Инфракрасное излучение практически не поглощается воздухом в слоях 2-10 м, характерных для бань, и не разогревает его, распространяется прямолинейно и поступает из излучателя непосредственно на стены, пол, потолок, разогревая их. «Управлять» мощностью инфракрасного излучения можно только регулируя температуру излучателя, а также устанавливая на пути излучения различного рода экраны. Такими экранами окружают, например, раскалённые металлические стенки топливников печей (в виде кожухов-калориферов), загораживают особо холодные стены портьерами, ширмами и т. п.

Рис. 41. Спектральная зависимость коэффициента отражения оптического излучения кожей человека. V — спектральный интервал видимого излучения, А — спектральный интервал А-диапазона инфракрасного излучения.

Инфракрасное излучение исходит и от тела человека, охлаждая его. Поскольку инфракрасное излучение при температурах ниже 100 °C является длинноволновым (>3 мкм), для которого степень черноты кожи человека (а также древесины) близка к единице =1-R~=1 (где R — коэффициент отражения, приведённый на рис. 41), то мощность излучения тела человека (и древесины) близка к мощности излучения абсолютно чёрного тела (рис. 42). Все рассуждения предыдущих разделов относились к случаю отсутствия инфракрасного нагрева или охлаждения тела человека, то есть предполагалось, что стены бани (или иного помещения) имеют температуру человеческого тела порядка 40 °C. Но если стены бани имеют температуру большую или меньшую, чем температура тела человека, то тело человека дополнительно нагревается или охлаждается.

Рис. 42. Мощность инфракрасного излучения (интегральная по всему спектру) с 1 м2 абсолютно чёрного тела во все стороны (в полупространство) при температурах от 0 до 100 °C: 1 — рассчитанная по формуле (273+Т)4, 2 — экстраполяционная прямая 0,54+0,007(Т-40), где Т в °С.

При слабых (до 20 °C) бытовых отклонениях температур стен от температуры человека Т<20 °C тело отдаёт или получает лучистое тепло в количестве qлyч=лТ, где л =7 Вт/(м2 град) — коэффициент бытовой лучистой теплопередачи (рис. 42). При температурах 60-120 °C коэффициент лучистой теплопередачи возрастает до 10 Вт/(м2 град). При температуре стен помещения порядка 0 °C раздетый человек даже с сухой кожей отчётливо ощущает «леденящий холод стен» даже при температурах воздуха 40 °C и максимальной влажности воздуха, поскольку теряет за счёт собственного инфракрасного излучения 0,5 Вт/м2, а получает за счёт поглощения инфракрасного излучения, исходящего от холодных стен, всего 0,3 Вт/м2. В результате суммарный баланс отрицателен и очень велик 0,2 Вт/м2. Для компенсации столь высоких теплопотерь необходимо поднять температуру воздуха в помещении на 20–30 °C, то есть до 60–70 °C. Если же температуры стен и потолка составляют 100 °C, то суммарный тепловой баланс (по лучистому теплу) раздетого человека с сухой кожей будет положительным 0,5 Вт/м2, и воздух можно охладить до минус 10 °C.

В обыденной жизни человек отчётливо ощущает изменения лучистых потоков при изменениях температуры стен всего в несколько градусов (при постоянстве температуры воздуха). Так, строительные нормы и правила СНиП 41-01-2003 рекомендуют не использовать на постоянных рабочих местах в промышленных производствах потоки лучистого тепла более 35 Вт/м2, что соответствует наличию излучающих поверхностей с температурой на 5 °C выше температуры человека. А при величинах лучистого потока более 140 Вт/м2 необходимо применять воздушное душирование (обдув открытых частей тела человека воздухом). Если человека окружают излучающие поверхности с разной температурой, то необходимо соответствующим образом суммировать и усреднить мощности излучений, достигающих тела человека, с разных поверхностей. В связи с этим отметим, что упомянутые выше экраны могут значительно изменить картину лучистых потоков, «забирая» тепловую энергию из воздуха и преобразуя её в лучистое тепло, или, наоборот, поглощая потоки лучистой энергии и преобразовывая её в тепловую энергию воздуха. Например, застеклённый оконный проём в морозную погоду представляет собой холодный элемент помещения, «забирающий» лучистую энергию (а точнее, слабо излучающий тепло элемент и слабо отражающий падающее на него излучение). Но если загородить окно экраном (например, в виде матерчатой шторы), то экран приобретает температуру, близкую к комнатной, и будет излучать обратно в помещение значительно больше лучистой энергии. Этот эффект издавна применялся в жилищном строительстве, например, при обшивке тканью (гобеленами) каменных стен замков в Западной Европе Средневековья, при отгораживании шторами спальных мест и т. п. При этом практически не важна плотность или теплопроводность тканей, значительно большее влияние имеет количество экранов (слоёв экранирования). Также ясно, что в пасмурную ночь теплее, чем в ясную звёздную, поскольку со всех предметов на Земле тепловое излучение в ясную погоду (даже днём) безвозвратно «улетает» в космос (имеющий температуру минус 273 °C), а облака частично компенсируют эти теплопотери собственным излучением с температурой капель воды в облаке, например, 0 °C. Напомним также, что атмосфера имеет «окна» оптической прозрачности 3,4–4,2 мкм и 8-12 мкм. Эти «окна» ограничены с обеих сторон спектральными полосами поглощения молекул воды и углекислого газа. Поэтому при высокой влажности воздуха атмосфера «закрывает» эти «окна» прозрачности, и излучение уже не может «улетать в космос» (парниковый эффект).

В заключение рассмотрим вопрос физического взаимодействия инфракрасного излучения с телом человека. При падении светового потока на кожу часть лучистой энергии отражается, а другая часть проникает внутрь тканей, ослабляясь по мере углубления за счёт поглощения компонентами биологической ткани. Спектральная зависимость коэффициента отражения представлена на рис. 41, откуда видно, что кожа отражает только видимый и ближний инфракрасный (ИК) свет (так называемый А-диапазон ИК-излучения 0,75-1,5 мкм). В этом легко убедиться, посветив в темноте фонариком на ладонь и наблюдая отражённый свет на белом экране (стене). Инфракрасное же излучение с длиной волны более 1,5 мкм практически не отражается и поглощается тканями с эффектом обычного нагрева.

Теперь прислоним рефлектор фонарика к ладони (или загородимся ладонью от света электрической лампочки). Мы увидим, что промежутки между сомкнутыми пальцами красные. Это значит, что биологические ткани пропускают (частично) красный цвет (рис. 43). То есть красный цвет глубоко проникает под кожу. Действительно, если посветить фонариком в закрытые глаза, то отчётливо почувствуем свет, проникающий через ткань век и воспринимаемый как «свет, который мешает уснуть». Экспериментальные измерения показывают, что коэффициент поглощения тканей минимален в видимой красной и ближней (коротковолновой) инфракрасной области (в А-диапазоне ИК-излучения). Таким образом, излучение с длинами волн 0,75-1,5 мкм хорошо отражается от кожи, но в то же время неотразившаяся часть излучения глубоко проникает в ткань. Считается, что глубоко проникающее излучение обеспечивает прогрев тканей, причём мягкий и безболезненный прогрев, поскольку поглощение тепла «размыто» по большому объёму подкожной ткани и по большому количеству терморецепторов. Этому способствует и очень высокое рассеивание красного и инфракрасного излучения в тканях человека. Так, просвечивая мощным источником света ладонь, вы не сможете увидеть костей на фоне общего красного свечения. Поэтому источники света с большой долей ближнего инфракрасного излучения (Солнце, юпитеры, софиты, лампы накаливания, в том числе широко известные синие лампы-рефлекторы Минина и красные с поляризованным светом типа Биотрон) используются в физиотерапии как лечебное средство. В действительности же на значительные глубины 1–4 см проникают лишь доли процента излучения, поэтому даже когерентный красный свет в гелий-неоновой лазеротерапии поглощается преимущественно кожей, которая может воспринимать поглощенное излучение как ожог. В то же время, охлаждая кожу (водой, стеклом) и облучая её мощным ИК-излучением А-диапазона можно добиться очень интересных эффектов. Например, если облучать ванну мощным ИК-излучением А-диапазона, то можно с комфортом находиться даже в ледяной воде не замерзая. Или можно приложить к коже оптически прозрачную пластинку стекла и облучить через неё кожу импульсом очень мощного ИК-излучения А-диапазона (сотни кВт/м2). Тогда верхний слой кожи, в котором находятся высокочувствительные терморецепторы, не успевает нагреваться из-за контакта со стеклом и не чувствует боли от ожога, но тем не менее глубинные области кожи, где располагаются луковицы волос, на мгновение прогреваются до температур порядка 70 °C. Это оказывается достаточным, чтобы погибли зародыши волос, что приводит к эффективной и безболезненной эпиляции, используемой в косметологии.

Выделить инфракрасное излучение А-диапазона из общего потока инфракрасного излучения легко, достаточно поместить между источником и человеком лист самого обыкновенного оконного стекла. Стекло поглощает излучение В и С-диапазонов, но пропускает излучение А-диапазона. Так, если источником инфракрасного излучения является металлическая печь или камфорка электроплиты, то лист стекла, помещённый между источником излучения и человеком, полностью поглотит поток лучистого тепла и не пропустит его на лицо или ладонь, поскольку нагретые до 400-1000 °C поверхности излучают только инфракрасные лучи С-диапазона. Но если источником инфракрасного излучения является лампа накаливания (например, лампа Минина с рефлектором), а тем более Солнце, то лист стекла практически не ослабит поток лучистого тепла, поскольку нагретые до 2000–6000 °C поверхности излучают преимущественно инфракрасные лучи А-диапазона. Аналогичными оптическими свойствами обладают многие прозрачные пластические массы и жидкости, в частности вода, являющаяся основным компонентом мягких тканей организма человека (рис. 43). Проверить это так же легко: надо между ладонью и печью пролить воду (плоской струёй или душем) и почувствовать разницу. А так как кожа наполовину состоит из воды, то кожа тоже поглотит ИК-излучение С-диапазона. Аналогично, вода (пот) на теле человека поглощает излучение с >1,5 мкм от печи, но практически не ослабляет инфракрасное излучение от Солнца или электрической лампочки. Можно использовать и отражательные свойства материалов. Если мощной лампой накаливания (или Солнцем) осветить древесину (лучше колотую или строганую), натуральную поделочную кожу (крупного рогатого скота) или даже кожу человека (см. рис. 41), то отразится преимущественно именно ближний инфракрасный свет А-диапазона. Аналогичного эффекта можно достичь при отражении на стёклах, в том числе с отражающим слоем (зеркалах). Так фильтры ИКС-1 и ИКС-7 пропускают излучение с длинами волн 0,8–3 мкм, кварц — 0,2–6 мкм, флюорит СаF2 до 10 мкм.

Рис. 43. Коэффициент поглощения к, определяющий ослабление интенсивности луча света =0ехр(-кх), где 0 — интенсивность света, падающего на слой вещества толщиной х, I — интенсивность света прошедшего слой вещества толщиной х. 1 — спектральная зависимость коэффициента поглощения света мягкими тканями организма человека, 2 — спектральная зависимость коэффициента поглощения света водой, V — спектральный интервал видимого излучения, А — спектральный интервал А-диапазо-на инфракрасного излучения (см. В.И. Карандашов и др., Фототерапия, М.: Медицина, 2001 г.).