Всё о науке за 60 минут

Средняя температура поверхности Солнца составляет около 5 500 °C. Наиболее интенсивно оно испускает электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 300 до 700 нм. Это расстояние между соседними пиками волн, которое практически невозможно представить, но гораздо проще остановиться на том, что в 1 мм помещается несколько десятков тысяч таких пиков. Следует отметить, что это как раз диапазон длин волн видимого света, что, впрочем, неслучайно. Человеческий глаз эволюционировал таким образом, чтобы использовать ту часть светового спектра, которая наиболее интенсивна на поверхности Земли. Конечно, в солнечном свете присутствует также некоторое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, но оно в значительной степени отражается или поглощается нашей атмосферой, хотя и то, что добирается до нас, если говорить об ультрафиолете, может вызывать появление загара на коже (или ожога, как в моем случае).

Когда солнечный свет достигает окна, видимый свет проходит сквозь него, а оставшееся инфракрасное и ультрафиолетовое излучение поглощается стеклом. Затем видимый свет попадает внутрь оранжереи, на плетеную мебель и комнатные растения. Ясно, что все это не является на 100 % отражающим, поэтому часть света мебель и растения поглощают. А поглощая, они захватывают энергию этого света и превращают ее в тепло.

Теперь нам нужно привлечь теорию излучения абсолютно черного тела. Все предметы внутри теплицы или оранжереи испускают электромагнитное излучение, пусть и в виде тепла. Если их температура около 15 °C, то максимальная мощность их излучения приходится на инфракрасную область спектра с длиной волны от 7 000 до 20 000 нм. Выше мы говорили, что свет, нагревающий предметы в оранжерее, характеризуется диапазоном длин волн 300–700 нм, так что имеет место примерно 25-кратное изменение длины волны, и это создает парниковый эффект.

Воздух вокруг нас гораздо менее прозрачен для электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне. Следовательно, это инфракрасное излучение не выходит прямо из оранжереи, а поглощается воздухом, который оно нагревает. И за счет смещения своего максимума излучение фактически оказывается в ловушке внутри оранжереи или любой другой теплицы. Как только воздух нагревается, он начинает создавать конвекционные потоки. Теплый воздух поднимается вверх, удаляясь от нагретых солнцем предметов и позволяя входить с ними в контакт более холодному воздуху. Этот воздух тоже нагревается, и цикл продолжается, так что постепенно нагревается весь объем воздуха. В результате оказывается, что обычная система отопления в теплице неэффективна (да она там и не нужна). Солнечный свет и без нее добавляет все больше энергии, а предметы внутри продолжают нагреваться, передавая тепло в воздух. Температура поднимается все выше и выше.

Все это объясняет и парниковый эффект в планетарном масштабе – тот, что служит сегодня движущей силой изменения климата на нашей планете. Правда, в этом случае есть крайне важное дополнение к приведенным рассуждениям: оно состоит в том, что углекислый газ особенно хорошо поглощает повторно испускаемое инфракрасное излучение. Кроме того, хотя у атмосферы Земли нет стеклянной крыши в буквальном смысле, более теплый воздух все же удерживается гравитационным притяжением нашей планеты. А углекислый газ, содержащийся в выбросах промышленных предприятий, дополнительно повышает температуру на ее поверхности.

Для планетарного варианта парникового эффекта, помимо идеи сокращения выбросов углекислого газа, решения у нас пока нет. Однако для более локальных внутренних случаев у науки есть ответ. Либо остановить поступление в помещение солнечного света, опустив жалюзи, либо использовать вентилятор для создания прохладного бриза. Если оборудовать вентиляционное отверстие в самом верху застекленной теплицы и позволить воздуху туда проникать, горячий воздух выйдет наружу и потянет холодный воздух внутрь. Это не остановит нагревание теплицы, но сделает парниковый эффект не таким сильным.

Обдув холодным воздухом

По мере приближения зимы и снижения ночных температур все сильнее ощущается необходимость утреннего обдува ветрового стекла автомобиля. В следующий раз, когда вы будете сидеть в машине и ждать, пока обогреватель автомобиля сделает свою работу, подумайте над тем, что же происходит в этот момент.