Хлопчатобумажная одежда и современные теплоизоляционные материалы
Если вы пожелаете защитить от холода или сильного перегрева свой дом, автомобильный прицеп-дачу, отопительные трубы, какую-либо чувствительную аппаратуру или даже самого себя, то сделать это в наши дни совсем нетрудно. Торговые фирмы предложат вам богатый ассортимент теплоизоляционных материалов для самых различных целей: асбокартон и кизельгур, торфяные плиты и стекловойлок, минеральную вату, пробку и стекломаты, синтетические пенопласты и вермикулит, перлит и профилированный лист, двойные оконные рамы и стеганые поролоновые куртки. Выбор товаров исключительно широк, многообразие технических решений кажется безграничным. Однако при ближайшем рассмотрении выясняется, что по принципу действия различные изоляционные материалы походят друг на друга как две капли воды. В ключевой рубрике «Теплозащитные материалы» «Справочник инженера» дает четкое и краткое определение: «В основу действия всех технических изоляционных материалов положено свойство низкой теплопроводности газов, и в первую очередь воздуха. Мелкоячеистая структура самого материала призвана уменьшать конвективный и лучистый теплообмен. Различают изоляционные материалы пористые (пробка, кизельгур, пенопласты), волокнистые (минеральная вата, минеральная шерсть) и пленочные с воздушной прослойкой». Это определение действительно охватывает все теплоизоляционные материалы, но отнюдь не все теплозащитные, к числу которых принадлежат также средства, использующие принцип отражения, а не изоляции. Тот, кому хоть раз приходилось в разгар лета путешествовать по жарким странам в автомобиле, окрашенном в черный цвет, сразу поймет, о чем идет речь. Кузов такого автомобиля слабо отражает тепловое излучение не знающего пощады южного солнца. Внутри же автомобиля, окрашенного в белый цвет, температура в тех же условиях нередко оказывается на 10° ниже. Таким образом, полная палитра теплозащитных материалов выглядит следующим образом: пористые, волокнистые, пленочные с воздушной прослойкой и отражающие.
Я уже неоднократно упоминал о том, что при решении своих технических проблем растения обычно проигрывают все возможные варианты, доводя при этом каждый из них до полного совершенства. Посмотрим же, как обстоит в царстве растений дело с теплозащитой.
Рассмотрим прежде всего пористые материалы. Пожалуй, единственный пример обращения человека к природным теплоизоляционным материалам растительного происхождения — это пробка. Не всегда пробковый слой у растений бывает ярко выражен. Наиболее мощный слой пробки образуется на стволах и старых ветвях пробкового дуба, в диком виде произрастающего в странах Средиземноморья. Именно из его коры делают самые обыкновенные бутылочные пробки. Вообще пробковый покров формируется на всех деревьях — березе, платане, бузине и т. д., однако здесь он во много раз тоньше, и поэтому его нецелесообразно использовать в промышленности. Жизненно важный слой ствола дерева — камбий, лежащий между древесиной и корой, находится всего в нескольких сантиметрах, а у молодых растений даже в нескольких миллиметрах от поверхности ствола. Пробка коры надежно защищает нежные клетки камбиального слоя от механического повреждения, высыхания и резких температурных колебаний. Нередко мне приходилось видеть, как пробковый дуб более или менее благополучно переносил тяжелые последствия лесных пожаров. Даже высокая температура не могла окончательно убить в нем жизнь: уже на следующий год после перенесенного ожога дерево давало молодые побеги. Выручал толстый — с несколько сантиметров — слой пробки. Но термоизоляционным свойствам пробка не уступает минеральной вате и получившим столь широкое распространение стекломатам. Обожженный кизельгур, или инфузорная земля (диатомит), в том виде, в каком его используют строители, по эффективности теплоизоляции может сравниться с пробкой только в том случае, если защитный слоя из него будет в три раза толще.
Лишь у двух видов теплоизоляционных материалов коэффициент теплопроводности всего на 25% ниже, чем у пробки. Это — пепопласты, изготовляемые на основе синтетических смол, и слоистые пластики, в которых наполнителем является воздух. На фото 68 в сильно увеличенном виде показана структура жесткого пенопласта, разработанного на базе полистирола специально для целей теплоизоляции. На снимке хорошо различимы мелкие и мельчайшие ячейки, заполненные воздухом (зачернены). Размер самой крупной из них едва достигает одного миллиметра. Замкнутая структура и чрезвычайно тонкие стенки ячеек в комплексе существенно понижают теплопроводность материала.
Короче говоря, пенопласты — идеальный теплоизоляционный материал, появившийся на свет лишь в нашем столетии и, следовательно, технологически еще очень юный. Природа же знакома с ними с древнейших времен. На фото 69 изображена структура природного пенопласта, основная функция которого состоит в том, чтобы предохранить плоды цитрусовых от заморозков или чрезмерного перегрева. Перед нами микрофотография губчатой ткани кожуры апельсина. Темные пятна на снимке — это не живые клетки растения, а межклеточные пустоты, заполненные воздухом. С полным правом о них можно сказать, что это также идеальный теплоизоляционный материал. Собственно губчатая ткань сильно растянута и имеет разрывы в очень тонких стенках клеток. Остается только удивляться исключительной похожести изображений на фото 68 и 69.
Фото 68. Микрофотография структуры технического теплоизоляционного материала (жесткий пенопласт на основе полистирола). На снимке хорошо различимы мелкие и мельчайшие ячейки (темные участки), заполненные воздухом, и их сверхтонкие с многочисленными разрывами стенки. Сочетание этих особенностей структуры и обусловливает низкую теплопроводность материала.
Фото 69. В принципе структура природного теплоизоляционного материала та же, что и изображенная на фото 68. На снимке губчатая ткань кожуры апельсина под большим увеличением. Ее функция — предохранять плод от перегрева и охлаждения.
Материалы, обладающие замкнутой, ячеистой структурой, не находят применения там, где наряду с теплозащитой должен осуществляться и газообмен. Примеры из техники — установка стенных панелей и перегородок в строительстве, а также пошив одежды. Это — основные сферы широкого применения волокнистых материалов: стекловолокна, минеральной ваты, асбоплит, текстильного волокна. У растений также имеется большой набор самых разнообразных приспособлений: от короткого, но чрезвычайно густого опушения желтоватых цветков эдельвейса до весьма длинного, 10 сантиметров и более, «волосяного» покрова высокогорных кактусов; от мягкой серебристой как бы меховой оболочки сережек вербы, появляющихся ранней весной, до густой поросли многочисленных тончайших побегов у подушечных растений. Как правило, все эти волоски, щетинки, войлокообразные покровы и т.п. имеют белый или серебристый цвет. Их отражательная способность создает дополнительную тепловую защиту.
И, наконец, в борьбе против тепла и холода известную роль в технике играют многослойные пленочные материалы и алюминиевая фольга. Аналогичная форма изоляции известна и в растительном мире. Многослойные чешуйчатые оболочки почек можно сравнить с многослойными полимерными материалами, а высохший и сморщившийся верхний слой кожистой оболочки растения, именуемого «живым камнем» (различные виды Conophytum), напоминает нам профилированную теплоизоляционную пленку (фото 70). Высокогорные растения защищают свои молодые побеги, укрывая их несколькими слоями отмерших листьев. Эту оболочку специалисты в шутку называют «соломенной туникой».
Фото 70. Поперечный разрез мясистых листьев южноафриканского растения, именуемого «живым камнем» (Conophytum sp.), позволяет видеть, как небольшое листовое образование неплотно окутано остатками старых листьев. Такой метод теплоизоляции специалисты называют «пленочным».
Спасающиеся от жары в собственной тени
«И каждое растение радостно тянется к свету». Эта или подобная ей фраза принадлежит какому-то из немецких поэтов. Но вряд ли позволил бы себе высказать подобную мысль, хотя и в поэтической форме, известный путешественник-естествоиспытатель XIX века Александр Гумбольдт. Тот, кто знаком с тропическими лесами и пустынями, хорошо знает, сколь жгуче испепеляющими и опасными для всего живого могут быть лучи экваториального солнца. В этих районах никакое растение не тянется с радостью к свету. Напротив, флора пытается любыми путями укрыться от знойных солнечных лучей. Все живое ищет избавительной прохлады, стремится уйти в тень. Растения таких регионов вынуждены спасаться от жары в собственной тени. Они могут создавать ее самым различным образом: либо, например, с помощью плотной оболочки-мантии из серебристо-белых чешуек, как это делают песчаные розы (виды Anacampseros), растущие на сверкающих под лучами жаркого солнца гнейсовых и кварцитовых плато Южной Африки; либо посредством густого и длинного волосообразного опушения белого цвета, как у растения с поэтическим названием «живой снег» (Tephrocactus floccosus), образующего в горных пустынях Южной Америки обширные колонии; либо, наконец, путем выработки в процессе длительной эволюции наиболее рациональной внешней формы. Многие кактусы имеют ребристую поверхность тела (фото 73). При косом освещении ребра создают тень для большей части растения. В полуденные же часы, когда лучи солнца падают откосно, освещены бывают лишь верхушки этих живых колонн или шаров. Уже сама по себе шарообразная форма в сравнении с листостебельными конструкциями растений наших широт лучше приспособлена к существованию в жарком климате, поскольку половина шара постоянно находится в тени (фото 71). Хорошо известно, что из всех геометрических фигур шар обладает наименьшей поверхностью относительно собственного объема. Шарообразная форма тела растения существенно уменьшает испарение им воды в условиях жаркого климата и предохраняет внутренние части растения от излишнего перегрева. Не по той ли же причине в странах Востока столь охотно возводят куполообразные сооружения? (фото 72).
Фото 71. Шарообразная форма растений полностью оправдала себя в пустынных местностях. Из всех геометрических фигур шар обладает наименьшей поверхностью относительно собственного объема. Это существенно уменьшает испарение воды и тепловое облучение растения. Кроме того, с какой бы стороны ни освещался шар, половина его всегда будет находиться в тени. На снимке изображен представитель молочайных (Euphorbia obesa).
Фото 72. Архитектура стран, лежащих в зоне пустынь, всегда широко применяла в своих сооружениях купол, эту весьма рациональную, особенно в условиях жаркого климата, конструкцию (мавзолей Марабу в Нефте, городке, лежащем на юго-западе Туниса).
Весьма занимателен и тот факт, что растения, относящиеся к разным семействам, одинаковые задачи решают одним и тем же способом, отчего они внешне становятся очень похожими друг на друга. Неспециалист вряд ли возьмет на себя смелость утверждать, что оба изображенных на фото 73 и 74 канделябровидных растения не имеют ничего общего между собой и что они такие же родственники, как, скажем, фиалка и банан или заяц и слон. Оба растения принадлежат к совершенно разным семействам. Одно из них — кактус (Neoraimondia gigantea) — родом из северного Перу, другое — представитель многочисленного семейства молочайных (Euphorbia canariensis), распространенный на Канарских островах. Внешне похожими их сделали лишь одинаковые климатические условия. Впрочем, и шарообразное растение, о котором шла речь выше (фото 71), отнюдь не кактус, а обитающий в южноафриканских пустынях молочай.
Фото 73. Ребристая форма растений пустынь, создающая спасительную тень, также полностью оправдала себя в экстремальных условиях обитания. На снимке — кактус Neoraimondia gigantea.
Фото 74. Неспециалист едва ли отличит изображенное здесь растение (один из представителей молочайных Euphorbia canariensis) от растений, которые изображены на предыдущем фото. Однако они относятся к совершенно разным семействам и обитают на разных континентах. Внешне похожими друг на друга их сделала необходимость приспособиться к одинаковым условиям окружающей среды.
Самая чувствительная зона у кактуса — его верхушка. Здесь находится ткань, обеспечивающая рост растения. От прямого воздействия солнечных лучей ее защищает густая поросль колючек, дающих обильную тень. Формой колючки нередко напоминают самые настоящие, правда очень миниатюрные, зонтики от солнца. Располагаясь плотно друг к другу, они в то же время свободно пропускают сквозь себя воздух (фото 75).
Фото 75. Там, где не помогает ребристая или сходная с ней форма, растение использует другие методы создания столь необходимого ему затенения. От прямого воздействия солнечных лучей чувствительную верхушку кактуса Mammillaria herrerae защищает густая поросль колючек-зонтиков.
Итак, в тропических пустынях чувствуют себя как дома растения, имеющие форму шара или колонны. Выработанная ими в процессе эволюции биоморфа предохраняет их от чрезмерного перегрева и испарения. В противоположность этому в дождевых тропических лесах произрастают листостебельные растения, которым необходимо иметь большую транспирирующую поверхность. Но, как и жители пустынь, они также вынуждены защищать себя от чересчур интенсивного солнечного облучения. Жизненная форма растений влажных тропиков — деревья. Однако внешне они сильно отличаются от тех деревьев, которые мы привыкли видеть в наших лесах. Для европейца крона тропических деревьев выглядит крайне необычно и к тому же нередко в высшей степени неэстетично, ибо она производит впечатление полнейшей путаницы и страшного беспорядка. На первый взгляд кажется, что листья безжизненно обвисли и что они распределены по веткам, как им заблагорассудится: большинство веток почти целиком голые, а все их листья собраны в одну-единственную розетку на самом конце побега. Сквозь темно-зеленую листву проступают светлые серебристые ветви и сучки, то беспорядочно извивающиеся, подобно змеям, то растущие строго горизонтально и вдруг резко изгибающиеся вниз или вверх. У листьев нет той прозрачности, которая столь характерна для листвы наших лесов, освещаемой умеренным солнечным светом. Листья тропических деревьев плотные, имеют темную окраску и практически не пропускают света. Можно подумать, что они сделаны из жести, окрашенной в зеленый цвет. Их поверхность обычно гладкая, словно они покрыты воском, и обладает хорошей отражательной способностью. Бесчисленные световые блики, отбрасываемые листвой, кажутся еще более яркими. Все эти резкие переходы от света к тени слепят глаза европейца, привыкшего к рассеянному освещению под пологом лесов умеренных широт. Кто хоть раз пытался фотографировать самый обыкновенный фикус при ярком солнце, тот, несомненно, получил какое-то представление о световых контрастах, с которыми можно столкнуться в тропических лесах.
Что же делает столь различными, столь непохожими друг на друга тропические леса и леса умеренных зон? Конечно, солнечный свет. Умеренное освещение в средних широтах растения вынуждены использовать полностью. Листья здесь располагаются почти горизонтально, с тем чтобы поглотить как можно больше света; к тому же они равномерно распределены по всему дереву и поэтому мало затеняют друг друга. Но жаркие дни с избыточным солнечным освещением бывают и в умеренных широтах. В таких случаях лист спасает себя от перегрева усилением трапспирации: испарение, как известно, отнимает тепло. Солнечное излучение в тропиках исключительно интенсивно, свет ярок. Тропическое солнце не столько греет, сколько обжигает. От перегрева спасти может только тень, которую и должно само для себя создавать растение. Поэтому не приходится удивляться тому, что обычно листья плотной розеткой сосредоточиваются на концах побегов, перекрывая, а следовательно, затеняя друг друга. Нередко листья просто висят на своих черешках, отчего создается впечатление полного увядания растения. При таком положении листьев лучи солнца падают на них не перпендикулярно, а под большим углом и лишь скользят по листовым пластинкам. Ко всему прочему гладкая блестящая поверхность листьев отражает значительную часть световой и тепловой радиации.
За образец «самозатеняющихся» растений можно взять так называемое «дерево путешественников» (Ravenala madagascariensis), которое, как о том говорит его ботаническое название, произрастает на Мадагаскаре. Все его листья, собранные в своеобразный «веер», створки которого расходятся симметрично на две стороны, сосредоточены на вершине стройного многометрового ствола. Самые молодые листочки располагаются в середине и растут вертикально вверх, отчего солнечные лучи падают на них под очень острым углом. Стареющие листья отклоняются в сторону, причем, чем больше возраст, тем больше их наклон. Самые старые листья уже расположены горизонтально. Скученность листьев в «веере» настолько велика, что они перекрывают друг друга. Некоторые авторы отмечают, что эти веера-опахала ориентированы в направлении с востока на запад — это обеспечивает наибольшее взаимное затенение листьев. По-видимому, такая «ориентация по компасу» и дала повод назвать растение «деревом путешественников».
Однако рациональное расположение листьев еще не гарантирует растениям низких широт полной победы в борьбе против светового и теплового облучения. Мы имеем здесь в виду своеобразную проблему противоречия между светом и тенью. В плотных сумерках тропических джунглей все живое стремится ближе к свету, чтобы затем, когда цель будет достигнута, стараться защитить себя от него.
В летние месяцы эта проблема доставляет много забот и людям. Мы предпочитаем работать в больших просторных комнатах с громадными окнами. Однако тот, кто хотя бы раз провел в жаркий солнечный день все 8 часов служебного времени в таком помещении, оценит в полной мере достоинства жалюзи. Они позволяют уменьшить нежелательную яркость освещения, а также смягчить тепловой нагрев помещения. Но жалюзи необходимо обслуживать. Ранним утром они лишь помеха в работе, следовательно, их надо поднять. Около 10 часов утра, когда на ваш письменный стол попадают еще только первые лучи солнца, достаточно установить створки жалюзи под небольшим углом и несколько приспустить сами жалюзи. Через час их следует опустить полностью, оставив створки в прежнем положении. Между 13 и 14 часами пополудни солнце ярко светит в окна. Настало время укрепить створки вертикально и тем самым полностью закрыть солнцу доступ в помещение. Однако ничто не стоит на месте. Где-то около 15 часов небо начинают заволакивать тучи: вот-вот разразится гроза. В помещении заметно потемнело; стало трудно работать. Пора поднимать жалюзи. Но не проходит и часа, как с неба вновь беспрепятственно льются жаркие лучи солнца. Все повторяется сначала. Поэтому неудивительно, что промышленность, выпускающая подвижные солнцезащитные шторы для окон, начинает рекламировать «полный комфорт», предлагая для продажи такие системы, которые автоматически регулируют положение шторы в зависимости от степени освещенности.
Однако то, что представляет для нас дорогой и современный комфорт, своего рода техническое «достижение», для растения является делом само собой разумеющимся. Бобовые растения, широко представленные в тропиках как деревьями, так и кустарниками, особенно эффективно решают проблемы света и темноты. Подобно самым совершенным жалюзи, они самостоятельно регулируют уровень теплового и светового облучения, по мере надобности плавно изменяя положение своих листьев от горизонтального к строго вертикальному. При наиболее благоприятной для них умеренной освещенности растения располагают свои опущенные листья горизонтально. При ярком же освещении они поднимают листья вертикально вверх, иногда даже складывая их попарно. Равным образом они ведут себя и в темноте. Но если днем при солнце эти движения обеспечивают защиту от чрезмерного нагревания, то ночью они позволяют уменьшить излучение тепла в пространство. Растения средней полосы в подобной солнцезащитной системе не нуждаются. Впрочем, никтинастия, наблюдающаяся у некоторых видов, например у обыкновенной фасоли или растущей во влажных лесах кислицы (фото 76, а и б), является в известной мере также средством предохранения от излишней потери тепла.
Фото 76а и 76б. Никтинастия кислицы предохраняет растение от избыточного теплового излучения.
Зимовать, как земляные белки
В этой книге мне приходится довольно часто упоминать о кактусах. Вот уже на протяжении почти двух десятилетий я не перестаю снова и снова удивляться этому необыкновенному семейству и с большим интересом нанимаюсь его изучением. Окружающая среда, в которой Обитают кактусы, нередко требует от всех этих колонно-, шаро-, цилиндро- и клубнеобразных творений природы такой жизнестойкости, которая находится буквально на пределе возможностей растительного организма.
Множество самых причудливых по форме кактусов обитает на пустынных нагорьях Мексики. Некоторые из них выработали в высшей степени несвойственный растениям способ зимовки. Подобно мексиканским сусликам, родственникам альпийских сурков, которые устраивают под землей норы и с наступлением зимнего засушливого периода впадают в глубокую, продолжительностью 6 или 7 месяцев, спячку, под землю на зимний покой уходит и лофофора (вид кактуса). В земле тепло, и сюда не могут проникнуть холодные иссушающие ветры высокогорья. В феврале — марте с первыми весенними дождями серо-зеленый кожистый шар покидает свое «земляное гнездо» и выходит на дневную поверхность.
Механизм зимнего «самопогребения» растения функционирует удивительно просто. Лофофора, как и некоторые другие виды кактусов, закрепляется в почве с помощью длинного и мощного стержневого корня (фото 77). Осенью в местах ее произрастания наступает засушливый период. Растение сморщивается и ужимается настолько, что нередко теряет почти половину своего прежнего объема. Но стержневой корень продолжает крепко удерживаться в земле, поэтому верхняя часть растения с силой втягивается в землю. И вот уже ветер заносит песком то место, где прежде находилось растение. Кактус «переехал» на зимнюю квартиру. Весной сморщенное тело начинает быстро впитывать воду и в течение немногих дней вырастает до своих первоначальных размеров. В тепле и при хорошем освещении рост продолжается, и вскоре растение зацветает.
Фото 77. Лофофора (вид кактуса) закрепляется в почве с помощью мощного и длинного стержневого корня. С наступлением зимы верхняя часть растения сильно усыхает, и корень легко «утаскивает» ее под землю. Вскоре ветры заносят песком и пылью то место, где прежде находилось растение.