Выравнивание энергетического уровня, т. е. передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым, может происходить различными путями. Первый путь — передача тепла посредством теплопроводности — осуществляется при непосредственном контакте тел с различной температурой. Частицы более нагретого тела передают часть своей вибрационной энергии частицам более холодного тела.
Второй путь — передача тепла путем конвекции — связан с тем, что воздух по мере нагрева становится менее плотным и поднимается вверх. Массы воздуха, нагреваясь у поверхности горячих предметов, при движении переносят часть тепловой энергии. Способ переноса тепла конвекцией используется для обогрева помещений. Тепловые завесы, устраиваемые у входа в метро, театры и другие общественные здания, представляют собой не что иное, как конвекционные токи нагретого воздуха, идущие от специальных обогревателей. Конвекционные токи возникают и в природе в результате неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. И конвекция, и теплопроводность предполагают наличие материальной среды, служащей посредником при переносе энергии.
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.