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.