Дерзкие мысли о климате

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/см

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/см

год (505 кДж/см

). 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/см

год): турбулентный обмен с атмосферой (132 кДж/см

год) и тепло, затраченное на испарение воды (198 кДж/см

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