Роберт Гейзен - Історія Землі

Передавання тепла відбувається завдяки трьом відомим механізмам. По-перше, це теплопровідність. Коли гарячіший об’єкт торкається холоднішого, тепло перетікає від гарячого до холодного. Цей процес до болю зрозумілий, якщо ви коли-небудь обпікали ноги, крокуючи по розпеченому сонцем асфальту, або ж торкались конфорки – і у вас на пальцях з’являвся пухирець – є результатом постійного коливання атомів. У гарячих об’єктах атоми поводяться значно бурхливіше, ніж у холодних. Коли холодний об’єкт із атомами, що повільно коливаються, торкається гарячого об’єкта з нестримними атомами, дещиця цього буйства передається при зіткненнях від одного атома до іншого. Дотик до гарячого предмета може пошкодити молекули вашої шкіри, вбити її клітини та спричинити опік. Теплопровідність – це чудовий спосіб локально передавати тепло від одного об’єкта до іншого, що перебуває по сусідству, проте в планетарному масштабі таке передавання тепла – погана ідея. Надто багато часу іде на передавання тепла від одного атома, що коливається, до іншого.

Конвекція, коли групи гарячих атомів великими об’ємами переносять тепло, значно краще охолоджує планети. Ви знаєте про конвекцію з власного досвіду нагрівання води. Налийте в каструлю воду, увімкніть газ та зачекайте. Спочатку процес відбуватиметься повільно, адже, нагріваючись, каструля передаватиме тепло холодній воді в процесі теплопровідності – коливання за коливанням, атоми металів у каструлі наштовхуються на атоми води. Проте незабаром інший механізм вступає в дію. Нагрітий об’єм води з дна каструлі починає розширюватися та підніматися крізь холоднішу щільнішу воду до поверхні, масово передаючи тепло вгору. Водночас холодніші щільніші верхні шари опускаються на гаряче дно. Усе швидше та швидше відбувається теплообмін, шари води піднімаються та опускаються, доки вода не почне клекотливо кипіти. У результаті конвекційного потоку гарячої води, що підіймається, та холодної води, що опускається, великий об’єм води розповсюджує тепло у всьому обсязі рідини у стрімкому та ефективному танку.

У великих масштабах Землі процес конвекції відбувається безперервно – у прохолодних берегових бризах у спекотний літній день, у великих океанічних течіях від Екватора до Арктики, в буремних грозових фронтах із блискавицями, в нестерпно гарячих джерелах та струменистих гейзерах. Те ж відбувається в надрах Землі, де гарячі спресовані породи стають схожими на іриски, м’якнуть та впродовж мільйонів років повільно собі пливуть. Холодніші щільніші гірські породи з поверхні пірнають на дно, тоді як гарячіші та менш щільні породи випливають на їхнє місце. Протягом усієї історії Землі конвекція була основним рушієм планетарного охолодження.

Третім механізмом передавання тепла є теплове випромінювання. Будь-який гарячий об’єкт виділяє тепло в холодніше середовище у формі інфрачервоного випромінювання, яке у вакуумі долає 299 338 км за секунду. Ця знайома всім форма енергії (яскраво виявляє себе, коли ви собі відпочиваєте, всотуючи промінці яскравого сонця) схожа на хвилі видимого світла (однак теплове випромінювання відрізняється довшими хвилями). Ймовірно, найочевиднішим джерелом енергії інфрачервоного випромінювання є Сонце, яке купає Землю в інфрачервоному промінні, що долають космічний вакуум десь за 8,3 хвилини. Іншими прикладами є електричний обігрівач, вогонь в каміні або ж добре знані радіатори водяного опалення. Кожний нагрітий об’єкт випромінює тепло в холодніше середовище. Наше тіло не є винятком. Саме тому в переповненій аудиторії може стати аж так душно – кожна людина виділяє стільки тепла, скільки і лампочка на сто ват, – цей факт легко перевірити, надівши окуляри нічного бачення. Крізь них видно, що люди та тварини яскраво світяться в темряві, поширюючи інфрачервоне випромінення.

Інтенсивність тепловіддачі в результаті теплопровідності, конвекції чи випромінювання залежить від різниці температур між гарячішими та холоднішими об’єктами. Теплопровідність відбувається швидше, конвекція – енергійніше, а випромінювання – значно сильніше, якщо різниця температур велика. Земля – тепла планета. Обертаючись довкола Сонця в холоднечі простору, вона постійно випромінює в космос тепло. Однак розпечена до багрянцю пост-Тейїстична Земля викидала надлишок теплової енергії з такою швидкістю, що в наші дні важко собі й уявити. Вона буквально палала в чорній порожнечі космосу.