Обычно в жаркий солнечный день, когда вы надеваете черную рубашку, вам становится некомфортно жарко. Причина этого кроется в свойствах света и в том, как разные цвета поглощают и отражают солнечный свет. В физике есть понятие, известное как альбедо, которое помогает объяснить, почему черная одежда поглощает больше тепла от солнца, чем более светлые цвета.
Альбедо — это мера того, насколько хорошо поверхность отражает свет. Оно количественно выражается в процентах или десятичных числах от 0 до 1. Поверхности с более высоким альбедо отражают больше света и поглощают меньше тепла, в то время как поверхности с более низким альбедо поглощают больше света и сильнее нагреваются. Например, у свежевыпавшего снега высокое альбедо около 0,9, что означает, что он отражает 90% входящего солнечного света. С другой стороны, асфальт имеет низкое альбедо около 0,05, поглощая 95% света.
Что касается одежды, черная ткань имеет альбедо около 0,05, то есть она отражает только 5% солнечного света и поглощает 95%. Белая одежда имеет альбедо около 0,6-0,7, отражая 60-70% света. Эта разница в количестве поглощаемого света приводит к тому, что черная одежда нагревается на солнце намного быстрее, чем белая.
Причина того, что черный и другие темные цвета имеют более низкое альбедо, заключается в свойствах световых волн, взаимодействующих с пигментами в красителях ткани или волокнах. Видимый свет от солнца состоит из спектра длин волн, соответствующих различным цветам, от коротковолнового фиолетового и синего света до длинноволнового красного и оранжевого света.
Когда свет попадает на объект, он может передаваться, отражаться, рассеиваться или поглощаться. Конкретные длины волн, которые отражаются или поглощаются, зависят от молекулярной структуры материала. Черная ткань поглощает большинство длин волн видимого света, потому что пигменты в черном красителе имеют молекулярные связи, которые резонируют с широким диапазоном цветов в спектре света.
Напротив, белая ткань равномерно отражает большинство длин волн видимого света. Видимый белый цвет является результатом диффузного отражения всего спектра без поглощения каких-либо конкретных длин волн. Между этими крайностями другие цвета избирательно поглощают некоторые длины волн и отражают другие, придавая им свои особые оттенки.
Когда темные пигменты в черной ткани поглощают солнечный свет на многих длинах волн, световая энергия преобразуется в тепло посредством процесса, называемого фотонным нагревом. Фотоны из поглощенного света по существу задерживаются в ткани, и их энергия возбуждает молекулы, заставляя их вибрировать быстрее и нагреваться.
Этот фотонный нагрев приводит к тому, что температура черной одежды, подвергающейся воздействию солнечного света, значительно повышается по сравнению с более легкой одеждой. Под прямыми солнечными лучами черная ткань может нагреваться до температур 50°C (122°F) и более. Существует несколько взаимодействующих факторов, которые определяют равновесную температуру, которая будет достигнута:
– Количество солнечного излучения – Более интенсивный солнечный свет приводит к большему нагреву
– Продолжительность воздействия – Более длительное время нахождения на солнечном свете обеспечивает большее поглощение с течением времени
– Скорость потери тепла – Зависит от изоляции ткани и воздушного потока для конвекции
Высокое поглощение тепла черными рубашками может быть полезно в определенных областях, таких как солнечные тепловые коллекторы. Но для одежды это может привести к дискомфорту, риску солнечных ожогов и обезвоживанию, если не принять меры предосторожности в солнечную жаркую погоду.
Помимо поглощения света, передача тепла между телом и одеждой также является важным фактором. Тепло перетекает из областей с высокой температурой в области с низкой температурой, пока не достигнет равновесия. Тело поддерживает температуру около 36-37 °C (98 °F), что намного выше обычной температуры воздуха. Поэтому при ношении черной рубашки тепло, поглощенное солнечным светом, может передаваться телу с помощью следующих механизмов:
– **Кондукция**: прямой контакт между горячей тканью и кожей позволяет теплу проводить в тело.
– **Конвекция**: воздух, нагретый тканью, поднимается и циркулирует, перенося тепло к коже.
– **Излучение**: высокая инфракрасная излучательная способность черной ткани также вызывает лучистую передачу тепла от рубашки к телу.
Эта повышенная тепловая нагрузка, создаваемая черными рубашками, может привести к тому, что организм будет чрезмерно потеть для поддержания гомеостаза. Но если температура окружающей среды слишком высока, физиологические механизмы охлаждения организма могут быть перегружены.
Несколько переменных, помимо цвета, влияют на скорость получения тепла от воздействия солнечного света при ношении черных рубашек по сравнению со светлыми:
| Фактор | Влияние на получение тепла |
|---|---|
| Цвет рубашки/альбедо | Темные цвета, такие как черный, поглощают больше солнечного света, чем светлые |
| Покрой рубашки | Свободные рубашки обеспечивают большую циркуляцию воздуха и охлаждение |
| Тип ткани | Такие материалы, как хлопок и лен, дышат лучше, чем синтетика |
| Прямое и непрямое солнце | Прямой солнечный свет приводит к большему накоплению тепла, чем затененный/непрямой свет |
| Длительность воздействия | Более длительное воздействие солнечного света способствует большему накоплению тепла |
| Температура окружающей среды | Более горячий окружающий воздух снижает охлаждающий эффект конвекции |
| Влажность | Более высокая влажность препятствует испарению пота, уменьшая охлаждение |
| Скорость ветра | Более ветреные условия улучшают конвективные потери тепла |
Таким образом, в жарких, влажных, спокойных условиях ношение черных рубашек приводит к гораздо большему накоплению тепла по сравнению с ношением свободных светлых рубашек в прохладная тень.
Полевые исследования и контролируемые эксперименты количественно определили различия в поглощении тепловой энергии между черными и белыми тканями под воздействием солнечного света:
– В одном исследовании было обнаружено, что черные хлопковые рубашки поглощали тепло со скоростью 389 Вт на квадратный метр под прямым тропическим солнечным светом, по сравнению с всего лишь 311 Вт/м2 для белых хлопковых рубашек в тех же условиях.
– В лабораторном тесте с облучением лампой было измерено, что черная ткань имеет прирост тепла в 2,6 раза выше, чем белая ткань.
– Исследование на открытом воздухе черных и белых деловых костюмов показало, что температура кожи в черном костюме превысила 38 °C по сравнению с 33 °C в белом костюме, разница более 5 °C.
– Анализ различных цветов арабских халатов сауб показал, что черный поглощал 765 Вт на квадратный метр, тогда как белый поглощал только 348 Вт/м2 при полуденном солнце.
Таким образом, экспериментально черный цвет последовательно поглощает примерно в два раза больше лучистого тепла от солнца по сравнению с белым в аналогичных условиях испытаний. Соотношения варьируются в зависимости от конкретных материалов и методов измерения.
Помимо видимого солнечного света, инфракрасное излучение солнца также вносит свой вклад в разницу в поглощении тепла между белой и черной одеждой. Инфракрасные длины волн невидимы для человеческого глаза, но воспринимаются как тепло.
Черная ткань эффективно поглощает инфракрасное излучение, а белая отражает его. Одно исследование показало, что черный хлопок поглощает 96,4% инфракрасного излучения, тогда как белый хлопок поглощает только 32,7%. Это означает, что черная одежда продолжает поглощать тепло, даже если не находится под прямыми видимыми солнечными лучами. Поглощение инфракрасного излучения может частично объяснить, почему черная одежда кажется более горячей в тени по сравнению с более светлыми цветами.
Повышенное поглощение тепла черными рубашками имеет последствия для терморегуляции — процессов организма по уравновешиванию внутренней температуры. Избыточное тепло, создаваемое черной тканью, может повысить температуру тела, увеличить сердечный выброс, чтобы усилить приток крови к коже, и стимулировать потоотделение для испарительного охлаждения.
Если температура окружающей среды превышает температуру кожи, лучистые и конвективные потери тепла меняются местами, и вместо этого организм получает тепло из окружающей среды. В этих условиях единственным оставшимся механизмом потери тепла является испарение пота. Но если влажность очень высокая, даже этот метод может оказаться неэффективным.
Повышенная температура тела из-за ношения черной одежды в жаркую, влажную погоду может потенциально привести к тепловым судорогам, истощению или инсультам без надлежащих стратегий гидратации и охлаждения. Более светлая одежда может играть важную роль в предотвращении перегрева.
Основываясь на физике и физиологии, вот несколько рекомендаций по сохранению прохлады в солнечную жаркую погоду:
– Выбирайте белые или более светлые легкие рубашки, чтобы свести к минимуму лучистое теплопоступление.
– Носите свободные рубашки, чтобы обеспечить больший приток воздуха к коже.
– Выбирайте дышащие ткани, такие как лен или хлопок, а не синтетические, такие как полиэстер.
– Выбирайте рубашки с защитой от ультрафиолета, если проводите длительное время под прямыми солнечными лучами.
– Как можно больше времени проводите в затененных местах, чтобы ограничить воздействие солнечного тепла.
– Надевайте шляпы, солнцезащитные очки и зонты от солнца, когда находитесь под прямыми солнечными лучами.
– Пейте много жидкости, чтобы восполнить потери с потом.
– Регулярно делайте перерывы на охлаждение в кондиционируемых помещениях.
Подводя итог, можно сказать, что черные рубашки поглощают больше тепла, чем рубашки светлых цветов, поскольку черные пигменты эффективно поглощают видимый и инфракрасный солнечный свет, отражая при этом очень мало. Это приводит к фотонному нагреву черной ткани, существенно превышающему температуру белой или более светлой одежды при том же воздействии солнца. Избыточное тепло может передаваться телу посредством проводимости, конвекции и излучения, создавая тепловую нагрузку на систему терморегуляции. Ношение свободных светлых рубашек и поиск тени может помочь снизить приток тепла, связанного с солнцем, в жаркую погоду. Понимая основные физические принципы, мы можем предпринять соответствующие действия, чтобы оставаться в прохладе в условиях высокой солнечной температуры.