Почему берёза белая?

Выйдите в жару в чёрной футболке — нагреетесь 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.

Приложите 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.

Светлая кора отбрасывает большую часть солнечных лучей и греется слабее; тёмная поглощает их и нагревается.

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.

Зимой тёмный ствол греется с двух сторон: прямым низким солнцем сверху и светом, отражённым от снега, снизу — и тёмная кора поглощает оба потока, рискуя перегреться.

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

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

модель

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.

Зимний солнечный ожог коры (sunscald, southwest winter injury): в ясный морозный день солнце нагревает тёмную южную/юго-западную сторону ствола настолько, что дремлющие клетки под корой пробуждаются и теряют морозостойкость, а с заходом солнца температура резко падает и убивает их — кора растрескивается, страдает камбий. Эффекту особенно подвержены деревья с тонкой тёмной корой (Utah State University Forestry Extension, «Sunscald Injury or Southwest Winter Injury on Deciduous Trees»). ↩
Значения оценочные. Кора берёзы — одна из самых светлых среди деревьев умеренной зоны: измерения отражательной способности коры в видимом диапазоне дают для берёзы порядка 0,4–0,5, тогда как у тёмнокорых видов (дуб, осина и др.) — заметно ниже (Juola et al., «A spectral analysis of stem bark for boreal and temperate tree species», Ecology and Evolution, 2022). Для оценки нагрева берём $\alpha$ берёзы $\approx 0{,}5$, тёмной коры $\approx 0{,}1$. ↩
Бетулин — белое смолистое вещество (тритерпеновый спирт), которое заполняет полости пробковых клеток бересты и придаёт ей белую окраску (O. V. Demets et al., «Methods of Betulin Extraction from Birch Bark», Molecules, 27(11), 2022, 3621). ↩

Отражательная способность и тепловой баланс 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 $(1-\alpha)$:

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

модель

Иначе говоря, дерево греет не солнце, а та его доля, что не отражена. У берёсты альбедо около 0,5–0,6, у тёмной коры дуба или сосны — 0,1–0,15: тёмный ствол поглощает вдвое с лишним больше тепла при том же солнце. Отсюда зимние повреждения коры — солнечные ожоги и морозобоины, — когда дневной прогрев сменяется ночным холодом.

Морозобоины на тёмном стволе ели: кора, прогретая днём, ночью быстро остывает и сжимается быстрее древесины, и ствол трескается вдоль. У белой берёсты таких перепадов меньше. Фото: Roger Griffith, общественное достояние, Wikimedia Commons.

Кто открыл. Что стволы гибнут не от мороза, а от солнца зимой, садоводы знали до физиков: побелка стволов известью — тот же приём, что кора берёзы, и в руководствах по садоводству XIX века её советуют именно от «солнечных ожогов» на южной стороне. Белизну берёсты объяснил химией петербургский химик Товий Ловиц, выделивший из коры бетулин в 1788 году, — одно из первых очищенных природных веществ; что бетулин лежит в коре россыпью микроскопических кристаллов, рассеивающих свет, как снег или молоко, показали уже под электронным микроскопом в XX веке.

Сколько это в числах

Берёзы в снегу под низким зимним солнцем: свет приходит и сверху, и отражённым от снега снизу.

Альбедо $\alpha$ — доля отражённого света. У берёсты оно 0,5–0,6, у тёмной коры сосны или дуба — 0,1–0,15. Подставив в $Q = (1-\alpha)\,S\,A$, получаем: тёмный ствол поглощает вдвое с лишним больше приходящего тепла. В ясный февральский день солнечная сторона тёмного ствола прогревается до +10…+20 °C при воздухе −15 °C, а ночью возвращается к температуре воздуха. Перепад в тридцать с лишним градусов за сутки — это и есть механизм морозобоин: наружные слои успевают выйти из состояния покоя и повреждаются при быстром замерзании. У светлой коры тот же перепад втрое меньше.

Границы этого рассуждения

Расчёт учитывает только радиацию. Ветер уносит тепло конвекцией, и в ветреный день разница между тёмным и светлым стволом заметно скрадывается.
Дерево считается сухим телом. Живая ткань испаряет влагу, и это дополнительный сток тепла, в формулу не входящий.
Ночью белизна не даёт ничего — наоборот, светлая поверхность и излучает слабее в видимом диапазоне, но в тепловом инфракрасном излучают почти одинаково и светлая, и тёмная кора, так что выигрыш дневной.

Отсюда и географическая проверка: берёза белеет тем сильнее, чем континентальнее климат. Там, где зима мягкая и пасмурная, преимущество почти исчезает — и родственные виды берёз в приморских районах Европы и Восточной Азии заметно темнее.

О чём спорят Зачем берёзе бетулин — вопрос, у которого несколько ответов, и они конкурируют. Кроме защиты от перегрева называют защиту от ультрафиолета, антимикробное и противогрибковое действие (бетулин токсичен для многих грибов) и просто побочный продукт обмена, который дереву дешевле откладывать в кору, чем выводить. Скорее всего работают все механизмы сразу, но какой из них был главным при отборе — не установлено.