Лёд в пустыне: как радиационное охлаждение работало в древней Индии

В середине XIX века британские наблюдатели в Индии с удивлением описывали процесс, который казался невозможным: в тропиках, где дневная температура нередко превышала +50 °C, местные жители производили лёд. И делали это не в горах, а на равнинах, когда температура воздуха была выше нуля.

Физическая загадка, которую древние индийцы решали эмпирически на протяжении столетий, получила научное объяснение в 1818 году. Английский врач Уильям Уэллс в своём эссе о росе первым описал механизм радиационного охлаждения. Суть его проста: после захода Солнца Земля и все предметы на ней начинают излучать тепло в космическое пространство. В ясную, безветренную и сухую ночь поверхность может остыть до температуры на несколько градусов ниже температуры окружающего воздуха. В 1828 году французский физик Франсуа Араго продолжил исследования Уэллса, проводя систематические опыты в Париже и подтвердив его гипотезу.

Технология производства: конструкция «ледяного поля»

Процесс, описанный в журнале Nature в 1872 году, представлял собой хорошо отлаженную производственную операцию. Наиболее детальные свидетельства относятся к окрестностям Калькутты.

На открытой равнине с чёрной суглинистой почвой на песчаном основании размечали прямоугольные участки размером 36,6 на 6,1 м в направлении с востока на запад. С них снимали грунт на глубину 0,6 м. Выемку выравнивали и тщательно просушивали на солнце. Затем на дно укладывали сухие стебли сахарного тростника в небольших снопах в наклонном положении, а поверх снопов насыпали рыхлую солому общим слоем 0,45 м. Поверхность соломы оказывалась на 0,15 м ниже уровня земли.

Между такими грядами оставляли узкие проходы, в которые вкапывали в землю большие глиняные кувшины с водой для удобства наполнения сосудов.

На соломенную подстилку рядами устанавливали мелкие неглубокие неглазурованные пористые глиняные сосуды. Согласно описанию Nature, эти сосуды имели диаметр сверху 229 мм, сужаясь к дну до 110 мм, глубину 34 мм и толщину стенок около 8,5 мм. Посуда была настолько пористой, что при наполнении водой полностью пропитывалась влагой.

Ключевое условие — солома должна быть абсолютно сухой. Это важное техническое наблюдение, которое доказывает, что охлаждение происходит не за счёт испарения (иначе влажная солома усилила бы эффект), а за счёт радиационного охлаждения. Сухая солома служит теплоизоляцией, предотвращая приток тепла от грунта. Мелкие сосуды обеспечивали большую площадь поверхности на единицу объёма воды, что ускоряло теплоотдачу.

Условия для образования льда

Требовались строгие метеорологические условия: ясное безоблачное небо, отсутствие ветра и температура воздуха не выше +10 °C. Иными словами, лёд образовывался при температуре воздуха ночью в диапазоне от +4 до +10 °C. За счёт радиационного (пассивного) охлаждения вода в сосудах остывала до температуры ниже 0 °C и замерзала.

Заполнение сосудов водой производилось к вечеру с помощью небольших глиняных черпаков, привязанных к длинным бамбуковым шестам. Каждый сосуд наполняли на треть. Количество воды варьировалось: в сосуды у западного конца гряд наливали больше воды, так как утреннее солнце падает на них первым и лёд тает быстрее, что облегчает его сбор.

Всего на одном поле размещалось примерно 4,5 тыс. сосудов, общая площадь зеркала воды составляла примерно 140 м².

Сбор льда проводили до восхода Солнца. В хорошую ночь на поверхности воды в сосудах образовывалась ледяная корка. Её толщина зависела от интенсивности радиационного охлаждения. В опубликованном в Nature описании указана толщина льда 1,5 дюйма — 38 мм, однако это значение превышает глубину сосуда (34 мм), что указывает на возможную опечатку в первоисточнике либо на измерение с учётом выпуклой поверхности льда над краями сосуда. По другим источникам толщина ледяной корки не превышала 6 мм. В любом случае, лёд собирали в корзины и переносили в хранилище. В сборе льда с одного «ледяного поля» было занято до 300 человек.

Baraf Khana: подземное хранилище льда

Полученный лёд необходимо было сохранить. Для этого использовались бараф-хана — подземные ледники, адаптированная в Индии версия персидского яхчала.

Конструкция бараф-хана представляла собой глубокий котлован глубиной 4,3–4,6 м. Стены и дно выстилались слоем соломы, а поверх неё — грубой тканью. Собранный лёд загружали в подготовленный котлован, где его утрамбовывали; под давлением верхних слоёв и за счёт собственной холодной массы нижние слои смерзались в единый монолит. Поверх льда укладывали дополнительный слой соломы и ткани, после чего котлован герметично закрывали.

Для современных инженеров эта древняя технология интересна не только как исторический курьёз. Радиационное охлаждение и сегодня пытаются использовать в системах пассивного охлаждения зданий и в космической технике. Древние индийцы, не зная теории, создали рабочую технологическую цепочку: от выбора места и конструкции «ледяных полей» до многослойной теплоизоляции подземного хранилища. И делали это в условиях, где современный специалист без электричества не произвёл бы и грамма льда.