Мех и перья греют животных посредством рассеивания света
В исследовании, результаты которого могут значительно помочь улучшению показателей теплоизоляции зданий, ученые из Университета Намура (Бельгия) и Университета Хассана I (Марокко) подсчитали, что волоски, отражающие инфракрасный свет, могут в значительной мере повышать теплоизоляцию зимнего меха полярных медведей и других животных. Исследование было опубликовано в журнале Оптического общества Optics Express, который находится в свободном распространении.
Эксперт в области биофотоники Присцилла Симонис (Priscilla Simonis), которая является исследователем из Университета Намура и ответственным автором опубликованной работы, была заинтригована способностью полярных медведей изолировать тепловую энергию своего тела до температуры 37 оС даже в течение долгой холодной зимы, когда внешняя температура достигает -40 оС. Такая способность тем более интересна, если учесть, что толщина слоя жира полярных медведей составляет всего 5 сантиметров.
Теплоизоляционные показатели меха животных заставляют подумать о том, почему теплоизоляция в зданиях не настолько эффективна. «Почему нам необходимо использовать как минимум 60 сантиметров минеральной или стеклянной ваты (обычные теплоизоляционные материалы для зданий, изготавливаемые из минеральных или стеклянных волокон) для того, чтобы добиться внутренней температуры в 20 оС при внешней температуре в -5 оС? – спрашивает Симонис. – Почему мех полярных медведей намного эффективней материалов, которые мы используем для наших домов?»
Команда под руководством Симонис ответила на вопрос посредством изучения двух способов передачи тепла: радиационного теплообмена (передачи тепловой энергии через электромагнитные волны) и кондуктивного теплообмена (передачи тепловой энергии через вибрации соседних атомов и молекул). По словам Симонис, большинство людей предполагает, что мех и перья животных сохраняют тепло посредством слоя воздуха, который снижает теплопроводность. Она и ее коллеги, напротив, полагали, что радиационный теплообмен играет намного более важную роль.
Исследователи провели начальные подсчеты, доказывающие, что тепловые потери при теплообмене между двумя телами, разделенными воздухом, будут определяться не кондуктивным, а радиационным теплообменом. Для дальнейшего исследования радиационных тепловых потерь ученые создали простую компьютерную модель, включающую в себя горячий и холодный термостаты, которые приблизительно имитировали горячее тело животного и внешнюю холодную среду. Два термостата были разделены полостью, в которую поместили «радиационные щиты», моделирующие отдельные волоски меха животного.
В одном из вариантов модели исследователи использовали так называемое черное тело, которое абсорбировало всю радиацию, проходившую через него. В другой модели они использовали светонепроницаемое серое тело. «Серое тело также обладает показателями передачи и отражения», - объясняет Симонис.
Симонис и ее коллеги обнаружили, что по мере увеличения показателей отражения радиационных щитов показатели теплообмена между горячим и холодным термостатами значительно уменьшались. Увеличение количества щитов также значительно снижало тепловые потери. В целом, данная модель предполагает, что повторяющееся обратное рассеивание инфракрасного света между радиационными щитами, такими как отдельные волоски или острые перья, может являться основным причиной высоких показателей термостойкости.
Симонис отмечает также, что светорассеивающие свойства животного меха могут решать и другие задачи. При правильной структуре мех и перья предоставляют эффективную теплоизоляцию в дальнем инфракрасном диапазоне, в свою очередь, рассеивая видимый свет для получения белого цвета в видимом волновом диапазоне. По словам Симонис, «это качество особенно полезно для млекопитающих и птиц, которые живут в снежных районах», поскольку оно позволяет им сохранять тепло и создает камуфляж на фоне белого снега.
Концентрация на разработках способов минимизации радиационных тепловых потерь может привести к созданию новых видов сверхтонкой теплоизоляции. «Идея заключается в том, чтобы увеличить взаимодействие электромагнитных волн с «серыми телами», отражающими объектами, такими как металлы, с низким коэффициентом излучения и проницаемостью – в рамках очень тонкого материала, - говорит Симонис. – Этого можно достичь посредством создания многослойных структур или своеобразного «меха», оптимизированного для достижения этих целей».
По материалам Phys. Org.
Иван Штепа nauka21vek.ru