Лев Иванович Файко
Дерзкие мысли о климате
5.5. Великий нуль
Часто говорят, что нуль – это ничто. Когда от нуля начинают что-то считать, он становится главной вехой отсчета. Когда же обнаруживается, что нулем градусов общепринятой температурной шкалы определяется быть или не быть на Земле оледенению, он по праву становится великим. Но только ли в этих случаях он так важен?
Гидросфера, плотно спеленавшая Землю океанами, атмосферным паром, ледяными покровами и ледниками является главным потребителем и главным «растратчиком» тепла, которым обменивается наша планета с окружающим космическим пространством. Она же является главным распределителем этого тепла на земной поверхности и главным регулятором его общего прихода и расхода. При обезвоженной атмосфере климат Земли, едва ли чем отличался бы от лунного.
Но эту свою теплорегулирущую, а точнее теплодемпфирующую роль гидросфера выполняет в наилучшем виде потому, что в сложившихся условиях теплообмена и атмосферного давления вода может быть и льдом, и паром, и сама собой – водой. Иначе говоря, на Земле вода находится в условиях тройной точки, отсчет которой опять же начинается от 0 °C (точнее от 0,0075 °C, рис. 9).
Рис. 9. Диаграмма состояния воды вокруг тройной точки
Благодаря этому вода на Земле может замерзать и плавиться, испаряться и конденсироваться. Все эти четыре фазовых превращения обладают тремя очень ценными качествами: во-первых, они изотермичны, то есть протекают без изменения температуры; во-вторых, очень теплоёмки и, в-третьих, все они сопровождаются благотворными для жизни растений и животных поддержанием теплообмена гидросферы с окружающим Землю пространством, то есть его автотерморегулированием. Переходя на привычные в наше время технические понятия, их можно охарактеризовать как весьма надежные термостаты, которые не позволяют гидросфере не только перегреваться, но и охлаждаться ниже определенных пределов. Сама жизнь на Земле прямо зависит от фазовых превращений воды. Обратим внимание, что и здесь не обходится без 0 °C.
А теперь посмотрим, как работают эти «термостаты».
Если температура не поднимается выше 0 °C, то вода, в виде льда, остается твердой, как камень, и в этом состоянии оказывается пассивным хранителем «холода». Но как только температура перевалила выше точки плавления, лёд, плавясь, начинает поглощать тепло, как показано на рис. 9, лучше многих известных веществ на Земле. Это изотермическое и очень ёмкое поглощение теплоты до определенной поры не сопровождается ни нагреванием талой воды, ни потерей ею тепла, то есть отличается удивительной рациональностью. Здесь лёд работает на эффективный захват теплоты внешней среды.
Наконец, там, где лёд полностью растаял, вода начинает нагреваться и испаряться. Еще более теплоёмкий процесс испарения надежно оберегает воду от перегрева, опасного для всего живого. Здесь уже включается «паровой термостат». Поднимающийся в атмосферу пар согревает атмосферу, а образуя облака, уже излучает ненужные для земной поверхности излишки тепла или сдерживает чрезмерную потерю тепла ею. Холодная верхняя атмосфера конденсирует пар, вследствие чего высвобождается теплота конденсации (опять же начинающаяся вблизи 0 °C). Этим сдерживается возможное более глубокое охлаждение самой земной поверхности.
Наконец, угасание конденсации и исчезновение облаков, далее уже в зависимости от положения солнечных лучей по отношению к земной поверхности, может снова либо увеличить её радиационный нагрев, либо усилить охлаждение. Когда же случится последнее и вода начнет замерзать, вступает в действие «ледяной термостат», то есть та самая закономерность, которой посвящены предыдущие главы этой книги. Здесь уже лёд, хорошо усваивающий теплоту, когда её не хватало, начинает во много раз экономнее отпускать её от водной массы.
Итак, два автотерморегулирующих процесса, исключающих перегрев и переохлаждение гидросферы, а именно: конденсация пара и льдообразование, оба начинающиеся от 0 °C, весьма стабильно удерживают температуру подавляющей площади земной поверхности в пределах, отвечающих условиям существования жизни на нашей планете. Не будь этого терморегулирования всё живое на Земле в первый же день либо сгорело от жары свыше 100 °C, либо замерзло от ещё худшей стужи. И только там, где и сейчас действие подобного терморегулирования парализуется отсутствием перехода температуры через 0 °C (Антарктида, Гренландия) жизнь (кроме одетого и с запасами пищи человека) исключается.
Значит, если мы хотим узнать, как надежно и долго может сохраняться плодотворная жизнь на Земле, надо узнать, как стабильно балансирование гидросферы между двумя нулевыми завесами её температуры со стороны наземных оледенений и со стороны верхней атмосферы. Похоже, что в высотах атмосферы, в окружении космического пространства с абсолютным нулём температуры минус 273 °C «верхний нуль» существует стабильно и невозможно представить, чтобы его можно вывести из этого состояния. Но не сможет ли он повсеместно опуститься на поверхность Земли? Ведь это тоже опасно для жизни. Тут нам пример Луны подсказывает, что навсегда 0 °C не опуститься, а опускаться ночью или зимой примерно на половину общей площади земной поверхности будет лишь в том случае, если исчезнет гидросфера, то есть вода. А это тоже опасно для жизни. Отсюда следует, что все живое не может существовать не просто без воды, как таковой, но и без той теплозащиты, которая обеспечивается ею. Для того, чтобы напиться, воду можно запасти впрок, но для того, чтобы она держала жизненно необходимую температуру, нужно чтобы она обволакивала всю Землю.
Нижняя, наземная нулевая завеса или «нижний нуль» будет сохраняться до тех пор, пока на Земле будет одновременно существовать и лед, и вода или, по крайней мере, до тех пор, пока будут возникать условия для замерзания воды хотя бы лишь на полярных широтах. Сейчас воды на земном шаре в 50 раз больше, чем льда. Средняя температура воды довольно низка и составляет где-то 2 ÷ 3 °C положительной температуры. Средняя температура ледяных массивов Антарктиды и Гренландии составляет около минус 25 ÷ 35 °C. Кроме того, во льду из-за меньшей, чем у воды энтальпии, обусловленной потерей теплоты кристаллизации сохраняется большой «запас холода». Если весь наземный и морской лёд расплавить в Мировом океане, то он остынет до 0 °C или близко к нему. Похоже, что льда в этом случае не останется. Но резко понизившаяся температура воды увеличивает вероятность ее замерзания полярными ночами. Тут как не считай, оказывается, что и с этой стороны при сложившемся внешнем теплообмене Земли с окружающим пространством мы достаточно застрахованы теплозащитными свойствами гидросферы. Тем не менее в научных публикациях нередко высказываются опасения как о возможности опасного перегрева земной поверхности, так и о возможности полного оледенения Земли. Мы еще вернемся к специальной оценке таких исключающих одна другую возможностей. Как видно и здесь абстрактные оценки возможных радикальных изменений климата, в конечном счете, группируются вокруг 0 °C.
Вот как велик этот нуль. И именно об этом мы должны помнить, от этого и будем отталкиваться далее, пытаясь познать тайны климата и перспективы его стабилизации, если не управления им.
5.6. Загадка теплых озер антарктиды
Каких только загадок не подбрасывает природа уму человека! Разве не удивительно, что на студеной Антарктиде существует целый ряд постоянно покрытых толстым многолетним льдом озер, температура воды в которых в течение всего года удерживается в пределах плюс 20÷25 °C? Еще более удивительно, что при весьма обстоятельном обследовании таких озер в них не обнаружено никаких теплых источников или иных причин, способных так нагревать воду. И это там, где все вроде навечно заковано в лед!
По этому поводу догадок и гипотез было высказано множество, но доказанных версий кажется и по сей день не существует. Как правило, любая догадка «грешила» с законами физики и ими же отвергалась, как несостоятельная.
И здесь обнаруженная закономерность неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов приоткрывает завесу на тайну этих озер. По наиболее изученному из них озеру Ванда мы произвели обстоятельные теплобалансовые расчеты. Это соленое озеро глубиной до 73 м постоянно покрыто многолетним льдом со средней толщиной от 4,2 до 4,5 м, ежегодно стаивающим и намерзающим приблизительно на 75 см. Средняя годовая температура глубинных вод в нём достигает плюс 25 °C и не падает ниже плюс 20 °C. С глубины от 17 до 45 м температура воды сохраняется постоянной в пределах около 10 °C. Исследователи отмечают, что район, где расположено озеро характеризуется очень малым количеством осадков, а лёд самого озера отличается удивительной прозрачностью. Обратив на это внимание, новозеландские ученые давно уже высказали предположение, что причиной нагрева глубинных вод являются проникающие солнечные лучи, но это не подтверждалось теплобалансовыми расчетами. Разумеется, что в этих балансах не обращалось внимания на неравновесность теплообмена озера с внешней средой, поскольку о существовании такой закономерности ещё не было известно.
Не станем утруждать читателя нудными колонками балансовых расчетов, а расскажем проще, чем же объясняется феномен озера Ванда. Для нас теперь уже очевидно, что, как и все замерзающие водоёмы, озера Антарктиды, в том числе и невскрывающиеся, не должны промерзать, поскольку на них ежегодно намерзает и стаивает одинаковый слой льда. В этом случае независимо от весьма неравновесного по отношению к внешнему термическому воздействию обмену теплотой фазовых превращений уже в ледяном покрове устанавливается внутренние равновесие теплообмена, надежно ограждающее нижележащую массу озера от необходимости теплообмена с внешней средой. Именно это решающее обстоятельство не учитывалось при теплобалансовых расчетах. Но установив, что тепловое состояние жидкой массы озера, прикрытой льдом, уже вовсе не зависит от теплового состояния внешней среды, становится проще оценить другие, менее значимые процессы теплообмена, способные создавать побочные, порой казавшиеся главными или загадочными явления, привлекавшие внимание исследователей.
Далее, как бы мы не оценивали теплоизолирующие способности ледяного покрова нам ничего не остается как признать, что преодолеть эту преграду может только луч Солнца. В прозрачной среде он тепло либо не теряет, либо теряет далеко не всё. Но достигнув непрозрачной среды, он отдает ей всю свою энергию, которая может быть мала по количеству теплоты, но значительна по температуре. Достигнув темного дна, луч нагревает его, а от дна уже нагревается и вода. В полярную ночь, когда луча уже нет, дно может остыть, а вода еще будет сохранять высокую температуру, поскольку для обратной передачи тепла здесь существуют свои лимитирующие теплопередачу условия, в создании которых участвует и земное притяжение.
В частности, в озере Ванда обнаружена стойкая стратификация воды по плотности: верхние слои, рассоленые льдообразованием, оказываются пресными, а нижние – сильно засоленными. Это сдерживает, если не вовсе исключает, возможность конвективного теплообмена в массе озера вследствие чего потеря водой полученного от Солнца тепла может происходить лишь очень малоинтенсивной молекулярной теплопроводностью самой воды и дна. Наши расчеты показали, что проникать до дна с лучом Солнца в озеро Ванда может всего 0,5 % энергии, достигающей поверхности его льда, но и это количество энергии составляет более 800 Дж/см2 год. Возвратиться же снова ко льду может не более 300 Дж/см2 год. Остальное тепло теряется через дно, причем теряется лишь до того предела, когда температура воды успевает понизиться примерно лишь на 5 °C, затем следует новый цикл нагревания дна солнечным лучом. Таким путем средняя за год температура глубоких слоев воды составляет + 20÷25 °C. Возврат тепла к поверхности льда оказывается тем менее интенсивным, чем глубже озеро, что непосредственно следует из закона кондуктивной теплопроводности. Это подтверждается и сравнительными данными по разным озерам Антарктиды. Если вода в озере Ванда с глубиной 73 м не охлаждается ниже 20 °C, то в озере Бонни, глубиной 36 м, предел её охлаждения составляет 7 °C, а в озере Фриксал (17 м) уже всего 2,2 °C.
Таким образом, оказывается, что новозеландские ученые в своей догадке оказались ближе всего к правильному объяснению «загадочного» нагрева озер Антарктиды, но не смогли этого доказать, не зная других особенностей теплообмена озер с внешней средой.
Итак, причина высокого нагревания воды в невскрывающихся озерах Антарктиды в основе объясняется двукратным неравновесным теплообменом озера с внешней средой, обусловленным тем, что интенсивно поступающая и сразу усваиваемая энергия солнечной радиации при обратном теплообмене в обоих случаях сдерживается малоинтенсивной молекулярной теплопроводностью.
В первом случае неравновесный теплообмен озера с внешней средой через ледяной покров реализуется в изотермическом увеличении энтальпии воды, во втором – уже в ее нагревании. Последний случай вряд ли нуждается ещё в каком-то объяснении, поскольку он давно используется человеком в так называемых «солнечных ловушках» или гелионагревателях, которые в последнее время получают все большее распространение непосредственно в практике прямой утилизации энергии лучей Солнца. Для нас важно, что мы нашли яркий пример нерукотворного использования солнечных лучей самой природой и, кажется, основательно разгадали ещё одну загадку.
Изложив всё выше описанное, мы готовы были переложить новые представления на непосредственное объяснение природы климата. Но тут же возникла мысль, а только ли замерзающим водоёмам присуща неравновесность теплообмена с окружающей средой, наконец, завершается ли набор факторов, определяющих климат тем, что мы изложили? Нет, не завершается. Наверное, долго еще придется искать и другие явления, определяющие климат.
Глава 6. Тяготение и теплообмен внешних сфер земли
Если не будем свободно высказывать новые мысли, то наука не будет идти вперед.
К.Э. Циолковский
Очевидно, что основные неудачи и неясности на пути решения проблем климата и долгосрочных прогнозов погоды обусловлены одной главной причиной – ограниченностью наших знаний о физических механизмах, управляющих климатом и погодой. Из сферы научных исследований, выполненных тысячами естествоиспытателей, постоянно ускользают ещё какие-то важнейшие факторы, спрятанные в тине истин о природе климата. А почему бы не посмотреть, не управляет ли как-то климатом вездесущее земное тяготение?
Знаю, как рискованно тормошить основы представлений о тяготении, поэтому буду пытаться заглянуть лишь в те их области, которые могут иметь прямое отношение к климату.
6.1. Климаты земли, луны и планет
Мы привыкли понятие «климат» ассоциировать с многолетним режимом погоды с её дождями, ветрами и так далее. Но на Луне погоды вроде бы и не существует, поскольку там нет ни облаков, ни дождей, ни ветров, ни атмосферного давления и ничего иного, кроме равнопериодической смены светимости Солнца и тьмы окружающего космоса. Но термин «климат» исходит как раз из представлений о характере светимости Солнца, почему он имеет отношение и к Луне.
Итак, климаты Земли, Луны и всех планет солнечной системы в основе определяются периодичностью освещения их поверхностей лучами Солнца. Соответственно теплообмен всех этих космических тел с внешней сферой осуществляется только радиацией. Все они получают лучистую теплоту практически только от Солнца и возвращают ее в окружающее их космическое пространство только лучами. Поскольку все эти тела вращаются, солнечная радиация поступает на каждый участок их поверхностей через строго равные интервалы времени и в строго ограниченной дозе, регламентируемой солнечной постоянной и наклоном лучей. Обратное же излучение тепла в космос происходит всюду непрерывно, потребностями космической среды не лимитируется, но со стороны самих тел ограничивается накапливаемыми за период освещения запасами тепла на их поверхностях и разными возможностями его задержки до излучения в космос.
Поскольку замеченных изменений средней температуры поверхностей этих тел не наблюдалось, то считается, что в их теплообмене с внешней средой (Солнцем, космосом) существует установившийся баланс прихода и расхода радиационной энергии, то есть всего теплообмена. Это же принимается очевидным и для каждой данной эпохи Земли, хотя не исключаются и нарушения такого баланса в периоды радикальных изменений её климата от оледенелого состояния к безледному.
Уровень теоретически рассчитываемой «нагретости» единицы поверхности Земли и планет определяется эффективной температурой, которая зависит от расстояния космического тела от Солнца, отражательной способности этого тела и корректируется коэффициентом пропорциональности, называемым постоянной Стефана – Больцмана. И здесь обнаружились неожиданности, которые сейчас считаются уже достаточно объясненными.
Так, Земля и ее спутник Луна находятся в среднем на равном расстоянии от Солнца, но в силу большего альбедо земная поверхность усваивает солнечного тепла в 5, 6 раз меньше, чем поверхность Луны. Несмотря на это средняя температура земной поверхности оказывается на 30 °C выше лунной!
Из-за еще большего альбедо Венера, находящаяся в 1,4 раза ближе к Солнцу, чем Земля, должны иметь эффективную температуру поверхности, равную минус 29 °C, а фактически измеренная составляет много более плюсовой (400 °C)! На самой Земле эффективная средняя температура поверхности должна составлять минус 20 °C (Гуди, Уолкер, 1975), однако она составляет плюс 15 °C. Если продолжить эти сравнения на примере других тел солнечной системы, то можно заметить, что наименьшие расхождения эффективной температуры с практически дистанционно измеренной наблюдаются на тех же планетах и их спутниках, которые лишены или почти лишены атмосферы, а наибольшие – на имеющих самую мощную атмосферу. На Венере, например, масса атмосферы в 100 раз больше, чем на Земле, превосходящей её по своей общей массе. Эти давно замеченные странности навели людей на мысль, что отклонения измеренных значений температуры от вычисленных имеют некую связь с атмосферой этих планет, каким-то образом способной задерживать часть тепла, то есть лимитировать его обратное излучение в космос. Разумеется, что это относится и к Земле. Здесь сами факты не оставляют возможности представить иную причину разногласий теории с практикой.
Как же атмосфере удается удерживать ли, аккумулировать ли некоторую, а то и очень большую долю тепла при теплообмене Земли и планет с Солнцем и космическим пространством?
В первую очередь возникает вопрос – а почему собственно на одних планетах атмосфера существует, а на других нет? И здесь уже есть готовые ответы.
Оказывается, что атмосферу не имеют космические тела с малой собственной массой, но её всегда имеют планеты, обладающие большей массой. Уточняя эту зависимость дальше, несложно установить, что атмосферой обладают планеты, располагающие значительно большей собственной силой притяжения, чем малые тела. А далее, оценивая физические свойства газов, составляющих атмосферу, возможности и условия их диссоциации под действием солнечных лучей, можно узнать, что, например, на Луне, обладающей в 6 раз более слабым тяготением, чем земное, атмосфера неизбежно должна была улетучиться в космос, почему её и нет на нашем спутнике. То же наблюдается на всех малых спутниках планет. Нет атмосферы и на планете Меркурий, сила тяготения которого меньше земного в 3 раза, а близость к Солнцу, сильно разогревающего освещенную сторону планеты, способствует интенсивной диссоциации газов. Как считал В. Ф. Дерпгольц (1979) время полного улетучивания газов при достигаемой на Меркурии температуре (более +400 °C) должно составлять: водорода – 0,1 года; гелия – 3 года; кислорода – 1 млн. лет; азота и углекислого газа – 10 млрд. лет.
Прямые измерения с американского спутника «Маринер-10», показали, что заметных следов атмосферы на этой планете, в том числе и углекислого газа, не обнаружено.
Итак, мы нашли, что необходимым условием для удержания атмосферы на планетах, кроме прочего, является сила притяжения, достаточная для того, чтобы не допустить улетучивания газов, диссоциирующихся на верхней границе атмосферы. Но почему же атмосфера бережет тепло того космического тела, которое способно удерживать ее собственной силой притяжения?
С этого вопроса и возродился наш новый интерес к изучению возможных взаимосвязей гравитации с тепловыми явлениями на внешних сферах Земли.