Дерзкие мысли о климате

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 см

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/см

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.