Лев Иванович Файко
Дерзкие мысли о климате
5.2. Талый сток – переносчик энергии
Выше было показано, что представление о стоке талых вод со льда, как частном случае изотермической конвекции, позволило завершить обоснование физической состоятельности выявленной закономерности больших различий в интенсивностях высвобождения и усвоения теплоты фазовых превращений при намерзании и таянии плавучего льда, а далее и объяснить ряд новых явлений, которые из него следуют.
Но талый сток осуществляется не только с плавучего льда, но и с ледников, и с ещё больших площадей суши, ежегодно покрывающихся снегом. И здесь должны быть какие-то теплофизические следствия этого, так широко распространенного явления. Нельзя сказать, что в теплообмене с участием талого стока вообще ничего неизвестно. Мне известна работа (О. П. Чижова и др. 1968, с. 105), в которой указывается, что «талые воды полностью стекают по уклону ледниковой поверхности и уносят с собой теплоту таяния», но более широких заключений по этому поводу не встречалось.
Рассмотрим детальнее это явление, но начнем снова с плавучего льда. Многие годы наблюдая стаивание снега вблизи Якутска, которое обычно завершается к концу апреля, и стаивание льда на озерах, реке и с искусственно намороженных ледяных массивов, интенсивно происходящее с начала до конца мая, мы определили среднюю величину стаивания льда и снега, приведенного к плотности льда, равной 3,5 см в день. Оно может изменяться вдвое и больше в обе стороны в зависимости от температуры воздуха, облачности, экспозиции ледяных поверхностей и так далее, но в среднем составляет показанную величину. Эта величина эквивалентна усвоению льдом более 1 кДж/см2 за сутки или 32,6 кДж/см2 за май месяц. Последняя близко сходится с полученной вблизи Якутска средней величиной радиационного баланса R, то есть прихода тепла от поглощенной солнечной радиации после вычета эффективного излучения.
Следовательно, здесь имеет место примерное равенство R ≈ Q+, где Q+ – количество тепла, усваиваемое при плавлении льда.
Заметим, что масса открытого водоёма нигде и никогда не способна так интенсивно усваивать радиационное тепло. Если бы это могло быть, то озеро глубиной в 78 см даже в Якутии к концу мая уже бы закипело! Но может быть мы ошибаемся, может быть в величину R вошла еще теплота окружающего воздуха? Это не сложно проверить, изолировав наблюдаемый участок тающего льда прозрачной пленкой, что мы и делали неоднократно. Но оказывается, что при этом таяние льда намного ускоряется и составляет уже более 5 см за день. Следовательно, адвекция не дополняла количество теплоты, а пленка исключала сопровождающие теплопотери и приход тепла стал определяться практически полной величиной поглощенной радиации, равной 49 кДж/см2 в месяц, что соответствовало и прямым ее определениям.
Объясняется же увеличенное усвоение тепла водоёмом с тающим льдом тем, что в этот период вода, покрытая им, не способна испаряться, а лучистая теплота не может превращаться в теплоту, то есть расходоваться на ещё более теплоёмкое фазовое превращение. Этот расход на открытых нагревающихся водоёмах составляет значительную, а иногда почти всю величину тепловой энергии, достигающей его поверхности.
Итак, оказывается, что при таянии ледяного покрова водоем изотермически усваивает тепловую энергию, идущую на увеличение его энтальпии, всегда более интенсивно, чем оставаясь открытым, что объясняется отсутствием испарения в период таяния.
Как видно, ледяной покров не только намного сокращает потерю тепла водоёмом зимой, но и весной усваивает его больше, чем открытая поверхность воды, имеющая, кстати, намного меньшее альбедо, чем тающий лёд. По нашим оценкам, в частности по наблюдениям за стаиванием льда на р. Лене, в этот период масса озера с притоком талой воды, вносящей теплоту плавления, усваивает радиационного тепла по крайней мере в 5 раз больше, чем ежесуточно усваивается ею в самое теплое время года на нагревание воды и дна. Впрочем, и после схода снега и таяния льда на водоёмах тепла усваивается, например, в Центральной Якутии, по крайней мере вдвое больше, чем при прогревании почвы. Это объясняется существенным различием форм усвоения тепла водой и почвой, в частности тем, что усвоение тепла почвой регламентируется ее теплопроводностью и ограниченностью или исключением конвективного теплообмена. Поэтому же, несмотря на большее альбедо, лёд намного лучше усваивает при таянии тепло, чем почва за весь летний сезон. Так, в якутском поселке Оймякон почва способна усвоить, вместе с затратами тепла на испарение 142 кДж/см2, а при таянии льда может быть усвоено более 480 кДж/см2, то есть почти в 3,5 раза больше. Об этом свидетельствуют факты.
Из этих сравнений следует, что далеко не всегда количество усвоенного земной поверхностью радиационного тепла регламентируется лишь ее альбедо, но определяется и иной способностью разных сред усваивать поступающее тепло. В частности, при таянии снега и льда тепла усваивается всегда намного больше, чем при простом нагревании любых иных природных масс, включая и открытую воду. Как видно, обыденное представление о льде, как о «растратчике» тепла, оказывается далеко не всегда верным, ибо он является и наиболее активным «поглотителем» теплоты плавления.
Поступление талого стока в водоём, увеличивая его энтальпию, не приводит к повышению температуры воды. Это обстоятельство дает основание отдельным исследователям заключать, что развитие знаний о привносе тепла с талым стоком якобы лишено смысла, поскольку не определяет каких-либо явно фиксируемых и видимых последствий в водоёме. Но это неверно. Талый сток привносит с собой весьма значительное, во многих случаях, например, в невскрывающиеся водоёмы, основное количество тепла, увеличивающего их энтальпию, что, например, на непроточных озерах выражается в ускоренном замещении льда водой или увеличении уровня воды.
Действительно, если пренебречь обменом тепла при всех фазовых переходах и сопровождающимся изменением массы водоёма при этом, что нередко ранее допускалось, то представление о талом стоке становится лишним. Но именно пренебрежение этими элементами теплообмена определяло ошибочность или полную безуспешность многих теплобалансовых расчетов замерзающей гидросферы.
Участие талого стока в термике водоёмов суши начинается на их водосборных бассейнах и потому не может рассматриваться в отрыве от них. Таяние природных снежно-ледяных образований (снежного покрова, ледников, плавучих льдов) почти всегда заканчивается гравитационным стеканием талых вод в пониженные участки рельефа, то есть, в конечном счете, в водоёмы (хотя бы и временные), а значительно реже и меньшей долей – в нижние горизонты почвогрунтов.
Энтальпия талой воды ещё до ее поступления в водоем увеличивается на общее количество тепловой энергии Qв, которое слагается из последовательно усвоенных величин:
Qв=Qп+Qл+Qн,
где Qп – тепло, усвоенное при прогревании снега или льда до температуры плавления; Qл – теплота плавления, усвоенная при таянии снега и льда; Qн – тепло, усвоенное при нагревании талых вод за период их стекания (адвекции).
Далее уже из закона сохранения и превращения энергии прямо следует, что со стекающей талой водой уносится и вся усвоенная ею тепловая энергия, ибо очевидно, что она никуда не исчезает. Это явление характерно для всех заснеженных или оледенелых поверхностей, периодически испытывающих таяние, и потому должно учитываться всюду, где оно имеет место. Например, применительно ко всем заснеженным областям, сезонно достигающим на Земле площади более 110 млн. км2, известное уравнение теплового баланса земной поверхности должно быть откорректировано введением уходящей с талым стоком адвективной величины: Qв:
R = LE + P + A + QB,
где L – удельная теплота парообразования; Е – скорость испарения; Р – турбулентный поток тепла между земной поверхностью и атмосферой; А – поток тепла между земной поверхностью и нижележащими слоями.
Поскольку усвоенная при таянии снега теплота в конечном счете сносится талыми водами в водоёмы, то очевидно, что энтальпия последних, отнесенная к единице площади или ко всей площади водоёма, соответственно увеличивается настолько, насколько площадь водосборного бассейна водоёма оказывается больше его собственной площади.
Отсюда следует, что тепловой баланс, например, бессточного озера криосферы, может быть выражен таким общим уравнением:
R + nQB = LE + P + Qm + Qg,
где левая часть уравнения характеризует приходные статьи баланса, правая – расходные;
QB – усвоенная при таянии снега теплота; n-число, характеризующее отношение площади водосборного бассейна к площади зеркала водоёма; Qm и Qg – количество тепла, усваиваемого соответственно при прогревании массы воды и дна водоёма, R может быть и отрицательной величиной.
Из этого следует, что сток талой воды с окружающей суши завершается аккумуляцией озером тепловой энергии, усвоенной им за период формирования талого стока. Поняв это, нам удалось впервые замкнуть годовой тепловой баланс бессточного озера криолитозоны и выявить ошибки балансовых расчетов, в которых эта величина не принималась во внимание.
5.3. Связь изменений интенсивности радиации с оледенениями и колебаниями уровня океана
Гляциологами опубликовано целый ряд догадок и гипотез, названных даже теориями, должных объяснить странную взаимосвязь астрономических изменений интенсивности солнечной радиации с оледенением и изменениями уровня Мирового океана. Странными представлялись две особенности оледенений, выявленные при расшифровке их следов разными современными методами: во-первых, ход развития и деградации оледенений отнюдь не соответствовал плавному синусоидальному ходу изменений солнечной радиации, а происходил скачками; во-вторых, разрастания ледников и их дегляциация по времени протекания оказывались далеко несимметричными событиями, поскольку последнее происходило в несколько раз более интенсивно, чем разрастание ледников. Примерно синхронно с оледенениями изменялся уровень Мирового океана с размахом до 100–160 м за цикл оледенения. Причем все исследователи единодушны во мнении, что причиной изменений уровня океана было либо изъятие воды через испарение, на формирование ледников (падение уровня), либо деградация оледенения (повышение уровня).
Сопоставление всех трех событий и их особенностей можно выразить графиком, заменив изменение интенсивности радиации, отвечающим ему изменением хода температуры воздуха в летний период в полярных областях или вообще в регионах, характеризующихся возникновением ледниковых покровов (рис. 8).
Из графика видно, что плавно изменяющаяся температура даже с небольшим размахом амплитуды, примерно до 6–7 °C, в оледеневающих областях либо поднимается летом выше 0°, либо вообще не достигает 0 °C в течение длительного (в несколько тысяч лет) периода. Эти периоды по продолжительности равны между собой. Тенденции резких изменений, как в развитии оледенения, так и особенно в его деградации, приурочиваются к переходу летних температур воздуха через 0 °C. То же происходит и с изменениями уровня Мирового океана.
Это вполне убедительно может объясняться тем, что при переходе температуры через 0 °C в сторону положительной (пунктирная вертикаль ac) на всех ледниках, попадающих в зону хотя бы кратковременного её влияния, начинается абляция, резко увеличивающая расход ледяного материала над оставшимся постоянным приходом твердых осадков к леднику. На плавучих льдах в таком случае восстанавливается неравновесный теплообмен с атмосферой, исключающий дальнейшее наращивание толщины льда и приводящий к сокращению его массы. Этим и объясняется угловатый характер графиков хода оледенений и изменений уровней океана. Гляциологи называют такие графики «пилой». Но, как видно, пила эта асимметрична и зубья на ней следуют не сразу один за другим, а как бы с некоторыми интервалами, соответствующими увеличению межледниковых периодов в сравнении с периодами оледенений. А объясняется эта закономерность, как мы уже знаем, тем, что лёд тает намного быстрее, чем намерзает или накапливается от всегда ограниченных в полярных областях осадков.
Рис. 8. Ход древних оледенений и изменений уровня океана на фоне изменений температуры воздуха.
При следующем затем через несколько тысяч лет с астрономической необходимостью понижением летних температур, исключающем их переход выше 0° (вертикальный пунктир bd), на плавучих льдах неравновесный теплообмен с воздухом прекращается и они начинают медленно и все с большим замедлением наращивать толщину. Соответственно увеличивается и масса ледников суши и понижается уровень океана. Климат медленно, но верно приближается к вершине оледенения.
Нам конечно интересно узнать, на какой стадии последовательности этих событий находится сейчас Земля. Для этого мы почерпнем некоторые сведения из книги «Взаимодействие оледенения с атмосферой и океаном» (1987), написанной группой ведущих советских гляциологов.
В частности, один из её авторов, А. Б. Казанский, обобщая данные советских и зарубежных ученых, сообщает, что в цикле позднего плейстоценового оледенения уровень океана около 20 тыс. лет, поднимался, после чего 100 тыс. лет убывал. Значит, за 20 тыс. лет предшествующее оледенение деградировало, затем 100 тыс. лет развивалось новое оледенение.
В настоящую эпоху уровень океана находится на отметке от + 100…120 м до + 160…180 м (по данным разных авторов) над уровнем, который оставил следы 15…17 тыс. лет назад. Иными словами, мы живем в стадии продолжающейся деградации оледенения и подъема уровня океана. По некоторым расчетам подъем уровня должен составлять около 1 см за год, но по данным фактических наблюдений он составляет 1–2 мм в год. Отсюда следует, что положение современного состояния Земли с большей вероятностью соответствует межледниковому периоду, однако, уже недалекому к завершению. Если это предположение расценивать как прогноз предстоящего изменения климата, то он совпадает с изложенным уже выше прогнозом гляциологов, но базирующемся на иных связях между явлениями.
Из этого прогноза, в частности, следует, что нам не грозит опасный подъем уровня Мирового океана, а если по каким-то причинам он будет подниматься, то с интенсивностью не более, чем 1 см в год, а это, согласитесь, для человека не страшно.
5.4. Наклон земной оси и климат
Уточним некоторые нюансы различий между представлениями о наклоне солнечных лучей и наклоне земной оси, поскольку за этим следуют новые догадки о природе климатов, когда их начинают определять ледовые явления.
Под выражением «наклон земной оси» обычно понимается наклон оси вращения Земли к её эклиптике, то есть к плоскости, по которой она вращается вокруг Солнца. Этот наклон в наше время составляет около 23°. Наклон земной оси является причиной изменений (именно изменений!) наклона солнечных лучей к земной поверхности в течение года и существования слишком нам привычных сезонов года. Уровень наклона земной оси определяет и климаты высоких и средних широт. Не было бы наклона оси, мы не знали бы, что на Земле могут быть зима и лето и много того, что они несут с собой и без чего жители средних и высоких широт с трудом могут представить, как изменится их жизнь. А нам необходимо хотя бы приблизиться к представлению об этом, поскольку имеется достаточно свидетельств, что земная ось не оставалась и не остается на месте.
Заодно уточним и то обстоятельство, что угол наклона солнечных лучей практически определяется двумя причинами: во-первых, шаровидностью вращающейся Земли; во-вторых, самим наклоном земной оси при вращении нашей планеты по эклиптике.
Вопрос о том, как изменялся климат от наклона земной оси в течение всей истории Земли достаточно уверенной расшифровки, кажется, еще не получил. Такие определения чрезвычайно осложняются нестабильностью многих ориентиров на земной поверхности: дрейфом и расползанием континентов, перемещением магнитных полюсов, горообразовательными процессами и, наконец, сложностью поисков и расшифровки иных индикаторов перемещения полюсов, где мысленно должны бы «вылезть концы» земной оси.
Советский ученый А. С. Монин надо думать, правильно считает, что «в течение приливной эволюции с временами порядка 109 лет наклон экватора к эклиптике увеличивался, а скорость вращения Земли уменьшалась. Литологические, палеонтологические и палеомагнитные данные свидетельствуют о глобальных перемещениях полюсов (а может быть и континентов) со временем порядка 108 лет. Наклон экватора к эклиптике и элементы земной орбиты колеблются с периодом 105 лет. Эти три фактора несомненно создавали существенные изменения климата в течение истории Земли…» (Монин, 1972, с 5).
Итак, мы находим, что предположения о возможности изменения наклона плоскости экватора, а значит, и наклона земной оси к плоскости эклиптики вовсе не лишено смысла. В таком случае посмотрим, как изменялся бы климат Земли, если бы ось ее вращения стала перпендикулярной плоскости эклиптики, что с точки зрения космогонии представляется вроде бы случаем даже более вероятным, чем какой-либо вообще наклон оси вращения.
Однако по новейшим данным, изменения угла наклона оси составляют от 22° 07́ до 24°57́ при современном его уменьшении со скоростью около 0,44́ за год. Следовательно, принятое нами условие перпендикулярности оси к эклиптике оказывается заведомо нереальным, но анализ такого крайнего случая позволяет увидеть тенденцию в изменениях климатов при уменьшении, а значит, и увеличении угла наклона оси.
Сразу заметим, что никакие изменения наклона оси, как и иные причины, определяющие стабильность или изменения наклона солнечных лучей, на вращающейся планете не способны нарушить строгого равенства времени освещения и затемнения каждого участка ее поверхности за полный оборот вращения по эклиптике. Если сказать точнее, то за счет рефракции (преломления) лучей в атмосфере освещение оказывается чуть дольше затемнения, что для наших рассуждений особого значения не имеет. При вертикальном, по отношению к эклиптике, положении земной оси освещенность и затемненность равными интервалами времени будут сменяться ежесуточно. На полюсах исчезнут полугодовые полярные дни и ночи. Наклон солнечных лучей будет определятся лишь шаровидностью Земли, из-за чего сохранится современная разность напряженности солнечной радиации между полюсами и экватором. Исчезнут современные различия внутригодовой освещенности полушарий при переходе Земли по своей орбите от афелия к перигелию, поскольку исчезнут сами сезоны.
Примем, что положение материков и океанов сохраняется в современных очертаниях. Теперь посмотрим, как отзовется на климате вертикальное, по отношению к эклиптике, положение земной оси. Наша приверженность к балансам и к слепому следованию предписаниям Второго начала термодинамики невольно рисуют нам какую-то серую середину термического состояния общеземного климата, если зима и лето перестанут различаться. Кажется, что вблизи северного полюса навсегда установится средняя температура около минус 18 ÷ 20 °C, а значит, будет господствовать оледенение. То же в Антарктиде. На других широтах изменения не лучше, а на экваторе минимальные. Но не будем поддаваться магии усреднения и взглянем на проблему нестандартно. Начнем с определения различий в поглощении солнечной радиации. Сейчас радиационный баланс на экваторе составляет 480 кДж/см2 за год. Поскольку годовые изменения радиации в мыслимом представлении утрачивают смысл, запишем приход радиационного тепла за сутки. Он составит 1,3 кДж/см2. Как изменится приход солнечной радиации на полюсах будет зависеть от того, сохранится ли там или исчезнет лёд, то есть уменьшится или нет альбедо.
Тут подошло время привлечь для оценок закономерность неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов с внешней средой и ту особенность льда, которой определяются различия в интенсивностях разрастания и угасания оледенений. Соответственно и явления на море и на суше придется рассматривать раздельно. И вот что, оказывается. Как бы мы придирчиво не считали, но тот установленный факт, что теплота кристаллизации из ледяного покрова высвобождается намного менее интенсивно, чем усваивается теплота плавления, приведет к тому, что Северный Ледовитый океан неминуемо вскроется. Разгрузка ото льда Арктического бассейна скорее всего будет происходить скачкообразно в те периоды полного оборота Земли вокруг Солнца, длящегося 365 суток с небольшим, когда она будет находиться в перигелии и Солнце здесь будет светить с той же увеличенной интенсивностью с какою освещает в наше время Антарктику летом. Наконец, полностью вскрывшийся Северный, переставший быть ледовитым, океан станет усваивать радиационного тепла примерно в 4 раза больше, чем сейчас усваивает лёд и его безледное состояние, можно полагать, окажется устойчивым. Таким образом, хотя и недостаточно уверенно, мы склоняемся к мнению, что вследствие уменьшения наклона земной оси к плоскости эклиптики более вероятной представляется тенденция к уменьшению ледовитости полярных бассейнов.
Как ни странно, исчезновение ледников суши, даже при некотором повышении средней температуры воды и воздуха, представить сложнее. Поднявшись выше снеговой линии, они оказываются под надёжной защитой низкой температуры верхних слоев атмосферы. В то же время с увеличением температуры воздуха на уровне моря можно ожидать увеличения общего испарения океана и соответствующего увеличения конденсации пара, а значит, и увеличенной аккумуляции снега на ледниках. Возможность выживания ледников будет зависеть, с одной стороны, от скорости накопления на них снега, с другой – от интенсивности их теплового разрушения ниже снеговой линии, то есть сокращения площади их распространения. В этих условиях дольше всего просуществуют большие ледники, расположенные на высоких отметках суши и в высоких широтах. Если представить современную карту оледенения суши, то наиболее живучим окажется ледяной купол Антарктиды.
С увеличением испарения океанов надо думать последует увеличение теплоохранной роли парникового эффекта, что вызовет общее повышение и межширотное выравнивание температуры воздуха и поверхности океана и суши. Как видно, мы не исключаем возможность потепления климата Земли без изменений прихода тепла к ней от Солнца, а лишь за счет трансформации ее естественных возможностей теплообмена, вызываемой изменением угла наклона земной оси к плоскости эклиптики. Теперь уже не сложно представить, что в случае увеличения угла наклона оси, более современного, можно ожидать и соответствующего похолодания климата.
Здесь можно фантазировать и далее, но не станем поддаваться этому соблазну, ибо все здесь представляется пока очень призрачным и неясным. Важно, однако отметить, что подобные оценки, с основательным подходом к ним, в будущем обязательно потребуются и они не обойдутся без привлечения представления о закономерности неравновесного теплообмена замерзающих водоемов с окружающей средой.