Дерзкие мысли о климате
- -
- 100%
- +
И в атмосфере стойкое поддержание дополнительного нагрева обязано тому, что здесь, как и на замерзающем водоёме, происходит обратимый, но неравнозначный по форме и по интенсивности теплообмен: лучи коротковолновой радиации, достигая земной поверхности со скоростью света, большей долей превращаются в теплоту парообразования, которая уже несравненно медленнее возвращается сквозь атмосферу с паром путем конвекции. Эта постоянная задержка обратного потока скрытой теплоты парообразования на пути к конденсации и излучению в космическое пространство и обусловливает поддержание более высокой, чем должно было бы быть, температуры и энтальпии атмосферы. Тут полезно вспомнить и о работе внешней силы земного тяготения, выталкивающей пар, без чего невозможно представить конвекцию. А вот простой задержкой обратного излучения нагрев атмосферы объяснить трудно. Как бы мы не перебирали способности лучей с разной длиной волны, мы вынуждены признать, что все они распространяются со скоростью света и вовсе не подчиняются (в рамках классической физики) влиянию силы тяготения.
Не находит ли читатель, что изложенное альтернативное объяснение основной сути парникового эффекта вносит определенную ясность в основы представления о нем и о важной форме теплообмена в атмосфере, упрощает его и делает понятным, если не для тех, кто запутал его, то для нас с вами?
В то же время оно подводит нас к уверенному заключению, что без водяного пара парникового эффекта в земной атмосфере не может быть или он просто равен нулю, как на Луне. Автор не случайно подчеркнул, что речь идет именно о земной атмосфере и водяном паре, ибо пар (газообразная фаза вещества) может быть и не водяным, к чему наши рассуждения пока не относятся. Но мое заключение о роли водяного пара также расходится с принятым ныне объяснением парникового эффекта. Из последнего следует, что парниковый эффект якобы в основном создается углекислым газом, несмотря на его крайне малую концентрацию (0,03 % объема) в атмосфере. Эту точку зрения горячо отстаивает М. И. Будыко. Усматривая некие успехи в изучении природы климата в книге «Эволюция биосферы» (1984), он пишет: «Заметный прогресс в этой области был достигнут в основном на протяжении последних десяти лет, в результате чего сейчас можно выделить обоснованные представления о физическом механизме изменений климата, оставив в стороне многочисленные ошибочные предположения» (с. 239). Далее следует отстаивание углекислотной версии о причинах изменений климата.
М. И. Будыко пытался разобраться и в том, как родилось представление о роли углекислоты в изменениях климата. Подобное предположение еще 120 лет назад высказал английский физик Тиндаль: «… поскольку углекислый газ наряду с водяным паром поглощает длинноволновое излучение в атмосфере, изменения концентрации углекислого газа могут привести к колебаниям климата». Здесь и далее в более поздних публикациях ссылки на углекислый газ встречаются во взаимодействии с водяным паром. Так в работе Мёллера обращается внимание на углекислоту, но вместе с тем отмечается, что «… влияние изменений масс и СО2 на термический режим может быть компенсировано сравнительно небольшими изменениями влажности воздуха или облачности» (там же, с.240…241). Этим почти исчерпывается перечень предположений и рассуждений, в которых можно было надеяться найти описание обоснованных представлений о физико-химическом механизме воздействий углекислого газа на климат. Известный русский ученый, гражданин нашей страны, переживший трудные годы её истории за рубежом, В. А. Костицын, в книге «Эволюция атмосферы, биосферы и климата», изданной посмертно (1984), о подобных суждениях писал, что «… их физическая основа достаточно сомнительна и, вероятно, нуждается в пересмотре». Позднее, часто с натяжками, стали выискиваться наблюдаемая в природе прямая связь концентрации углекислого газа в атмосфере с изменениями её температуры, но и тут результаты оказались скромными. Думаю, не ошибусь, если заключу, что у явления парникового эффекта практически так и не существует ни хорошо разработанной теории, ни её автора.
Так неведомыми путями самостийно сформировалось подхваченное учеными, но не проверенное ими на предмет достоверности, представление, ставшее очень злободневным в наше время. Поскольку же у него нет ни теории, ни автора и его некому защитить, то ученым, прикасавшимися к нему, не сложно было его подстроить под собственные воззрения. Такое подстраивание видится и в работе М. И. Будыко, явно переоценившего роль углекислого газа в парниковом эффекте и почти исключившего из него всякую роль водяного пара. Между тем более приемлемое и убедительное объяснение влияния углекислого газа на «поглощение» лучистой энергии лежит очень близко. Исследователю нужна лишь малость – хорошо знать физику фазовых превращений. Вспомним, что для превращения газа в жидкость, а жидкости в твердое тело необходимо не только понижение температуры, но и наличие ядер (зерен) конденсации или кристаллизации. Газы и жидкости могут глубоко переохлаждаться ниже температуры фазового превращения, если отсутствуют эти самые зерна. А ими могут быть любые мельчайшие микрочастицы, в том числе и молекулы углекислого газа.
А теперь посмотрим, что же происходит в атмосфере? Сама двуокись углерода – углекислый газ, имея температуру кипения минус 78 °C, фазовых превращении в свободной атмосфере не претерпевает. Значит, не может и превращать лучистую энергию в теплоту фазового перехода. Но частицы этого газа могут являться зернами конденсации водяного пара. Вспомним о дорогом способе ликвидации туманов и облачности с помощью рассеивания углекислоты с самолетов. Чем больше этих частиц (до определенного предела), тем больше становится вероятность (при прочих необходимых условиях) конденсации на них пара и высвобождения теплоты конденсации. При отсутствии зерен конденсации водяной пар атмосферы может переохлаждаться до нескольких десятков градусов отрицательной температуры, задерживая тем самым и высвобождение теплоты конденсации. И наоборот, чем больше ядер кристаллизации, тем скорее пар конденсируется, высвобождая теплоту конденсации, что отражается на соответствующем повышении температуры, окружающей атмосферы. В этом и состоит не прямая, а опосредованная взаимосвязь концентрации углекислого газа с повышением температуры атмосферы. Эта взаимосвязь далека от прямого отношения к лучистому теплообмену и даже собственно к самому углекислому газу, поскольку ядрами конденсации пара могут быть не только частицы этого газа, но и всякие, засоряющие высокие слои атмосферы, частицы почти любых газов и пыли. Отсюда и появился ныне новый, вызываюший некоторое недоумение, термин «парниковый газ».
Водяной пар является главным участником парникового эффекта, а углекислый газ, как и прочие газы, – лишь катализатором, способным ускорить конденсацию пара и тем самым вызвать какое-то временное и локальное, но отнюдь не общеземное, нагревание атмосферы.
Но как ни странно широко уже известны оценки, приписывающие углекислому газу исключительную роль во влиянии на климат. В учебнике для студентов университетов Б. П. Алисова и Б. В. Полторауса «Климатология» (1974, с.279) написано: «Расчеты показывают, что если бы углекислый газ в атмосфере отсутствовал, то температура воздуха на Земле была бы на 21° ниже современной и равнялась бы минус 7 °C. Увеличение содержания углекислоты вдвое, по отношению к современному, вызвало бы рост средней годовой температуры до плюс 18°». К сожалению, как производились такие расчеты не сообщается.
Может ли быть столь значительным влияние углекислого газа на температуру атмосферы? Мало влияя непосредственно на лучистый теплообмен Земли с космосом, он не способен повлиять на ход испарения воды с земной поверхности. Пар в атмосфере в любом случае будет накапливаться, но его станет тем больше, чем дольше задержится его конденсация из-за отсутствия ядер конденсации, в том числе углекислого газа, основного «поставщика» этих ядер. В то же время, сколько бы не накапливалось в атмосфере пара, его конденсация в любом случае неизбежна. Отсутствие углекислого газа может существенно отозваться на снижении температуры конденсации, но не способно вовсе исключить её или повлиять на уменьшение количества высвобождающейся теплоты конденсации, то есть на результат действия самого истинного, а не надуманного парникового эффекта. И наоборот, увеличение концентрации углекислого газа, то есть ядер конденсации пара, обусловливает более скорое высвобождение теплоты конденсации, а значит, и общее уменьшение влажности атмосферы, то есть насыщенности ее паром.
Получается, что с уточнением роли углекислого газа в формировании парникового эффекта обеспечивается и приписывавшееся ему значение как климатоформирующего фактора. Поэтому же плохо подтверждается и все ранее данные прогнозы изменений климата от изменений концентрации углекислого газа в атмосфере. В частности, ожидавшегося повышения температуры атмосферы, несмотря на увеличение концентраций углекислого газа за последние 100 лет на 15÷17 %, не обнаружено (А. Борисенко, И. Алтунин, 1985).
Подойдя к такому заключению, мы, кажется, лишили себя последней надежды хоть как-нибудь предвидеть возможные изменения климата под воздействием человека. Тем более печально, что отвергаемое нами представление фактически завоевало мир, широко популяризировалось прессой и в ряду многих безвестных факторов климатоформирования стало знакомым хотя и непонятным широким слоям читающей публики. Но что можно сделать? Лучше горькая правда, чем сладкая ложь. Но не будем отчаиваться! Ложные теории тем и коварны, что они сдерживают мысль к более правдивым толкованиям. Ну а мы попытаемся далее найти путь к поискам более обнадеживающего не только прогноза изменений климата, но и перспективного способа управления им.
8.2. Почему атмосфера обгоняет вращение земли?
Во вводной части (2.2.) мы отметили неполноту современных объяснений глобальной циркуляции атмосферы и, пытаясь найти ей более удовлетворительное объяснение, поддержали мысль о гипотетической модели этого явления в образе двух гигантских «тайфунов, обволакивающих всю Землю и вращающихся вокруг её полюсов». Как уже показано на прикидочных оценках, эта модель кажется полнее соответствует наблюдаемой общей картине глобальной циркуляции атмосферы, что дает повод надеяться на перспективность её дальнейшего развития.
Можно полагать, что полное объяснение глобального преимущественно одностороннего и обгоняющего вращение самой Земли движения атмосферы будет получено как необходимое, по мере выяснения глубокой сути основного представления о земном тяготении, поскольку, как мы уже заметили, всякое движение неживой природы на планетах осуществляется работой силы тяготения.
Но не будем пассивно ждать появления последней истины в этой проблеме, а рассмотрим возможную причину однонаправленного вращения основной массы атмосферы в той связи явлений, которая определяется вращением самого земного шара вокруг собственной оси. Принимая, согласно законам механики, что поднимающаяся над экватором масса теплого воздуха должна сохранять инерцию линейной скорости вращения земной поверхности вдоль экватора, не сложно догадаться, что вместе с подъемом на высоту, то есть с увеличением радиуса окружного движения вокруг центра вращения, атмосфера должна здесь отставать от вращения земной поверхности. Скорость такого отставания, выражающегося в смещении атмосферы относительно земной поверхности с востока на запад, невелика и зависит от того, на какую высоту поднимется атмосфера. Например, на высоте 5 км из-за увеличения длины окружности на 31 км, атмосфера будет смещаться над земной поверхностью на запад со скоростью 36 см/с, а на высоте 15 км – более 1 м/с. Так может объясняться наблюдаемое преобладание однонаправленного восточного переноса атмосферы над экватором. Очевидно, что подъём и опускание атмосферы вследствие её периодического нагревания и охлаждения осуществляется силой притяжения, возбуждающей конвекцию.
Теперь заметим, что вращение как всей массы самой Земли, так и параллельное однонаправленное глобальное (в прямом смысле этого слова) вращение её атмосферы на всех широтах, совершается вокруг воображаемой земной оси, пронизывающей её северный и южный полюса. Это уточнение позволяет относительное вращение атмосферы по мере её смещения по меридиану от экватора к полюсам сопоставлять с изменением окружной скорости движения самой поверхности Земли на соответствующих широтах.
Но нам еще надо уяснить, почему атмосфера смещается от экватора к полюсам, если мы, как показано выше, не согласились с тем, что причиной этого явления может быть разность атмосферных давлений между экватором и полюсами, поскольку расстояние между ними очень велико. Впервые мысль о причине меридионального смещения атмосферы высказал английский механик и астроном Джон Хэндли ещё 250 лет назад. Он считал, что поскольку Земля получает больше тепла на экваторе, чем у полюсов, то воздух, нагретый там, поднимаясь, устремляется к полюсам, и охлаждаясь вновь опускается и возвращается к экватору вдоль поверхности Земли. Позднее стало известно, что воздух в высоких слоях охлаждается значительно раньше, чем успевает достичь полюсов, а прямые движения атмосферы между экватором и полюсами ни туда и ни обратно вообще не являются типичными, то ученые – метеорологи предпочли раздробить циркуляцию атмосферы между экватором и полюсами на несколько самостоятельных отрезков, названных ячейками циркуляции. В этом случае теория стала лучше согласовываться и с действительным направлением ветров и с различием давлений, но все ещё остается несовершенной. Идея Хэндли лично мне представляется более правильной, чем теория, построенная лишь на разностях атмосферных давлений.
Дробление воздухообмена между экватором и полюсами на замкнутые ячейки способствует тому, что воздух, поднимающийся над экватором, не достигает полюсов и не способен донести тропического тепла до полярных широт, то есть исключает, отсекает атмосферный теплообмен между низкими и высокими широтами, почему и возникает столь разительные, отмеченные выше контрасты в теплообеспеченности этих частей земного шара. Зарубежные исследователи чаще выделяют три ячейки дробления атмосферных масс между экватором и полюсами, но вовсе не исключено, что их может быть много, поскольку формирование этих ячеек может определяться даже суточными циклами нагревания и охлаждения атмосферы. Здесь можно отметить то очевидное следствие возникновения ячеек в воздушных массах, что общего прямого обмена всей атмосферы между низкими и высокими широтами не существует. Значит, не существует и предполагавшегося нашими учеными отмеченного выше, геострофического ветра для всей массы атмосферы, хотя полностью его существование исключить нельзя.
Обратим внимание на то, что высота сравнительно плотной атмосферы на разных широтах существенно различается: на экваторе она составляет 16…18 км, на полюсах – 8… 10 км и на средних широтах соответственно имеет среднюю между указанными высоту. Иногда можно встретить объяснение этого случая ньютоновской центробежной силой, которой объясняется и «приплюснутость» самого земного шара у полюсов. Но это не совсем согласуется с тем известным фактом, что среднее давление атмосферы на экваторе больше, чем на полюсах. Мне представляется, что большую высоту атмосферы на экваторе можно объяснить тем, что здесь существенно больше испаряется влаги и поднимающийся пар не только увеличивает объём атмосферы, но и поднимает за собою воздух выше, чем он может подниматься сам без пара. Здесь, как в большой кастрюле над малым очагом огня, закипающая вода поднимается горкой, а затем скатывается в сторону. Так, надо думать, и над экватором, поднявшаяся выше всей атмосферы масса воздуха скатывается в сторону высоких широт. И только для этой массы, имеющей малую долю от всей массы атмосферы, вероятно, приемлемо представление о геострофическом ветре, но уже не в связи с разностью давлений. Тут интересно проследить, что же ждет эту «скатившуюся» часть верхней атмосферы. По мере удаления от экватора линейная скорость вращения земной поверхности из-за уменьшения радиуса вращения вокруг оси уменьшается, в то время как атмосфера, поднявшаяся на самую большую высоту и смещающаяся в сторону высоких широт, стремится сохранить энергию движения, заданного на более низкой широте, то есть будет смещаться со все большей, относительно земной поверхности, скоростью, обгоняя вращение земной поверхности в соответствии с широтой. Это сохранение момента движения тем более возможно, что никаких тормозящих движение сопротивлений верхняя атмосфера не встречает.
При смещении от экватора, скажем до 20° широты любого из полушарий, ничем не сдерживаемые высоко поднятые массы воздуха, будут по инерции перемещаться вдоль широты на восток, обгоняя вращение земной поверхности уже со скоростью 45 км/ч, а сместившись до 40° и 60° любой из широт, они соответственно могут приобрести скорости 110–112 км/ч и более 250 км/ч.
Теперь мы попутно дополним дальнейшие рассуждения, заметив, что именно таким путем могут формироваться в высоких слоях тропосферы во многом ещё загадочные, струйные течения. Отметим их характерные особенности. Их длина составляет тысячи километров, ширина сотни километров, и толщина несколько километров.
Максимальная скорость ветра по горизонтальным осям струйных течений колеблется от 110 до 250–350 км/ч. Струйные течения существенно влияют на путевую скорость высотных самолётов. Летом струйные течения располагаются выше, чем зимой, что опять же объясняется увеличением летнего нагрева атмосферы. Основное направление переноса воздуха в струйных течениях – с запада на восток. Встречающиеся современные объяснения природы струйных течений чаще опираются на указания о возникающих в тропосфере значительных различий в давлениях, хотя представить, как могут возникать большие различия давлений, способные вызывать такой разгон скоростей ветра, да еще в одном направлении и в очень разряженной атмосфере, оказывается трудно. Между тем, я не зря перечислил все основные особенности струйных течений, ибо они логично вытекают из описанной выше причины смещения верхних масс тропосферы в высокие широты и из причины приобретения (а точнее сохранения) высоких скоростей их движения вдоль широты.
Современная наука признает, что струйные течения могут существенно влиять на общую циркуляцию атмосферы, в частности, постоянно поддерживать общий перенос воздушных масс умеренных и высоких широт с запада на восток. С этим нельзя не согласиться, но это положение желательно подтвердить хотя бы каким-нибудь прикидочным расчетом. Когда природа больших скоростей струйных течений становится понятной это сделать не трудно. Очевидно, что конечная участь всякой воздушной массы, участвующей в струйном течении, состоит в том, что она в конце концов, сильно охладившись, опускается в нижние слои атмосферы и передает им момент своего движения. Допустим, что это произошло на 60° северной или южной широты, где скорость струйного течения относительно земной поверхности составляла 250 км/ч, а масса воздуха, участвующего в нем, 1/10 часть всей воздушной массы на этой широте. Когда остальной атмосфере передается этот момент движения, средняя скорость смещения с запада на восток уже всей атмосферы составит 25 км/ч. В верхних слоях эта скорость может быть выше, в нижних падать до нуля или под влиянием гор и местных барических контрастов вовсе изменять направление и силу приземных ветров.
Таким образом, находим, что преимущественно западный перенос атмосферы на всех умеренных и близких к полярным широтам обязан линейной скорости вращения вокруг земной оси самих экваториальных и южных широт Земли и некоторой доле массы воздуха, поднимающейся до тропосферы над ними. Этот воздух, предельно охладившись на своем скором, но дальнем пути, не способен принести сколько-нибудь много ни тепла, ни влаги южных широт, но передает атмосфере момент количества движения, приобретенного в низких широтах. Таким же путем он может переносить по земному шару всякие взвешенные в нем микрочастицы, не претерпевающие фазовых и иных превращений и распадов.
Теперь становится ещё понятней, как и почему атмосфере удается сравнительно быстро разносить по земному шару многие засоряющие его вещества. Даже в Антарктиде найдены следы пестицидов, никогда на ней не применявшихся. Отсюда же можно представить, как быстро могут распространяться и продукты вулканического извержения или ядерного распада, где бы не происходили эти грозные явления.
Таким образом, мы утверждаемся в ранее высказанном предположении, что атмосфера не может переносить сколько-нибудь значительных количеств тепла между южными и северными широтами не только в силу физических свойств воздуха и водяного пара, но и потому, что этому не способствует сам характер движения основной её массы, циркулирующей вокруг земного шара в основном вдоль одноименных широт, обгоняя вращение Земли на всех широтах, исключая экватор и полюсы.
8.3. Атмосферная влага и климат
Отталкиваясь от древнего представления о природе климатов, как результате различий наклона солнечных лучей, падающих на разные участки шаровидной Земли, мы автоматически и легко соглашаемся с тем, что и обеспеченность теплоты земной поверхности определяется, главным образом, широтным положением той или иной территории. Однако это правило имеет поразительные исключения. Например, признанный полюс холода северного полушария, поселок Оймякон в Якутии, расположен без малого на 27° южнее северного полюса. Средняя температура января здесь удерживается на 15…20° ниже, чем на северном полюсе, средние годовые значения температуры воздуха близко сходятся. Короче говоря, вдоль меридиана здесь особых контрастов в теплообеспеченности не наблюдается или даже выявляются обратные, против ожидаемых, различия. Зато вдоль широты, то есть в условиях равной обеспеченности теплом солнечной радиации, здесь же обнаруживаются большие контрасты климатов. Например, расположенные на одной и той же широте Таллинн и поселок Усть-Майя в Якутии по климатическим показателям характеризуются соответственно по средней температуре января минус 5° и минус 43°, а по средней годовой температуре воздуха плюс 6° и минус 13°. Различия более чем значительные и несопоставимые (для Якутии) с малыми межширотными различиями теплообеспеченности.
Здесь виден особо яркий пример, каким значительным может быть вклад одновременно океана и атмосферной циркуляции в теплообеспеченности того или иного района суши, независимо от слагающегося радиационного режима. Над обоими указанными пунктами преимущественно в холодное время года господствует перенос атмосферы с запада на восток, со стороны Атлантического океана. Но от Таллинна этот океан удален на 3 тыс. км, а от Усть-Майи уже на 10 тыс. км. На всем этом пути и далее переносится и пар, поднявшийся с Атлантического океана. Но над Таллинном его конденсируется в виде осадков в 3 раза больше, чем над Усть-Майей, соответственно различается и вклад парникового эффекта в теплообеспеченность того и другого пункта. Над Таллинном выпадает около 650 мм осадков, следовательно, в атмосфере высвобождается, компенсируя потерю тепла земной поверхностью, 162 кДж/см 2 за год. Это без малого вдвое больше, чем поступает от солнечной радиации (84 кДж/см 2 год). Над Усть-Майей выпадает 190 мм осадков, при которых высвобождается 48 кДж/см 2 год, а это без малого в 2 раза уже меньше, чем поступает от солнечной радиации (89 кДж/см 2 год). Если суммировать общий приход тепла к обоим пунктам, то окажется, что в среднем за год Таллинн получает его в 1,8 раза больше, чем Усть-Майя. Если же это сравнение произвести лишь за зимние периоды, когда оба пункта получают наименьшее количество радиационного тепла, а Усть-Майя, к тому же значительно меньше получает осадков зимой, то различие в теплообеспеченности увеличивается во много раз. Причем различия в теплообеспеченности этих пунктов в конечном счете сводятся к тому, что в Таллинне не только больше поступает тепла от атмосферы, но и одновременно за счет более выраженного парникового эффекта земная поверхность здесь меньше теряет его, чем в далекой Якутии. В результате этого климат Центральной Якутии в большей мере определяется местными радиационными процессами, а они при ослаблении теплового участия атмосферы, оказываются такими, что обусловливают общее увеличение континентальности климата. Вот почему Якутия знаменита не только своими полюсами холода (Верхоянск, Оймякон), но и нигде более не наблюдающиеся на земном шаре амплитудой годовых колебаний температуры воздуха от минус 70° до плюс 40 °C. Жители этой далекой северной страны лучше, чем жители всех иных стран мира представляют, что такое стужа Антарктиды и одновременно зной Африки, ибо близкое для этих стран состояние климата они познают едва ли не ежегодно.
Широтные контрасты теплообеспеченности и климатов обусловливаются радиационными процессами, а гасятся парниковым эффектом атмосферы, черпающим энергию преимущественно от океанов. Атмосфера постоянно движется над земной поверхностью, а количество испарившейся и сконцентрировавшейся влаги над любой выделенной точкой Земли сильно различаются. Значит, фазовые превращения в атмосфере обнаруживают способность «транспортировать» климат, то есть изменять его, несообразно местным радиационным процессам, на значительном расстоянии от акваторий, над которыми атмосфера обогащается паром. Причем такое влияние в силу преобладания однонаправленной циркуляции атмосферы соответственно и распространяется вдоль одноименных широт и оказывается тем слабее, чем дальше удаляется воздушная масса от места, где обогатилась паром. Обезвоживанию атмосферы на пути её следования вдоль широты способствуют радиационные выхолаживания, влияния засорений углекислотой или иными компонентами, ускоряющими конденсацию пара, и особенно часто – вынужденные поднятия воздушных масс над встречающимися на их пути горными массивами.