Эта статья является дополнением к другой статье, о проекте преобразования климата Земли (умеренных и высоких широт Северного полушария)...
В последнее время в интернете люди часто стали задаваться вопросом: "А какая же на самом деле температура в космосе (имея в виду в окрестности Солнца, или ещё точнее, на Земной орбите)? На этот вопрос нельзя ответить однозначно, потому что температура даже в одной и той же точке зависит от множества факторов. Прежде всего, о чьей температуре идёт речь: о температуре газа (пыли) или теплового излучения. Или о температуре нагрева спутников, космических станций или людей в скафандрах. Газ в космосе очень разряжённый, и его температуру очень трудно измерить. Непосредственно измерить не получится, так как на датчики температуры тепловое излучение (не только солнечное, но и вторичное — космического аппарата, Земли, Луны и т.д.) влияет гораздо сильнее, чем космический (очень сильно разряжённый) газ. Измерить температуру газа по его излучению тоже сложно, так как газ излучает совсем не так как абсолютно чёрное тело, и опять же, из-за крайней степени разряжения, внутри Солнечной системы много помех в виде вторичного излучения различных объектов. Кроме того, в Солнечной системе дует так называемый солнечный ветер — поток протонов, электронов и прочих частиц высокой энергии. Если перевести эту энергию на температуру (по формуле E = k·T), то получится миллионы градусов! Распределение по энергиям частиц солнечного ветра совсем не тепловое, поэтому его температура — весьма условное понятие. С температурой космических аппаратов всё понятно (она измеряется непосредственно), но вычислить её не так то просто: хотя солнечное излучение можно считать равновесным (тепловым) по спектру, но оно не является таковым по направлениям в пространстве: из одного узкого телесного угла примерно в пол-градуса поступает излучение с температурой почти 6 тысяч Кельвинов, а с других направлений разве что вторичное тепловое излучение (и отражённый свет) Земли, Луны (и то не всегда). Поэтому температура нагрева космического объекта зависит от его ориентации в пространстве, свойств его поверхности и от теплообмена с другими частями, повёрнутыми под другим углом к Солнцу. Если задать все эти параметры, то можно температуру равновесного нагрева вычислить теоретически по теории теплового излучения.
Прежде всего, нужно задать так называемую степень черноты ε (может изменяться от 0 до 1, от неё зависит мощность как излучения, так и поглощения в том или ином частотном диапазоне, т.е. в общем случае она является функцией длины волны (или частоты) поглощаемого (испускаемого) излучения. Но обычно её считают постоянной величиной в широком диапазоне. Для простоты вычислений примем её равной 1 как для поглощения солнечного излучения в диапазоне 6000К, так и для теплового (ИК) излучения в диапазоне 300 К. Вещества (предметы) с таким свойством называются абсолютно чёрным телом (АЧТ). Рассмотрим три простейших случая формы поверхности предмета в космосе: плоская, цилиндрическая и сферическая. Для плоской рассмотрим различные углы наклона к направлению излучения, а также случай теплоизолированной поверхности (нулевая теплопроводность, Рис. 1) и излучающей с двух сторон с одинаковой температурой (бесконечная теплопроводность, Рис. 2). (Можно ещё рассмотреть интересную задачу с двумя параллельными поверхностями с бесконечной теплопроводностью, Рис. 3.) Цилиндр будем считать с бесконечной теплопроводностью (или быстро вращающийся), с теплоизолированными торцами, ну а шар просто с бесконечной теплопроводностью (иначе его температура будет неоднородная, и в каждой точке нужно считать как для плоской теплоизолированной поверхности (в простейшем случае как очень большой шар), но для обратной стороны или малых углов к поверхности вычисления затруднительны, так как мощность излучения быстро падает с уменьшением температуры).
Расчётные данные для вычислений (физические и астрономические константы):
Итак, переходим к вычислениям!
Простейшая задача: теплоизолированная плоская поверхность, перпендикулярная солнечному излучению (Рис. 1). Температуру космического излучения для простоты считаем равной нулю.
Аналогично вычисляем температуру нагрева плоскости, одинаково излучающей в обе стороны (с бесконечной теплопроводностью) (Рис. 2)
Задача с двумя параллельными поверхностями с бесконечной теплопроводностью (Рис. 3):
Расчётные схемы для остальных задач (цилиндр, шар и односторонняя плоскость, освещаемая под углом):
Задача нагрева цилиндра с теплоизолированными торцами с бесконечной теплопроводностью (или быстро вращающегося), освещаемого солнцем перпендикулярно оси (Рис. 4).
Задача нагрева шара с бесконечной теплопроводностью (Рис. 4).
Решим также задачу когда солнечное излучение падает под некоторым углом к теплоизолированной поверхности. Наиболее интересный случай — нагрев Северного полюса в день летнего солнцестояния или Южного полюса в день зимнего солнцестояния (Рис. 5).
Если мы захотим вычислить температуру нагрева в другом месте (с широтой φ), то к углу α нужно прибавить угол 90° – φ . Например, для Архангельска (φ = 65°) получим T = 95°С.
Из вычислений видим, что теоретический нагрев превышает фактический примерно на 40...70 °С. Это потому что на полюсах имеет место ледниковый эффект: лёд и снег для солнечного излучения (T = 5800 К) имеют гораздо меньшую степень черноты чем для теплового вторичного излучения Земли (T = 400 К). Но даже если ледника нет, теоретическая температура значительно выше фактической. Это потому что нагреваемая поверхность отдаёт получаемое тепло воздуху, который почти не нагревается непосредственно от солнечных лучей, а остывает излучением он круглые сутки, особенно ночью, когда солнце не светит, поэтому днём воздух всегда холоднее, чем поверхность земли в ясную погоду на солнечной стороне.