Минус 270 градусов прямо над вашей головой: как космический холод не добирается до Земли

Пустота холодна

Каждый раз, глядя в ночное небо, человек смотрит туда, где царит почти абсолютный нуль. Межзвёздное пространство охлаждено до −270 °C — всего на три градуса выше абсолютного нуля, той физической границы, за которой тепловое движение молекул полностью прекращается. И тем не менее на поверхности Земли цветут сады, текут реки и живут люди. Как планете удаётся удерживать тепло в соседстве с этой безжалостной бездной? Об этом рассказал блог «Вокруг Света».

Холод — это не вещество

Прежде всего стоит разобраться с самим понятием «холод». В обыденной речи мы говорим, что холод «проникает» в комнату или «стекает» с гор, однако физика смотрит на это иначе. Холод — не самостоятельная субстанция и не некое поле, которое распространяется в пространстве. Холод — это просто недостаток тепловой энергии. Когда говорят, что «из космоса идёт холод», на самом деле речь идёт о противоположном процессе: тепло уходит с Земли в космос. Разница принципиальная, и она объясняет всё остальное.

Тепло перемещается тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Первые два требуют материальной среды — молекул, которые сталкиваются и передают энергию друг другу. Космос же — почти идеальный вакуум. В одном кубическом сантиметре межпланетного пространства содержится лишь несколько частиц, тогда как в том же объёме земного воздуха их около 27 квинтиллионов. Передавать тепло через такую пустоту посредством теплопроводности или конвекции практически невозможно.

Почему же Земля всё равно остывает

Остаётся излучение — единственный способ переноса тепла, не требующий среды. Земля непрерывно испускает инфракрасное излучение и тем самым отдаёт энергию в космос. Если бы этого не происходило, планета раскалилась бы до нескольких тысяч градусов: Солнце ежесекундно обрушивает на неё колоссальный поток энергии, и куда-то этот поток должен деваться. Баланс прихода и расхода тепла — вот что удерживает среднюю температуру поверхности Земли в районе комфортных +15 °C.

Но здесь вступает в игру главный защитник планеты.

Атмосфера: невидимое одеяло толщиной в сотни километров

Атмосфера Земли — не просто воздух для дыхания. Это сложная термодинамическая система, которая действует как одеяло: пропускает солнечный свет внутрь, но задерживает часть теплового излучения, уходящего обратно в космос. Ключевую роль здесь играют парниковые газы — водяной пар, углекислый газ, метан и озон. Они поглощают инфракрасное излучение Земли и переизлучают его обратно на поверхность.

Без этого механизма средняя температура на планете опустилась бы примерно до −18 °C. Ночная сторона Земли охлаждалась бы с чудовищной скоростью, а суточные перепады температур достигали бы сотен градусов — примерно так происходит на Луне, лишённой атмосферы. Там в тени кратеров температура падает до −173 °C, тогда как на освещённой поверхности поднимается до +127 °C.

Атмосфера выполняет и другую функцию: она рассеивает тепло, полученное от Солнца, по всей поверхности планеты. Ветры и океанские течения переносят тёплый воздух и воду от экватора к полюсам, сглаживая температурные контрасты.

Три кита теплового щита Земли

Если суммировать, планета защищена от космического холода благодаря нескольким взаимосвязанным факторам:

• Вакуум не позволяет холоду «проникнуть» на Землю через теплопроводность или конвекцию — просто нет среды для передачи энергии таким путём.
• Атмосфера с парниковыми газами удерживает тепловое излучение вблизи поверхности, не давая планете быстро остывать.
• Внутреннее тепло Земли, выделяемое при распаде радиоактивных элементов в недрах, добавляет к общему тепловому балансу свою долю энергии.