Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Картина сильно упрощается при переносе тела в космос: вакуум разом отключает все виды теплопередачи, кроме одного — излучения. В межзвездном пространстве, вдали от Солнца и планет, тело начинает излучать свое тепло и его температура падает почти до абсолютного нуля. Черный предмет остывает при этом быстрее, чем серебристый, полированный. Попав в сферу действия солнечного излучения, эти предметы начнут нагреваться, но — неожиданный результат! — максимальная температура у них окажется одинаковой и тем большей, чем ближе предметы к поверхности Солнца. Почему так? Да потому, что максимальная температура устанавливается в тот момент, когда количество тепла, притекающего от Солнца к освещенной стороне, становится равным количеству тепла, излученного в космос затененной стороной.

Серебристое тело плохо поглощает тепло, но зато и плохо излучает его, поэтому в принципе оно нагревается до такой же температуры, что и черное тело, которое хорошо поглощает, но и хорошо излучает. А теперь нетрудно сообразить, какие чудеса можно делать в космосе с помощью кисти и ведерка с краской. Достаточно, например, освещенную сторону черного тела замазать серебристой краской, и его температура начнет понижаться. Если, наоборот, посеребрить теневую сторону, то температура полезет вверх. Ее можно увеличить еще больше, если вокруг посеребренной теневой стороны поставить посеребренный с двух сторон тонкий экран. Девять десятых излученного телом тепла этот экран отражает обратно, а одну десятую излучает. Если поставить за ним еще один экран, потерю тепла можно снизить еще в 10 раз и т. д.

В целом эти несложные зависимости дают неплохое приближение к действительности, если нашу планету рассматривать глазами космического наблюдателя. Действительно, она не более как шарик, витающий вокруг Солнца. Получать и отдавать теплоту такой шарик может только излучением. Считая его поверхность и массу однородной, а в этом случае температура нагрева в солнечных лучах не зависит от излучательной способности, нетрудно вычислить, что его средняя температура должна быть около 18 °C.

Эти допущения, которые для космического наблюдателя не более как средство упрощения расчетов, для нас, живущих на поверхности шарика, — вопрос жизни и смерти. Только оценивая один за другим факторы, влияющие на распределение температуры по поверхности земного шара, начинаешь понимать, на какой, в сущности, тонкой нити висит сама возможность жизни на нашей планете. Ведь для того чтобы во всех точках однородной гладкой сферы, помещенной на место нашей Земли, установилась температура + 18 °C, теплопроводность должна быть бесконечно большой. Только при этом фантастическом условии неравномерность облучения экватора и полюсов, вращение планеты вокруг своей оси и наклон этой оси к плоскости эклиптики не будут влиять на температуру в разных точках поверхности. Но если теплопроводность сравнительно невелика, картина мгновенно меняется. У планеты, «глядящей» на Солнце все время одной стороной, точка, лежащая ближе всех других к светилу, нагревается на несколько сот градусов. Противоположная ей точка на теневой стороне, наоборот, охлаждается на несколько десятков градусов ниже нуля. Температуры в остальных точках имеют промежуточные значения.

Теперь стоит начать вращать такую планету вокруг оси, перпендикулярной к плоскости эклиптики, и резкость температурного распределения смягчается. Вместо сильно нагретой и сильно охлажденной точек на поверхности планеты прочерчивается теплый экватор, на полюсах появляются две наиболее холодные точки. От экватора к полюсам температуры постепенно убывают. Если же наложить еще одно условие и придать оси вращения некоторый наклон к плоскости эклиптики, то при каждом обороте нашей гипотетической планеты вокруг Солнца ее верхняя и нижняя половины будут нагреваться то сильнее, то слабее, знаменуя этим смену времен года.

До сих пор поверхность нашей гипотетической планеты мы считали однородной. В действительности это не так. На земном шаре есть участки, покрытые снегом, песком, пустыней, травой, пашней. Снег отражает около 95 % излучения, песок — 43, пустыня — 30, луг — 20, пашня — 14 %. Находясь на освещенной стороне, пашня нагревается гораздо сильнее, чем снег, внося дополнительное усложнение в картину распределения температуры. Еще больше усложняет дело Мировой океан. Его поверхность отражает всего несколько процентов лучей, когда Солнце светит на него в упор, а вечером, когда светило у горизонта, океан отражает почти все излучение. Температура распределяется неодинаково не только пс поверхности, но и по глубине. Если на суше лучи поглощаются в тонком слое, то у воды и льда дело обстоит иначе. Даже на глубине 4 м можно еще обнаружить 4 % солнечного излучения.