Лучистая теплопередача коренным образом отличается от двух рассмотренных выше типов. Она не нуждается в вещественных посредниках и может осуществляться в пустоте, между телами, отделенными друг от друга колоссальными расстояниями. Кроме того, излучение — это свойство, присущее всем без исключения телам, нагретым свыше абсолютного нуля. Следовательно тело с более низкой температурой тоже излучает тепло во все стороны, в том числе и по направлению к телу с более высокой температурой, и лишь суммарный баланс теплообмена складывается так, что в направлении от более нагретого тела к менее нагретому переносится больше лучистой энергии, чем в обратном направлении.
Суммарный тепловой баланс Земли в самом общем виде таков. Из общего количества солнечной лучистой энергии, падающей на Землю (2·1011 вт), около 42% отражается обратно в мировое пространство, 14% поглощается атмосферой и только 44% — земной поверхностью, ее лито- и гидросферой. Из этих 44% расходуется на испарение влаги почти половина — 18%, на конвективный нагрев воздуха — 6% и на теплообмен излучением— 20%. В среднем за год со всей поверхности земного шара испаряется Солнцем 520 тыс. км3 воды. Столько же выпадает в виде осадков, однако весьма неравномерно. Отдача тепла в мировое пространство происходит главным образом за счет отражения солнечных лучей атмосферой. Из 42% солнечного тепла, отражаемого Землей, на долю атмосферы приходится 38%. Поверхность Земли отражает всего 4%. Это в большой мере результат присутствия в атмосфере водяных паров, поглощающих инфракрасное тепловое излучение планеты (парниковый эффект).
В состоянии непрерывного лучистого теплообмена о окружающей средой находится каждый живой организм, в том числе и организм человека. Это значит, что состояние организма, его температура в значительной степени зависит от температуры среды, от того, как сложится баланс излучений между организмом и окружающими его предметами. Максимум излучения тела человека приходится на длину волны 9,3 мк. Этот факт свидетельствует о важной роли инфракрасного излучения в жизнедеятельности человека. Ведь таким путем тело человека теряет значительную часть своего тепла.
Действие инфракрасных лучей на организм
Наиболее мощный источник инфракрасного излучения в земных условиях — это Солнце, свет которого более чем наполовину состоит из инфракрасных лучей с длиной волны 0,75—2 мк. Ежегодно Земля получает с инфракрасным излучением Солнца 6,7·1020 кал. тепла. Нагретые Солнцем поверхность Земли и атмосфера, в свою очередь, непрерывно излучают тепловые лучи в том же спектральном диапазоне.
Наряду с прямым влиянием инфракрасной радиации на животный организм, о чем речь пойдет ниже, немалое значение имеет и косвенное ее влияние в результате изменения температуры и других физических параметров воздуха.
Поглощение инфракрасных лучей атмосферой, зависящее от присутствия в ней водяных паров, возрастает при увеличении абсолютной влажности. В спектре Солнца появляется, широкая полоса поглощения между 0,9 и 3 мк. Воздух нагревается не только за счет прямого поглощения инфракрасных лучей, но и вторично, путем конвекции в результате нагрева земной поверхности. По мере увеличения температуры воздуха изменяется его газовый состав: уменьшается содержание кислорода (на экваторе оно на 0,5% меньше, чем в средних широтах). Этот процесс усиливается с повышением содержания в воздухе водяных паров. Кроме того, при нагреве воздух расширяется, в связи с чем снижается давление кислорода у поверхности Земли. Такие атмосферные явления, как ветер, дождь, гроза, в значительной степени обусловлены неравномерным солнечным нагревом земной поверхности и атмосферы. Тропические ураганы — наиболее могучее явление природы, связанное с испарением влаги и образованием конвекционных токов воздуха,— не что иное как способ отдачи тепла, аккумулированного водами тропических морей вследствие нагрева лучами Солнца. Морская вода поглощает до 95% падающей лучистой энергии Солнца. Именно деятельность Солнца, неравномерный нагрев и испарение влаги обусловливают движение воздушных и водных масс, глобальную систему ветров, циклонов и антициклонов, теплых и холодных течений, разнообразие климатических зон, погодных «условий, непосредственно влияющих на жизнедеятельность животных и растений, на самочувствие и состояние людей. Колебания атмосферного давления и температуры, особенно падение давления и увеличение температуры в сочетании с повышенной влажностью воздуха, действуют крайне неблагоприятно на людей, особенно с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Изменение температуры воды, нагрев ее лучами Солнца влияет на растворимость ряда веществ, а это, в свою очередь, может вносить изменения в жизнедеятельность растительных и животных организмов. Чем ближе к экватору, тем больше в океане кораллов и других организмов, накопляющих в теле известь, тем больше степень окостенения рыб. Для северных холодных морей характерны крупные бурые водоросли, своя богатая фауна и флора.
Микроорганизмы, простейшие, одноклеточные водоросли и грибы переносят значительные колебания температуры, не погибая (состояние анабиоза). Они выживают при температуре значительно ниже нуля, вплоть до температур жидкого азота (77° К). Разумеется, при этой температуре их жизненные процессы резко угнетены, размножение невозможно. Но одноклеточные сохраняют способность оживать при переносе в обычные температурные условия. Они выдерживают нагрев, в том числе и лучистый, до 60°С и выше. Отдельные организмы выработали специальные приспособления, позволяющие им переносить и более высокие температуры. Споры некоторых бактерий, грибков имеют толстую оболочку, защищающую их от колебаний температуры, влажности и других неблагоприятных воздействий. Семена растений также очень устойчивы к изменениям условий среды.
Более сложно устроенные организмы не могут переносить сильного охлаждения, но и у них выработались приспособления, помогающие им выживать в зимнюю стужу и летнюю жару. Земноводные, пресмыкающиеся, рыбы при понижении температуры среды впадают в состояние оцепенения, забираются в норы, речной ил, уходят в глубины воды. При повышении температуры они постепенно оживают, становятся подвижными, начинают отыскивать пищу, размножаются.
У наиболее сложно устроенных животных, млекопитающих и птиц температура тела поддерживается на постоянном уровне. Специальные системы терморегуляции помогают развитию сложнейших жизненных процессов, совершенствованию мозга и других органов животных. Однако и у части млекопитающих выработалась система приспособлений, например зимняя спячка, позволяющих переносить неблагоприятные сезоны года.
Для обеспечения стабильной температуры тела необходимо, чтобы внутри организма вырабатывалось достаточное количество тепла. В организме человека и других высших животных вся энергия, образующаяся при сгорании, окислении пищевых веществ, в конечном счете превращается в тепло и отдается в окружающую среду. Тепловой баланс организма зависит от количества выработанного тепла (теплопродукции) и его выведения, удаления (теплоотдачи). Работа системы терморегуляции осуществляется автоматически с помощью центральной нервной и эндокринной систем.
Отдача тепла телом человека осуществляется тремя путями: конвекцией (нагревом воздуха), излучением и испарением. Наиболее важное значение имеет теплоотдача путем излучения инфракрасных лучей, на долю которой в обычных условиях приходится от 45 до 60% выводимого организмом тепла. Чем выше температура окружающих нас предметов, тем менее эффективна отдача тепла радиацией. Если воздух, так же как и тело, имеет высокую температуру, главную роль в теплоотдаче играет испарение. Однако возможности механизма отдачи тепла испарением тоже не беспредельны.
Когда теплоотдача затруднена, температура тела повышается, кровяное давление резко падает, пульс учащается, становится слабым, кожа лица багровеет, наступает потеря сознания — тепловой удар. Такое состояние развивается при особо неблагоприятных условиях чаще всего у людей, страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой системы. Обычно организм справляется с неблагоприятными условиями среды, пуская в ход свой богатый арсенал средств регуляции теплообмена.
Помимо самочувствия, один из наиболее точных показателей теплового состояния организма — температура кожных покровов, которая всегда ниже температуры тела. Если человек находится в благоприятных температурных условиях (например, при температуре воздуха в комнате около 21° С и такой же температуре стен), температура кожи туловища, лба равняется примерно 33,5° С. Кожа конечностей даже в состоянии полного теплового комфорта холоднее кожи туловища (ниже на 2—5°С). За счет изменения температуры конечностей поддерживается постоянство температуры туловища и головы, в которых размещены жизненно важные органы. Если воздух и предметы вокруг нас становятся холоднее, наш организм отвечает на это понижением температуры конечностей. С повышением температуры среды кровь начинает двигаться более мощным потоком по сосудам конечностей, приливает к коже. Ее температура (и теплоотдача) увеличивается. Еще более чувствительным и точным показателем теплообмена и теплового равновесия человека, чем температура кожи, может служить инфракрасный лучистый поток от отдельных участков тела.
