к ядру сопровождается потерей фотона.

У молекул поглощение и отдача лучистой энергии происходит не так, как у атомов, а за счет уменьшения или увеличения объема колебаний. Фотоны путешествуют сквозь вакуум со скоростью света – 300 000 км в секунду. Фотоны, излучаемые Солнцем, поглощаются молекулами нашей кожи, увеличивая их вибрацию и согревая нас. И, наоборот, с излучением фотонов, когда вибрация молекул уменьшается, тепло уходит. Пока вы читаете эти строки, ваше тело излучает фотоны в окружающую среду. Мы все ведем постоянный молчаливый «диалог», обмениваясь фотонами с другими людьми и предметами окружающей обстановки.