Дерзкие мысли о климате
Шрифт:
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
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
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?