Лев Файко
Дерзкие мысли о климате

Посвящается горячо любимому мужу, отцу и деду. Эта работа написана им незадолго до кончины. Рукопись лежала в домашнем архиве, ждала своего часа – быть опубликованной, как завещал автор.

Будем знакомы!
(Вместо предисловия)

Интригующее название книги вероятно у многих читателей, а у ученых особенно, уже возбудило вопрос: а кто собственно её автор, осмелившийся дерзить или дерзать в столь древней области знаний? или и сюда уже проник задиристый неформал?

Замечу, однако, что автор этой книги не новичок в науке. Но шёл он к ней путями не совсем обычными. Я долго искал своё призвание и потому пытался получить высшее образование по четырем разным специализациям: радиотехнике, инженерному строительству, гуманитарному профилю и, наконец, по физической географии. 24 семестра тянулось такое обучение и только 4 очное. Зато последние 12 семестров географического факультета были преодолены за полтора года. Но в дипломной работе впервые «надерзил» – осмелился не согласиться с некоторыми видными учеными и с преподавателями, от которых получал знания. С большим трудом отстояла меня экзаменационная комиссия, оценив работу на «тройку». А через два года эта работа, минуя аспирантуру, стала кандидатской диссертацией, без сучка и задоринки защищенной в Институте географии АН СССР в Москве. Предметом исследований было ледовое явление, а я стал, ко всему прочему, ещё и гляциологом. Дошло и до докторской диссертации, однако же не запланированной и неординарной.

Здесь «дерзость» не прошла: большинство членов Совета работу одобрили, но одного голоса «за» всё же не хватило.

С тех пор тревожит жгучий вопрос – как же мы одолеем догматизм, самую опасную беду науки, если авторитетным ученым дано право лишь одной третью голосов подавлять новую мысль, рождающуюся, как правило, у одиночек? Почему в науке ущемлен элементарный демократизм, мнение простого большинства? Ведь за высокопоставленным подавлением новой мысли автоматически следует запрет на её развитие. И всё-таки я написал ещё одну, уже на другую тему, докторскую диссертацию. И её по негласному совету сверху «зарезали» на так называемой «предзащите». Дерзкие мысли оказались в западне.

Поставив до поры крест на высшую ученую степень, развязал себе руки и отрешившись от всяких хорошо оплачиваемых научно-административных должностей, вне всяких утвержденных планов НИР (научно-исследовательских работ), начал работать над этой книгой, не имея ещё ни малейшей надежды на её опубликование. Но вот подошла перестройка, гласность, свобода разномыслия и ситуация резко изменилась.

Так что по характеру интересов и основной деятельности автор ученый, а по форме – неуч. Значит так и есть, что «неформал». Вот такой невеселой шуткой и ограничим пока наше первое знакомство.

О чем эта книга?
(Вместо введения)

«… Преодоление препятствий само по себе есть осуществление свободы…».

К. Маркс

О природе сейчас пишут много, да так часто одно и то же, что, взяв в руки всякую новую книгу о ней, думаешь – а вдруг и здесь опять то же, уже приевшееся?

Спешу упредить читателя – отбрось сомнения, здесь не то же самое. Здесь мысли, вырвавшиеся из пут застоя в естествознании. О таком застое мы наслышаны ещё мало, но он есть и, как во всяком деле, здесь прижившиеся ошибки и шаблоны немало сдерживают общее развитие наук о Земле.

Эта книга полезна всем, кто хорошо осознал или ещё не осознал, что Земля – это наш единый дом, кто любит порядок в своём доме, кто болеет душой за судьбу своего дома, необходимого не только нам, но и нашим потомкам на многие тысячелетия.

Сейчас думы о Земле повсеместно и постоянно фокусируются на понятии «экология» – учении о взаимодействии человека и всего живого с окружающей неживой природой. Однако состояние самой экологии в первую очередь и повсеместно зависит от климата. Даже незначительные его трансформации вызывают чувствительные изменения существования не только для всех бегающих и плавающих живых существ, и растительности, но и для человека и его производства. Вот почему тревога о климате и о возможности его изменений звучит ныне, хотя и не столь часто, как о возможном нарушении экологии, зато она неизбежно присутствует почти в каждом сетовании на экологию. Здесь всё усложняется ещё и тем, что на отнюдь неясные проблемы вероятности естественных изменений климата накладываются зримые, но столь же неясные и мрачные перспективы непреднамеренных воздействий человека на климат.

Но самая страшная, обескураживающая человеческий разум правда состоит в том, что до сих пор мы мало достоверно знаем о механизмах, формирующих климат, и потому всякие наши рассуждения о возможности воздействия на него в лучшем случае сказываются сомнительными и, вполне вероятно, что часто вовсе неверными. Пока мы беспомощны перед угрозами изменений климата. Тридцать ведущих ученых-климатологов из 14 стран мира это хорошо осознали. Собравшись вместе, они не смущаясь, констатировали: «Мы встревожены тем, что существуют большие и серьёзные пробелы в наших знаниях о тех процессах, которые определяют климат». (Непреднамеренные воздействия на климат, 1974, с 14).

Такое заключение актуально по сей день. Я убедился в этом, лично участвуя в Международном симпозиуме на тему «Взаимодействие оледенения с океаном и атмосферой», состоявшемся осенью 1990 года в Ленинграде (Санкт-Петербург). Здесь было сообщено о многих новых наблюдаемых фактах, не получивших объяснения, но практически не сообщено ни об одной новой обещающей концепции по основам природы климатоформирования. В этом главном вопросе неясностей не убавилось.

В предисловии к русскому переводу вышеназванной книги её ответственный редактор, наш известный климатолог, член-корреспондент АН СССР М. И. Будыко, похоже, вовсе не разделяя тревоги зарубежных ученых пишет о каких-то достижениях в области познания климатической роли углекислого газа и аэрозолей в атмосфере, что даёт якобы возможность «наряду с рассмотрением непреднамеренных воздействий на климат обсуждение различных методов глобального регулирования климата».

Откуда такой оптимизм? А всё от тех же доперестроечных настроений.

Ведь и у нас были и есть ученые, которые сомневались в методологической непогрешимости преувеличения роли углекислого газа, в корректности теплобалансовых расчетов и многих иных наших теорий, о которых мы пишем далее, но критика их якобы ставила нашу науку в невыгодное положение и потому умалчивалась в угоду более оптимистической лженауке.

Нельзя сказать, что наши ученые мало работали. У нас постоянно создавались новые институты, интенсивно множились ряды кандидатов и докторов наук, лавиной шли научные публикации. Наша наука не сидела без дела, она не просто двигалась, она бежала и по сей день бежит. Но бежала и бежит без оглядки и потому во многих направлениях заскочила в беспросветные тупики. Оглядываться ей не позволяют многочисленные и строгие бюрократические запреты на повторение пройденного, на дублирование, а бежать заставляли подстегивания призывами «догнать и перегнать»! Ученый, задумавший повторение неверно начатого пути исследования, часто обречен расстаться с наукой. Мысль в жесткой упряжке тематических планов исследований не имеет права лавировать в поисках верного пути. Уклониться от плана значит ничего не сделать. Значит лучше сделать неверно, чем повернуть на более обнадёживающий путь. Негласно принятый в науке принцип, что отрицательный результат есть тоже научный результат, действует исправно и легко покрывает промахи.

Что делает здравомыслящий человек, если, плутая по незнакомой дороге, он уперся в тупик? Он возвращается либо до первого пройденного поворота дороги, либо к исходному пункту и начинает искать дорогу снова. И в этой книге, кратко анализируя современное состояние того или иного спорного представления в области науки о климате, мы будем по возможности каждый раз, не пренебрегая и школьными истинами, начинать с азов. Наверное, не все новые пути, которые мы выберем и по которым пойдём на поиск истины, не все рождающиеся при этом гипотезы или версии окажутся верными, но зато мы лишний раз убедимся, что повторение не просто «мать учения», но и, пожалуй, самый верный способ вывести мысль из тупика.

В начале книги и реже далее встречаются вроде бы уж вовсе лишние, сродни назиданиям, пояснения элементарных понятий о теплообмене. Но не спешите обойти их вниманием, ибо даже в самом понятии «теплообмен» имеются нюансы, способные увести мысль в сторону. А на представлениях о физике фазовых превращениях, знакомых школьникам, основательно спотыкались крупнейшие ученые, трудами которых питалась сама климатология. Мало того, мой опыт общения со многими учеными показывает, что мы очень часто не понимаем друг друга в полемике о теплообмене лишь только потому, что по-разному понимаем явления, сопутствующие намерзанию и таянию льда, теплообмену при парообразовании и так далее.

А истина однозначна.

Во второй части книги мы познакомимся с казалось бы невероятным, но очевидным научным открытием, подающимся из первых рук и послужившим главным толчком для написания этой книги. А какие коренные изменения вносит это открытие во многие важнейшие представления о климате и механизмах его формирования, читатель узнает из многих последующих разделов книги.

Все природные явления на Земле строго регламентируются фундаментальными законами физики. Это верный компас исследователя. Но, как и компас может отклонить стрелку от нечаянно поднесенного к нему кусочка железа, так и писанный физический закон может увести исследователя в сторону от пути к истине, если вы вовремя не заметите, что на его курсе маячит субъективная помеха какого-то недостаточно проверенного, не принятого за истинное, представление. И в книге показывается как недостаточно физически обоснованное представление о якобы обязательном полном балансировании теплообмена земной поверхности с приходящей солнечной радиацией приводило к непреднамеренному нарушению закона сохранения энергии, а вместе с тем и к глубокому искажению показателей теплообеспеченности подстилающей поверхности на разных широтах Земли. Исправив эту ошибку, мы одновременно обнаружим ранее остававшиеся неизвестными разительные различия климатов Земли.

Особенно не повезло известному Второму началу термодинамики, основанному на постулате Клаузиуса и констатирующему вроде бы очевидный факт, что теплота не может сама собой переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому. Но многие и многими реально наблюдаемые факты казалось бы противоречат этому постулату возможностью проистекания обратного теплообмена. Обобщение таких фактов и составило суть представления о закономерности неравновесности теплообмена замерзающих водоёмов с внешней средой.

Их очевидность уже не вызывала сомнений, они легко подтверждались многочисленными расчётными проверками и по-новому осмысленными и объясненными фактами. Наконец-то стало ясно, почему вечная мерзлота промерзает очень глубоко, а тут же существующие озера глубоко не промерзают: я увидел, как значительна всюду роль талого стока в переносе энергии, о чём еще редко кто догадывался и ещё много нового, но над всем этим с трудом добытым принципиально новым знанием на многие годы нависла угроза краха, только из-за того, что сама закономерность не согласовывалась с постулатом Клаузиуса. И не случайно я подключился к хору критики этого постулата. И всё-таки сам же нашёл, что передача тепла от более холодной (в среднем за год) атмосферы к более теплой воде замерзающих полярных бассейнов происходит не сама собой, а под воздействием работы внешней силы … земного притяжения, постоянно удерживающей лёд на поверхности воды. И хотя я признал правоту постулата Клаузиуса, не стал исключать из книги и сетования на него, ибо нахожу, что препоны, которые ставит этот постулат, перед исследователями и изобретателями обходятся невосполнимыми потерями. Не должна же из-за этого страдать наука и техника, выдающая и использующая очевидные факты неравновесных процессов, хотя ещё и не получивших в каждом конкретном случае исчерпывающих объяснений.

Ведь живём же мы энергией Солнца, до сих пор доподлинно не зная, почему оно светит и греет и никому не приходит в голову назвать это невозможным.

Найдя разгадку неравновесности теплообмена через плавучий лёд в силе земного притяжения, довелось написать, кажется, новую главу об участии тяготения в формировании климата.

Элементарные рассуждения и описанный в книге простейший опыт, доступный воспроизведению в невесомости, довольно уверенно утверждают нас в мысли, что всё неживое на Земле и на планетах движется, в конечном счёте, не теплом, как всегда понималось, а работой силы притяжения. Тепловые контрасты сами по себе не могут начать движение, если не происходит перемещений подвижных масс сообразно их изменяющейся от нагрева или охлаждения плотности. А такие движения и перемещения, сортируя массы по плотности, может возбудить только тяготение. Так, в зону нашего внимания попал величайший, но не до конца ещё раскрытый закон Всемирного тяготения Ньютона. Я не удержался подметить и его спорные положения, заодно предположив, что полное раскрытие этого закона непременно принесёт с собой множество новых представлений, в том числе о природе климата Земли и планет, и о законах развития планетных систем. Но это дело будущего. А пока мы использовали этот закон для объяснения движений лишь внешних сфер Земли, в том числе и тех, что определяют термику Мирового океана и парниковый эффект атмосферы Земли и планет.

Практически два основных положения: обнаружение фактов неравновесного теплообмена на внешних сферах Земли и роль тяготения в динамике внешних сфер дали основу для всех дальнейших детализаций теплообменных процессов, участвующих в формировании климата, а также погоды.

Неравновесность теплообмена замерзающих водоёмов с атмосферой, заставила меня по-новому взглянуть на климатоформирующую роль Северного Ледовитого Океана. Стало ясно, что этот Океан вовсе не теряет, как часто думали, а бережёт тепло мирового Океана. Кроме прочего, я попытался по-новому взглянуть на природу теплого течения Гольфстрим. Думаю, что этот экскурс интересен и полезен тем, что помогает понять, как и почему холодные воды полярных бассейнов распространяются на глубины даже приэкваториальных морей. Это в свою очередь позволяет усмотреть существенную климатоформирующую способность межокеанического водообмена и особую, можно сказать, ключевую роль в общем теплообмене Земли Северного Ледовитого Океана. Анализируя эти вопросы, существенно конкретизируется с помощью оценок, выполненных профессором В. Н. Степановым (1983). И тут же Антарктида, вечно подозревавшаяся в общеземной трате тепла. Оказалось, однако, что сколько-нибудь заметного для Земли количества тепла она терять не может по той простой причине, что сама его не имеет и отвлечь со стороны не может.

Далее мы поднимаемся в высоты атмосферы и снова «с азов» пытаемся вникнуть в неясности исходных положений физики атмосферы. Тут мы снова и основательно пытаемся разобраться в прижившемся современном толковании сути парникового эффекта, возвращая ему по прямой принадлежности сам пар и ставя на место роль углекислого газа. Таким путём мы, казалось бы, лишаем себя последней возможности хоть как-то прогнозировать изменения климата. Но далее ищем пути к устранению и этой бреши в наших представлениях.

Заново рассмотрена природа однонаправленного вращения атмосферы между экватором и полюсами, обгоняющего вращение самой Земли. Это позволяет лучше представить, как и почему в атмосфере распространяются всевозможные взвеси и даже погода. А как плохо у нас обстоит дело с прогнозом погоды, знает каждый.

Здесь возлагаются большие надежды на электронно-вычислительные машины, однако мы ещё плохо представляем, сможем ли безошибочно озадачивать эти умные устройства. Без исследования всего комплекса проблемы прогноза погоды, опять же с самого начала «с азов» и здесь не обойтись.

И тут снова возникает дерзкая мысль – а достаточно ли оправдано мы отдали монополию на выдачу прогноза погоды лишь Бюро погоды, к тому же связанному по рукам и ногам всевозможными руководствами и наставлениями ещё более узкого круга специалистов? Иной синоптик и дал бы собственный более надежный местный прогноз, но безопаснее укрыться за руководством! А что бы не попробовать на конкурсной основе позволить давать прогнозы нескольким способным специалистам и даже не специалистам? Вовсе не исключено, что разномыслие, состязательность и гласность может и здесь принести успех и новые знания.

От сегодняшней заботы о повседневном качестве прогноза погоды мы снова возвращаемся к волнующей всех проблеме возможного опасного изменения климата. Изменяющееся представление о сути парникового эффекта, если оно окажется верным, отводит широко оповещаемый призрак неотвратного прогрессирующего потепления климата, грозящего потопами и прочими опасными явлениями. Более обоснованное заключение гляциологов не исключает лишь некоторого потепления на ближайшую тысячу лет. В отдаленном будущем, через 22 000 лет возможно значительное оледенение, но очевидно, что человек уже способен будет упредить это опасное явление. Вовсе нельзя исключить и возможности незначительных похолоданий, например, в силу каких-либо стихийных бедствий: усиление вулканизма.

Рассматриваются и возможности сильного изменения парникового эффекта от непредвиденных явлений и полного оледенения Земли. И то, и другое может быть вызвано непреднамеренно самим человеком, например, при попытке искусственно изменить климат по ошибочно истолкованным представлениям. Однако парниковый эффект не может развиться до необратимого катастрофического состояния, до тех пор, пока на Земле будут существовать ледники или условия, не исключающие образования снега. Что касается полного оледенения, возможность которого не исключается некоторыми учёными, то исходя из анализа особенностей и возможностей теплообмена ледяных масс с солнечной радиацией и космосом, мы уверенно приходим к заключению, что эта опасность Земле не грозит вовсе.

Очень сложно судить об опасных динамических явлениях в атмосфере. В основе все эти явления имеют вихревую природу, и тут мы с огорчением узнаём, что сама природа вихревых движений изучена ещё недостаточно. Что же удивляться, если самые основательные приступы к раскрытию тайн динамики атмосферы практически ничего ещё не дают для их прогнозирования, не говоря уже о проблеме управления ими. Я и здесь попытался рассмотреть всё сначала и даже нашёл вроде нечто новое, но сколько-нибудь развить этот поиск уже недоставало возможности. Надо было завершить книгу, успеть сказать ещё нечто важное. А важной счёл необходимость поделиться своим мнением о том, как следовало бы беречь климат Земли, экологию человека и всего живого на ней и как научиться исправлять климат и управлять им, если возникает нужда в этом.

При чтении этой книги может возникнуть вопрос: откуда у автора взялась дерзость, а кто-то скажет и наглость, столь решительно уточнять, исправлять, а то и вовсе отвергать ряд слишком известных и хорошо укоренившихся представлений в системе знаний о климате и факторах его определяющих? Тут, пожалуй, следует сослаться на упомянутую концепцию о неравновесности теплообмена внешних сфер земли и на новые мысли, потянувшиеся за ней, которые страстно просились на простор общечеловеческих знаний, но всякий раз спотыкались о них же за не вяжущиеся с ними представления, требующими либо отстранения, либо исправления.

Но главное все-таки не в том, как дать дорогу новым мыслям, а в том, как их добыть. Тут поделюсь своим опытом. Неординарные научные заключения невозможно получить путем ординарного мышления. Если каждый из нас начнет мыслить одинаково, чему, впрочем, учат нас стандартные учебники и выученные по ним педагоги, то нового знания мы вряд ли получим, кроме как в случаях, которые подбрасывает нам сама природа и жизнь.

Неординарно мыслить, это значит отказаться от восприятия чужой готовой мысли, а обязательно проследить (а это можно сделать по тем же учебникам или иной литературе), как возникла эта мысль, может ли быть она получена иным подходом к ней, проверить, совпадают ли ее результаты при разном подходе, а если результаты разные, то уже тщательно проверить, какой из них более правильный. Неординарно мыслить, это значит не жить чужим умом, а для этого, увы, приходится больше работать, как часто говорят учителя «своими мозгами». Но зато знания, полученные таким путем, оказываются более прочными, а часто и более приближенными к истине, если уже не являются самой истиной.

Важность предмета, излагаемого в книге, и большой интерес к нему несомненны. Удалось ли автору за налетом того возбуждения, которое сопутствовало вынашиванию и изложению общей картины нового понимания природы климата, доходчиво и убедительно изложить ее научную суть, пусть судит сам читатель.

При всем этом в проблемах климата и погоды число не решенных задач не убавилось, а скорее наоборот, возросло. Это нормальное следствие развития знаний. Автор надеется, что эта книга не только возбудит у многих читателей новый интерес к этим проблемам, но и будет стимулировать дальнейшее развитие наук о климате нашей планеты.

Итак, эта книга – вызов застою климатологии. Надеюсь, что изложенное в ней окажется доступным всем.

Часть I. Вводная

Что пользы есть в великом множестве разных идей, ежели они не расположены надлежащим образом? Храброго вождя искусство состоит не в одном выборе добрых и мужественных воинов, но не меньше зависит и от приличного установления полков.

М. В. Ломоносов, 1748

Глава 1. Проблемы прошлых и будущих климатов земли

Из того очевидного факта, что лед всегда «холоден», вроде бы само собой следует, что он является не только индикатором, но и виновником холодных климатов. Поэтому же известные из истории похолодания всегда теснейшим образом связывались с оледенениями, и именно оледенениям и их следам уделялось и уделяется наибольшее внимание палеоклиматологов.

1.1. Развитие представлений об оледенениях земли

По ряду очевидных следов деятельности льда и холода, оставленных на суше в виде характерных осадочных отложений, ископаемых остатков флоры и фауны и тому подобных, ещё в прошлом веке ученые пришли к достаточно единодушному мнению, что умеренные высокие широты Земли в сравнительно недавнем прошлом геологической истории испытали глубокое похолодание и оледенение. К началу XX века окончательно сформировалась и стала развиваться ледниковая теория, вначале основанная на концепции единого глубокого оледенения (моногляциолизме) с несколькими большими и малыми стадиями.

По мере эволюции ледниковой теории отчетливее стали выявляться грандиозные события, сопровождавшие оледенения. Было установлено, что Европа сравнительно недавно покрывалась мощным ледником. Оледенение влекло за собой массу планетарных изменений не только на суше, но и на морях. На образование покровных ледников изымались огромные массы воды, что приводило к падению уровня Мирового океана на 130–160 м по сравнению с современным, о чем свидетельствуют сохранившиеся на морском дне следы рек и береговых линий. На месте Берингового пролива возникал «мост» суши между Азией и Америкой, через который, как предполагается, не далее 20…30 тысяч лет назад люди начали заселять Северную Америку. Как видно, лёд не только коренным образом изменял лик Земли, но и вершил судьбу наших далеких предков.

Моногляциолизм порождал мнение, что до самого антропогена (время появления человека) жизнь умеренных и высоких широт еще не знала льда и длительность эпохи оледенения составляла едва ли тысячную долю всего времени существования Земли. Представлялось, что понижение температуры у полюсов скорее всего было следствием постепенного монотонного остывания Земли, ускорившееся ледовым катаклизмом неясным своей природой. На поиски причин его, а заодно и способов возможного противодействия ему, направлялось все внимание исследователей.

С появлением новых методов исследования ледников и их следов, в частности изотопно-геохимического анализа, в середине XX века, на смену моногляциолизму, утвердилась концепция полигляциолизма, то есть учения о неоднократности крупных оледенений. Причём представления о циклах оледенений и понижений температуры среди гляциологов стали захватывать более древние периоды геологической истории, но еще редко выходили за пределы кайнозойской эры (70–60 млн. лет назад).

Был замечен ряд особенностей смены теплых периодов оледенениями. Например, многие палеоклиматологи сошлись во мнении, что термоэры (теплые климаты) отличались не только существенным повышением температуры, но и намного меньшей выраженностью различий климатов высоких и низких широт. Наоборот, похолодание и оледенение сопровождалось увеличением контрастов климатической зональности. Наконец, также согласованно исследователи пришли к заключению, что период нарастания ледниковых покровов, как правило, продолжался примерно в 10 раз дольше, чем их деградация (таяние). Подобные особенности ещё не получили законченного объяснения, и мы отмечаем их как раз потому, что попытаемся далее предложить его.

Эти исследования в основном внесли частные изменения во взгляды на климаты прошлого, существенно не изменив ни целей, ни подходов к дальнейшим исследованиям.

Своего рода революция в оценке климатов прошлого произошла, когда геологи обратили внимание на широко распространенные окаменевшие морены и ледниково-моренные отложения, названные тиллитами (от английского термина «валунная глина»). Они отличаются от прочих отложений текстурой и структурой, которая может создаваться только или почти только под воздействием льда и мерзлотных явлений: несортированностью; грубообломочным окаменением; наличием эрратических (оторванных от мест образования) обломков; валунов и блоков, несущих на себе следы движения ледника – ледогранников и отторженцев; отсутствием слоистости и следами многих иных связей со льдом и мерзлотой. Когда научились распознавать время образования морен, из которых цементировались тиллиты, то обнаружилось, что древние, явно докайнозойские, оледенения происходили неоднократно на всех материках и совершались по крайней мере уже более 2,5 миллиардов лет назад!

Здесь мы видим уже коренное качественное изменение общего взгляда на историю Земли – оказывается, что она большую долю времени своего существования вовсе не обнаруживает тенденции к постепенному охлаждению. С. В. Колесник (1939), поняв это, писал: «… ледники не являются только современным или молодым феноменом, – они были во все периоды жизни и во все эпохи принимали активное участие в преобразовании лика земли…» Но широкое признание эта точка зрения завоевывает только в наши дни под влиянием специальных исследований (Н. М. Чумаков, 1978).

В то же время определенно установлено, что все оледенения прерывались глубокими и длительными потеплениями (термоэрами). Например, начало каменноугольного периода радиологическими методами определяется в 350 млн. лет назад, а его длительность составляла 65…75 млн. лет. Само по себе накопление огромных слоев растительной массы, из которой сформировались каменные угли, с необходимостью требовало теплого и влажного климата. Интересно, что разведанные к настоящему времени мировые запасы каменных углей вовсе не отражают ту картину климатической зональности древней Земли, которая должна была следовать из современной зональности. Например, самые большие запасы каменных углей оказались приурочены к Ленскому (Якутия) и Тунгусскому (север Красноярского края) бассейнам – к одним из самых холодных территорий суши. Наконец, каменные угли обнаружены и в Антарктиде! Из этого еще нельзя заключить, что в каменноугольный период вся суша Земли была очень теплой, поскольку находятся свидетельства, что на Древней Земле и современные материки занимали совсем иные положения и «гуляли» полюса и даже вращалась наша планета вокруг собственной оси с иной, более значительной скоростью. Поскольку же всегда оставались вращение и полюса, вероятно, оставались и горы, то нельзя исключить, что всегда оставались и полярные и горные ледники, которые периодически могли и разрастаться, и деградировать. И, наконец, оставлять следы своего действия, озадачивающие ныне нас. О современном оледенении мы конечно знаем несравненно больше.

В последние годы гляциологами мира проделана огромная работа по количественному учету всех форм оледенения. Полностью закончено составление Каталога ледников СССР. Близок к завершению Всемирный каталог ледников, хорошо определены объёмы льда, образующиеся на морях, достаточно полно учтены средние количества ежегодно выпадающего снега (В. М. Котляков, 1968) и так далее. Всё это позволяет довольно уверенно делать подсчёты и прогнозы планетарного масштаба. Определено, что на всей Земле сравнительно постоянные ледниковые покровы в настоящее время занимают площадь более 16,3 млн. км², что составляет около 11 % площади суши. Масса льда, аккумулированного в оледенениях, в 32 раза превышает массу всех пресных вод суши. Установлено, что I млн. км² льда эквивалентен слою океанской воды около 2,5 м. Следовательно, в случае полного плавления всех ледников уровень Мирового океана повысится примерно на 67 м. Площадь снежного покрова в январе достигает 45 млн. км², морского льда 17,5 млн. км² и так далее.

Число гипотез, пытающихся объяснить природу оледенений, оказалось столь значительным, что становится невозможным сколько-нибудь полное простое перечисление их. Лишь немногие из них стали достоянием наук, в частности гляциоклиматологии – науки, изучающей взаимосвязь оледенений с климатом. Среди них: учение А. Л. Воейкова (1889) – о воздействии снежного покрова на климат; гипотеза К. Брукса (1952) – о климатоформирующей роли ледяного покрова морей; Е. С. Гернета (1981) – о ледниковых покровах; А. Вегенера и целого ряда других, в том числе советских исследователей (М. В. Тронов, 1966; М. Г. Гросвальд, 1983 и др.).

Среди ученых существенные расхождения возникали в оценке земных причин, определяющих оледенения. Долгое время возносились одна над другой две соперничающие между собой теории: одна утверждала, что оледенения начинались с высоких отметок суши, другая – с морей. Ещё большую полемику вызывали гипотезы космических, вулканических, орографических и прочих гипотетически названных причин оледенений, оценить которые представлялось наиболее трудным.

К сожалению, все, даже признанные гляциоклиматические реконструкции, убедительно раскрывающие какую-либо конкретную взаимосвязь природных явлений, приводящих к оледенению, все ещё остаются далекими от полного объяснения и не способными дать качественного прогноза в развитии всех, или хотя бы основных факторов, определяющих природу изменений климата и возникновения оледенений. Взаимосвязь климатов и оледенений с огромным количеством сопутствующих факторов оказалась столь сложной, что во всех известных её толкованиях всегда рано или поздно обнаруживается брешь, сквозь которую готова ускользнуть и часто ускользает вся с трудом построенная теория. Это бывало и с признанными ныне теориями, хорошо объясняющими частные факторы указанной взаимосвязи, например, с гипотезой немецкого ученого А. Вегенера о дрейфе континентов. Ту же участь испытала гипотеза советского капитана дальнего плавания Е. С. Гернета, лишь через полстолетия отчасти признанная как теория.

И именно «отчасти», поскольку единой, стержневой теории оледенений, на которую можно было бы нанизывать очевидные факты, чтобы завершить ее, так же не существует. Об этом справедливо пишет И. М. Забелин (1970, с.66): «В сущности с одинаковой степенью логичности ныне доказывается, что причиной ледниковой эпохи может быть: а) повышение интенсивности солнечной радиации, б) понижение её интенсивности и что в) солнце тут вообще ни при чём, а все дело в изменении земных условий. Надо ли говорить, что такое положение явно неудовлетворительно…»

И не правы ли те сторонние наблюдатели, которые кулуарно высказывают мысль, что в проблеме изменений климата сохраняется благодатная почва для научных спекуляций? Те же, кто работает над этой проблемой знает, что она чрезвычайно сложна и что, несмотря на эту сложность, она должна будет решаться. Отказаться от решения проблемы климатов так же нельзя, как нельзя торопиться объявить её уже решенной. А такие случаи уже были.

На этом мы ограничимся описанием истории исследований природы климатов. Тех, кого интересует состояние этой проблемы на уровне мирового сообщества учёных – климатологов рекомендую ознакомиться с книгой «Изменения климата» (1980). Ссылки на работы советских учёных ещё не раз встретятся далее.

1.2. Тупики проблемы климатов

Чем же вызвана такая неопределенность в представлениях о природе изменений климата? Если кто-то скажет, что это вызвано недостатком наблюдений, то с не меньшим основанием можно возразить, что теперь уже наоборот, обилие данных наблюдений и всякого рода определений становится на пути их качественного анализа и обобщения. Сейчас почти не остается повода сетовать на несовершенство и недостаток методов и способов наблюдений и на широту охвата наблюдениями практически всех сфер, в которых формируется климат. Опыт науки учит, что если уже среди доступности всего нас окружающего мы не можем отыскать нечто главное, ключевое, то значит мы просто еще не «раскусили» этого главного. И это, на первый взгляд, вроде бы риторическое заключение очень важно, поскольку настоятельно ориентирует исследователя на поиск непременно новой, еще неизведанной научной цели. Далеко не всем светит удача в научном поиске, но если кому-то засветит, то светлее станет всем.

Но что же искать в невероятно запутанном клубке взаимозависимостей факторов, определяющих изменения климата? Как во всяком клубке надо искать конец нити. В принципе это сделать несложно. Сложнее распутать нить, если она неоднократно порвана и многократно завязана в узелки, мешающие ее вытягиванию из путаницы. Если же узелок связан не с тем концом, от которого оторвалась нить, то её распутывание невероятно усложняется.

Нечто подобное происходит и в науке, когда не до конца изученное явление торопливо привязывается к объяснению взаимосвязанного с ним явления. Например, всякие движения атмосферных масс мы сразу связываем с различием атмосферных давлений, редко задумываясь о причине самих различий и об условиях их возникновения и существования. А ведь различие давлений определенно само является следствием каких-то ранее совершавшихся разных процессов, глубокое исследование которых может дать более полное понимание причин атмосферных движений.

Несвязность разных, в частности верных толкований, в общей теории изменений климатов как раз и объясняется незнанием того, что было или могло быть до рассматриваемого процесса и после него, неясностями предшествующих и последующих связей или, короче говоря, узлами, или тупиками, которые не позволяют правильно свести концы с концами, синтезировать разрозненные знания в цельное представление. Эти тупики разнообразны по характеру и причинам их обусловливающих. Они могут быть вызваны не только незнанием, но и неправильным истолкованием познанного и познаваемого, тормозящим влиянием инерции мышления, приверженностью к привычному (догматизм) и прочими обстоятельствами субъективного характера. Их причинами может стать элементарная невнимательность исследователя, пренебрежение законами физики или их слабое знание, поспешность в заключениях, переоценка теоретических выводов и недооценка натурных наблюдений, слепая доверчивость приборным наблюдениям и ещё многими обстоятельствами. Их корни могут уходить в глубину космогонии и космологии, смыкаясь здесь с тупиками космологических парадоксов, с незавершенностью объяснения гравитации и так далее.

Нельзя сказать, что анализу тупиковых ситуаций в проблеме климатов мало уделялось внимания, ибо хорошо известно, что критиковать гипотезы и теории легче, чем разрабатывать их. Но рассмотрим корни некоторых тупиков.

Для начала обратимся к философии, часто и незримо участвующей во всех научных обобщениях. Вспомним, что Земля есть частица Вселенной. Согласно материалистической точке зрения Вселенная безгранична во времени и пространстве и бесконечна по разнообразию форм существования и движения материи. Это незыблемое положение диалектического материализма и нам можно не обсуждать встречающиеся отступления или поползновения на его достоверность. Все тайны Вселенной весьма далеки от полного раскрытия и объяснения и это так или иначе может сказываться на полноте объяснений процессов, происходящих на Земле. Рассматривая взаимосвязь вращения Земли с климатом, А. С. Монин (1972, с.4) справедливо считает, что к этой проблеме могут иметь отношение многие состояния нашей Земли в солнечной системе, а исследователь, решающий проблемы климатологии «… должен быть не только метеорологом, но также океанологом, геологом, палеонтологом, геофизиком, геохимиком, астрономом и т. д.»

Соответственно исследователь, изучающий проблему климатов, должен хорошо владеть возможностями и достижениями всех наук и особенно физики. Причем владеть, не слепо доверяясь им, а критически осмысливая их полноту и истинность. Там, где мы доверяемся законам физики, хорошо подтвердившими свою истинность, там имеем и больший успех. К таким следует отнести закон сохранения и превращения энергии, многие законы механики, гидродинамики и так далее. Но есть среди признанных законов и такие, к которым следовало бы относиться критически. В числе их и давно известный закон всемирного тяготения Ньютона. Оценивая его, Ф. Энгельс[1] писал: «Ньютоновское притяжение и центробежная сила – пример метафизического мышления: проблема не решена, а только поставлена, и это преподносится как решение» (с.219).

Жизнь показала, что ни богом, ни яблоком, ни изобретенными теоретическими построениями брешь в объяснении природы гравитации устранить не удалось. И снова оказался прав Ф. Энгельс, когда (там же, с.219) заключил о Ньютоновском тяготении:

«Лучшее, что можно сказать о нём, это – что оно не объясняет, а представляет наглядно современное состояние движения планет».

Долгая жизнь и бесспорная полезность отнюдь не законченного ни Ньютоном, ни Эйнштейном учения о гравитации объясняется правильным, широко проверенным математическим описанием зависимости взаимного притяжения тел солнечной системы от их массы и расстояния между ними. Трудно, например, представить, как бы человек смог ринуться в космос, не владея этой формулой. Но формула, без убедительного и обстоятельного объяснения все ещё не выражает всю суть закона.

Неясность природы гравитации обсуждалась и обсуждается физиками, но, видимо, наиболее сомнительную сторону формального заключения о ней отметил опять же Ф. Энгельс (там же, с.194): «Все учение о тяготении покоится на утверждении, что притяжение есть сущность материи. Это, конечно, неверно».

Автор имел несчастье увлечься проблемой объяснения гравитации настолько, что двадцать лет назад доложил свои собственные соображения по этому поводу в Москве при стечении большого числа ученых, среди которых были весьма авторитетные специалисты. Надо ли говорить, что этот доклад был встречен более чем настороженно. Он не публиковался, но колкости в адрес автора встречались на страницах многотиражных научно-популярных изданий. Однако отречься от осмысления проблемы гравитации мне не удалось: идея обрастала фактами, которые отвергали одни построения, укрепляли другие, но в целом окрепла в воображении. Не знаю, наступит ли время ее полного освещения, но позволю себе использовать из неё вначале лишь один фрагмент, чтобы на этом примере посмотреть, могут ли измениться наши представления о былых климатах Земли в случае, если изменится или появится в принципе новое объяснение гравитации.

Допустим, что в ходе развития знаний обнаружилось, что гравитации – как простого тяготения – вообще не существует. Вспомним, как писал Ф. Энгельс (там же, с.88) «… вихри старого Декарта…» и примем, что неуклонное и ускоряющееся приближение всяких тел к Земле, например, уже тысяч искусственных спутников, запущенных с неё, как и ко всем крупным образованиям Вселенной, лишь в нашем воображении воспринимается как падение, хотя может являться следствием гидро- и газодинамического затягивания невесомых тел к центру вихря, который образовал Землю, и в силу очень малой вязкости космического пространства продолжает действовать сейчас (эволюционная форма движения космических тел). В таком случае конечная участь малых космических тел – упасть на более крупные, вокруг которых они вращаются: планет на Солнце, спутников на планеты и так далее. Сейчас, например, достоверно установлено, что естественные спутники Марса – Фобос и Деймос, постепенно сближаются со своей планетой и в пределах времени, предположительно исчисляемого миллионами лет, неминуемо упадут на неё. Но, как я полагаю, Земля на Солнце не упадет, потому что раньше этого через миллиарды лет на Землю упадет, вероятно, Луна, что может вызвать взрыв Земли (революционная форма движения космической материи). Почему взрыв – домыслим дальше. Разлетающиеся от взрыва массы где-то и когда-то в бесконечности Вселенной встречаются с разлетающимися массами от другого взрыва. Снова зарождаются вихри. Самые большие угловые скорости возникают вокруг оси вихря, где создаются наибольшие давление и температура. Поступающая по спирали с периферии вихря материя может замкнуть центр вихря, создав, к примеру, твердую поверхность планеты. По мере ее торможения внутреннее давление начнет распространяться на твердую оболочку планеты – вот и причина вулканизма и нового взрыва при сильном ударе и так далее.

Автор хорошо осознает, что эта столь сжато изложенная версия отнюдь не поколеблет ньютоновского представления о свойствах всяких тел притягивать другие тела и самим ими притягиваться, об якобы свыше данной удивительной уравновешенности всех планет на их орбитах между тяготением и центробежной силой и о многих других вроде бы маловероятных, но и очевидных явлениях, которые подтверждают правильность этого представления. Это тот случай, когда факты вкупе со стройным математическим описанием явления, казалось бы не допускают другого его толкования, кроме объявленного Ньютоном,

Тем не менее живучи, помимо заключения Ф. Энгельса, и ныне сходные мнения, вскрыты парадоксы и обнаруживаются факты, не согласующиеся с завоевавшим довлеющее, но всё еще не всеобщее, признание закона всемирного тяготения.

После появления неэвклидовой геометрии и теории А. Эйнштейна полемика ученых стала концентрироваться, главным образом, вокруг проблем гравитационного поля, то есть пространства, в котором обнаруживает себя тяготение. А разве лишним будет ещё раз заглянуть глубже и посмотреть: действительно ли сами тела обладают свойством притягивать одно другого или они являются пассивными массами, которыми управляют газодинамические законы в пока неведомой нам подвижной среде, схожей с гравитационным полем?

Ничего в мире не бывает изученным абсолютно бесполезно. Даже на очевидном мракобесии алхимии, в конце концов выросла настоящая химия. И крупицы знаний о гипотетических полях и волнах гравитации обязательно несут в себе какую-то долю истины, которой возможно предстоит еще найти свое настоящее место.

А что изменится во взглядах на климат и оледенения Земли, если вдруг окажется, что движение и тяготение космических тел, равно как и нас с вами и даже грузиков на крутильных весах Кавендиша, управляет вихрь некоего, скажем, всепроникающего подвижного «эфира»?

Изменится многое.

Например, узнав, что Земля когда-то отстояла от Солнца дальше, скажем на современной орбите Марса, мы внимательней будем изучать термику поверхности этой планеты, переживающей ныне глубокое оледенение, и, наверное, найдём свидетельства и факты об этом явлении, которых уже невозможно найти на Земле Изучение горячей Венеры, расположенной в 1,4 раза ближе к Солнцу, чем Земля, но получающей намного меньше солнечной радиации из-за значительного альбедо (отражения солнечных лучей) её облачным покровом, может дать представление о будущем ждущем Землю. Я не случайно в книге о климате кратко изложил свою космогоническую версию, поскольку собираюсь и далее коснуться её. Пока же заметим, что повсеместное нахождение тиллитов сейчас увязывается с дрейфом континентов и перемещением полюсов, а оно может быть и следствием былого полного оледенения Земли, сходного с марсианским. От уточнения частностей изменятся представления об эволюции атмосферы, гидросферы и ряда других явлений. Станут ясней прошлое и будущее биосферы и методы, которым человек может противодействовать угрожающим тенденциям её развития и так далее. А пока здесь перед исследователем встают трудно одолимые тупики. Они, видимо, ещё долго будут мешать поступательному движению мысли, если не будут преодолены неясности космогонической теории. В конечном счете они неизбежны и объясняются философски закономерной относительностью развивающихся знаний.

Хуже, когда раскрытие и объяснение каких-либо из климатоформируюших факторов и их взаимосвязей сдерживается всего лишь невнимательным отношением к физическим законам, истинность которых уже не вызывает сомнений, например, к закону сохранения и превращения энергии. Этот закон формируется так: количество тепла Q, сообщаемое выделенной нами термодинамической системе, равно сумме прироста ее энергии ΔU и работы А, совершаемой в системе или

Q = ΔU + А,

где работа (всякое движение) в природе более вероятно является частью какой-то внешней превращенной энергии (например, тяготения).

В большинстве известных работ по тепловым балансам учитывается лишь прямая связь теплового состояния земной поверхности с количеством поступающего солнечного тепла и отдачей усвоенной теплоты, но не обращается внимание на то, что всякое движение во внешних сферах Земли (движение воздуха, воды, гравитационная стратификация масс, жизнедеятельность биосферы и т. д.) это есть тоже превращенная в работу энергия, не учитывая которую можно допустить промах, ведущий в тупик незнания истинной природы того или иного явления.

Но, пожалуй, самая трудно преодолимая препона, не только климатолога, но и любого неординарного исследователя всякой значительной научной проблемы, ждёт на выходе в свет её решения.

Это – жесткое сопротивление со стороны ученого мира, нередко ныне раболепствующего перед ортодоксальными представлениями, исподволь перерождающимися в догмы. Царство научных авторитетов, удерживающих с помощью своих помощников, учеников и почитателей монополию на не всегда достаточно доказанные теории, часто вовсе закрывает выход в свет всякой новой мысли в той или иной области знаний. Достойно сожаления, что такое состояние ныне практически поддержано президентским Указом о статусе Академии наук СССР. А ведь это и ранее приносило ущерб развитию знаний в нашей стране.

В этих условиях дельная мысль сходу отвергается, если её автор не является дипломированным специалистом. Так случилось и с ныне известной ледниковой теорией советского капитана дальнего плавания С. Е. Гернета. Разработав её концепцию в начале 30-х годов, он не встретил поддержки в своей стране и вынужден был опубликовать книгу в Японии, где русский текст ему пришлось набирать самому. Книгу заметили писатели, в том числе К. Г. Паустовский, но до наших дней она оставалась неизвестной для ученого мира, в том числе и для большинства советских гляциологов, но данная теория была заново и независимо разработана за рубежом и признана. Честь восстановления правды об авторе этой ледниковой теории принадлежит О. П. Чижову (Гернет,1981).

Удивительно, но печальная судьба новой научной мысли в нашей стране стала оправдываться даже как философски предопределенное явление. Разве не должно естествоиспытателя насторожить (но не обезоружить)? Такое неожиданное заключение философского характера (Вопросы философии, 1977, № 12; 1979, № 5): «Чем существенней полученный автором результат, тем вернее рукопись будет отклонена рецензентом как бесполезная и, следовательно, неинтересная, если он придерживается иной, чем существующая точка зрения на перспективы развития». Такое заключение равносильно признанию, что якобы уже пришла пора отказаться от всякого авторитета совестливости и общественных законов.

Автор сполна испытал эти препоны научного творчества и имеет веское основание заключить, что кроме полезного овладения многими специальностями настоящий исследователь должен научиться преодолевать субъективные тупики познания, то есть стать борцом за свои идеи, научиться находить и владеть мирным оружием, каким являются доказательные факты.

Но вернемся к проблеме климата.

1.3. Современный и будущий климаты по оценкам гляциологов

Раз уж мы начали рассматривать проблему изменения климата с познаний гляциологии, накопившей большое число свидетельств об его прошлом и потому внушающих доверие, то вернемся к оценкам гляциологов.

Если мы знаем каким и когда бывал климат и хотим знать, как он может измениться, то в первую очередь необходимо определить каков он есть сейчас в череде своего непостоянства. Некоторые черты современного климата с точки зрения гляциологии особой загадки не представляют.

Одной из первых, ознакомившей широкого читателя с этим вопросом, была интересная книга В. М. Котлякова (1966), ныне ставшего маститым ученым с неофициальным титулом «главного гляциолога» нашей страны. Книга была озаглавлена вопросом: «Мы живем в ледниковый период?». Поставленный на её обложке вопрос в известной мере оказался ответом. Действительно мы живем не в термоэре, хотя еще и не в полном развитии оледенения. Однако около 11 % суши сейчас покрыто ледниками, 2 % всего объёма воды на Земле находится в постоянно оледеневшем состоянии (что равно стоку всех рек мира за 650…700 лет) и, наконец, до 15 % всей поверхности Земли ежегодно покрывается сезонным снегом и льдом. И не известно, смогли ли бы мы догадаться о былых оледенениях Земли, если бы в наше время не было столь очевидных свидетельств их существования.

Подспорьем для суждений о прошлых климатах является статистика, базирующаяся на информации о хронологии последних оледенений, полученной путём анализа колонок донных грунтов океана. Считается, что в донных слоях фиксируются временные интервалы периодов, когда состав осадков изменялся из-за охлаждения или прогревания верхних слоев океана. По органическим осадкам удается довольно близко определить и температуру воздуха прошлых лет (эпох).

Далее, позаимствуем обобщения, сделанные американцами отцом и дочерью Имбри в их прекрасной книге, переведенной на русский язык «Тайны ледниковых эпох», в которой обобщены результаты множества исследователей (Имбри, 1988).

Из этих обобщений следует, что ни один из безледниковых периодов на Земле в последний примерно миллион лет не держался более 12 000 лет, большинство же их продолжалось около 10 000 лет. Опираясь на эту статистику, можно сделать вывод, что наша относительно теплая эпоха, начавшаяся 10 000 лет назад уже заканчивается и в ближайшие 2 000 лет должна смениться увеличением оледенения.

Если судить по ходу изменений средней температуры воздуха, то наиболее теплый период приходится на 7 000 лет назад, после которого температура испытывает постепенное ступенчатое общее понижение вплоть до возникновения «малого ледникового периода», произошедшего около 300 лет назад. В этот период отчасти заселившаяся людьми Гренландия оказалась полностью отрезанной льдом от обжитых материков, сельское хозяйство Исландии настолько пришло в упадок, что рассматривалась необходимость переселения исландцев в Европу.

Затем температура снова повысилась, но тенденция общего охлаждения сохраняется. Если она сохранится и далее, то общеземная температура примерно через 18 000 лет понизится на 6 °C от современной и достигнет значений, характерных для ледниковых эпох.

Тенденции к существенным изменениям температуры имеют и более короткие периоды. Например, американский климатолог М. Митчелл, обобщив данные метеостанций мира, показал, что, начиная с 1940 года климат северного полушария холодал на 0,3 °C за 20 лет. Если эта тенденция сохранится далее, то температура снизится до уровня ледникового периода всего лишь за 700 лет. Однако уже в середине 1970 года указанная тенденция стала угасать. Поэтому вера в показания кратковременных тенденций к изменениям климата оказалась основательно подорванной.

Автор охотно соглашается с Имбри, что более надежную основу для прогноза будущих изменений климата даёт астрономическая теория ледниковых эпох, поскольку изменения температуры здесь напрямую связываются с изменениями инсоляции, в свою очередь прямо зависимую от положения Земли относительно Солнца. Важно только распутать сложность этих зависимостей в замысловатых, но наперед известных движениях Земли вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Имбри это кажется удалось сделать, после чего он и предложил свой прогноз похолодания. Через 22 000 лет оледенение достигнет своего очередного максимума. Это вовсе не значит, что такая общая тенденция не будет прерываться малыми циклами потеплений и оледенений, причины которых до сих пор во многом остаются неясными. Здесь опять кое-что даёт необъясненная, но беспристрастная статистика, что всё же лучше, чем гадание на пальцах.

Детально исследуя отложения горных ледников, американские ученые Д. Дентон и В. Карлен пришли к заключению, что на длительную тенденцию последнего похолодания, с определенными интервалами накладывались попеременные циклы менее длительных чередований холодных и теплых периодов. Холодные пики приходились на 250, 2 800, 5 300, 8 000, 10 500 лет назад от нашего времени. На основании этого заключения ученые выдвинули гипотезу о существовании особого «цикла малого ледникового периода», который имеет продолжительность в 2 500 лет.

Гипотеза гипотезой, но статистика вещь упрямая, она отражает реальность, поэтому вероятно, что уже наступающий цикл короткого потепления скоро должен будет подавить охлаждающий эффект последнего астрономического цикла и привести к тому, что на протяжении ближайшей тысячи лет средняя температура на Земле будет немного расти. И лишь после этого оба фактора (астрономический и статистически предсказываемый) начнут действовать в одном направлении и верх возьмет длительная тенденция к оледенению, которая и приведет через 22 000 лет к новой ледниковой эпохе (рис. 1).

Рис. 1. Климат последних 10 000 лет.

График показывает – основные тенденции в изменениях глобальной температуры по данным о колебаниях ледников и изменениях растительности.

Во время климатического оптимума температура была приблизительно на 2 °C выше современной. А около 300 лет назад во время, так называемого «малого ледникового периода», эта температура была ниже современной (по. Дж. Имбри и К. П. Имбри, 1988).

Вот, пожалуй, и есть то главное заключение о возможном естественном развитии будущего климата, которое сделали Джон Имбри и Кетрин Палмер Имбри.

К сожалению, самостоятельные и обоснованные заключения гляциологов ныне прочно попали в плен широко оповещенного мнения об угрозе антропогенного разогрева атмосферы под воздействием увеличивающейся концентрации углекислого газа. Не считая такое мнение своей областью знаний, гляциологи согласились с ним и включились в общий хор голосов о не совсем ясной угрозе возрастания парникового эффекта, которая якобы может нарушить все их прогнозы.

Но, что будет, если предстоящее на ближайшую тысячу лет потепление мы огульно объявим лишь влиянием человека, забыв, что оно предсказано гляциологами на основе естественного хода развития климатических явлений? В этом случае люди, надо думать, примут меры, которые могут ускорить и усугубить развитие далее непредсказуемых изменений климата. Поэтому для человека нет ничего более важного, как хорошо изучить все механизмы, управляющие климатом. Поймем это – научимся точнее предсказывать и изменения климата, наконец, не исключено, что научимся и управлять им!

Глава 2. Оценим давно известное и нечто новое

… если у вас есть яблоко и у меня есть яблоко и мы обменяемся этими яблоками, то у вас и у меня останется по яблоку. А если у вас есть идея и у меня есть идея и мы обменяемся этими идеями, то у каждого будет по две идеи.

Бернард Шоу

Среди большого числа факторов, определяющих климат, ведущими традиционно считаются: радиационные процессы, перенос тепла атмосферой и целый ряд термодинамических свойств и состояний земной поверхности.

Рассмотрим их, не обходя стороной неясные моменты общепризнанных толкований.

2.1. Наклон солнечных лучей и климат

Величиной наклона лучей, достигающих земную поверхность на разных широтах, ещё со времен Древней Греции объясняется основная причина различий климатов. Это обусловливается тем, что плотность светового потока на наклонную по отношению к источнику света плоскость уменьшается с увеличением угла наклона и тем, что косо направленный к поверхности Земли луч вынужденно преодолевает увеличенный слой атмосферы, в котором он соответственно больше теряет свою энергию. Эти объяснения представляются бесспорными, ибо все мы знаем, что чем ниже к горизонту находится Солнце, тем оно меньше греет. Но эти объяснения иногда подвергаются сомнению на том основании, что в полярных областях лучи Солнца, постоянно оставаясь косыми, светят непрерывно в течение всего полярного дня, а поступающее при этом количество солнечной энергии в сумме оказывается значительным и даже превосходит суточную дозу освещения более низко расположенных широт. И это верно. Такую точку зрения можно подкрепить еще одним аргументом. Тот, кому приходилось бывать в любой из полярных областей в глухую пору полярной ночи, всегда обращал внимание на то, что эти длинные ночи бывают далеко не такими темным, и какими бывают «черные» ночи низких широт. Объясняется же это тем, что полярные области никогда не уходят в глубокую тень Земли и даже зимой солнечные лучи здесь освещают самые верхние слои атмосферы. В ночном полете с высоко летящего над советским сектором Арктики самолета ещё до наступления полярного дня можно увидеть Солнце, освещающее Землю со стороны американских континентов. Этому немало способствует не только положение самого Солнца, но и рефракция лучей, а отчасти и приближенность полярных областей на 24,4 км к центру земного шара против экваториальных широт. Следовательно, в среднем в году пути солнечных лучей оказываются всегда ближе к полярным областям, чем к экватору.

Близостью солнечных лучей к поверхностям полярных стран кажется можно объяснить и тот известный факт, что над ними стратосфера имеет почти вдвое более высокую температуру, чем над экватором. Различие между основными слоями атмосферы (тропосферой, стратосферой и ионосферой) в основном определяется особенностями взаимодействий между частицами газов, в том числе и количеством образующегося озона. В свою очередь озон образуется в результате диссоциации молекул кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца. И не потому ли слой озона над полярными областями оказывается плотнее, чем на иных широтах, что здесь стратосфера в течение года намного дольше освещается Солнцем?

В среднем за год самые высокие слои атмосферы над полюсами получают солнечного тепла в 2 раза больше, чем над экватором. Поскольку речь идёт о нагревании, взвешенных частиц в крайне разряженной среде, а не поверхностей, то разность наклона лучей здесь уже не имеет определяющего значения, и если бы нагревание стратосферы имело какое-либо климатоформирующее значение для поверхностей Земли, то можно было бы заключить, что со стороны стратосферы полярные области Земли обеспечиваются теплом намного больше, чем её экваториальный пояс. На самом деле стратосфера беспрепятственно пропускает через себя практически весь лучистый теплообмен Земли с космическим пространством, перехватывая от него лишь крохи, не играющие какого-либо ощутимого значения для термики земной поверхности.

Но вернемся к сравнению наклонов лучей, падающих на земную поверхность. Если оценивать строго, то всего 2 раза в году Солнце переходит зенит (каждый раз в новом месте) лишь на части сферы, ограниченной тропиками между 23°27́ северной и южной широт. В остальное время года солнечные лучи всюду имеют тот или иной наклон, зависимый от географической широты, времени года и суток. Следовательно, вообще наклон лучей – это обычное состояние освещенности всех участков вращающегося шара от одного источника света, а зенит для них – редкое исключение в таком состоянии. Там и в тот день, когда Солнце переходит зенит, достигается наименьший средний за световой день наклон его лучей, равный 45°. При летнем солнцестоянии в северном полушарии (22 июня) средний за световой день (чуть больше 12 часов) наклон лучей на экваторе составляет уже только 33,3°. Но в этот же день на Северном полюсе в течение круглых суток наклон лучей составляет 23,5°. В результате в этот день суточная сумма солнечного тепла на полюс поступает на 36 % больше, чем на экватор.

За три летних месяца Северный полюс получает от Солнца тепла больше, чем экватор, приблизительно на 8 %. За счет внутригодового сокращения расстояния между Землей и Солнцем на 3,3 % соответственно еще больше получает тепла Южный полюс летом. Изложенное как раз и наводит на мысль: достаточно ли обоснована принимаемая зависимость климата от различий наклона солнечных лучей, если из приведенных оценок следует, что потенциальная возможность поступления какого-то количества тепла к земной поверхности определяется не только углом наклона лучей, но и длительностью их свечения, то есть в конечном счете суммой радиационного тепла, поступающего к сферам Земли за период их освещения.

Но в таком случае надо вспомнить, что любая точка поверхности земного шара, независимо от изменений длительности дня, в течение года освещается равное суммарное время. В то же время среднегодовые наклоны лучей за периоды освещения существенно различаются и составляют для полюсов около 12°, для экватора – более 39°. Следовательно, как бы мы ни оценивали значимость различий наклонов лучей, нам ничего не остается как признать, что в среднем в году полярные широты получают солнечного тепла в 3,2 раза меньше, чем тропические.

Рис. 2. Несмотря на значительную напряженность летней суточной радиации на полюсах Земли, суммарной радиации тепла за год сюда поступает в 3,2 раза меньше, чем на экватор, что следует из графиков напряженности радиации.

Если по рис. 2 сравнить площади, оконтуренные рамкой графика и годовыми линиями напряженности солнечной радиации на экваторе и одном из полюсов, то получим ту же разность в приходе солнечного тепла к этим разным географическим областям Земли.

На самом деле полюсы получают тепла от Солнца существенно меньше из-за большой отражательной способности (альбедо) снега и льда. Можно принять, что альбедо морского льда в околополюсном пространстве северного полушария составляет 0,5 (отношение отражательного светового потока к поглощенному), а альбедо сухого снега на Антарктиде – 0,8. Альбедо преимущественно водной поверхности океана в приэкваториальных областях составляет приблизительно 0,1. Из этого следует, что за счет различий альбедо северная околополюсная область получает солнечной радиации в 5 раз меньше, чем экваториальная, а южная даже в 8 раз. В результате совместных различий (наклона лучей и альбедо) северная полярная область получает солнечного тепла в 16 раз, а южная в 25 раз меньше, чем приэкваториальные области. Эти соотношения в каждом конкретном случае могут существенно изменятся облачностью, в свою очередь отражающей значительную долю солнечной радиации и местным альбедо, но их среднестатистические показатели сохраняются постоянными. Заметим, что указанные соотношения не во всем согласуются с известными обобщенными данными приборных определений радиационных балансов, однако далее мы остановимся и на оценке последних.

По сравнению со средними широтами полярные области получают тепла уже в 4…7 раз меньше. Значит, если бы на полюсах не было снежно-ледяных покрытий и альбедо было бы таким же, как в среднем на всей Земле, то разница в поступлении тепла между экватором и полюсами была бы всего трехкратной, то есть такой, при которой, судя по приходу радиационного тепла, существуют сейчас вовсе незамерзающие моря средних широт. Отсюда сам собой напрашивается вывод, что при отсутствии льда и снега полярные водоёмы и в современную эпоху кажется не должны бы замерзать. Видимо отсюда, да и из данных палеогеографии исходит довольно распространенное мнение, что оледенения полярных областей Земли – вообще события менее характерные, чем хранение их в безлёдном состоянии и, что причиной их привычного для нас оледенения является сам сохраняющийся лёд. Здесь, еще кроется неясность, решению которой мы уделим внимание далее. На изменениях инсоляции вследствие изменения эксцентриситета земной орбиты и их климатических последствиях остановимся особо.

Однако мы ещё не будем знать некоторых важных явлений, связанных с наклоном лучей, если не обратим внимание на то, что только наклон земной оси по отношению к плоскости, в которой движется Земля вокруг Солнца (эклиптики), на те же 23°27́ является причиной смены времен года от зимы к лету.

Но об этом дальше.

2.2. Циркуляция атмосферы и перенос тепла ЕЮ

Ведущие теоретические разработки в области физики атмосферы представляются не только далекими от завершения, но и, пожалуй, изрядно запутанными. В первую очередь это относится к объяснению причин общепланетарной циркуляции атмосферы с запада на восток, то есть общего движения воздушных масс, обгоняющего вращение самой Земли. Формально используя термин «глобальная циркуляция», специалисты физики атмосферы кажется не все признают факт существования этого явления в прямом смысле этого термина.

Но очевидно, что такое явление существует, и можно назвать множество свидетельств о преобладании одностороннего смещения воздушных масс с запада на восток и даже примеров его прямого использования в науке, практике и военном деле, независимо от полноты объяснения его природы.

Например, самолеты, летящие из Якутии в Москву, то есть на запад, преодолевают равный путь за большее время, чем летящие на восток; погода чаще «приходит» с запада, чем с востока, что отражено и в народных приметах; количество осадков в удалении от океанов чаще уменьшается с запада на восток и так далее. Обследуя следы нагонных приливов в заливах моря Лаптевых, мы обнаружили, что у восточных берегов их амплитуда может достигать 8…10 метров, а у западных – не более 2…3, что опять же свидетельствует о большой интенсивности западных ветров.

Ярким свидетельством этого же является существование самого мощного океанического циркумполярного течения западных ветров вокруг Антарктики.

В. В. Шулейкин (1963) обобщив широко наблюдаемое явление, показал, что азиатский материк испытывает большее воздействие далеко удаленного, но расположенного с запада, Атлантического океана, а не Тихого, расположенного ближе, но с востока. Эти положения учитываются в прогнозировании погоды. Глобальная особенность циркуляции атмосферы часто используется неуправляемым воздухоплаванием. Японцы в период Второй Мировой войны применили ее для бомбардировок территории США с помощью воздушных шаров. Военного успеха этот способ не имел, но генеральное направление движения воздушных масс с запада на восток таким путем получило массовое подтверждение. Военной авиацией нередко используются известные струйные течения, всегда направленные с запада на восток.

Видимо под напором этих фактов родилась теория геострофического ветра, призванная объяснить широко замеченную особенность глобальной циркуляции атмосферы. Коротко суть ее сводится к тому, что при стремлении заменить одну другой, плотные приэкваториальные и менее плотные приполярные массы воздуха отклоняются под действием силы Кориолиса.

Здесь вроде бы правильное предположение, что две массы воздуха, имея разные плотности должны стремиться к замещению одна другой, на самом деле оказывается спорным. Так рождаются бризы, местные ветры, муссоны и так далее. Их характерной особенностью является сравнительно близкое расположение воздушных масс разной плотности. Но может ли вызывать столь мощное движение атмосферы, каким является ее планетарная циркуляция, воображаемый барический градиент, растянувшийся от экваториальных до полярных широт, то есть на тысячи километров? Разве не вероятнее тот случай, что нагретая земной поверхностью в дневное время тропическая воздушная масса тут же устремляется в высоты атмосферы, а охладившись там в глубокой тени первой же ночью где-то рядом снова ниспадет до земной поверхности, вытеснив вновь нагретую атмосферу. И наоборот, сложнее представить случай, чтобы разогретая масса воздуха сразу устремилась к полюсу.

Наконец, если теория геострофического ветра полагается на участие силы Кориолиса, как причины отклонения движения тёплых масс воздуха на их пути к полюсам, то можно ли забывать, что такому движению должен быть противопоставлен такой же обратный поток холодных масс с обратным Кориолисову ускорением, то есть противопоток, гасящий общее опережающее вращение всей атмосферы относительно вращения самой Земли. Здесь ничего не даёт и встречающееся указание об отсутствии силы трения для масс, участвующих в геострофическом ветре. Теория оставляет не выясненным важный вопрос: почему области низкого давления на Земле расположены у полюсов? Ведь здесь воздух всегда холоднее и, казалось бы, уже по этой причине должен быть плотнее, а не наоборот.

Незавершенность, а нельзя исключить, что и ошибочность общей теории глобальной циркуляции, стала одним из серьезнейших препятствий в объяснении загадок климата и погоды. И не случайно по этому поводу делается такое неутешительное заключение:

«Модели общей циркуляции атмосферы и океана, которые в настоящее время разработаны в мире, в принципе дают возможность оценить последствия крупных энергетических и других экологических изменений. Но эти модели ещё настолько несовершенны, что трудно принимать всерьёз полученные по ним результаты» (Марчук Г. М.,1980, с.121).

Если вызывает сомнение объяснение, возможно поспешно названное теорией, то почему бы не предложить на его место хотя бы гипотезу, лучше отвечающую реальной картине?

Например, С. П. Хромов считал, что общий перенос атмосферы вполне можно представить, как планетарный циклонический вихрь над каждым из полушарий. Почему бы, например, общую циркуляцию земной атмосферы не вообразить в виде модели, представляющей собой два гигантских тайфуна, обволакивающих поверхность южного и северного полушарий Земли. Тогда общим центром их вращения окажется земная ось, а двумя «глазами» вокруг центра вращения – околополюсные пространства. Каждый такой гипотетический «тайфун» лишь вблизи экватора имеет угловую скорость меньше угловой скорости вращения Земли и здесь наблюдается отставание атмосферы, то есть преобладание восточного переноса воздушных масс. На прочих широтах, исключая приполюсные, угловая скорость «тайфуна» увеличивается с приближением к его «глазу» и атмосфера уже обгоняет здесь вращение Земли. Вспомним «ревущие сороковые», «неистовые пятидесятые» в южном полушарии или пурги и метели – северном, где господствуют западные ветры. И, наконец, обе приполюсные зоны. Здесь, как и в «глазе» всякого тайфуна, воздух почти не вращается, но вращается Земля и потому атмосфера отстаёт и смещается теперь уже с востока на запад. «Глаз» тайфуна характеризуется пониженным давлением воздуха – здесь наблюдается то же. В «глазе» тайфуна обычно бывает повышенной температура воздуха, но разве мы уверены в том, что на полюсах Земли температура не могла быть ниже? Например, последние измерения, проведенные на Венере, обнаружили, что у её полюсов температура атмосферы оказалась наиболее высокой. А почему бы не допустить, что законы динамики планетных атмосфер общие.

Но довольно. Эта может быть и красивая гипотеза, но слаба тем, что тоже ещё не способна объяснить природу тех явлений, с которыми вроде бы удовлетворительно согласуется. Здесь, наконец, сохраняются те же загадки, которые всё ещё мешают познать физическую суть рядового тайфуна. Но изложили мы её не случайно, ибо далее, уяснив роль земного тяготения в движении атмосферных масс, надеемся вернуться к ней с багажом новых представлений.

Из вышесказанного следует, что если общеземная атмосфера и могла бы более существенно влиять на повышение температуры в полярных областях, то этому оказывается мешает отсекающее влияние глобального круговорота воздушных масс. А для понимания природы климатов важно знать и то, «каким теплом живут» полярные области Земли.

Известно, что перенос тепла атмосферной адвекцией определяется удельной теплоёмкостью самого воздуха и его способностью переносить и конденсировать водяной пар. Удельная теплоёмкость воздуха составляет 0,24 кал/г °C, что в 4 раза меньше теплоёмкости воды. Поскольку же приземный воздух в 400 раз менее плотен, чем вода, то единица его объёма в естественном состоянии потребляет или отдаёт теплоту нагревания – охлаждения уже в I 600 раз меньше, чем вода.

Передача теплоты от воздуха и через него, к тому же сильно ограничивается его крайне малой молекулярной теплопроводностью, особенно в разреженном состоянии. С понижением давления воздух адиабатически (без отъёма от него теплоты) может охлаждаться на 1° при поднятии на каждые 100 м высоты. Следовательно, при поднятии в тропосфере на 10 км он должен бы остывать на 100° или от средней температуры его у поверхности Земли до –85 °C.

Поскольку в космосе господствует абсолютный нуль температуры, то при поднятии ещё на 15 км воздух должен был бы сгуститься в жидкость. Фактически же на высоте 10 км он почти всюду имеет среднюю температуру около минус 40 °C и нигде, кроме как над экватором (где его температура на высоте 18…20 км составляет около минус 80 °C), не охлаждается ниже 60 °C. Одной из вероятных причин такого отклонения может являться увеличенная длительность освещения высоких слоев атмосферы Солнцем.

Другой более важной причиной является насыщение воздуха конденсирующимся на высоте паром и высвобождением теплоты парообразования, вследствие чего практическое падение его температуры с поднятием на высоту в среднем составляет 0,5…0,6° на 100 м. Поднимающийся воздух фактически увеличивает энтальпию, то есть приобретает дополнительное количество теплоты, несмотря на понижение температуры, в чем можно убедиться, возвратив его в условия атмосферного давления на уровне моря.

Из сказанного следует, что хотя столб воздуха сечением в 1 см² при его массе в 1 кг казалось бы мог отдавать по 250 кал (более 1 кДж) тепла при охлаждении на каждый 1°, но в силу адиабатического охлаждения, он не отдаёт его и даже сам «нагревается» за счет высвобождающейся теплоты конденсации атмосферного пара. Следовательно, воздух лишь транспортирует и даже присваивает «чужое» тепло, но сам своего тепла в окружающее пространство отдавать не может, поскольку переносимый им пар, в какой бы естественной концентрации не присутствовал в воздухе, успевает передавать тепло интенсивнее и больше, чем может это сделать воздух в силу своих физических свойств, к сожалению, ещё недостаточно изученных в экстремальных условиях высоких слоев атмосферы.

Энергия на образование паровой влаги (испарение) расходуется на водных поверхностях, а высвобождается при конденсации в атмосфере. Преобразование и задержка расхода теплоты парообразования в атмосфере в основном и создает ей тепловое преимущество, именуемое парниковым эффектом. На пути следования атмосфера неоднократно освобождается от водяного пара и вновь его приобретает.

И тут надо заметить, что тепло, высвобождающееся в высоких слоях атмосферы при конденсации пара, не может «обогревать» земную поверхность, поскольку конденсация и сублимация пара чаще происходит при температуре более низкой, чем имеет её земная (водная, ледяная) поверхность и направляется оно, главным образом, в космическое пространство длинноволновым излучением. Но поток этого тепла, к тому же чаще идущий из облачного покрова, компенсационно сдерживает примерно идентичное длинноволновое излучение самой земной поверхности, то есть «экономит» ее тепло, что при балансируемом приходе – расходе тепла в теплообмене земной поверхности с Солнцем и космосом равнозначно ее эквивалентному нагреванию. Поэтому высвобождающуюся теплоту парообразования в атмосфере условно, но допустимо в каком-то приближении отождествлять с приходом тепла к земной поверхности.

Допустим, в порядке «разведки боем», гипотетическое толкование сути однонаправленной атмосферной циркуляции и новый взгляд на роль воздушных масс в переносе ими тепла, мы получили неожиданную возможность наглядно сопоставить различия в теплообеспеченности высоких широт Земли с другими климатическими зонами.

2.3. Насколько на полюсах «холоднее», чем на экваторе?

Если этим вопросом кто-то и задавался, то ответа на него получить не мог по той простой причине, что люди еще не знают, как определить количество тепла на том или ином участке Земли. Странно? Определить энергию невидимого атома можем, а участка Земли, на которой стоим не можем. В лучшем случае оперируем лишь показателями термометров.

Но что такое температура? Она не характеризует количества тепла. Это всего лишь соразмерность, свидетельствующая о физическом состоянии среды. Это как напряжение в электрической сети, ничего ещё не говорящее о количестве электрической энергии. Подключите к автомобильной системе зажигания с напряжением в 30 000 вольт электрочайник, и он даже не нагревается. Но хороший автомобильный аккумулятор, напряжением всего в 12 вольт, успешно вскипятит чай. Значит, несмотря на очень большое напряжение в системе зажигания, энергии в низковольтном аккумуляторе оказывается намного больше. Так и температура мало что говорит о количестве тепла.

Однако по средней, сколько-то постоянной температуре внешней среды, зная удельную теплоёмкость какой-то массы и характер теплообмена с ней, можно определить, сколько тепла накопила или потеряла эта масса за определенный интервал времени при данной, воздействующей на неё, температуре внешней среды. Полагаясь на привычную шкалу температур Цельсия, количество воздействующих «тепла» или «холода» в этом случае становится возможным выражать суммами градусо-суток положительной или отрицательной температуры. Например, если температура минус 10 °C удерживается в атмосфере 10 суток, то условная сумма «холода» составит 100 градусо-суток отрицательной температуры. По сумме отрицательных температур с начала образования льда на водоёме, пользуясь известной эмпирической формулой Стефана, можно довольно точно определить толщину намерзающего льда, не измеряя её. А это значит, что по удельной теплоте фазового превращения воды в лёд становится возможным установить и конкретную величину теплового воздействия «холода» атмосферы на этот процесс, выраженную в калориях или джоулях. Таким же путём агрономы определяют количество «тепла», необходимого для развития растений до той или иной стадии.

Сейчас уже накоплено множество данных, чтобы суммами градусо-суток положительной или отрицательной температуры определять среднее за год тепловое состояние любого участка земной поверхности. Принимая, например, что средняя годовая температура в приэкваториальных широтах над водой океанов составляет около плюс 23 °C, на северном полюсе минус 19 °C, а в центре Антарктиды минус 50 °C, находим, что суммы градусо-суток температуры за год составляют:

Теперь мы можем сколько угодно вглядываться в эти цифры и раздумывать над ними, но всё равно не сможем ответить на вопрос – на сколько же на полюсах холоднее, чем на экваторе. А все потому, что мы пока не имеем для таких сравнений необходимой системы и правил отсчета.

Замечу, что введение в произведение суммы «тепла», как и «холода», температуры не всегда оказываются корректными, поскольку в телах (особенно твердых) температура распространяется с затухающей по глубине интенсивностью, то есть не линейно.

Это не вносит принципиальных изменений в рассуждения о том, где и во сколько раз оказывается тепла меньше, а где больше.

А пока суть да дело, попробуем всё же самостоятельно найти ответ на слегка измененный вопрос: насколько же полюса Земли хуже обеспечиваются теплом, чем экваториальные области?

Мы уже нашли, что с учетом отражения солнечной радиации северная полярная область получает тепла в 16 раз, а южная в 25 меньше, чем экватор. Нашли, что вращающаяся вдоль широт атмосфера отнюдь не способна активно обменивать тепло между экватором и полюсами. И всё-таки это самый активный переносчик энергии и надо бы уточнить, чем он одаривает студеные приполюсные пространства.

Здесь мы воспользуемся подсказкой Г. Н. Витвицкого (1980) в его книге «Зональность климата Земли». Он заметил, что «поле осадков служит важным источником информации о скрытой теплоте конденсации».

В атмосфере водяной пар конденсируется в результате охлаждения. При конденсации каждого грамма пара в виде аэрозоля или дождя высвобождается около 600 кал (2 500 Дж) тепла, а при конденсации и сублимации снега 680 кал (2 800 Дж).

Важно заметить, что высвобождение теплоты конденсации пара в атмосфере не может не отзываться на тепловом состоянии земной поверхности, над которой она совершается, поскольку количество выпадающих осадков в какой-то мере свидетельствует о количестве выделившейся в атмосфере теплоты.

Сложнее определить, над каким конкретно участком земной поверхности происходит конденсация пара, а над каким выпадают осадки, ибо вроде бы уже сконденсировавшаяся влага (аэрозоль), в тех же областях, может перемещаться с атмосферой на значительные расстояния.

Но можно заметить, а далее будут приведены факты, подтверждающие это, что компенсация тепла от земной поверхности атмосферой для каждой данной местности близко характеризуется количеством выпадающих здесь же осадков. Почему происходит именно так, ещё предстоит разобраться, но коли об этом свидетельствуют факты, игнорировать их нельзя, тем более, что заведомо известна неизбежность возвращения всего атмосферного пара снова на земную поверхность в виде осадков.

В таком случае снова считаем. Вблизи северного полюса при среднем количестве твердых, приведенных к плотности воды, осадков в 150 мм в атмосфере высвобождается более 10 ккал/см² год (42,6 кДж) тепла. Вроде бы не так уж мало. У В. Н. Степанова в книге «Океаносфера» (1983) находим, что «между 10° северной и южной широт выпадает около 20 % всех осадков, приходящихся на акваторию Мирового океана». Их среднеширотная величина достигает 1500…2500 мм/год. Берем среднюю – 2000 мм/год, получаем: 200×600 =120 ккал/см год (500 кДж). Оказывается, что земная атмосфера сохраняет тепла приэкваториальной области в 12 раз больше, чем северной приполюсной.

Следовательно, околополюсное пространство северного полушария получает тепла меньше, чем приэкваториальная область: от Солнца в 16 раз и от атмосферы ещё в 12 раз меньше. А в конечном счете северное приполюсное пространство обеспечивается теплом приблизительно в 190 раз хуже, чем приэкваториальные области. Когда просчитал то же для центра Антарктиды, где осадков выпадает всего 50 мм в год, то оказалось, что этот ледяной материк обеспечивается теплом уже в 1000 раз хуже, чем экватор!

Читатель, конечно, не поверил в реальность столь разительных контрастов климата на Земле, Я сам долгое время этому не верил, пока независимым путём, о котором напишу дальше, пришёл к такому же результату сопоставлений. Почему же такие сопоставления нам кажутся невероятными? И если они реальны, то почему оказались незамеченными?

А всё потому, что единственным мерилом теплообеспеченности той или иной поверхности Земли у нас до сих пор является радиационный баланс. О прижившейся путанице как в терминологии, так и в методах тепловых расчетов, мы еще скажем далее. А пока важно заметить, что радиационный баланс, под которым мыслится количество поступающей к данной площадке прямой и рассеянной солнечной радиации, и которой, как принимается, обязательно должен соответствовать балансируемый с ней расход тепла с этой же площадки, практически запрещает и предполагать, что тепловые различия климатов могут разниться на величину большую, чем различаются величины приходящей солнечной радиации. Как же в этом случае объяснить тот факт, что расположенные на сходных широтах Ленинград (Санкт Петербург) и Якутск, получающие почти равные количества радиационного тепла, столь разительно отличаются климатом: в первом среднегодовая температура воздуха составляет около плюс 7 °C, во втором около минус 14 °C соответственно среднегодовые суммы температур различаются от плюс 2500° до минус 5000°?

За слишком упрощенным балансовым методом расчета теплообеспеченности земной поверхности оказались просмотренными, а далее и полностью скрытыми, чрезвычайно важные и емкие факторы распределения тепла, действующие на Земле независимо от её теплообмена с мировым пространством, но имеющие удивительные следствия. Разве не об этом свидетельствует тот факт, что средняя годовая температура воздуха на большей площади Центральной Антарктиды оказывается на 40° ниже, чем на Луне, а у Полюса недоступности даже на 53° ниже. И это несмотря на атмосферу, углекислый газ, озон и прочие компоненты, вроде бы способны улавливать и задерживать теплоту. Как и на Луне, здесь нет жизни (если не считать смельчаков гляциологов).

Известен своим жестким климатом и Северный Ледовитый океан. Как ему удается не промерзать при столь скудной обеспеченности теплом, мы особо рассмотрим дальше.

Недосмотр факторов, перераспределяющих энергию, а конкретнее теплоту, по поверхности Земли, является одним из самых досадных упущений климатологии. Без этого невозможно получить цельную картину природы различий климатов или как мы ее называем климатической зональностью Земли, от которой отталкиваются оценки перспективы и способы освоения, ныне еще недостаточно или вовсе неосвоенных земель.

Мы уже давно гадаем, каким может стать климат, но оказывается, что ещё плохо знаем каков он есть сейчас. Здесь ещё предстоит вскрыть большой пласт новых знаний.

2.4. Тепловая реакция гидросферы

Твердая сфера Земли покрыта океаном и сушей. Обычно от этого грубого деления начинаются и все рассуждения о теплообмене земной поверхности. Но водная поверхность может быть не только жидкой, но и твердой, то есть становится «сушей», когда покрывается льдом. Такое скачкообразное превращение является результатом предваряющей потери тепла водоёмом до температуры замерзания, а с момента оледенения – причиной резкого изменения характера и интенсивности всех далее следующих процессов тепло- и массообмена водоёма с атмосферой, а через неё и с космическим пространством. Водная оболочка занимает 2/3 поверхности геосферы, а собственно гидросфера в виде паровой влаги обволакивает всю Землю. Поскольку вода и её фазовые превращения являются наиболее теплоёмкими в первом случае веществом, в другом – процессами, то общее термическое состояние земной поверхности во многом определяется гидросферой. Важную роль здесь играют физические свойства воды.

Замерзающий водоём всегда покрывается льдом в силу аномальных способностей воды скачком уменьшать свою плотность при кристаллизации примерно на 10 %. В литературе часто отмечается как велико значение этого физического свойства воды для сохранения жизни в водоёмах, для всей биосферы, в том числе для формирования климатов Земли. С момента образования ледяного покрова водоём прекращает прямой, всегда более интенсивный, теплообмен с атмосферой и далее лишь отдает теплоту в количестве регламентируемом, с одной стороны, молекулярной теплопроводностью льда, с другой – необходимостью передачи через лёд определенного количества теплоты кристаллизации.

Другим важным, тоже уникальным, физическим свойством пресной воды является достижение ею наибольшей плотности при температуре около 4 °C. После конвективного охлаждения всей массы воды до этой температуры, при отсутствии течений в водоёме, формируется обратная стратификация, когда вверх поднимается наиболее холодная вода. Образуется так называемый термоклин. Затем вода замерзает сверху.

Не сложно понять, что стратифицированная по плотности вода не может участвовать в конвективном теплообмене. Несмотря на возникновение в термоклине температурного градиента, возможный при этом кондуктивный теплообмен сдерживается одновременной стратификацией воды. Впрочем, если последнее заключение кому-то покажется неубедительным, то полезно напомнить, что коэффициент теплопроводности у воды почти в 4 раза меньше, чем у льда и, следовательно, при разности температуры не более 4 °C и глубине водоёма в несколько метров (обычная глубина термоклина 7…10 м) его потери при кондуктивном теплообмене практически оказываются исчезающе малыми, что легко проверяется по элементарной формуле теплопроводности.

Таким образом, выясняется, что стратифицированная по плотности пресная вода не способна передавать теплоту в сторону ледяного покрова ни конвективной, ни кондуктивной теплопроводностью, то есть не может участвовать в теплообмене со льдом и с атмосферой иначе, чем претерпевая фазовые превращения. Тепловой поток через лёд в этом случае заполняется лишь теплотой кристаллизации и какой-то незначительной величиной теплоты, передаваемой при охлаждении самого льда. Это подтверждается натурными наблюдениями зимнего режима озер, из которых следует, что температурный профиль в них ниже льда в течение всей зимы чаще всего сохраняется неизменным.

Иначе, при охлаждении стратифицируется морская вода. Утяжеленная солями (при их концентрации более 24,7‰) увеличенную плотность вода приобретает параллельно с охлаждением до температуры замерзания (минус 1,3 °C и ниже). Причем вода с большей соленостью, имея большую плотность, может удерживаться у дна даже будучи несколько нагретой выше температуры замерзания. Образуется так называемый галоклин. Вода с одинаковой соленостью, участвуя в конвекции, сопровождающейся передачей тепла с глубин моря, не может замерзать, пока вся не охладится до температуры, близкой к температуре замерзания. Толщина этого слоя воды, называемого пикноклином, составляет десятки и даже сотни метров. Даже при малом нагреве выше температур замерзания это обеспечивает водной массе запас тепла, долго или полностью компенсирующий потерю его с поверхности воды. Поэтому моря замерзают всегда позднее пресных водоёмов или вовсе не замерзают. В. Ф. Захаров (1981) показал, что даже на Северном полюсе океан мог бы не замерзать, если бы поверхностный слой воды в нём не был бы существенно опреснен и не подстилался бы сравнительно близко расположенным (на глубине около 50 м) галоклином.

Из охарактеризованных условий, предшествующих замерзанию любого водоёма, отнюдь не следует, что после замерзания, он не может терять в атмосферу какое-то количество вновь приобретенного тепла через ледяной покров. Но вероятность такой теплопередачи не подтверждается наблюдениями в Северном Ледовитом океане.

Тем не менее, живуче и противоположное мнение о том, что через лёд Арктического бассейна всё же может теряться значительное количество тепла, не участвующего в фазовом превращении.

Это мнение возродилось с той поры, когда было обнаружено, что в Северный Ледовитый океан постоянно поступает огромное количество тепла с притоком вод из Атлантического океана. Надо было найти, как и куда теряется это тепло. В конечном счете возобладало представление о возможности потери тепла через ледяной покров. Насколько оно верно мы рассмотрим далее.

Среди физических свойств воды для суждений о теплообмене водоёмов с окружающей средой, необходимо отметить ее большую удельную теплоёмкость. Исключая жидкие водород и аммиак, удельная теплоёмкость воды оказывается выше, чем у всех остальных известных нам веществ. Это свойство обеспечивает возможность аккумулирования и последующего перераспределения гидросферой огромных запасов тепловой энергии, получаемых Землей от Солнца, можно, например, отметить, что, несмотря на несравнимо больший объём атмосферы Земли, запас тепла в Мировом океане превышает запас его в атмосфере в тысячи раз. Поэтому тепловое влияние атмосферы на океан в общем случае всегда оказывается намного менее значительным, чем влияние океана на атмосферу.

Но атмосфера, не имея столь больших «запасов» тепла, весьма активно перераспределяет его по поверхности земного шара как постоянно поступающее, так и теряющееся в космос, количество за счет очень большой теплоёмкости парообразования и обратных ему процессов конденсации и сублимации. В среднем на всей Земле постоянный расход тепла на испарение составляет 83 % от усваиваемой радиации. Столько же его высвобождается в атмосфере при конденсации. При этом 35 % всего внешнего теплооборота Земли составляет теплота фазовых превращений льда в атмосфере. Такое связывающее теплообмен поверхности Земли с космическим пространством действие атмосферы наблюдается в современную эпоху, когда средняя величина испарения составляет 113 см² в год. Когда же испарение и конденсация сокращаются или увеличиваются, то соответственно уменьшается или увеличивается тепловое посредничество атмосферы в теплообмене земной поверхности с космосом. При этом уменьшение испарения приводит к угасанию парникового эффекта атмосферы, увеличивается континентальность климата, происходит общее охлаждение Земли. Однако водные поверхности, доведенные до замерзания, резко ограничивают дальнейшую потерю тепла, причем не только фактом образования ледяного покрова, но и, как увидим далее, под влиянием некоторых важных особенностей его намерзания и таяния.

Пока же заметим, что большая удельная тепловая ёмкость фазового перехода «вода – лед – вода» является регулятором не только ежегодного теплообмена Земли с окружающей средой, но и ведущим буферным регулятором многолетнего и даже многовекового теплового состояния её биосферы.

Сейчас модно стало говорить о возможности перегрева поверхности Земли громадным количеством тепла, вырабатываемого человечеством. Как следствие перегрева называется ускорение таяния ледников и опасное повышение уровня Мирового океана. Интересно, как могут противостоять этому антропогенному фактору массы льда?

В состоянии оледенения, главным образом в массивах гигантских покровных ледников Антарктиды и Гренландии, находится около 27 млн. км² воды, или 2 % всего объема Мирового океана. Средняя толщина этой массы льда составляет 1600 м.

Сжигая все виды топлива во всех топках и двигателях, человек сейчас высвобождает сверх естественного прихода тепла от Солнца более 2 × 10³ кДж за год. Если все это количество тепла полностью направить только на таяние ледников, то за год они могут стаять лишь на 4 см, вызвав подъём уровня Мирового океана всего на 1,8 мм. Фактически вероятное воздействие этого тепла окажется, по меньшей мере, в 30 раз менее заметным и его последствия не могут быть зафиксированы наблюдениями даже в случае, если тепла будет вырабатываться на порядок больше.

Более ощутимое тепловое воздействие может оказать непреднамеренное затемнение поверхности ледников промышленно – энергетическими выбросами в атмосферу, уменьшающими их альбедо. Поэтому сохранение чистоты атмосферы и снежно-ледниковых покровов, по-видимому, является первостепенной профилактической мерой против возможных нежелательных затоплений суши и вообще модификаций климата через посредство ледяных поверхностей.

Глава 3. Где еще мы ошибаемся?

Определяйте значение слов, и вы избавите свет от половины его заблуждений.

А. С. Пушкин

Неопределенности в объяснениях физических явлений и непреднамеренные ошибки, как испорченный компас, способны увести сознание с правильного пути к истине. От них особенно важно освободиться, когда мысль направляется по пути новых знаний. Старый багаж ошибок способен помешать стыковке всего ценного, что уже хорошо изучено с тем, что появляется вновь на пути развития наших представлений о природе. Уточнять прижившиеся толкования и исправлять чужие ошибки – дело ответственное и неблагодарное, но мы отважимся на него, поскольку видим в этом насущную необходимость.

3.1. Коротко о формах теплообмена

Начнем с некоторых частных, но необходимых пояснений к элементарным определениям термодинамики.

Под термином теплообмен чаще всего толкуется самопроизвольный процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому.

К сожалению такое толкование страдает неопределенностью, хотя бы уже потому, что под термином «нагрев» можно понимать разные тепловые явления: либо изменения температуры тел, либо изменения их энтальпии (теплосодержания), либо то и другое вместе взятое. Но изменения энтальпии, например, при замене воды льдом, имеющим меньшую энтальпию, или наоборот, могут не вызываться различиями температуры нагрева и даже протеканием самого теплообмена в том смысле, в каком он определяется выше.

Поскольку от подобных неопределенностей начинается цепная реакция путаниц и новых неопределенностей, условимся понимать под термином «теплообмен» просто всякую передачу теплоты от одной вещественной среды к другой. Отметим важнейшие понятия о формах обмена тепловой энергией между телами.

Теплопроводностью называется теплообмен в неравномерно нагретом теле (среде), имеющей атомно-молекулярный характер, не связанный с движением самого тела, чтобы подчеркнуть суть этого процесса, его часто называют молекулярной теплопроводностью, что не относится к металлам, поскольку в них перенос энергии в основном осуществляется электронами проводимости. Например, принимается, что перенос тепла во льду осуществляется за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку. Чтобы подчеркнуть характер происходящей при этом передачи тепла, процесс часто называют кондуктивной теплопроводностью или кондуктивным теплообменом.

Обязательным условием теплопроводности является наличие вещественной среды и непрерывной разности температуры (температурного градиента) в ней, то есть отсутствие изотермичности. Поэтому вещественная среда с одинаковой температурой не может осуществлять теплообмен, пока в ней не сформировался градиент температуры, о чём иногда забывается.

Конвективным теплообменом называется перенос теплоты в неравномерно нагретой среде жидкости или газа путём движения самой среды. В природе конвективный теплообмен чаще всего возбуждается действием силы тяготения из-за неравномерного нагрева и, следовательно, возникающих, в силу этого различий в плотности участков подвижной среды, находящейся на разных уровнях. Такой теплообмен называют еще естественной (свободной) конвекцией, характеризующейся перемещением среды по вертикали. Конвекция водной массы, сопровождающаяся ее плотностной стратификацией, имеет большое значение в формировании условий замерзания и зимней жизни водоёмов.

Адвективным теплообменом (адвекцией) называют горизонтальный перенос атмосферы, а вместе с ней и тепловой энергии. В последнее время этот термин часто стал распространяться и на случай переноса тепла с горизонтальными перемещениями воды и льда, например, морскими течениями. Это сугубо географический термин, поскольку в технике такой перенос принято называть вынужденной конвекцией.

Лучистым теплообменом называется перенос тепловой энергии между телами вследствие испускания лучей или электромагнитного излучения (радиации), что может происходить и даже лучше происходит при отсутствии промежуточной среды. Практически вся тепловая энергия, поступающая на Землю от Солнца, переносится лучистым теплообменом в виде коротковолновой радиации. Столько же Земля теряет тепла в космос путём длинноволнового излучения.

Важно заметить, что скорость распространения лучей не зависит от их длины и всегда равна скорости света. Лучи не могут нигде задерживаться иначе, чем путём поглощения одновременно нагревающейся материальной средой, которой они достигают и через которую проникают, или путём превращения в другую форму энергии. Световая энергия поглощенных лучей, переходящая в другие различные формы энергии среды, частично или полностью переизлучается средой на частотах, отличных от частоты поглощенного излучения. Недостаточное внимание к особенностям трансформации лучистой энергии нередко как увидим далее, порождает неясности толкования её динамики в атмосфере.

Лёд и снег играют большую роль в регулировании лучистого теплообмена Земли с окружающим космическим пространством в силу их значительных отражательных способностей.

Обратим внимание на мало известный в физической географии теплообмен при изотермическом изменении энтальпии масс. Этот теплообмен, в результате которого изменение количества теплоты (энтальпии) в определенной массе вещественной среды, не вызывается разностью температуры и не сопровождается ею. Чаще всего он происходит после независимо свершившегося фазового превращения в среде и вследствие переноса масс разного агрегатного состояния. Примером такого теплообмена может служить случай простой замены в водоёме массы льда равнозначной массой воды. В Арктическом бассейне такие явления постоянно происходят вследствие притока атлантических вод и обратно направленного выноса дрейфующих льдов в Атлантику. Невнимание к факту существования такого вида теплообмена породило целый ряд неясностей в описании процессов теплообмена и тепловых балансов полярных водоёмов, что нам еще предстоит далее обсудить особо.

В природе несколько видов теплообмена, действующих одновременно, дополняя один другим или, наоборот, сдерживая теплообмен одной формы другой. Например, на водоёме лёд намерзает за счет кондуктивного отвода теплоты кристаллизации в атмосферу и одновременно может дрейфовать, то есть участвовать в адвекции. Намерзая, под воздействием холодной атмосферы, он одновременно может подтаивать под действием проникающей солнечной радиации, нагревающей воду и конвективно передающей теплоту обратно льду и так далее. Выделить конкретную величину теплового влияния той или иной формы теплообмена не всегда возможно, но четкое представление о физических условиях таких процессов намного упрощает эту задачу.

3.2. «Туман» вокруг истины

Нет смысла подробно объяснять, что такое фазовый переход, поскольку достаточно твердые представления об этом даются уже в общеобразовательной школе. Но обратим внимание на нередкие случаи непреднамеренного искажения этих представлений, порождающих паралогизмы и целый ряд вытекающих из них сложностей в изучении и описании тепловых явлений в гидросфере.

Фазовым переходом первого рода называется термодинамический процесс, при котором энтальпия, плотность и другие характеристики вещественной среды изменяются скачком. Для осуществления такого перехода необходимо подводить или отводить теплоту, называемую теплотой фазового перехода и измеряемую скачком энтальпии при фазовом переходе в условиях постоянства температуры и давления.

Теплота фазового превращения для уточнения направленности перехода, например, «вода – лёд» называется либо теплотой кристаллизации, то есть количеством тепла, отводимым от воды при затвердении и соответствующем уменьшении её энтальпии, либо теплотой плавления – количеством тепла, подводимым для перехода льда в воду при соответствующем увеличении энтальпии. Для других случаев фазового перехода первого рода применяются другие термины, например, теплота испарения, теплота сублимации и так далее.

Из справочных источников ныне исчезает менее строгий термин «скрытая теплота», характеризующий изменение энтальпии при фазовом переходе. Недостатком толкования старого термина была не столько его некоторая неопределенность, сколько возможность нечеткого толкования следовавших за ним пояснений, давших пищу для заблуждений в понимании теплообмена при фазовом переходе.

Вот типичный пример прежнего толкования:

«Скрытая теплота – количество теплоты, поглощаемого телом или системой тел при фазовых превращениях (плавлении, испарении и тому подобное) без изменения температуры тела и выделяемое телом при обратном фазовом переходе (отвердении, конденсации и т. д.)» (БСЭ, изд. 2-е, т. 39, 1956). Здесь причастия «поглощаемое» и «выделяемое» как бы наделяют фазовый переход мистической способностью поглощать «всасывать» или «выделять», как независимый источник, теплоту. Старый термин, вместе с его неудачным дополнением, отжил, а следы непреднамеренно порожденной двусмысленности дают о себе знать.

В одной из работ доктора наук профессора читаем: «Процессы охлаждения воды и выделения тепла при кристаллизации льда взаимосвязаны». Не сложно заметить, что «охлаждение» и «выделение» тепла – это одно и то же. Здесь отнюдь не два самостоятельных процесса, между которыми надо искать взаимосвязь. Но когда допущено раздвоение (дуализм), можно не удивляться далее вытекающему из него курьезному рассуждению: «Если бы эти процессы не имели связи между собой, то в период замерзания вода в реке настолько переохладилась, что полностью превратилась бы в лёд, или наоборот, при образовании льда выделялось бы столько тепла, что весь процесс льдообразования прекратился бы вовсе, так как температура воды была бы значительно выше 0°».

Рис. 3. Типичный ход температуры воздуха (пунктирная линия) и воды (кривая) перед образованием на ней льда. Временное падение температуры воды ниже 0 °C вызывается её переохлаждением из-за отсутствия ядер кристаллизации.

В более известной, неоднократно переизданной работе В. В. Шулейкина (1962, с.70) можно прочесть: «При таянии каждого грамма льда поглощается, как известно, около 80 кал, которые отнимаются от окружающей воды». Это уже грубая ошибка – от воды, покрытой льдом, теплота таяния отниматься не может, поскольку в присутствии льда вода уже предельно охлаждена и, далее отдавая тепло, может только замерзать. В этой же работе, как итог всех рассуждений, показан тепловой баланс «Ледовитого» моря, в котором теплота кристаллизации значится в приходе тепла морю, а теплота плавления – в расходе. Здесь уже все поставлено с ног на голову. Я не умолчал фамилию автора этой широко известной работы, безусловно талантливого и крупного ученого, академика, чтобы показать, как за спиной его авторитета в науку проникла ошибка, далеко уводящая от истины. К слову сказать, мои ранние попытки указать на эту ошибку всегда оборачивались против меня же. Зато публиковались работы, призванные как бы развеять туман над неясностями физики фазовых превращений. Но туман ещё более сгущался.

В работе тоже доктора наук профессора, адресованной специалистам и студентам, для этого используется известный график типичного хода температуры начала образования льда в воде дополненный нами (рис. 3).

Он объясняет отклонение графика температуры воды вверх тем, что «с возрастанием интенсивности кристаллизации увеличивается количество выделяющегося в воду тепла…». Как видно, здесь опять кристаллизация становится источником тепла для воды. Но очевидно, что теплота кристаллизации, как всякая теплота, при неоднородном поле температуры может передаваться (отводиться, изыматься) только в среду, имеющую температуру ниже температуры замерзания воды. Для замерзающего водоёма такой средой является атмосфера и только ею и в ее сторону вынужденно изымается теплота кристаллизации.

Что касается изгиба на графике температуры начала замерзания, то он вызывается некоторым переохлаждением воды из-за недостатка ядер кристаллизации – условия, необходимого для начала замерзания. Как только ядро кристаллизации попадает в такую воду, её переохлаждение мгновенно реализуется на образование соответствующего дополнительного количества льда уже вне связи с продолжающейся потерей тепла водой в атмосферу. Такой процесс скоро и неизбежно вызывает повышение температуры вновь образующегося льда до температуры нормального замерзания воды, что и отражает график. Количество образующегося таким путём льда легко определяется, если известна температура, до которой переохлаждалась вода.

Очевидно, что теплота кристаллизации не может выделятся в воду, равно как и теплота плавления не может отвлекаться из воды в присутствии льда. Когда это положение четко усвоено, то становится понятной простая зависимость, что на водоёмах количество теряемой и усваиваемой теплоты фазовых переходов прямо соответствует количеству намерзающего или стаиваемого льда.

Покажем, как далеко от истины уводит ученых нечеткое представление об этих положениях. Так, в работе А. А. Лебедева и Н. С. Уралова (1981), озаглавленной «Результаты оценки тепла фазовых превращений морского льда в северном полушарии Земли», уже настораживает заглавие – зачем оценивать особо теплоту фазовых превращений, если уже производились многочисленные оценки, в том числе и указанными авторами, объёмов намерзания льда в северном полушарии? Не пустая ли это работа?

С первых строк в работе обнаруживаются последствия прижившихся ошибок. И здесь теплота кристаллизации относится в приходную часть теплового баланса океана, а теплота плавления – в расходную, хотя очевидно, что с потерей теплоты кристаллизации энтальпия океана уменьшается, а при усвоении теплоты плавления увеличивается. Авторы делают заключение, что при образовании и таянии льда в Арктическом бассейне и его морях усваивается и теряется одинаковое количество теплоты кристаллизации и теплоты плавления. Но и это заключение неверно, поскольку давно и надежно установлено, что из Арктического бассейна лёд постоянно выносится, а значит здесь его ежегодно намерзает больше, чем тает. Соответственно и разнонаправленные обмены теплотой фазовых переходов вряд ли могут быть равными. В работе показывается, что с выносом льда из Арктического бассейна якобы теряется значительное количество тепла. Но ведь энтальпия единицы массы льда меньше, чем энтальпия такой же массы воды, а, следовательно, вынос льда из бассейна приводит к увеличению его энтальпии (к приходу тепла), что правильно и принималось ранее в расчетах.

Таким образом, представление о теплообмене на главной замерзающей акватории Земли – Арктическом бассейне – оказалось основательно запутанным. И чтобы нам далее легче было понять некоторые вновь обнаруженные особенности фазовых превращений, полезно помнить об ошибках наших предшественников.

Ошибки в толковании хода фазовых превращений и их следствий встречаются очень часто, но причиной их нередко бывают не только огрехи предшественников, но и неверно самостоятельно понятое исследователем наблюдение.

Например, зная, что на испарение затрачивается теплота, именно этим многие объясняют почти всегда пониженную температуру смоченного термометра или ощущение прохлады смоченного живого тела. Но тут надо разобраться чья теплота расходуется при испарении. И здесь, казалось бы, самое простое объяснение оказывается неверным, если, вникнув в детали происходящего мы поймем, что смоченный термометр не испаряя своей жидкости, не может и отдавать свое тепло испарению. Но он не дополучает тепла от окружающего воздуха из-за того, что какая-то его доля, зависимая от сухости воздуха, перехватывается на испарение воды со смоченного батиста термометра (например, в психрометре). А отдать тепло или недополучить его – явления, хотя и имеющие одинаковый результат, по сути своей имеют разные причины. Не заметив различия между ними, легко скатиться к ошибочному мнению, что смоченный термометр сам охлаждается испарением, хотя это не так. То же самое и с ощущением прохлады мокрым телом: на испарение влаги с тела расходуется тепло, поступавшее к телу, а мы ощущаем это как некое охлаждение самого тела.

За неправильными объяснениями частного случая легко может последовать ошибочное объяснение более важного явления, что нередко и случается.

3.3. Как передается тепло через плавучий лёд?

Надо отметить интересное свойство плавучего льда передавать теплоту только в одном направлении – от воды в атмосферу, но не наоборот. Такое утверждение хотя и редко встречается в литературе, но часто парируется ответом, что де обратно через лёд может передаваться холод. Но «холод» или «передача холода» – это физически несостоятельные понятия, условно допустимые в обиходе, но не далее, ибо «передача холода» это нечто иное, как та же потеря или отвод тепла. Если мы будем думать и говорить, что из льда выделяется тепло, но в него же возвращается холод, то опять впадем в дуализм и будем дважды считать движение одного и того же теплового потока из льда в атмосферу. Лишь в самой массе льда, охлажденного ниже температуры замерзания, могут наблюдаться сменяющие один другого разнонаправленные потоки тепла. Не исключено, что невнимание к этому факту способствовало искажению представлений о направленности потоков теплоты фазового превращения между водой и льдом.

Как показано далее, такая однонаправленность потока тепла через плавучий лёд компенсируется в период таяния льда таким же по величине обратным потоком тепла, но передаваемым воде совсем иным путем, минуя кондуктивную теплопроводность, что, как оказывается, ускользало от внимания исследователей.

Собственно, однонаправленность теплообмена через плавучий лёд объясняется просто. С самого начала льдообразования и в период наращивания и существования ледяного покрова наиболее высокое значение температуры постоянно удерживается у нижней поверхности льда, а низкое – на внешней поверхности. И если весной внешняя поверхность всё же прогревается до температуры плавления, то следствием этого является прекращение сквозного кондуктивного теплообмена через ледяной покров.

Но и однонаправленный тепловой поток через ледяной покров водоёмов не бывает сколько-нибудь длительно постоянным, поскольку параметры его определяющие (разность температуры между поверхностями льда, его толщина) претерпевают изменения. Более стабильным бывает коэффициент теплопроводности пресноводного льда. Но морской лёд, за счет изменений количества замерзающих рассолов в разных его слоях, связанных с изменениями температуры, также не может сколько-нибудь длительно сохранять стабильность этой характеристики. Поэтому встречающиеся иногда данные расчетов за длительный промежуток времени теплопередачи через всю толщу ледяного покрова с помощью формулы теплопроводности, как правило, бывают ошибочны. Тем более таким путем нельзя определять потери тепла от воды в атмосферу через лёд.

Наибольшие искажения в решения вносит нестабильность температурного градиента. Он постоянно подвержен изменениям, зависимым от сезона года, от непериодических изменений температуры воздуха, вследствие изменения погодных условий, динамики толщины и плотности снега на льду, вытеканий воды на его поверхность и так далее.

Знание конкретной разности температуры между поверхностями ледяного покрова, что легко устанавливается по изменению температуры лишь верхней поверхности льда, ещё не свидетельствует о том, равномерно ли изменяется температура по всей толщине льда. А это условие также необходимо для удовлетворительного определения величины кондуктивного потока тепла через лёд.

Для сквозной кондуктивной передачи тепла через лёд необходимо непрерывное изменение температуры по нормали к плоскостям ледяного покрова. Эта передача будет лимитироваться участком нелинейного градиента, между концами которого разность температуры минимальна и совсем прекратится, если градиент будет разорван участком, лишенным разности температуры. Такой участок будет соответствовать положению безградиентного изотермического горизонтального слоя в ледяном покрове.

Поэтому встречающийся в печати вывод средне-интегрального температурного градиента, сделанный на основе одновременно выполненных ступенчатых измерений температуры льда по его толщине, чаще всего лишен практического смысла, а использование его при расчетах оказывается неправомерным. В любом случае величину общего теплообмена необходимо увязать с теплопроводящей способностью этого слоя льда, на границах которого обнаруживается наименьшая разность температуры. Обнаружить этот слой можно только прямым измерением температуры равных по глубине слоев льда, что сопряжено с большими трудностями.

Когда прикидочный расчет оказывается всё же необходим, полезно знать, что вероятность более удовлетворительного решения увеличивается в первой половине зимы, когда градиент температуры чаще бывает линейным и становится малой во второй половине зимы. Вероятность удовлетворительного решения оказывается тем больше, чем тоньше бывает лёд. Чтобы понять причины таких зависимостей полезно знать о составляющих теплового потока через лёд и характере их взаимодействия.

Чем бы не возбуждался и каким бы источником не обеспечивался тепловой поток через лёд, по величине он может быть только таким, каким определяют его конкретные параметры теплопроводности, но не больше и не меньше. Знание этого условия упрощает решение задачи о дифференциации источников тепла, обеспечивающих тепловой поток.

В общем случае тепловой поток через пресный плавучий лёд может слагаться из трех составляющих его величин: теплоты кристаллизации; тепла, обменивающегося при изменении энтальпии самого льда, то есть при его остывании ниже температуры замерзания; и, наконец, из потока теплоты, передаваемой от воды в атмосферу, но не принимающей участия в фазовых превращениях у нижней поверхности льда.

Поскольку удельная величина теплоты фазового превращения воды в лёд оказывается довольно стабильной (около 334 Дж/г), то величина интенсивности отвода теплоты кристаллизации легко определяется по скорости намерзания льда, а общее количество её потерь за всё время его намерзания – толщиной ледяного покрова.

Отвод тепла, определяющий уменьшение (иногда и увеличение) энтальпии самого льда способствует формированию градиента температуры, по «ступенькам» которого далее осуществляется весь кондуктивный теплообмен через толщу льда. Он определяется теми же параметрами теплопроводности и, сверх того, удельной теплоёмкостью льда, которая составляет около 2Дж/ г×°C.

Определение удельной теплоёмкости морского ледяного покрова требует особого подхода. Так как в обычном случае ледяной покров имеет наименьшую температуру на поверхности, а наибольшую – на нижней, то и отвод (расход) тепла при уменьшении энтальпии льда наибольший вблизи внешней поверхности и наименьший вблизи нижней. Он вовсе исключается в слое изотермического протекания фазового превращения. Общее количество тепла, отводимого при охлаждении пресного льда, обычно оказывается во много раз меньше, чем его высвобождается при фазовом превращении. Поэтому большинство известных решений задачи о наращивании плавучего льда, часто называемых «стефановскими» по имени ученого, впервые предложившего общий принцип решения таких задач, игнорируют количеством теплоты, передаваемым при охлаждении льда ниже 0 °C.

Однако в мощных многолетних арктических льдах доля тепла, участвующего в изменении энтальпии в общем теплообмене через лёд, становится значительной и часто требует учета. Простой метод определения этой величины был недавно предложен (Л. И. Файко, 1986).

Ещё более неопределенными долго остаются представления о возможной величине сквозного потока тепла от воды в атмосферу через лёд. Здесь в первую очередь возникает вопрос – может ли вообще существовать такой поток тепла? Если известно, что нижний «конец» градиента температуры во льду всегда равен температуре фазового превращения, то есть температуре предельно возможного, в присутствии ядер кристаллизации, охлаждения воды.

Но он может быть. Чтобы убедиться в этом, достаточно представить случай, когда путем добавления, определенного количества теплой воды под лёд можно вовсе остановить его наращивание и, тем самым, полностью заменить поток теплоты кристаллизации таким же по величине сквозным потоком тепла от воды в атмосферу. Если же могут иметь место тот и другой (крайние случаи), то могут быть и разные сочетания в соотношениях долей теплоты кристаллизации и теплоты, передающейся непосредственно от воды. Всякие отклонения температуры воздуха соответственно деформируют температурный градиент во льду, зачем следует и изменение интенсивности оттока теплоты через лёд.

Замерзания открытой воды не произойдёт до тех пор, пока потери тепла с её поверхности будут восстанавливаться таким же количеством тепла, конвективно поступающего из глубины водоёма. Когда же снизу тепла станет поступать меньше, поверхностный слой воды вынужденно начнет переохлаждаться и замерзать. С этого момента общая потеря тепла водоёмом в атмосферу резко сократится, так как будет лимитироваться намного менее интенсивной кондуктивной теплопроводностью через лёд. Того, кто захочет познакомиться с математической интерпретацией изложенных положений, можно отослать к упомянутой выше работе автора.

3.4. Ляпсусы теплобалансовых расчетов

Где термическое состояние любой системы, находящейся под воздействием потоков тепла, направленных как к ней, так и от нее, сохраняется достаточно долго постоянным, надежным способом отыскания источников и количеств прихода – расхода тепла является метод теплового баланса. Если при достаточно надежном установлении количеств прихода и расхода тепла их равенства не наблюдается, то есть собственно баланса не существует, то такая система находится в неравновесном термодинамическом состоянии. Эти простые, хотя и не всегда правильно понимаемые положения обусловили чрезвычайную популярность теплобалансовых расчетов и этот метод стал едва ли не главным инструментом оценок и исследований по термике водоёмов и суши. Географы стали ему доверять больше, чем допустимо и здесь стали возникать разночтения. Сейчас мы уже уверенно знаем, что сумма отрицательной и положительной температур воздуха за год, например, в Якутске, соотносятся как минус 5500°: плюс 1800°, то есть далеко не равны между собой. Но по привычному расчету теплового баланса непременно будет показано, что противонаправленные тепловые воздействия на подстилающую поверхность равны. Об этом свидетельствуют все выведенные балансы.

Так где же правда? А она искажена тем, что среди методов климатологических исследований незаметно, постепенно, но крепко прижились досадные несовершенства, путаница и просто несуразица.

Что такое «радиационный баланс»? Смысловое значение этих двух слов приемлемо лишь для характеристики общеземной разности между приходом и расходом радиационного тепла, достигающего поверхности всей Земли, но отнюдь не может распространяться на каждый конкретный участок земной поверхности.

Оценки в последнем случае вуалируются искусственными смысловыми натяжками из-за не совсем ясно принятой разницы между радиационным и тепловым балансами «радиационный баланс первичен, тепловой – вторичен», хотя величины тех и других потоков тепла оцениваются размерностями (кал/см² или Дж/см2 и сравниваются в общих строках баланса. Здесь определенно существует субъективно созданное прибежище для накопления смысловых ошибок, уводящих к грубым искажениям представлений о климате разных регионов. Например, из книги в книгу «кочуют» тепловые балансы озер Севан, Аральского, Каспийского моря и так далее. Недоумение вызывает тот факт, что всё количество приходящей солнечной радиации, достигшее поверхности воды в балансах однозначно относится к поглощенному водой. Например, для оз. Севан это количество составляет 120,9 ккал/см² год (505 кДж/см²). Зная удельную теплоемкость воды и среднюю глубину озера (28,5 м) не сложно рассчитать, что в случае поглощения этого тепла вода в озере летом нагревалась бы до 42,4 °C, а на глубинах меньше 12 м – должна была закипать! Но ни того, ни другого не происходит и, значит, отнесение статьи прихода тепла ориентировано нечетко. Здесь опять условности, исподволь приживающиеся как аксиомы, через путы которых к истине надо докапываться путем дополнительного не всем доступного специального анализа.

Рассмотрим много раз опубликованный тепловой баланс оз. Севана.

Здесь уже в расходе значится: эффективное излучение (175 кДж/см² год): турбулентный обмен с атмосферой (132 кДж/см² год) и тепло, затраченное на испарение воды (198 кДж/см² год). Только тут выясняется, что первая величина вовсе не поглощалась водой поскольку эта доля тепла, как от зеркала, просто отразилась от поверхности водоёма. Но ведь между смыслами слов «поглотилась» и «отразилась» существует большая разница.

Из второй статьи расходов после некоторого мысленного усилия следует, что в ней отражено количество тепла, пошедшее на нагревание воды в озере, что точнее можно измерить термометром. Но далее оказывается, что только это количество тепла и шло на нагревание воды, то есть собственно поглощалось озером. Оно составляет лишь 24 % всей достигшей озеро энергии солнечной радиации. А как же с испарением? Испарение происходит на бесконечно тонкой поверхностной пленке воды и этот изотермический процесс тоже не влияет на изменение температуры воды, а значит, и тепло затраченное на испарение тоже может относится к поглощенному массой водоема. Как следует из оценок актинометристов до 86 % всей поступившей к поверхности водоёма радиационной энергии расходуется на испарение в верхнем слое воды толщиной в 1 мм, то есть практически отражается, а не поглощается. Скрытая энергия испарения поднимается в высоты атмосферы, где и высвобождается снова путем конденсации пара в воду или при сублимации[2] его в ледяные кристаллы. Но для водоёма парообразование не проходит бесследно, поскольку он теряет массу, как «хранительницу» тепловой энергии. Потери массы, это потери энтальпии, то есть изотермическая потеря теплоты, не доступная фиксированию термометром, но энергетически выраженная ещё больше, чем изменением температуры, так как удельная теплота парообразования весьма велика и составляет 2,25 кДж/г. Величина третьей расходной статьи баланса свидетельствует о том, что на оз. Севан ежегодно испаряется слой воды в 88 см. И именно на убыль уровня озера расходуется вся энергия, пошедшая на парообразование.

Но если мы пришли к заключению, что убыль воды в озере свидетельствует о потере им энтальпии (грубо – теплосодержания или просто тепла), то должны согласиться и с тем, что обратная прибыль воды в свою очередь должна сопровождаться соответствующим увеличением энтальпии озера. А отсюда следует, что принятый метод расчета теплового баланса, даже после устранения тех несуразностей, которые отмечены выше, может быть верен в случае, если одновременно балансируется массообмен водоёма с окружающей средой и не может быть истинным, если баланс водообмена не рассматривается.

Заметим, что автор далеко не первый замечает несовершенства принятого метода теплобалансовых расчетов. Например, В. Н. Степанов (1963, с.120) писал: «… радиационный баланс неуравновешивает ни в каждом данном месте, ни в океане в целом теплообмен, осуществляющийся за счет остальных компонентов», поскольку тепло может переносится как по вертикали, так и по горизонтали. И он настойчиво предлагал «заменить термин «баланс» (равенство, равновесие) термином «бюджет», под которым понимается разность между приходом и расходом тепла». Однако, если любой участок суши или моря термически стабильно существует очень большой ряд лет, то очевидно, что на нем имеет место примерное балансирование прихода и расхода тепла. Следовательно, и количественное соотношение конечных величин прихода и расхода тепла в этом случае обязательно, независимо от результатов их субъективных расчетов, существует. Задача исследователя в этом случае сводится лишь к тому, чтобы наблюдениями и расчетами подтвердить этот факт. А это можно сделать, учитывая лишь все факторы теплообмена, в том числе возможный приход тепла помимо радиации, обмен теплотой при обмене масс и прочие иногда не замечавшиеся особенности тепло- и массообмена внешних сред и сфер Земли.

Притягательность метода теплового баланса исходит от непреложности закона сохранения и превращения энергии. Мы автоматически принимаем, что если где-то тепло потрачено, то откуда-то оно должно возвратиться в том же количестве, а значит, можно его подсчитать, составляя тепловой баланс. Однако оказывается, что вывести сходящийся (замыкающийся) тепловой баланс для некоторых объектов природы не всегда возможно. Примером может служить обыкновенный ледяной покров на водоёмах. В этом случае нельзя составить годовой тепловой баланс собственно для льда, поскольку расходом теплоты кристаллизации он создается, а равным приходом теплоты плавления ликвидируется.

Но можно составить баланс теплообмена при намерзании и таянии льда. Если обозначим теплоту кристаллизации Q–, а теплоту плавления Q+, то можно, ничего не считая для одного и того же намерзающего и тающего слоя льда сразу записать баланс: Q- = Q+

Просто? Но за этой простотой, как оказалось, скрывались очень важные особенности теплообмена замерзающих водоёмов с внешней средой, дающие пищу для нового взгляда на проблему климата. Дальше об этом расскажем подробнее. Вернемся ещё и к тепловым балансам.

Часть II. Раскрываем ещё одну тайну льда

Каждый учёный, не сделавший открытия, есть самоубийца.

М. Пришвин

Глава 4. Плавучий лёд аккумулирует теплоту для водоёма

Ледяной покров водоёма настолько всем хорошо знаком, что, казались бы, не стоило тратить времени на поиски каких-то еще неизвестных его свойств. Но как часто ошибочность первого взгляда уводила исследователя от познания очень важного нового! Так случилось и со льдом. Пытаясь «на всякий случай» проверить, каким внешним теплообменом поддерживается баланс теплоты кристаллизации и теплоты плавления при намерзании и таянии плавучего льда, автор столкнулся с поразительной несуразицей, в которую невозможно было сразу поверить. Потребовалось ещё более 15 лет, чтобы эта назойливо маячившая в сознании загадка привела к обнаружению ясно обозначившегося ранее неизвестного природного явления. Оно до сих пор обсуждается на предмет научного признания. Но само явление очевидно и обросло неопровержимыми доказательствами его правомерности. Автор теперь может изложить его понятно и тем самым дать возможность читателю самому убедиться в его сути и важности, чему и посвящено далее следующее.

4.1. Невероятный, но очевидный разбаланс

Итак, теплота кристаллизации Q– и теплота плавления Q+ для одного и того же слоя намерзающего и тающего льда равны, то есть Q- = Q+

Так это всегда и принималось в теплобалансовых расчетах по замерзающим водоёмам, но оканчивалось тем, что корректных, не вызывающих сомнений в своей правильности, балансов теплообмена замерзающих водоемов с внешней средой по сей день не получено. Сотни раз рассчитывался тепловой баланс Северного Ледовитого океана, но ни один из них так и не был признан сколько-нибудь верным. И опять же В. Н. Степанов (1963) отметил, что теплового баланса здесь и не может быть. Но он объяснил это всегда существующим обменом Северного Ледовитого океана с водами Мирового океана, а автор причину разбаланса стал искать на типичном бессточном озере Якутии. Взял и сравнил, какими тепловыми воздействиями внешней среды обеспечивается балансирование расхода и прихода теплоты кристаллизации и теплоты плавления при намерзании и таянии льда.

И тут обнаружились удивительные факты. Оказалось, что лёд тает намного быстрее, чем намерзает. Ещё ранее то же самое заметил советский ученый С. В. Томирдиаро (1972), объяснив это, как обнаружилось далеко неполно, прозрачностью льда для солнечных лучей. Далее нами обнаружилось, что тепловые воздействия внешней среды при намерзании и таянии льда, выраженные как суммы градусо-суток отрицательной ∑-t° и положительной ∑+t° температуры, различаются ещё более разительно. Для атмосферы над якутским озером эти величины составили: при намерзании льда ∑-t° = минус 5 500°, а при полном таянии этого же слоя ∑+t° = плюс 200°. Тепловое воздействие отрицательной температуры при намерзании льда оказалось в 27,5 раза больше, чем положительной при таянии того же слоя льда!

Когда одна, и та же величина делится на большую величину, а затем на меньшую, то результат деления первой оказывается меньше, чем второй. Отсюда, поскольку

Q – = Q+, а

∑-t° > ∑+t°,

то их соотношение выразится неравенством:

Q – < Q+

∑-t° ∑+t°

из которого следует, что таяние льда требует суммы тепла положительной температуры меньше, чем требуется сумма отрицательной температуры при намерзании такого же слоя льда. Какой уж тут баланс теплообмена ледяного покрова с внешней средой, если налицо явно неравновесный или неравновесно обратимый теплообмен, причем соотношение воздействующих тепловых величин в разных климатических зонах оказывается далеко не постоянным. Например, в Северном Ледовитом океане сумма отрицательных температур может составлять минус 7 000°, а положительных всего плюс 35°. Единица воздействия тепла положительной температуры здесь способна расплавить льда уже в 200 раз больше, чем может наморозить его такая же единица теплового воздействия отрицательной температуры!

Чем же объясняется такой разительный разбаланс теплообмена ледяного покрова с внешней средой? Тут следует обратить внимание на то, как отводится теплота кристаллизации при намерзании льда и как усваивается льдом теплота плавления. Эти различия невозможно будет понять, если руководствоваться ошибочными выше отмеченными представлениями об этих процессах.

Поэтому напомним, что теплота кристаллизации высвобождается при намерзании льда на его внешней поверхности и выделяется молекулярной теплопроводностью через тот же нарастающий лёд и через снег на нём в атмосферу. Молекулярная теплопроводность, как уже замечено, является самой замедленной формой передачи тепла, что и ограничивает отвод теплоты кристаллизации во времени. Отвод ещё более уменьшается с увеличением толщины льда. К тому же фазовые превращения воды в лёд, как и обратно, характеризуются большой удельной теплоёмкостью. Всё это сдерживает наращивание толщины льда, почему однолетний лёд почти нигде не намерзает свыше 2 м. Если исключить передачу теплоты кристаллизации кондуктивной теплопроводностью через ледяной покров, перенести фазовое превращение воды в лёд непосредственно в морозную атмосферу, то можно намораживать горы льда высотой в несколько десятков метров за зиму, что нам и удалось доказать на практике (Файко, 1986).

При таянии льда под воздействием нагревающейся атмосферы или солнечной радиации, тепло, необходимое для его плавления, поступает к его внешней поверхности, уже минуя кондуктивную теплопроводность, без всякой задержки и полностью усваиваясь в любом малом количестве, характеризуемым положительной температурой. Усвоенная теплота плавления вместе с талой водой довольно скоро находит возможность стечь со льда, изотермически увеличивая энтальпию водоёма. В смене путей и видов теплообмена – малоинтенсивной кондуктивной теплопроводности зимой на полное её исключение и замену интенсивной конвективной теплопередачей со стоками талой воды весной – летом и состоит важнейшая, но еще не решенная причина неравновесного теплообмена теплотой фазовых превращений.

Заметим, что вводимое мною понятие о «стекании теплоты плавления» далеко не сразу и не всеми понимается и усваивается, из-за чего остается не понятой и основная суть самого обнаруженного явления.

Один из анонимных оппонентов, о котором я знаю только то, что он доктор географических наук профессор, в отзыве на мою работу письменно констатировал, что теплота плавления расходуется только на таяние льда и никуда далее поступать не может. Короче говоря, он считает, что, потратившись на таяние льда, теплота плавления просто исчезает. Сделав такой вывод, оппонент отказался далее читать работу.

Но мы знаем, что согласно закону сохранения и превращения энергии, теплота не может исчезать бесследно. И теплота плавления отнюдь не исчезает. После таяния льда она автоматически утрачивает лишь своё название, но не исчезает, поскольку существует и далее, выражается в изотермически увеличенной энтальпии замерзающего водоёма, а именно в том очевидном факте, что в водоёме какая-то часть или весь лёд, всегда имеющий меньшую энтальпию, заменяется такой же массой воды, имеющей большую энтальпию. Здесь мой оппонент оказался пленником путаницы в толковании сути фазовых превращений, о чём я писал выше, а в результате погрешил нарушением закона сохранения энергии. Так что термин «стекание теплоты плавления» может быть и не самый удачный и уж конечно непривычный, но всё же имеет тот важный смысл, что, правильно отражая явление, не позволяет нам нарушить закон сохранения энергии.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Ф. Энгельс Диалектика природы. – М.: ГосПолитиздат, 1955.

Вернуться

2

В метеорологии смысл термина «сублимация» расходится с принятым в физике, где им обозначается обратный процесс – испарение (возгонка) льда (Гляциологический словарь, 1984).

Вернуться