Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Уподобив космическое пространство ледяной глыбе, Уоллес с успехом превратил этот мысленный эксперимент в теорию росы. Он объяснил, почему роса выпадает лишь в ясные тихие дни: облака отражают тепловые лучи обратно на землю, а ветер, благодаря конвекции, быстро уравнивает температуру охлажденного тела с температурой окружающей среды.

Дилетант Уоллес затмил специалистов-метеорологов, потому что, «отказавшись витать в облаках», первым обратил внимание на теплопередачу — процесс, неотвратимо возникающий там, где появляются разности температур. Но он действовал здесь методом «доказательства от противного», ибо в сущности «Трактат о росе» — это трактат о том, как взаимодействие различных механизмов теплопередачи приводит к появлению разности температур.

Теперь, когда мы знаем о трех механизмах подвода и отвода тепла — теплопроводности, излучении и конвекции, мы можем любое тело уподобить сосуду, в который вода наливается через три трубы и через три других выливается. И если, перекрывая в различных сочетаниях эти трубы, мы можем регулировать уровень жидкости в сосуде, то, комбинируя различные виды теплопередачи, мы можем регулировать температуру того или иного тела.

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.