Цвет объекта может влиять на то, сколько тепла он поглощает от солнечного света. В частности, существует распространенное мнение, что белые объекты привлекают больше тепла, чем более темные цвета. В этой статье мы рассмотрим, верно ли это утверждение, рассмотрев науку, лежащую в основе того, как цвет влияет на поглощение тепла. Мы также обсудим некоторые реальные примеры того, как белый и более темные цвета влияют на нагрев таких вещей, как одежда, автомобили и здания. Читайте дальше, чтобы узнать ответ на вопрос: действительно ли белый цвет привлекает больше тепла?
Чтобы понять, привлекают ли белые объекты больше тепла, нам сначала нужно понять некоторые основы тепла и цвета.
Тепло поступает в виде инфракрасного излучения от солнечного света. Когда это излучение попадает на объект, часть его поглощается, а остальная часть отражается. Более темные цвета поглощают больше инфракрасных лучей солнца, в то время как более светлые цвета отражают больше этого излучения.
Эта концепция известна как альбедо — отношение излучения, отраженного поверхностью, к общему излучению, падающему на нее. У белого цвета альбедо выше, чем у черного, то есть он отражает больше солнечного света, в то время как черный поглощает больше.
Например, у свежего снега альбедо составляет около 0,9, то есть он отражает 90% солнечного света. С другой стороны, альбедо угля составляет около 0,04, он отражает только 4% солнечного света, поглощая при этом большую его часть.
Таким образом, теоретически более темные цвета, такие как черный, должны поглощать больше тепла от солнечного света, в то время как более светлые цвета, такие как белый, должны оставаться более прохладными, отражая тепло. Но так ли это на практике?
Хотя темные цвета логически должны поглощать больше тепла, есть несколько примеров из реального мира, где белые предметы нагреваются сильнее, чем темные:
Ношение черной одежды на солнце поглотит больше тепла, чем белой. Однако свободная белая одежда пропускает больше солнечного света через ткань и достигает кожи по сравнению с более темными свободными тканями. Поэтому на практике белая одежда не сохраняет людей в прохладе, чем свободная черная одежда, которая обеспечивает больше тени.
Аналогично можно было бы предположить, что белые автомобили остаются прохладнее на солнце, чем черные. Но исследования показывают, что температура внутри автомобиля, припаркованного на солнце, отличается всего на 5-10 градусов по Фаренгейту. Эта относительно небольшая разница возникает из-за того, что большая часть тепла проникает через окна, а не через внешний цвет. А при движении салоны всех цветных автомобилей выравниваются до схожих температур.
Белые крыши и фасады отражают больше солнечного света и теоретически должны быть намного прохладнее. Однако такие факторы, как изоляция, вентиляция и тепловыделение от людей/приборов внутри, оказывают большее влияние на температуру здания. Одно исследование показало, что белые крыши снижают температуру внутри только на 0,3–0,8 градуса по Фаренгейту по сравнению с традиционными темными крышами.
Таким образом, на практике для автомобилей и зданий внешний цвет оказывает меньшее влияние на внутреннюю температуру, чем можно было бы предположить. Основные причины, по которым белый цвет не влияет на температуру так сильно, как ожидалось, включают:
– Солнечный свет проникает через окна, нагревая интерьеры независимо от внешнего цвета.
– Изоляция, скорость вентиляции и внутреннее тепловыделение перевешивают внешнее отражение при определении внутренней температуры.
– Белые материалы могут со временем загрязняться, что снижает их отражательную способность.
Исходя из приведенных выше примеров, белый цвет не всегда означает более низкую температуру в реальном мире. Однако покраска поверхностей в белый цвет действительно дает измеримую разницу в следующих случаях:
В космосе белые космические аппараты остаются холоднее темных, поскольку их единственным источником тепла является солнечный свет. Без атмосферы для проводимости/конвекции излучение солнца является единственным источником тепла. Поэтому белые космические корабли, такие как миссии «Аполлон», поглощали меньше тепла.
В экстремально жарких условиях, таких как пустыни, белая одежда обеспечивает большую охлаждающую способность, поскольку инфракрасное излучение солнца более интенсивно. Бедуины и туареги носят белые одежды, чтобы оставаться в прохладе в пустынной жаре.
В более прохладном северном климате белые крыши играют большую роль, поскольку через окна проникает меньше тепла. Белые крыши отражают летний солнечный свет в этих регионах, сохраняя прохладу в помещениях примерно на 1 градус Цельсия или более.
Специальные «холодные» строительные материалы с низкой излучательной способностью могут использовать отражательную способность белого цвета. Эти материалы используют белые покрытия, которые отражают солнечный свет, а также выделяют меньше внутреннего тепла здания, обеспечивая пассивное охлаждение.
Таким образом, хотя белый цвет не оказывает существенного влияния на охлаждение повседневных предметов, он обеспечивает заметное охлаждение в определенных сценариях экстремального теплового излучения.
Еще один фактор, который следует учитывать, — это ночное охлаждение. Хотя белый цвет может отражать больше солнечного света днем, удерживает ли он также больше ночного излучения земли и нагревается ли ночью?
Ответ — нет — белый цвет на самом деле охлаждается быстрее ночью, потому что он более эффективно излучает тепло. То, как быстро остывает объект, зависит от его «излучательной способности» — относительной способности его поверхности излучать энергию.
Белый цвет имеет более высокую излучательную способность, чем большинство цветов, кроме черного. Ночью высокая излучательная способность позволяет объекту быстрее излучать энергию в виде теплового излучения, вызывая более быстрое охлаждение. Исключением является то, что черный цвет имеет немного более высокую излучательную способность, чем белый, что позволяет ему быстрее остывать ночью.
Но в целом белый цвет выделяет дневное тепло быстрее ночью, чем большинство других более светлых цветов. Это имеет смысл, если учесть закон теплового излучения Кирхгофа, который гласит, что хорошие поглотители излучения также являются хорошими излучателями. Поскольку белый цвет поглощает меньше излучения днем, он также может излучать меньше ночью.
Хотя цвет и оказывает некоторое влияние на приток/отдачу тепла, свойства материала поверхности играют большую роль:
Объекты с высокой тепловой массой (например, камень, бетон) поглощают и удерживают больше тепла, чем материалы с низкой тепловой массой (например, дерево, ткань). Поверхности с высокой тепловой массой медленно меняют температуру и могут сохранять дневное тепло для отдачи ночью.
Такие материалы, как металлы, быстро проводят тепло, в то время как изоляторы, такие как дерево или пластик, этого не делают. Высокая проводимость обеспечивает эффективную передачу тепла в объект или из него.
Шероховатые, текстурированные поверхности поглощают и испускают излучение иначе, чем гладкие поверхности. Шероховатость может усиливать эффекты излучения, поскольку она создает большую площадь поверхности.
Форма и ориентация объекта влияют на то, сколько излучения он поглощает. Например, перпендикулярная или изогнутая поверхность поглощает меньше прямого излучения, чем плоская, наклонная поверхность.
Поэтому во многих случаях настройка этих других свойств оказывает большее влияние на температуру, чем просто изменение цвета.
Подводя итог, можно сказать, что, хотя более темные цвета теоретически поглощают больше лучистого тепла от солнечного света, на практике белый цвет оказывает значительное влияние на охлаждение только в определенных ситуациях:
– Белые объекты отражают больше всего тепла в космосе, где излучение является единственным источником тепла.
– Белая одежда обеспечивает превосходное охлаждение в чрезвычайно жарком пустынном климате.
– Белые крыши в более прохладных северных регионах могут снизить температуру в помещении на несколько градусов.
– Специализированные белые строительные материалы с высокой отражательной способностью и низкой излучательной способностью обеспечивают пассивное охлаждение.
Для повседневных предметов, таких как автомобили и здания, внешний цвет оказывает меньшее влияние на внутреннюю температуру, чем изоляция, окна, вентиляция и внутреннее тепловыделение.
И белый цвет не удерживает больше ночного земного излучения — его высокая отражательная способность днем позволяет ему также эффективно излучать поверхностное тепло ночью для более быстрого охлаждения.
Таким образом, хотя белый цвет может обеспечить некоторые преимущества охлаждения за счет отражательной способности в правильных контекстах, для многих повседневных применений его цвет сам по себе не оказывает большого влияния на температуру по сравнению с другими материальными факторами. Мнение о том, что белый цвет всегда притягивает или удерживает больше тепла, является распространенным заблуждением.