Дерзкие мысли о климате

… если у вас есть яблоко и у меня есть яблоко и мы обменяемся этими яблоками, то у вас и у меня останется по яблоку. А если у вас есть идея и у меня есть идея и мы обменяемся этими идеями, то у каждого будет по две идеи.

Среди большого числа факторов, определяющих климат, ведущими традиционно считаются: радиационные процессы, перенос тепла атмосферой и целый ряд термодинамических свойств и состояний земной поверхности.

Рассмотрим их, не обходя стороной неясные моменты общепризнанных толкований.

2.1. Наклон солнечных лучей и климат

Величиной наклона лучей, достигающих земную поверхность на разных широтах, ещё со времен Древней Греции объясняется основная причина различий климатов. Это обусловливается тем, что плотность светового потока на наклонную по отношению к источнику света плоскость уменьшается с увеличением угла наклона и тем, что косо направленный к поверхности Земли луч вынужденно преодолевает увеличенный слой атмосферы, в котором он соответственно больше теряет свою энергию. Эти объяснения представляются бесспорными, ибо все мы знаем, что чем ниже к горизонту находится Солнце, тем оно меньше греет. Но эти объяснения иногда подвергаются сомнению на том основании, что в полярных областях лучи Солнца, постоянно оставаясь косыми, светят непрерывно в течение всего полярного дня, а поступающее при этом количество солнечной энергии в сумме оказывается значительным и даже превосходит суточную дозу освещения более низко расположенных широт. И это верно. Такую точку зрения можно подкрепить еще одним аргументом. Тот, кому приходилось бывать в любой из полярных областей в глухую пору полярной ночи, всегда обращал внимание на то, что эти длинные ночи бывают далеко не такими темным, и какими бывают «черные» ночи низких широт. Объясняется же это тем, что полярные области никогда не уходят в глубокую тень Земли и даже зимой солнечные лучи здесь освещают самые верхние слои атмосферы. В ночном полете с высоко летящего над советским сектором Арктики самолета ещё до наступления полярного дня можно увидеть Солнце, освещающее Землю со стороны американских континентов. Этому немало способствует не только положение самого Солнца, но и рефракция лучей, а отчасти и приближенность полярных областей на 24,4 км к центру земного шара против экваториальных широт. Следовательно, в среднем в году пути солнечных лучей оказываются всегда ближе к полярным областям, чем к экватору.

Близостью солнечных лучей к поверхностям полярных стран кажется можно объяснить и тот известный факт, что над ними стратосфера имеет почти вдвое более высокую температуру, чем над экватором. Различие между основными слоями атмосферы (тропосферой, стратосферой и ионосферой) в основном определяется особенностями взаимодействий между частицами газов, в том числе и количеством образующегося озона. В свою очередь озон образуется в результате диссоциации молекул кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца. И не потому ли слой озона над полярными областями оказывается плотнее, чем на иных широтах, что здесь стратосфера в течение года намного дольше освещается Солнцем?

В среднем за год самые высокие слои атмосферы над полюсами получают солнечного тепла в 2 раза больше, чем над экватором. Поскольку речь идёт о нагревании, взвешенных частиц в крайне разряженной среде, а не поверхностей, то разность наклона лучей здесь уже не имеет определяющего значения, и если бы нагревание стратосферы имело какое-либо климатоформирующее значение для поверхностей Земли, то можно было бы заключить, что со стороны стратосферы полярные области Земли обеспечиваются теплом намного больше, чем её экваториальный пояс. На самом деле стратосфера беспрепятственно пропускает через себя практически весь лучистый теплообмен Земли с космическим пространством, перехватывая от него лишь крохи, не играющие какого-либо ощутимого значения для термики земной поверхности.

Но вернемся к сравнению наклонов лучей, падающих на земную поверхность. Если оценивать строго, то всего 2 раза в году Солнце переходит зенит (каждый раз в новом месте) лишь на части сферы, ограниченной тропиками между 23°27́ северной и южной широт. В остальное время года солнечные лучи всюду имеют тот или иной наклон, зависимый от географической широты, времени года и суток. Следовательно, вообще наклон лучей – это обычное состояние освещенности всех участков вращающегося шара от одного источника света, а зенит для них – редкое исключение в таком состоянии. Там и в тот день, когда Солнце переходит зенит, достигается наименьший средний за световой день наклон его лучей, равный 45°. При летнем солнцестоянии в северном полушарии (22 июня) средний за световой день (чуть больше 12 часов) наклон лучей на экваторе составляет уже только 33,3°. Но в этот же день на Северном полюсе в течение круглых суток наклон лучей составляет 23,5°. В результате в этот день суточная сумма солнечного тепла на полюс поступает на 36 % больше, чем на экватор.

За три летних месяца Северный полюс получает от Солнца тепла больше, чем экватор, приблизительно на 8 %. За счет внутригодового сокращения расстояния между Землей и Солнцем на 3,3 % соответственно еще больше получает тепла Южный полюс летом. Изложенное как раз и наводит на мысль: достаточно ли обоснована принимаемая зависимость климата от различий наклона солнечных лучей, если из приведенных оценок следует, что потенциальная возможность поступления какого-то количества тепла к земной поверхности определяется не только углом наклона лучей, но и длительностью их свечения, то есть в конечном счете суммой радиационного тепла, поступающего к сферам Земли за период их освещения.

Но в таком случае надо вспомнить, что любая точка поверхности земного шара, независимо от изменений длительности дня, в течение года освещается равное суммарное время. В то же время среднегодовые наклоны лучей за периоды освещения существенно различаются и составляют для полюсов около 12°, для экватора – более 39°. Следовательно, как бы мы ни оценивали значимость различий наклонов лучей, нам ничего не остается как признать, что в среднем в году полярные широты получают солнечного тепла в 3,2 раза меньше, чем тропические.

Рис. 2. Несмотря на значительную напряженность летней суточной радиации на полюсах Земли, суммарной радиации тепла за год сюда поступает в 3,2 раза меньше, чем на экватор, что следует из графиков напряженности радиации.

Если по рис. 2 сравнить площади, оконтуренные рамкой графика и годовыми линиями напряженности солнечной радиации на экваторе и одном из полюсов, то получим ту же разность в приходе солнечного тепла к этим разным географическим областям Земли.

На самом деле полюсы получают тепла от Солнца существенно меньше из-за большой отражательной способности (альбедо) снега и льда. Можно принять, что альбедо морского льда в околополюсном пространстве северного полушария составляет 0,5 (отношение отражательного светового потока к поглощенному), а альбедо сухого снега на Антарктиде – 0,8. Альбедо преимущественно водной поверхности океана в приэкваториальных областях составляет приблизительно 0,1. Из этого следует, что за счет различий альбедо северная околополюсная область получает солнечной радиации в 5 раз меньше, чем экваториальная, а южная даже в 8 раз. В результате совместных различий (наклона лучей и альбедо) северная полярная область получает солнечного тепла в 16 раз, а южная в 25 раз меньше, чем приэкваториальные области. Эти соотношения в каждом конкретном случае могут существенно изменятся облачностью, в свою очередь отражающей значительную долю солнечной радиации и местным альбедо, но их среднестатистические показатели сохраняются постоянными. Заметим, что указанные соотношения не во всем согласуются с известными обобщенными данными приборных определений радиационных балансов, однако далее мы остановимся и на оценке последних.

По сравнению со средними широтами полярные области получают тепла уже в 4…7 раз меньше. Значит, если бы на полюсах не было снежно-ледяных покрытий и альбедо было бы таким же, как в среднем на всей Земле, то разница в поступлении тепла между экватором и полюсами была бы всего трехкратной, то есть такой, при которой, судя по приходу радиационного тепла, существуют сейчас вовсе незамерзающие моря средних широт. Отсюда сам собой напрашивается вывод, что при отсутствии льда и снега полярные водоёмы и в современную эпоху кажется не должны бы замерзать. Видимо отсюда, да и из данных палеогеографии исходит довольно распространенное мнение, что оледенения полярных областей Земли – вообще события менее характерные, чем хранение их в безлёдном состоянии и, что причиной их привычного для нас оледенения является сам сохраняющийся лёд. Здесь, еще кроется неясность, решению которой мы уделим внимание далее. На изменениях инсоляции вследствие изменения эксцентриситета земной орбиты и их климатических последствиях остановимся особо.

Однако мы ещё не будем знать некоторых важных явлений, связанных с наклоном лучей, если не обратим внимание на то, что только наклон земной оси по отношению к плоскости, в которой движется Земля вокруг Солнца (эклиптики), на те же 23°27́ является причиной смены времен года от зимы к лету.

Но об этом дальше.

2.2. Циркуляция атмосферы и перенос тепла ЕЮ

Ведущие теоретические разработки в области физики атмосферы представляются не только далекими от завершения, но и, пожалуй, изрядно запутанными. В первую очередь это относится к объяснению причин общепланетарной циркуляции атмосферы с запада на восток, то есть общего движения воздушных масс, обгоняющего вращение самой Земли. Формально используя термин «глобальная циркуляция», специалисты физики атмосферы кажется не все признают факт существования этого явления в прямом смысле этого термина.

Но очевидно, что такое явление существует, и можно назвать множество свидетельств о преобладании одностороннего смещения воздушных масс с запада на восток и даже примеров его прямого использования в науке, практике и военном деле, независимо от полноты объяснения его природы.

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 см2 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.