Дерзкие мысли о климате

6.2. Все неживое движется силой притяжения

Узнав, что тепловое равновесие одной массы с другой массой может быть нарушено приложением работы какой-то внешней силы, возникла догадка, а не дополняется ли энергия атмосферы работой внешней силы вездесущего тяготения?

Суть тяготения пока мы вынуждены принимать такой, какой оставил ее Ньютон: все тела притягиваются одно к другому с силой прямо пропорциональной их массам, но обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Не имея объяснения причин такой зависимости, крайне сложно объяснить ещё многие явления в окружающем нас мире. Поэтому же оказывается трудным увязать тяготение с тепловыми явлениями. Последнее немало усложняется и предполагаемой необратимостью притяжения.

Если всякие массы только притягиваются друг к другу, то вероятная участь всей суммы масс – собраться в одну кучу. Опыт не подтверждает такой вероятности, а свободное сознание настойчиво сопротивляется признать и возможность её. Но давайте ухватимся лишь за одно слово в ньютоновском определении, а далее попытаемся «выудить» факты, которые за ним должны следовать. Это слово – «сила». Раз Ньютоном признается наличие силы у притяжения, значит, должно быть и её проявление – работа, а работа может быть эквивалентом теплоты. Теперь уже появляется возможность рассмотреть, где и как проявляется работа силы тяготения на поверхности Земли. Здесь, помимо падающего яблока, уже многое хорошо известно: работа падающей воды, которая через ГЭС превращается в любые формы энергии; течение и эрозия рек; сползание ледников и так далее. Однако догма о необратимости притяжения ещё мешает нам увидеть все факты проявления силы тяготения шире.

Случайно ли Ф. Энгельс[4] (с.193) настаивал на том, что «… притяжение и отталкивание столь же неотделимы друг от друга, как положительное и отрицательное, и потому уже на основании самой диалектики можно предсказать, что истинная теория материи должна отвести отталкиванию такое же важное место, как и притяжению, и что теория материи, основывающаяся только на притяжении, ложна, недостаточна, половинчата. И, действительно, имеется достаточно явлений, наперед указывающих на это». Среди ряда иных явлений Ф. Энгельс (там же, с.194) указывает, что «Теплота в газе порождает отталкивание и т. д.»

Автор не исключает, что противоположны и полный эквивалент притяжению в конце концов будет признан в факте взрывов космических тел, отталкивающих массу, вероятно равную той, что длительно и постоянно стремится к концентрации у центров вращения планетных звездных и иных сфер, о чем вскользь гипотетически упоминалось в начале данной книги. Но почему же мы игнорируем и теми частными случаями отталкивания, которые во множестве сами видим?

Мы твердо знаем, что все тяжелое стремится к центру Земли, а все более легкое соответственно различиям плотностей выталкивается и располагается выше. Зачем и почему этот строгий порядок на Земле постоянно нарушается и заставляет силу земного притяжения столь же настойчиво и постоянно опять и опять устанавливать его. Да потому, что все вещественное собственно земное, что, ниспадает и скатывается, исключая метеориты, прилетающие из космоса, прежде, чем упасть и скатиться когда-то все же поднимается, то есть отталкивается, вытесняется тем же земным притяжением туда, откуда падает или скатывается. Мы погрешим непризнанием непреложного Ломоносовского закона сохранения массы, если эти явления будем толковать иначе.

Разве можно представить обыкновенный дождь, течение рек, наконец, работу ГЭС на них стоящих, и так далее, без предваряющего этим событиям и постоянно свершающегося поднятия (отталкивания) в высоты атмосферы эквивалентной массы водяного пара? Нагретый воздух, выталкиваемый ввысь замещающим его более плотным воздухом, возбуждает ветер. Ветер поднимает на море волны и вызывает течения, которые могут возбуждаться и постоянно возникающей собственной разностью плотностей воды и так далее и тому подобное. Эту, если можно так выразиться, постоянную сортировку массы по плотности, выполняет ничто иное, как та же сила притяжения и никакой иной силы назвать невозможно. Может быть не ведая о том, целая наука, гидростатика, нацелена на эксплуатацию отталкивающего действия силы притяжения и, если мы знаем, что дирижабль намного экономичнее самолета, то следовало бы знать, что его экономичность обязана участию отталкивающей силы тяготения, а не условно названной «подъемной» силе легкого газа. Образно говоря, эта наука изучает и эксплуатирует движение хвоста, не ведая о том, что он принадлежит кошке.

Важным оказывается вопрос – как создаются условия для отталкивания масс силой тяготения? Здесь все довольно просто. Почти любое вещество, исключая лёд, какое-то время хорошо вписывавшееся тяготением в его укладку сообразно плотности, при нагревании уменьшает плотность и вследствие этого начинает выталкиваться силой притяжения из более плотных масс. Единственным естественным источником, который способен осуществлять нагрев какого-то всегда ограниченного объёма массы для Земли, является Солнце. Достигая земной поверхности, энергия солнечных лучей более всего расходуется на испарение воды, при котором изотермически и скачком плотность образовавшегося пара становится в 1600 раз меньше плотности воды и много меньше плотности воздуха.

Движение Земли и всех планет вокруг Солнца и вокруг собственных осей обусловливает равнопеременное освещение и затемнение их поверхностей, вызывающее такое же равнопеременное нагревание и охлаждение подвижных, жидких или газообразных масс. Когда солнечные лучи непосредственно, а чаще через нагрев непрозрачных сред, нагревают какие-то объемы воздуха или их энергия превращается в теплоту парообразования на водной поверхности, сразу же начинается работа силы земного притяжения, в данном случае направленная на выталкивание возникших легких масс. Обратное падение масс к земной поверхности вызывается охлаждающим действием верхней атмосферы. Так и только так, исключая действие эндогенных сил (вулканы), через ротацию поступлений и отводов тепловой энергии на Земле осуществляются всякие движения неживой природы. Все эти движения стимулируются нагреванием – охлаждением, а осуществляются работой силы земного притяжения. Именно силой притяжения и для тех, кто еще сомневается в этом, воспроизведем простой мысленный эксперимент, который в наш космический век можно осуществить и в натуре. Всем известно маленькое приспособление: на тонком стерженьке над электрической лампой устанавливается легкий, например бумажный, вентилятор. Когда включается лампа вентилятор начинает вращаться (рис. 10). Многие считают, что вентилятор вращается от тепла лампы. Впрочем, нередко и всякие движения на Земле объясняют действием тепла и самую Землю часто называют «тепловой машиной». Шулейкин В. В., например, настойчиво утверждает, что «солнце – источник движения в океане и атмосфере».

Рис. 10. Вентилятор над нагревающейся лампой, своим вращением доказывает необходимость отталкивания нагретого воздуха, обратной силой земного притяжения. Без тяготения вентилятор вращаться не будет.

Но поместим это же приспособление в вакуум и убедимся, что вентилятор уже и при включенной лампе не вращается. Значит, дело вовсе не только в излучаемом лампой тепле. Уточняется и причина вращения вентилятора. Теперь уже ничего не остается, как назвать ею движение воздуха, конвекцию, возбуждаемую нагреванием лампы. А давайте поместим это же приспособление в условиях невесомости, например, в космический корабль, находящийся на околоземной орбите. И вот: лампа излучает тепло, есть воздух, а вентилятор не движется, а не вращается он потому, что не стало конвекции, для возникновения которой необходимо притяжение, а точнее поднятие ею теплого, а потому ставшего более легким, воздуха. И остается единственно верное заключение, что вентилятор в конечном счете вращается не теплом, не воздухом, а работой силы притяжения, вызывающей конвективное движение нагревающегося воздуха[5].

Работа силы притяжения, кроме установления порядка в движении космических тел, распространяется и на устранение нарушений в иерархии плотностей масс на этих телах, вызываемых их нагреванием и охлаждением. Следовательно, она неизбежно сопровождается теплообменом, который можно назвать гравитационным массо – и теплообменом. Если прекратится такой массо – и теплообмен, вся неживая природа Земли замрёт.

На Луне, как и на Земле и даже с большей выраженностью, действует тот же источник тепла Солнце и тот же его нещадный «пожиратель» космос. Луна также обладает собственным тяготением. Но ей не хватает подвижных масс на внешней сфере, той же атмосферы, в которой нагревание и охлаждение вкупе с тяготением могло бы возбуждать гравитационный массо- и теплообмен. И хотя половину времени существования ее периодически навещает 110-градусный жар солнечных лучей, средняя температура поверхности Луны оказывается на 30 °C ниже, чем у Земли. Из-за отсутствия атмосферы и жидкостей приходящее и уходящее лучистое тепло на Луне нагревает или охлаждает лишь незначительный верхний слой твердых или сыпучих пород. Здесь оборот тепла осуществляется только замедленной молекулярной теплопроводностью с равной интенсивностью в обе стороны. Искать здесь каких-либо иных превращений тепловой энергии не имеет смысла.

На Земле все обстоит иначе. Достоин удивления тот факт, что явления, происходящие в атмосфере, довольно удачно изобразил на своём рисунке ещё М. В. Ломоносов (рис. 11, 1753).

Самое важное, что происходит на Земной поверхности, это превращение энергии солнечного луча в скрытую теплоту парообразования.

Рис. 11. Механизм образования в атмосфере вертикальных воздушных потоков.

Не выраженная возрастанием температуры, теплота парообразования задерживается в атмосфере, неся с собой большую долю энергии, мгновенно поступившей к Земле с солнечной радиацией. Постоянная задержка тепла при его возврате в космос замедленным конвективным поднятием пара на пути к высвобождению и излучению его после конденсации, как раз и способствует увеличению энтальпии (нагрева) земной атмосферы. На Земле происходят и другие интересные явления гравитационного массо- и теплообмена, о которых пойдет речь далее.

Таким образом, мы приходим к заключению, что преимущественное тепловое состояние Земли и Венеры, не говоря о других планетах, о которых мы ещё мало что знаем, в основе определяется тремя важнейшими факторами:

– самим наличием и мощностью подвижных масс на твердых сферах планет;

– вращением планет, вызывающим периодичность нагревания и охлаждения их внешних подвижных сфер Солнцем;

– силой притяжения или выталкивания подвижных масс при увеличении или уменьшении их плотности вследствие охлаждения или нагревания.

В этих обобщениях всё вроде бы логично, но необычно, не привычно. Я долго искал в этих рассуждениях что-либо мало вероятное, то есть явления или процессы, существование которых и связь между которыми требовали бы каких-то особых дополнительных сложных домыслов, и не нашел. Значит, изложенные заключения можно взять в основу дальнейших рассуждений.

6.3. Как работает сила притяжения в тепло – и массообмене?

Итак, рассуждая о нашем элементарном эксперименте с лампой и вентилятором, а также о причинах поднятия льда в воде и пара в атмосфере, мы пришли к мнению, что все эти движения – результат массообмена, подготовленного нагреванием или охлаждением подвижных сред и осуществляемого действием силы земного притяжения, то есть его работы.

Из того, что выталкивание (поднятие) каких-либо полегчавших подвижных масс, как и их обратное падение после утяжеления, есть следствие одной и той же силы притяжения, прямо следует, что эту силу следует считать только один раз: либо по выталкиванию масс, либо по их поднятию. Например, для случая влагооборота в атмосфере проще численно определить работу, которая выполняется при выпадении осадков. Тогда очевидно, что этой же силой выполняется работа и по поднятию пара, из которого далее конденсируются осадки. Все расчеты упрощаются тем, что мы заведомо знаем о непреложности равенства масс поднятого пара и выпавших осадков, поскольку те и другие принадлежат только Земле, никуда с неё не исчезают, извне земных сфер не восполняются и перемещаются одной и той же силой. По результатам такого массо- и теплообмена, например в атмосфере, становится возможным вычислить механический эквивалент теплоты, поступающей в атмосферу за счет работы внешней силы тяготения. Пока принципиально важно отметить, что нагревание атмосферы имеет место и что находится внешняя сила, которая своей работой создает это нагревание. То же самое относится и к сохранению тепла замерзающим водоёмом.

Таким путем мы подводим обнаруженные явления неравновесности теплообмена подвижных сфер Земли к согласованию с основами, термодинамики, но делаем это, наступая на «больные мозоли» закона всемирного тяготения Ньютона. Здесь опять дает себя знать жгучая проблема обратимости энергии (энергоинверсии) из-за недосказанности и субъективности классического закона физики, в данном случае выражающиеся в ещё не признанной непреложности обращаемости тяготения в форму отталкивания. Именно из-за этого из области нашего внимания постоянно выпадает важнейшее свойство земного тяготения (притяжения) – способность выполнять работу не только на турбинах ГЭС, но и всюду в окружающей нас неживой природе и, как видно, даже в согревании земной поверхности.

Тут будет очень кстати прозорливое видение закона сохранения массы и энергии М. В. Ломоносова, которое мы процитируем, не пересказывая: «все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупляется к другому, так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения; ибо тело движущее своею силой другое столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Из этого следует, что как масса вещества или суммы веществ, так и энергия – мера движения массы – исчезать не могут, как не могут и появляться из ничего.

Итак, выпадение дождя вызывается силой тяжести (в этом никто не сомневается), но на место выпавшей воды в атмосферу этой же силой, но обращенной на выталкивание, поднимается такая же масса пара. А вот об этой последней возможности, подсказанной Ф. Энгельсом, мало или почти никто из нас не знал. Зато часто говорят и пишут о так называемой потенциальной энергии падающих или уже упавших до неопределенного по отношению к центру тяжести Земли положения, потенциальная энергия которых в этом случае, условно принимается равной нулю. «Потенция» (с латинского) означает возможность, способность, обладание какой-то силой, могущей выполнять какую-то работу. Здесь кругом неопределенности, условности и неясные своей постановкой задачи, вечно ждущие какого-то дополнительного радикального решения. Очень похоже, что все сложности возникают как раз из-за недосказанностей, которые мы обсуждаем здесь.

Простенький опыт с вентилятором, описанный выше, показывает, что силу выталкивания дает тяготение через конвективное выталкивание вверх нагревающегося воздуха, а с ним и пара. Здесь наглядно видно действие одной и той же силы, которая в одном случае заставляет подняться сильно уменьшившую плотность массы испарившейся воды, в другом – заместить её немного утяжеленными сконденсировавшимися каплями воды. И разве не об этом же писал М. В. Ломоносов, доходчиво представляя передачу силы по эстафете обмена масс?

Верно, что нам ещё надо много потрудиться, чтобы хорошо узнать и осознать детали такой эстафеты, но здесь главные неясности уже вскрываются знанием закона сохранения энергии и массы, из которого следует, что для поднятия пара также нужна сила, а оценки и опыт свидетельствуют, что ею может являться лишь обратимая сила притяжения.

Рассмотрим отношение силы тяготения к теплообмену во внешних подвижных сферах Земли, в частности атмосферы. В ньютоновском представлении силой тяготения обладают все тела, в том числе и внешние сферы Земли. Однако по массе, сравниваемой с массой всей Земли и в силу ее шарообразности, собственное тяготение всех участков внешних подвижных сфер оказывается столь ничтожным, что практически действующую на них силу общеземного тяготения уверенно можно отнести к внешней силе, действующей со стороны тяжелого ядра Земли. Это уточнение важно, поскольку изменить энтальпию (уровень нагретости) термодинамической системы с неизменным внешним теплообменом, то есть массы подвижных сфер Земли, может только внешняя сила. Именно в этом случае атмосферу вместе с гидросферой грубо можно представить, как тепловую машину, работающую от энергии, поступающей со стороны. Если «машина» вызывает нагревание системы океан – атмосфера, то условно принимается, что она работает в прямом тепловом цикле. Если «машина» работает как холодильник, значит, осуществляется обратный цикл. На Земле может осуществляться и тот и другой тепловые циклы.

Из рассмотренных выше примеров с планетами солнечной системы следует, что работа силы тяготения чаще бывает направлена на увеличение энтальпии (на согревание) внешних сфер планет, имеющих атмосферы, в том числе и Земли. Однако на самой земной поверхности были известны лишь охлаждающие действия гравитационного массообмена (растекание холодных вод по глубине Мирового океана, «расползание ледников и айсбергов, опускание холодных масс воздуха» и так далее), в то время как положительные тепловые эффекты гравитационного массообмена кажется оставались неизвестными, а точнее незамеченными и не только в естественном обороте энергии, но и, что удивительно, в ряде созданных человеком тепловых устройствах.

Самой энергоёмкой формой обращения тепла на земной поверхности, является испарение и конденсация влаги, происходящие на земной поверхности и в атмосфере. В теплоту парообразования и конденсации вовлекается более 80 % количества всей тепловой энергии, поступающей от Солнца и излучающейся в космос. Поднятие пара и выпадение сконденсирующейся воды, как мы уже знаем, осуществляется работой силы тяготения, то есть работой внешней силы, совершаемой в атмосфере. Эта работа (в прямом цикле) отдаленно схожа с действием теплового насоса, также потребляющего энергию от внешнего источника (электростанции) и способного передавать теплоту от тел менее нагретых (холодная речная вода) к телам, более нагретым (обогреваемое помещение). И здесь, и там движение рабочего тела (испаряющихся жидкостей, передающих теплоту парообразования) осуществляется внешней силой (в атмосфере выталкивающим действием силы тяжести, в тепловом насосе – электроэнергией). О том, какими явлениями и следствиями сопровождается принудительное движение пара в атмосфере мы знаем. Сейчас же интересно заметить, к какому последствию привело невнимание к участию силы тяготения в системе водяного отопления, работающей от теплового насоса.

Объектом многих недоумений, полемик, споров и спорных объяснений постоянно являлся тот, кажущийся невероятным, факт, что коэффициент полезного действия (КПД) тепловых насосов часто, если не всегда, оказывался больше единицы. Компрессор теплового насоса затрачивал энергии меньше, чем должен был затрачивать для эквивалентного нагревания системы отопления. Это обстоятельство порождало недоверие к самой идее давно изобретенного устройства.

Но если обратить внимание на то, что в системах с тепловым насосом параллельно с компрессором работает сила тяготения, заставляя конвективно циркулировать воду через радиаторы отопления, а иногда и через другие дополнительные контуры, как отмеченное недоразумение становится само собой исчерпанным. Очевидно, что и здесь надо считаться с тепловым эквивалентом работы не только электромотора, но и работы силы тяготения, осуществляющей принудительную конвекцию в нагревательных системах.

Существует множество широко распространенных отопительных систем с естественной циркуляцией нагревающейся воды. В них устанавливается лишь один источник энергии – нагреватель и потому считается, что теплота и заставляет циркулировать нагревающуюся воду. Но поместите такую систему в условия невесомости и вода циркулировать не станет. В этом случае для возбуждения циркуляции надо будет ставить дополнительный насос, который мог бы выполнять ту же самую работу, какую в условиях земного тяготения выполняет работа силы притяжения. И опять мы убеждаемся в том, что тяготение способно выполнять работу и выполняет её всюду, где возникает такая необходимость и возможность.

Очень часто Земля называется «тепловой машиной». Но это пустая фраза, если в тепловой машине нет самой машины, то есть двигателя, работающего от какой-то силы. Мы показываем, что таким двигателем, является земное тяготение и потому более основательно можно взглянуть на характер работы земной «тепловой машины» в полном смысле этих слов.

Примером того, как работа внешней силы может вызывать охлаждение, термодинамической системы с установившимся внешним теплообменом, является обыкновенный бытовой холодильник. Работа перекачивающего фреон компрессора, получающего энергию со стороны, направлена на охлаждение внутренней полости холодильника с помощью испарителя, активно поглощающего теплоту, а на замыкающем контуре усвоенная испарившимся фреоном теплота удаляется с трубок конденсатора уже в наружный объем воздуха. Но можно переставить местами испаритель и конденсатор и тогда холодильник будет действовать в прямом цикле, то есть перестанет быть холодильником, поскольку начнет нагревать внутреннюю полость за счет отъёма тепла от наружного воздуха. Примерно в таком прямом цикле работает планетарный теплообменный механизм во внешних сферах Земли обладающий атмосферой и океаном. Вода океана здесь является «фреоном», то есть рабочим телом «тепловой машины». Проникающие до земной поверхности солнечные лучи большую долю своей энергии расходуют на испарение воды, превращаясь в теплоту парообразования и не позволяя океану перегреваться. В данном случае поверхность воды представляется как холодильник по отношению к массе океана. Далее начинается работа силы притяжения, поднимающей пар в холодную атмосферу. Чем холоднее становится атмосфера, тем энергичнее пар начинает конденсироваться, снова высвобождая теплоту парообразования. Но этот процесс не мог бы осуществляться, если бы в нем не участвовала работа внешней силы тяготения, какой в бытовом холодильнике является работа электромотора, от поступающей со стороны электроэнергии, а в системе внешних сфер Земли – работа тяготения. Во всем вышесказанном принципиально самым важным является установление того факта, что в теплообмене подвижных сфер Земли участвует внешняя сила земного притяжения. И именно пока знание этого факта обещает дать законченное объяснение нагревания атмосферы с должной физической состоятельностью и ясностью. Может возникнуть вопрос – с каким КПД работает тяготение в «подогреве» внешних сфер Земли? Коэффициент полезного действия в обыденном смысле мы понимаем весьма утилитарно и чаще всего применительно к оценке полезного использования энергии, потребляемой для работы какой-либо машины или устройства. В более общем случае КПД – это характеристика преобразования энергии, которую для того или иного случая мы считаем полезной. В таком случае мы можем, например, определять КПД энергии солнечного света в фотосинтезе, а путем конкретных расчетов установить, что для большинства растений он составляет 6–8 %, а у хлореллы достигает 25 %. Этот пример показателен ещё тем, что он ярко свидетельствует о возможности превращения тепловой энергии в энергию роста массы растений, которые окислившись или сгорев после отмирания снова могут высвободить запасенную тепловую энергию. Таким образом, ещё раз убеждаемся в единстве закона сохранения и превращения энергии и материи. О том, как велик вклад биосферы в формировании лика Земли, прекрасно писал В. И. Вернадский (1965).

Поэтому, если подходить к расчету теплового баланса земной поверхности очень строго, то надо учитывать и задержание, аккумуляцию солнечной энергии биосферой. Эта запасенная тепловая энергия может сохраняться миллионы лет (нефть, каменный уголь, газ и т. д.), но может и сравнительно быстро высвобождаться, как это происходит в наше время очень активного использования топливных ресурсов человеком. Мы не будем скатываться до расчетов такой точности, к тому же объектами нашего основного внимания являются водные пространства и полярные области с весьма бедной биологической продуктивностью.