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.
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:
$$ P_{\text{нагрев}} = (1 - \alpha)\,P $$
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»). ↩
Бетулин — белое смолистое вещество (тритерпеновый спирт), которое заполняет полости пробковых клеток бересты и придаёт ей белую окраску (Википедия, «Бетулин»). ↩
Светлая кора выигрывает только там, где сходятся три условия: яркое солнце, отражающий снег и большие суточные колебания температуры. Стоит исчезнуть хотя бы одному — и выгода пропадает. Во влажных тропиках и в тени густого подлеска отражать почти нечего и беречься не от чего, поэтому белизна там не закрепляется: почти все светлокорые берёзы растут в умеренной и северной зонах, и лишь немногие виды добрались до субтропиков и тропических гор Азии.
По шкале альбедо от 0 до 1 свежий снег держит около 0,91 (возвращает почти весь падающий свет), сухой асфальт — порядка 0,1, а берёзовая кора со своими примерно 0,5 стоит посередине: отражает заметно больше тёмной коры и асфальта, но снега не достигает.
Берёзовая кора (около 0,5) отражает заметно больше тёмной коры и асфальта (оба около 0,1), но до снега (0,9) ей далеко.
То же правило $(1-\alpha)\,P$, что грело ствол берёзы, работает и для целой планеты — только потоки тут вселенские. Светлые ледники и снега Земли отражают солнце обратно в космос, тёмные океан и тайга его копят. Стоит льдам подтаять — обнажившаяся тёмная поверхность поглощает больше тепла, теплеет ещё сильнее, и тает ещё больше льда: альбедо запускает само себя по кругу. Потому спутники без устали мерят отражательную способность льдов, пустынь и лесов — из этих долей складывается ответ, сколько солнечной энергии планета удержит, а сколько вернёт небу.
Почему дуб и ель остаются тёмными?
Дубы, ели и клёны живут в тех же северных широтах, с тем же солнцем и морозами, но защищаются иначе: толстой корой и большим запасом живых тканей внутри ствола. Закон отражения один для любой поверхности — просто разные деревья выбрали разные стратегии: берёза держит экран снаружи, дуб прячет живое в глубину.
Как это измеряют?
Альбедо определяют фотометром: прибор сравнивает падающий и отражённый световые потоки. Температуру коры на солнце и в тени фиксируют термопарами, заведёнными под её внешний слой.
Открытый вопрос
Зимы теплеют, суточные перепады смягчаются — и три условия, что когда-то закрепили белую кору, понемногу слабеют. Сохранит ли берёза своё преимущество, когда отступит причина, его породившая?
