Белая берёза

Выйди в жару в чёрной футболке — нагреешься быстрее, чем в белой. Светлая ткань возвращает большую часть света обратно, чёрная вбирает его почти целиком и оттого копит тепло. То же самое можно почувствовать прямо здесь.

Приложи ладонь к белой пластине, потом к тёмной рядом — за несколько секунд разница температур становится отчётливой.

Светлая поверхность возвращает большую часть лучей, тёмная вбирает их почти полностью и быстро греется. Кора берёзы светлее, чем у большинства деревьев средней полосы, и под прямыми лучами остаётся заметно прохладнее дубовой или сосновой.

Тонкий светлый слой на наружной стороне рельефного среза — это внешняя кора. Она и работает экраном: отражает свет и защищает живые ткани под собой.

Вот и ответ. Берёза белая потому, что светлая кора отражает солнце и бережёт ствол от перегрева и резких зимних колебаний тепла. Дуб решает ту же задачу иначе — прячет живые ткани под толстой корой, и отражать свет ему уже незачем. Берёза ставит экран снаружи, дуб — изнутри.

Светлая кора бережёт берёзу не только в летний зной — зимой её роль виднее всего. В морозный солнечный день солнце стоит низко: горизонтальную землю оно почти не греет, зато по вертикальному стволу бьёт под прямым углом, в полную силу, да ещё снег под деревом добавляет отражённый поток снизу. Вот и выходит парадокс: тёмный ствол рискует перегреться именно зимой, а не в летний полдень¹. За такой день он сильно нагревается, а к ночи быстро стынет. От резких скачков температуры кора растрескивается, и вместе с ней страдает камбий — тонкий слой живых клеток, за счёт которого нарастает древесина. Светлая кора отражает большую часть лучей и греется слабее, поэтому суточные качели тепла внутри ствола сглажены.

Насколько именно нагреется ствол, решает альбедо — доля отражённого света. Из падающего потока $P$ на нагрев идёт лишь то, что не отразилось:

$$ P_{\text{нагрев}} = (1 - \alpha)\,P $$

У светлой берёзовой коры альбедо в видимом свете оценочно около $\alpha \approx 0{,}5$, у тёмной коры — порядка $\alpha \approx 0{,}1$². Подставим: тёмный ствол пускает на нагрев $1 - 0{,}1 = 0{,}9$, почти весь падающий поток, а светлый — лишь половину падающего света ($0{,}5\,P$), почти вдвое меньше, чем уходит на нагрев тёмной коры. Та самая половина солнца, что для тёмной коры обернулась бы лишним теплом, у берёзы просто уходит обратно в небо.

Где работает тот же закон?

Жители Средиземноморья белят крыши и стены, чтобы дома не раскалялись летом. Высокогорные ледники со светлой поверхностью тают медленнее тёмных скал и держатся дольше. И кора, и побелённая крыша, и ледник работают одинаково: что отражено — то не греет.

А сам белый цвет коре даёт бетулин — смолистое вещество, что заполняет полости пробковых клеток наружного слоя бересты и красит её в белое³.

Отражательная способность и тепловой баланс дерева Чтобы понять важность светлой коры для берёзы, рассмотрим подробнее механизм теплового баланса дерева. Когда солнечные лучи падают на дерево, они частично отражаются, а частично поглощаются. Доля отражённого света называется альбедо ($\alpha$), которое определяет, сколько солнечной энергии отражается обратно в атмосферу. Остальная энергия превращается в тепло, повышая температуру древесины.

Количество тепла, получаемого деревом, пропорционально произведению интенсивности солнечного излучения ($S$) и площади освещённой части дерева ($A$), умноженному на долю поглощаемой энергии $(1-\alpha)$:

$$ Q = (1 - \alpha)\cdot S\cdot A. $$

Например, у берёзы альбедо примерно равно 0,5, тогда как у дуба около 0,1. Значит, дуб поглощает значительно больше тепла, чем берёза, при той же интенсивности солнца. Высокая степень нагрева тёмных пород создаёт риск зимних повреждений коры (так называемых солнечных ожогов), когда дневное прогревание сменяется ночным охлаждением.

Тепловые удары и механизмы защиты Зимой солнечное излучение способно сильно прогреть тёмную кору днем, после чего резкое ночное похолодание приводит к разрывам тканей и трещинам. Чем выше альбедо, тем ниже риск подобных повреждений. Важно отметить, что альбедо зависит не только от цвета, но и от структуры поверхности: гладкая поверхность отражает больше света, чем шероховатая. Даже светлые виды могут иметь относительно низкое альбедо, если их кора грубее и пористее.

Значимость снежного покрова Снежный слой защищает корни дерева от глубокого промерзания, действуя как изоляция. Кроме того, снег сам по себе обладает высоким альбедо, дополнительно увеличивая общее отражение солнечного света системой «дерево + снег». Наличие снега особенно выгодно для деревьев со светлой корой, так как ещё больше снижает перегрев¹.

Биологическая функция белого пигмента Белый пигмент берёзы — бетулин — обеспечивает защиту от ультрафиолета и механических повреждений благодаря своей плотной структуре. Эта особенность делает берёзовую кору эффективной защитой для молодых побегов и тонкостенных веток, подверженных нападениям вредителей и болезней.

Экология и климатические сдвиги Климатические изменения влияют на распространение различных видов деревьев. Потепление уменьшает частоту сильных морозов зимой и увеличивает продолжительность жарких периодов летом. Эти условия оказывают селективное давление на разные типы древесных пород. Вероятно, в будущем доля тёмнокорых деревьев увеличится в тех регионах, где раньше преобладали светлокорые виды. Открытые вопросы Как изменится пропорция между светлокорыми и тёмнокорыми деревьями под влиянием глобального потепления? Какие экологические и экономические последствия это вызовет?