Лев Иванович Файко
Дерзкие мысли о климате
4.5. Снова о контрастах климата
Разве можно не вспомнить отброшенный когда-то мной, как сомнительный расчет, из которого выходило, что полярные области получают тепла в сотни раз меньше, чем экваториальные, если я в таблице, помещенной в предыдущем разделе, увидел почти такой же большой контраст в обеспеченности теплом Северного Ледовитого океана?
Напомним, что тот расчет исходил из оценок различий в поступлении солнечной радиации и количеств выпадающих осадков в сравниваемых областях, из чего следовало, что северная полярная область обеспечивается теплом примерно в 190 раз, а южная даже в I 000 раз хуже, чем приэкваториальные (глава 2).
Первый столбец табл. 1 дает хорошую основу для проверки правильности метода и количественной оценки этого расчета. Довольно надежен и индикатор количества тепла, поступающего на Северный Ледовитый океан, – величина стаивания льда. Вспомним цифру, которую мы еще не знали, как употребить, – сумму градусо-суток положительной температуры воздуха в приэкваториальной области, которая оказалась равной плюс 8400°. Примем, что среднее летнее стаивание льда под снегом в Северном Ледовитом океане составляет 44 см, что согласно табл. 1 эквивалентно сумме градусо-суток положительной температуры, равной плюс 40°. А теперь делим 8400: 40 = 210. Следовательно, примерно во столько раз полюс обеспечивается теплом меньше, чем экватор. Итак, 190 и 210. Схождение близкое, а расхождения вполне могут быть в подобного рода расчетах из-за неточности задания исходных данных: занижения величин стаивания льда (например, на 5 см), завышения средней температуры воздуха над океаном по экватору, завышения суммы отрицательных температур на полюсе, наконец ошибками первоначального расчета и так далее,
Важно, что мы снова и независимо от ранее показанного, выявили альтернативный метод сравнения климатических контрастов и сходящийся результат подсчета, а также ещё одно свидетельство того, что полярные области действительно обеспечиваются теплом в сотни раз хуже, чем экваториальные.
Получили и сразу два метода нахождения этих различий: назовем первым, как более простой и верный, сравнение годовых (можно и сезонных) сумм градусо-суток положительной (можно и отрицательной) температуры и вторым – расчет теплового вклада отдельных климатических факторов: радиации, альбедо и количеств осадков для выделенных климатических зон. Практически мы получили методическую основу для разработки новой схемы климатического районирования земного шара, ибо, очевидно, что климат в первую очередь различается ресурсами тепла или холода, а затем уже факторами, определяющими эти различия и следствиями этих различий на развитии биосферы. Разумеется, что ещё придется оттачивать и сами методы, и способы получения исходных данных для оперирования этими методами, а затем уже применять те и другие в конкретных практических решениях.
А пока не знаю, как Вы читатель, сам не перестаю удивляться. Удивляться тому, что на нашей единой Земле, на махонькой частице Вселенной, обогреваемой единственным и единым источником тепла, Солнцем, к тому же всюду освещающим Землю, равными суммами времени, могут возникать такие разительные контрасты в обеспеченности теплом.
Удивляться тому, что размах этих контрастов определяется не столько различиями приходящей солнечной радиацией, как чисто земными, вторичными эффектами (альбедо, парниковым эффектом, атмосферной циркуляцией и т. д.), хотя начало начал – солнечное тепло.
Наконец, удивляться тому, как долго мы не знали таких удивительных свойств подвижных сфер Земли. А всё потому, что мы же люди, давно и много изучая Землю, пусть и непреднамеренно, но не мало запутали свои представления, за чем и скрылись эти контрасты. Если мы взглянем на мировые карты и таблицы радиационного баланса, то найдем полное согласие актинометрических приборных наблюдений с рассчитанными, относительно небольшими различиями радиационной напряженности, с которой освещаются разные широты земной поверхности и с которыми мы познакомились в начале этой книги.
Если познакомимся с широко разошедшимися табличными расшифровками оборота радиационной энергии на любом участке земного шара (Будыко, 1984), то увидим, что расход тепловой энергии всюду балансируется с приходом усвоенной радиации. Уже отсюда следует, что и все межширотные различия в приходе тепла к земной поверхности определяются якобы только различиями усвоенной солнечной радиации и ничем более. Наложенные на них различия в приходе тепла с атмосферной адвекцией, фиксируемые на каждом участке количеством сконденсировавшихся осадков, остаются в этом случае неучтенными. А если эти наложенные различия, как мы уже знаем, сами достигают десятикратного и более значения, то совместно с радиационными различиями конечные разности в приходе тепла возрастают до ста и более раз. Тут расчет простой: если какая-то область получает радиационного тепла в десять раз меньше, да ещё в десять раз меньше получает тепла с атмосферной адвекцией, то всего она получает тепла в 100 раз меньше, чем другая.
А если во встречающихся подписях к таким таблицам указано, что они характеризуют якобы весь энергетический баланс, а не собственно радиационный, то для других источников тепла здесь вообще места уже не остается и их вроде бы и не существует. Поэтому обнаруженные нами контрасты теплообеспеченности вовсе не следуют из современных энергетических балансов.
Так оказались скрытыми удивительные явления тепловой жизни Земли, эти самые контрасты. Но они есть. Различия более чем внушительные и ошибки в правильном определении этих различий могут иметь непредсказуемо пагубные последствия, как в характеристике климатических зон, так и в возможных мероприятиях по стабилизации или мелиорации климата.
Постоянное проживание в Якутии (60 лет) не мешало мне встречаться и переписываться с большими учеными: Михаилом Ивановичем Будыко, который работал над очередной своей монографией. Может быть и некстати, что разговор начал издалека. Спросил, заметил ли он ошибки В. В. Шулейкина в его описании хода фазовых превращений при намерзании и таянии льда, на что он недолго думая, ответил: Василия Владимировича я хорошо знаю. Это серьёзный ученый, он ошибаться не может! Вот и всё. Сдерживая себя, я вежливо ретировался. Стало ясно, что мой несостоявшийся собеседник не очень утруждает себя анализом чужих работ, во всём доверяя авторитету ученого. Похоже, что того же ждет и от своих читателей. Но я так и не осознал смысла его энергетических балансов поверхности Земли и не только этого. Некоторое время думал, что я сам прожженный тупица. Но вот… Разве можно оспорить даже один очевидный факт, что приход тепла к земной поверхности пока лучше всего оценивается суммой градусо-суток положительной температуры воздуха? А второй очевидный факт, что сравнение таких сумм надежно свидетельствует об их огромном различии на разных участках Земли? И разве маловажен тот третий факт, что такое сравнение независимо подтверждается численным анализом явлений, сопутствующих усвоению и переносу тепловой энергии над поверхностью Земли?
Теперь посмотрим, достаточно ли надежны оценки в распределении тепла по земной поверхности, опирающиеся лишь на радиационные балансы.
Вот типичная запись одной из строк табличной раскладки составляющих радиационного баланса R для океана на 70 ÷ 60° северной широты (ккал/см2 год):
R=LE+Р-А,
23 = 33 ÷ 16–26 = 23,
где LE – испарение; Р – потери в атмосферу; А – усвоение водной массой океана.
Доверие здесь внушает лишь измеренная величина R.
Остальные все величины измеряются в высшей степени ненадежно или вообще не поддаются измерению. Здесь-то и выручает сам принцип балансового расчета, при котором расход и приход тепла на каждом участке якобы должны, просто обязаны, сходиться. Всякое расхождение здесь вполне законно может быть, перекрыто так называемым остаточным членом, который окончательно скрывает все ошибки измерений и расчетов. Приблизительно верными подобные теплобалансовые расчеты оказываются лишь для областей, расположенных где-то близко к середине между крайними значениями контрастов теплообеспеченности, преимущественно в районе средних широт. И не потому ли табличные расчеты межширотного распределения энергетических балансов часто обходят вниманием самые высокие широты Земли, что как раз там «выскакивают» неожиданные, неподдающиеся объяснению и не согласующиеся с расчетами термические контрасты?
Вот и в выше показанной табл. 1 этот контраст выскочил в виде огромной разности между суммами градусо-суток положительной и отрицательной температуры. Его можно было не показывать, не находя ему объяснения. Но я встретился с ним второй раз и в новых обстоятельствах, а это уже что-то значит. Наконец, мне уже была известна закономерность неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов с атмосферой и обнаруженный контраст уже предполагался, и потому не удивил, а скорее успокоил.
А как было у В.В. Шулейкина я уже показал, но добавлю, что этот, прямо скажем, талантливый ученый, «генератор идей» мог бы раскрыть причину обнаруженного разбаланса «ледовитого моря», если бы ему не помешало то обстоятельство, что он не понял особенностей оборотов теплоты фазовых превращений при намерзании и таянии льда, о чем мы уже упоминали. Но он настойчиво искал причину разбаланса. Возникла мысль, что здесь остался неучтенный какой-то большой приход теплоты. Вначале он заподозрил недоучет теплового стока рек, но расчеты не подтвердили такой версии. Тогда он этот приход отнес на приток теплых вод из Атлантического океана, на чем и остановился. К сожалению, и эта версия не согласуется хотя бы с тем фактом, что атлантические воды доходят до Карского моря более двух лет и потому неминуемо полностью охлаждаются на пути. Так обнаруженный разбаланс остался не объясненным.
Неудачной оказалась и моя прежняя попытка объяснить этот разбаланс неординарным расчетом опять же теплового стока рек. И только когда созрело ясное представление о закономерности неравновесного теплообмена моря через ледяной покров, всё стало на свои места. Оказалось, что злополучный разбаланс объясняется не недостатком приходящего к морю тепла, а неравновесно по отношению к воздействующей сумме градусо-суток отрицательной температуры воздуха, малой потере тепла, прикрываемого покровом льда в течение долгой зимы. Лёд не только оберегает море от глубокого промерзания, но и, как видно, долго укрывал от нас реальную картину соотношений тепла и холода в полярных областях.
Глава 5. Из открытия следует…
… Пора чудес прошла, и нам Подыскивать приходится причины всему, что совершается на свете.
Уильям Шекспир
Незаметно мы, кажется, поднялись на один из трудных «перевалов» этой книги. Трудно не только добывать новые знания, но и понимать их. Ну, а уж если мы оказались на высоте, то надо осмотреться – что же собственно дает нам вновь добытое знание?
5.1. Когда теплообмен через лёд становится равновесным
Естественно желание всякое вновь добытое знание проверить в деле. Усмотрев общую правильность открытой закономерности неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов с окружающей средой, я решил представить, а что было бы на Земле, если водоёмы, лишившись теплозащитной роли льда, стали обмениваться теплом с атмосферой так же, как обменивается многолетняя мерзлота?
И вот, вглядываясь в карту нашей страны, мысленно представил такую картину: полярные моря и многочисленные озера стали промерзать в глубину. Промерзание шельфов, мелководных заливов и проливов нарушило водообмен Северного Ледовитого океана с Мировым океаном, что повлекло новые климатические деформации. Промерзание морей на шельфе достигло дна. Льды стали аккумулировать твердые осадки, из-за чего на них начали подниматься ледники. Нарушенный водообмен Северного Ледовитого океана привел к аккумуляции увеличенного пресного стока многочисленных крупных рек. Подпруженные поднятым уровнем океана и льдом реки образовали на северных низменностях Сибири обширные водоёмы, переливающиеся в низины Средней Азии. Увеличились площади водных поверхностей Каспия, Арала и так далее.
Рис. 7. Последний Евразийский ледниковый покров.1 – свободный от ледников океан; 2 – пресноводные бассейны; 3 – свободная ото льда суша; 4 – границы ледников; 5 – линия движения налегающих на ложе (а) и плавучих (б) ледников; 6 – уровни внутриконтинентальных бассейнов (относительно современного уровня океана); 7 – сток приледниковых вод. Буквенные символы – условные наименования ледниковых щитов (по М. Г. Гроссвальду, 1983).
Каково же было моё удивление, когда, познакомившись с книгой М. Г. Гроссвальда (1983), я увидел почти точно такую же зарисовку явлений, случившихся всего 18…20 тыс. лет назад! (рис. 7). Но это был уже не домысел, а результат обобщения обширнейших материалов по изучению следов последней ледниковой эпохи. Труд десятков морских и наземных экспедиций, лабораторий, определявших возраст и происхождение морских осадков и наземных пород, сотен специалистов, изучавших многочисленные следы бывших оледенений достоин уважения и доверия.
Но мысленно развивая своё видение возможных событий, я допустил «отключение» действия закономерности неравновесного теплообмена замерзающих водоемов с окружающей средой, а разве это может быть? Может, если летнее стаивание (абляция) льда в полярных областях вовсе прекратится. Тогда ледяной покров начнет обмениваться теплом с атмосферой, как и вечная мерзлота, туда и обратно лишь кондуктивной теплопроводностъю и поэтому океан станет неуклонно промерзать. Из-за большой удельной теплоемкости фазового превращения воды в лёд и из-за того, что в литосфере связанная вода составляет не более 20–25 % объёма, промерзание водоёма будет происходить в 4…5 раз медленнее, чем литосферы и лишь достигнув дна продолжится так же, как в литосфере.
Итак, оказывается, что достаточно исключить поступление того мизерного количества тепла, то есть суммы градусо-суток положительной температуры, равной 30…70°, которой обеспечивается сейчас Северный Ледовитый океан летом, чтобы абляция прекратилась и началось глубокое промерзание плавучего льда, а затем и оледенение. Причем понижения зимней температуры, что всегда считалось необходимым условием для начала оледенений, вовсе не требуется.
Зимой температура может даже повыситься на 10…20°, а оледенение от этого не прекратится, а скорее даже ускорится, ибо теплые зимы в Арктике характеризуются увеличением твердых осадков.
Как не удивиться тому, чего мы до сих пор не знали? Оказывается, многие окраины суши северного полушария (кроме уж «отпетой» Гренландии) находятся на волоске от ждущего их оледенения. В ряду размаха температуры, которой характеризуются все широты Земли, составляющего более 120° в интервале от плюс 40° до минус 80 °C достаточно сдвинуться летом ртутному столбику термометра всего на 2–3 °C ниже, чтобы в северной полярной области прекратилось таяние льда и началось новое, далее саморазвивающееся оледенение.
С незапамятных времен и до сих пор оледенения всегда прямо связывались с предшествующими им зимними похолоданиями. Это внешне логичная посылка оказалась ошибочной, уведшей многих исследователей от истины. Она сыграла трагическую роль и в становлении астрономической теории оледенений. Югославский ученый М. Миланкович автор крайне трудоемкой и громоздкой математической теории, призванной найти связь многовековых изменений солнечной инсоляции с оледенениями, посвятил ей 30 лет своей жизни. Он показал, что вследствие изменений условий вращения Земли вокруг Солнца (эксцентриситета), прецессии и наклона собственной оси, расстояния разных точек ее поверхности от нашего светила, хотя и немного, но изменяются, из-за чего меняется и напряженность радиации. Расчеты велись применительно к последнему миллиону лет существования Земли и выявили, что главные циклы колебании инсоляции вследствие изменения эксцентриситета земной орбиты составляют 100 000 лет, наложенные на них циклы изменения наклона земной оси – 41 000 лет и циклы прецессии (предварение равноденствий) – 22 000 лет. Комплексные исследования следов оледенений подтверждали, что именно в эти периоды и происходили оледенения, по крайней мере, последние, но как пишется в упомянутой книге американских ученых Дж. Имбри и К. П. Имбри (1988, с. 130): «… специалисты выявили несообразности в самих расчетах Миланковича. Судя по ним, летние температуры в ледниковые эпохи должны были падать на 6,7 °C ниже современных, что выглядело достаточно правдоподобным. Однако зимние температуры, по тем же расчетам, были тогда на 0,7 °C выше, чем в настоящее время, что многими представлялось совершенно невероятным».
Сами Имбри горячие сторонники теории Миланковича, в заключение книги пишут, что «… главной, наиболее важной задачей теперь становится выяснение природы физических механизмов, делающих климатическую систему высокочувствительной к умеренным колебаниям инсоляции» (с. 232).
Эту задачу сама собой решает охарактеризованная выше закономерность. Из неё прямо следует, что именно понижение летней температуры на несколько градусов и необходимо, чтобы выключился, защищающий полярные моря от оледенения, неравновесный теплообмен с внешней средой. Вот и весь секрет природы этого физического механизма.
Моменты начала оледенения и его окончания определяются непросто падением или повышением температуры на несколько градусов, а переходом летней температуры в сторону только отрицательных значений при похолодании в преддверии начала оледенения и возвратом перехода через 0 °C при потеплении в начале его деградации. Только в эти моменты выключается и снова включается механизм неравновесного теплообмена внешней среды с ледяными массами. В данном случае именно со всеми ледяными массами, в том числе слагающими ледники, а не только с ледяным покровом водоёмов. Те же ледники суши пополняют свою массу только путем аккумуляции твердых осадков, а расходуют её при абляции и медленном пластическом растекании под действием силы тяжести.
И здесь абляция начинается непросто с повышения температуры, а с переходом ее через 0 °C в сторону положительных значений.
Только начавшись, она вызывает действие новых факторов, ещё более усиливающих абляцию у стаивающего льда, альбедо снижается и усвоение тепла солнечной радиации увеличивается; снижение высоты ледника выводит его под снеговую линию[3], где таяние ещё более ускоряется; наконец, прогревание ледяных масс до 0 °C ускоряет их пластическое растекание и так далее. Поэтому же деградация ледников происходит более интенсивно, чем начинается их формирование.
Большой интерес вызывает проблема синхронности (или асинхронности) оледенений обоих полушарий Земли. Эта проблема остается нерешенной. И она действительно сложна. Но мы и здесь получаем новую возможность ее частичного решения. Пожалуй, наибольшую сложность в становлении верных представлений об оледенениях полярных областей обоих полушарий Земли обусловливает тот факт, что оледенения здесь охватывают и сушу (Антарктида и Гренландия), и моря. Их строгое решение, вероятно, будет достигнуто, если будет оказано большое доверие астрономической теории и представлению о неравновесности теплообмена ледяных масс с внешней средой при абляции их поверхностей, что, как мне представляется, следует отнести к главным побудительным причинам возникновения и деградации оледенений. Другие во множестве предполагавшиеся причины оледенений, если и верны, то скорее всего характеризуют лишь наложенные явления, инициирующие ход оледенений в ту или иную сторону.
Так, в настоящее время, когда летом южное полушарие Земли оказывается ближе к Солнцу (в перигелии), а северное полушарие дальше (в афелии) и соответственно южное полушарие летом получает солнечной радиации больше, чем северное, должна наблюдаться асинхронность морского оледенения. И она имеет место, выражаясь в том, что в южных полярных морях многолетнего льда не образуется (исключая льды, утолщенные торошением или отколовшиеся от ледников), а в Северном Ледовитом океане они устойчиво сохраняются, хотя и подвержены некоторому стаиванию, из-за чего перестают наращиваться по достижении равновесной толщины, то есть состояния, когда стаивающий и намерзающий слои становятся равными. Однако при том же положении наклона земной оси и при тех же сезонных положениях полярных областей в перигелии и афелии, но при общем многовековом удалении Земли от Солнца (100 тысячный цикл эксцентриситета), вследствие которого радиация ослабнет, вызвав переход летней температуры через 0 °C и на южном полушарии, оледенения на обоих полушариях должны происходить одновременно.
Оледенения на суше, поднявшиеся выше снеговой линии, например Антарктиды и Гренландии, намного меньше зависят от изменений солнечной радиации, поскольку постоянно находятся в среде со среднегодовой отрицательной температурой воздуха. Изменения их массы находятся в большой зависимости от общеглобальных синхронных для обоих полушарий изменений режима испарения Мирового океана и конденсации атмосферной влаги. Однако краевые участки этих наземных оледенений, спускающиеся ниже снеговой линии, могут испытывать асинхронные отступления и наступления оледенений, за которыми следуют и изменения массы самих ледников вплоть до их полной деградации. Вероятно, поэтому Гренландия, имеющая площадь в 6 раз меньшую, чем Антарктида, чаще полностью освобождалась ото льда, чем южный полярный материк. Как видим, новый взгляд на особенности теплообмена ледяных масс с внешней средой дает пищу для оценок событий уже случившихся и еще ожидаемых ледниковых эпох (Файко, 1989).