11.2. Техногенный лёд и управление климатом
Почти через все разделы книги, помимо нашей воли, два термина «лёд» и «климат» постоянно соприкасаются, как понятия неотвратимо зависимые одно от другого и неразделимые. И когда мы помечтали об управлении климатом, они снова столкнулись на идее осуществить это через управление ледяным покровом Северного Ледовитого океана. Иного, лучшего решения не просматривается.
Это случилось после того, как мы убедились в теплозащитной роли льда на водоёмах и обнаружили, что, уничтожив его на Северном Ледовитом океане, можно охладить весь Мировой океан и тем самым остудить климат. Наше привычное представление о том, что «где лёд, там и холод» опять оказалось ошибочным. Но это на водоёмах. А как обстоит дело на суше? И здесь мы часто оказываемся в плену стандартного некритического мышления. Представив, что огромные массы льда, подобных Антарктической или Гренландской, не могут не влиять охлаждающе на климат всей Земли, мы уже не ищем возможной обратной связи и не сомневаясь в очевидности предположенной, ищем как велика она и ничего другого. Из этого же следует широко распространенное и казалось бы уверенное предположение, что существенно понизить среднюю температуру атмосферы Земли якобы можно, увеличив или уменьшив массу льда и площади им занимаемые. По отношению к водоёмам нам стало ясно, что такое мнение не просто ошибочно, но оно оказалось прямо противоположным мыслимому. А по отношению к суше? Не поможет ли здесь известный новый способ промышленного производства льда путем дальнеструйного дождевания через среду морозного воздуха?
Познакомившись с книгой «Взаимодействие оледенения с атмосферой и океанам» (1987), авторы которой известны как весьма добросовестные ученые, мне показалось излишним прибегать к пересказу их труда, чтобы осветить взаимосвязь между климатом и оледенением суши. Эта книга выгодно отличается от многих ранее изданных тем, что в ней рассматриваются не только отдельные звенья существующей связи между ледяными массами и окружающей их природой, но и их комплекс, как цельная система. Здесь по-новому и строго рассматривается физика фазовых превращений и их роль в теплообмене, с большей определенностью характеризуется атмосферная циркуляция и перенос ею тепла и влаги между ледяными массами и сушей, даются конкретные численные оценки термических взаимодействий между ними. Книга освещает массу конкретных фактов, которые не утрачивают ценности ни при каких уточнениях представлений о их природе.
Ниже я фрагментарно цитирую некоторые из основных заключений этой книги о влиянии современных ледников на климат (с.25…28). Оказывается, что из-за ледников «альбедо нашей планеты возрастает в летнее полугодие на 2 %, а за год на 1 %: от 0,29 до 0,30, что согласно модели М. И. Будыко (1969), приводит к охлаждению приземного слоя воздуха приблизительно на 10». И далее «Общий радиационный баланс малых покровных и горных ледников составляет минус 0,4×1014 МДж/год и в сумме с континентальным покровным оледенением равен минус 4,8×1015 МДж/год. Эти потери составляют около 0,2 % солнечного тепла, поглощаемого поверхностью нашей планеты». И, наконец, о затратах тепла на таяние ледников «В сумме затраты тепла на таяние составляет около 25×1013 МДж/год, то есть примерно в 20 раз меньше, чем затраты на компенсацию отрицательного радиационного баланса, и не имеют существенного значения для глобального охлаждения атмосферы», «… современная тропосфера охлаждается оледенением… ещё на 1° за счет отдачи тепла в них с турбулентным потоком». Наконец, «суммарное охлаждение современным оледенением равно 2 °C».
Так сейчас. А вот как было (с.33): «… в период последнего максимума ледникового периода 18 тыс. лет назад площадь ледников удваивалась. Это должно было вызвать дополнительное глобальное охлаждение атмосферы, по крайней мере, ещё на 2 °C, что само по себе объясняет около 1/3 отмечавшегося во время ледникового периода похолодания. Учет разрастания морских льдов и снежного покрова увеличит эту долю, по-видимому, до половины».
Вот каким «скромным» оказывается влияние ледников на изменение температуры воздуха на Земле, то есть на охлаждение климата всей планеты. Оледенение страшно в большей мере хотя и очень медленным, но захватом суши льдом, чем трансформацией общеземного климата, угроза которого чаще всего уже сейчас беспокоит человечество. На самом деле человеку конечно достаточно будет и времени и места, чтобы и при максимуме оледенения найти себе благоприятное обиталище.
Однако выше изложенные конечные оценки по климату могут существенно изменится, если трансформируются основополагающие научные представления о его природе, например, в том направлении, в каком я представлял их в этой книге. Если в конце концов окажется, что наши представления о радиационном балансе далеко не полны и некорректны; различия климатов с намного большей полнотой и контрастностью определяются не температурой воздуха, а тепло-обеспеченностью разных регионов; замерзание водоёмов менее влияет на понижение температуры воздуха, чем на сбережение тепла океанами; парниковый эффект в основе определяется паром и парообразованием, но не углекислым газом; за этим и другими уточнениями неизбежно последуют многие другие, от них зависимые, то конечно же очень значимые наши обобщения и заключения, кроме очевидных фактов, окажутся существенно измененными. Этого надо ждать и не надо этого бояться.
Причем прикидочные следствия этих познавательных и понятийных изменений высвечивает ещё во много раз меньшую роль льда в изменениях климата. В конечном счете оказывается, что, к примеру, заметно снизить зной Сахары или Каракумов не удастся совсем, если даже воздвигнем искусственные ледники на всей прочей суше. Значит подобное техногенное решение проблемы охлаждения климата ледниками оказывается столь же бессмысленным и неосуществимым, как в свое время предложенное освобождение Гренландии ото льда путем его сбрасывания в океан (Гернет, 1981).
Но вспомним, что понятие «климат», кроме теплового режима, автоматически включает влагообеспеченность ландшафтов, управление которой, хорошо ли плохо, но давно уже решается техническими средствами путем перераспределения или перекачки имеющихся природных ресурсов пресной воды. Хорошо уже то, что эта проблема решается, но плохо, что эти решения обходятся очень дорого, вызывают необходимость внесения многих необратимых нарушений в окружающую природную среду, к тому же часто оказываются мало эффективными. Если внимательно присмотреться к причинам таких неудач, то можно снова обнаружить наше плохое знание самой природы и комплексов ее естественных ресурсов. И поэтому же в орошении, например Средней Азии, до сих пор не находится подходящего альтернативного решения переброске стока сибирских рек.
В той же, не раз выше процитированной книге (с. 15), о ледниках суши можно прочитать: «Ледники, как правило, являются индикаторами зоны максимальных осадков…» Правильней было бы написать, что ледники являются не просто индикаторами наибольших осадков, а их производителями, генераторами. В географической литературе было опубликовано много фактов и обобщений, указывающих на то, что в снежном покрове и на ледниках, особенно в весенне-летний период, конденсируется значительное количество дополнительной атмосферной влаги (Иверонова, 1961; Клюкин, 1963; Котляков, 1968 и др.). Увеличение количества осадков над заснеженными покровами и ледниками часто вдвое и больше превышает норму осадков над окружающими равнинными территориями. Нередко их увеличение относят не на ледники, а на сами горные системы, заставляющие подниматься потоки воздуха, насыщенного паром, на большую высоту. Однажды я и сам был очевидцем, когда обильные осадки в виде снега вызвал в 1967 г. громадный ледяной затор (площадью около 250 км2) на реке Лене у Покровска вблизи Якутска, на абсолютной отметке около 100 метров над уровнем моря. Установлено это было при облете затора на легком самолете Як-12. При отсутствии снега вокруг затора и с наветренной стороны, на сам затор и на подветренной его стороне на 1…2 км, 10 мая, когда твердые осадки обычно уже не выпадают, выпал снег слоем 10…20 см. На затор форменным образом вернулась зима и снег удерживался 12 суток, подперев уровень воды в реке на 15 метров (Файко, 1975).
Читатель, наверное, уже догадался, что я клоню к идее создания в горах Средней Азии, например, на Памире, новых искусственных ледников, способных в какой-то мере решать здесь проблему дефицита воды. В первую очередь свое слово должны сказать гляциологи: на какую прибавку воды можно рассчитывать? Как определить их учить не надо. А я беру за основу ориентировочно слой дополнительных осадков в 330 мм, то есть 1 м 3 с 3 м 2 площади за год или один кубокилометр воды с 3000 км 2 площади новых ледников. Сейчас их площадь на Памире составляет около 8 500 км2. Прибавка к суммарному стоку крупнейших рек Средней Азии Амударьи (около 100 км3/год с этой площади составит всего 1 %. Не густо. Но площадь ледника в перспективе можно увеличить в 10 раз и более. Однако 3 000 км 2 для начала тоже много. Если принять толщину льда в леднике 15 метров (чтобы он не растаял в горах полностью за лето) для такой его площади на намораживание потребуется 45 км 3 воды. Столько за раз изъять нельзя – затрещит вся экономика Средней Азии. Сократим для начала площадь ледника до 300 км2, а объем воды для его создания до 4,5 км 3 на год.
Если новый ледник начнет собирать воду, то появится и новая вода для его расширения. Где взять эти 4,5 км3? В водохранилищах нельзя, они построены не для этого. Вглядываясь в карту Памира, нахожу нерукотворные, подпертые землетрясениями, озера Сарезское и Яшилькуль. В них обоих около 17 км 3 воды, появляется надежда, что у них воду можно «занять».
Теперь экономика. Нам уже удавалось получать малыми силами массивы до миллиона кубометров льда за зиму, доводя стоимость 1 м 3 до 5 копеек. На Памире воду придется поднимать на 1000… 1500 метров вверх. Учитывая иные сложности в работе в горах, но и возможность коренного усовершенствования намораживающей техники, примем, что кубометр льда в леднике будет стоить вдвое дороже. Считая далее, мы столкнемся уже с миллиардными затратами. Дорого, но кажется дешевле, чем будет стоить переброска стока северных рек в Среднюю Азию. Зато никаких каналов, никаких засорений и потерь воды, её высокое качество и полное исключение опасного нарушения природы. А не просчитать ли нам специально этот вариант восполнения дефицита влаги в Средней Азии? И не здесь ли кроется решение проблемы Арала?
Всякое новое решение любой проблемы неожиданными и неизведанными способами в начале представляется фантазией. Но разве мало фантастических замыслов уже воплощено в жизнь?
11.3. Лёд и энергетика
Нам уже известно, что в принципе вся энергетика, то есть добыча энергии, доступной управлению человеком, основывается на неравновесных процессах, либо возникающих в самой природе, либо искусственно создаваемых человеком.
Первый путь – использование естественных неравновесных процессов – в последние два века явно уступил более мобильному искусственному воспроизведению неравновесных процессов с помощью огня.
Второй путь, берущий начало от топки, утилизировал температурное и тепловое превосходство «сила огня» над окружающей средой. Так возникли все тепловые энергетические установки и машины, начиная от паровых двигателей до атомных установок.
Сейчас начинаем осознавать, что тепловая энергетика, обладая многими преимуществами над стихией естественных неравновесных процессов, одновременно несет с собой неотвратимые опасности не только для человечества, но и для самой Земли: грозящее истощение всех топлив; чрезмерную и вредную для экологии переработку земной коры при добыче подземных горючих; засорение атмосферы и т. д.
Тут подошло время сказать о неравновесном теплообмене замерзающих водоёмов с окружающей средой, как потенциальном источнике энергии, о котором люди мало что знали. Идея энергетического использования температурных разностей, возникающих между вечной мерзлотой грунтов и атмосферой, в свое время горячо отстаивал М. И. Сумгин (Сумгин, Демчинский, 1938). Реализация этой идеи, по некоторым неопубликованным данным, ограничилась несколькими опытами, подтвердившими её общую правильность, но выявившими и серьезные трудности технико-экономического толка. Помехой явилась, и быстро уменьшающаяся плотность тепловых потоков в неподвижной массе литосферы. Тем не менее, подобный источник не только на мерзлоте, но и просто в охлажденных грунтах, кое-где сейчас применяется для обогрева помещений. Ныне появились новые устройства для использования тепла от слабых неравновесных процессов. Например, одна японская фирма запатентовала в Англии (патент Великобритании № 149625) способ утилизации низкотемпературного тепла для получения электроэнергии. Кипящая при низкой температуре жидкость в резервуаре, обогреваемом слабым естественным теплом, испаряется на поверхности, хорошо проводящей тепло пористой металлической пластины. Пар вращает турбину и далее конденсируется в более холодной среде. Процесс идет непрерывно (Наука и жизнь, 1978, № 10).
Эти и многие другие технические решения вселяют уверенность, что уровень современной техники подготовлен для того, чтобы приступить к разработке конкретных приемов использования тепловой энергии от процессов, сопутствующих намерзанию и таянию льда. При этом надо отметить важное свойство процесса льдообразования: при его энергетической утилизации можно использовать не только и не столько возникающую между водой и атмосферой разность температур, сколько очень большую теплоемкость фазового перехода при замерзании воды. Используя это обстоятельство можно во много раз увеличить отвод тепла от замерзающей воды, например, на выработку электроэнергии. Этим и привлекательна возможность утилизации значительных энергетических ресурсов фазовых превращений воды на замерзающих природных водоёмах. Узнав о том, что замерзающий водоём обменивается с атмосферой неравновесно, а именно: сохраняет для водоёма тепла намного больше, чем должен был бы отдавать при равновесном теплообмене, мы получаем возможность утилизировать для себя ту её долю, которая сдерживается льдом от потери в атмосферу в зимнее время. Для того, чтобы подобная утилизация теплоты не привела к необратимому промерзанию водоёма, как это случается в вечной мерзлоте, мы должны брать энергии не больше, чем возвращается её естественным путем за лето, то есть в количестве, достаточном для полного таяния ледяного покрова. Определить его можно по имеющимся в гляциологии специальным картам (Ходаков, 1978).
Например, для центральной Якутии это составляет слой льда 15-ти метров. Естественное намерзание здесь примерно один метр. Следовательно, энергию, которую допустимо утилизировать от водоёма зимой, определяет количество теплоты кристаллизации высвобождаемой из слоя льда в 14 метров, что составляет около 470 кДж/см2, или до 112 ккал/см2. Отсюда с 1 м2 ледяного покрова, наращиваемого при отборе тепла от водоёма до 15 метров, в принципе можно изъять тепла, эквивалентного сжиганию примерно 100 кг бензина! С 2…3 гектаров ледяного покрова в принципе можно снять энергии столько, сколько потребовал бы завоз горючего целым железнодорожным эшелоном. А ведь это не мало.
Дать оценку абсолютным ежегодно восстанавливающимся ресурсам тепловой энергии замерзающих водоёмов можно на примере такого подсчета: только с водохранилища намечавшейся к строительству Нижне-Ленской ГЭС, путем утилизации теплоты льдообразования, в перспективе можно снимать энергии в 300…400 раз больше, чем способна будет выработать сама эта гигантская ГЭС (20 млн. кВт) или без малого столько же сколько её вырабатывают сейчас все страны мира! Как видно, здесь есть над чем подумать изобретателям. Разработку способов утилизации энергии замерзающих водоёмов, в частности теплоты фазовых превращений «вода – лёд – вода», следует отнести к одной из перспективнейших инженерных задач ближайшего будущего. Особенно в этом нуждается север, где лучшим образом представлен резерв этого абсолютно безвредного источника ежегодно возобновляемой энергии, и где большая доля всей здесь вырабатываемой энергии идет на обогрев жилых и производственных помещений в зимние 9 месяцев.
Что следует из изложенных мыслей?
(Вместо заключения)
Как отнестись читателю к идеям, свалившимися на его голову из этой небольшой книжки? Верить им или не верить?
Конечно же автору было бы приятно, чтобы ему поверили. Но я сам хочу просить читателя, чтобы мне не верили слепо, не осмыслив всего прочитанного глубоко собственным умом до той стадии, когда прочитанное становится осознанным убеждением или ориентиром для основательного переосмысливания основных положений климатологии.
Если читатель, познакомившись с этой книгой, только согласится с мыслью, что в достоверности многих современных положений учения о климате Земли можно и надо усомнится, то я буду считать свою задачу выполненной наполовину, а если убежденно увидит и поймет, что в ней есть полезные и здравые мысли, то буду считать свою задачу достигнутой полностью. Думаю, что я не мог ошибаться во всем, равно как и не смог обо всем высказаться безошибочно. При этом считаю, что всякое сомнение в правильности высказанных мыслей имеют такое же право на жизнь, как и признание их правильности.
Если есть повод для сомнений сомневайтесь! От сомнений возникают вопросы, а с вопросов зарождаются новые мысли.
Использованная литература
Адабашев И. А. «Человек исправляет планету» – М.: Изд-во Молодая гвардия. – 1964.
Алисов Б. П., Полтораус Б. В. Климатология. – М.: Изд-во Москов. университет. – 1974.
Бондарев Э. А., Файко Л. И. О теплофизических критериях процесса смерзания. – В кн.: Физика льда и ледотехника. – Якутск: –1974.
Борисенков Е., Алтунин И. Рост углекислого газа в атмосфере и его влияние на климат. – Доклады АН СССР, 1985, т. 281, № 3.
Борисов П. М. Может ли человек изменить климат? – М.: Наука. – 1970.
Брукс К. Климаты прошлого. – М.: Изд-во иностранная литература – 1952.
Будыко М. И. Изменение климата. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1969.
Будыко М. И. Глобальная экология. – М.: Мысль, – 1977.
Будыко М. И. Эволюция биосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, – 1984.
Вейль П. Популярная океанография. – Л.: Гидрометеоиздат – 1977.
Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. – М.: Наука, – 1965.
Взаимодействие оледенения с атмосферой и океаном. – М.: Наука, 1987.
Витвицкий Г. Н. Зональность климата Земли. – М.: Мысль, – 1980.
Воейков А. И. Снежный покров, его влияние на почву, климат и погоду и способы исследования. – СПБ. – 1889. См. также «Избр. соч.», т. 2. – М-Л.: Изд. АН СССР. – 1948.
Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. – М.: Изд. Машиностроение. – 1972.
Гаврилова М. К. Современный климат и вечная мерзлота на континентах. – Новосибирск: Наука. – 1981.
Гернет Е. С. Ледяные лишаи. – М.: Наука, – 1981.
Гросвальд М. Г. Покровные ледники континентальных шельфов. – М.: Наука. – 1983.
Гуди Р., Дж. Уолкер Атмосферы. – М.: Мир. – 1975.
Дернгольц В. Ф. Мир воды. – Л.: Недра. – 1979.
Доронин Ю. П. Тепловое взаимодействие атмосферы и гидросферы в Арктике. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1969.
Забелин К. М. Физическая география и наука будущего. – М.: Мысль. – 1970.
Захаров В. Ф. Льды Арктики и современные природные процессы. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1981.
Захаров В. Ф. Мировой океан и ледниковые эпохи плейстоцена. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1978.
Иверонова М. И. К вопросу об испарении со снежного покрова на территории СССР. – В кн.: Роль снежного покрова в природных процессах. – М.: Изд. АН СССР. – 1961.
Изменения климата. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1980.
Имбри Дж., К. П. Имбри Тайны ледниковых эпох. – М.: Прогресс. – 1988.
Колесник С. В. Общая гляциология. – Л.: Учпедгиз. – 1939.
Костицын В. А. Эволюция атмосферы, биосферы и климата. – М.: Наука. – 1984.
Климат полярных районов. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1973.
Клюкин Н. К. Некоторые вопросы мелиорации климата путем воздействия на снежный покров. – Проблемы Севера, 1963, вып. 7.
Котляков В. М. Мы живем в ледниковый период? – Л.: Гидрометеоиздат. – 1966
Котляков В. М. Снежный покров Земли и ледники. – Л.: Гидрометеоиздат. 1968.
Лебедев А. А., Уралов Н. С. Результаты оценки тепла фазовых превращений морского льда в северном полушарии Земли. – В кн.: Исследования ледовых условий арктических морей и методы расчета и прогноза. Труды ААНИИ, том 384. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1981.
Марчук Г. И. Молодым о науке. – М.: Изд-во Молодая гвардия. – 1980.
Минин А. С. Вращение Земли и климат. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1972.
Непреднамеренные воздействия на климат. – Л.; Гидрометеоиздат. – 1974.
Ощепков П. К. Жизнь и мечта. – М.: Московский рабочий. – 1977.
Рябчиков А. М. Структура и динамика геосферы, её естественное развитие и изменение человеком. – М.: Мысль. – 1972.
Степанов В. Н. О возможности и целесообразности уничтожения арктических льдов. – Проблемы севера, 1963, вып. 7.
Степанов В. Н. Океаносфера. – М.: Мысль, – 1983.
Сумгин М. И., Демчинский Б. Н. Завоевание Севера (в области вечной мерзлоты). – М.: – 1938.
Томирдиаро С. В. Вечная мерзлота и освоение горных стран и низменностей. – Магадан: Кн. изд-во. – 1972.
Тронов М. В. Ледники и климат. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1966.
Файко Л. И. Наступление на холод (проблемы отепления Земли). – Полярная звезда, 1970а, № 5.
Файко Л. И. Колосс на задворках науки. – За науку в Сибири, 1970 б, 21 сентября.
Файко Л. И. Ледяной покров, и способы управления его режимом. – Новосибирск: Наука. – 1975.
Файко Л. И. Возможные изменения ледовитости и теплообмена с атмосферой Арктического бассейна при изменении межокеанического обмена водами и льдом. – В кн.: Материалы гляциологических исследований. Хроника обсуждения. – М.: – 1978, вып. 34.
Файко Л. И. Использование льда и ледовых явлений в народном хозяйстве. – Красноярск: Изд. Красноярского университета 1986.
Файко Л. И. Ледяные мосты. – Якутск: Кн. изд-во. – 1988.
Чумаков Н. М. Докембрийские тиллиты и тиллоиды (проблемы докембрийских оледенений). – М.: Наука. – 1978.
Шашко Д. И. Агроклиматические ресурсы СССР. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1985.
Шулейкин В. В. Очерки по физике моря. – М.: Изд. АН СССР. – 1962.
Шулейкин В. В. Физика моря. – М.: Наука. – 1963.
Щукин И. С. Четырехзначный энциклопедический словарь терминов по физической географии. – М.: Советская энциклопедия. – 1980.
Ходаков В. Г. Снега и льды Земли. – М.: Наука. – 1969.
Ходаков В. Г. Водно-ледовый баланс районов современного и древнего оледенения СССР. – М.: Наука. – 1978.
Цуриков В. Л. Жидкая фаза в морских льдах. – М.: Наука. – 1976.
Чижов О. П. и др. Оледенение Новой Земли. – М.: Наука. – 1967.