Дерзкие мысли о климате

4.4. Плавучий лёд как обратный тепловой клапан

Жизнь в науке заставила меня усвоить одно правило – нельзя торопиться рушить никакую долго жившую теорию, выставляя опровергающий ее факт, ибо многочисленные приверженцы этой теории в азарте её защиты непременно затопчут тебя вместе с твоим фактом. Да и не благородно это – рушить построенное другими.

И всё же факт великая вещь. Перед напором очевидного факта не раз рушились и отмирали самые хитроумные теории, не согласующиеся с ним. Очевидно и другое: всякие разрушенные теории редко бывали абсолютно бесплодными и от каждой из них всегда оставались какие-то детали или кирпичики, которые находили себе место в новой теории.

А обнаруженный нами факт состоит в том, что замерзающие водоёмы действительно усваивают тепла больше, чем, казалось бы, должны усваивать в столь плохо обеспечиваемой теплом северной полярной области.

Как мы уже показали, объясняется это тем, что ледяной покров является асимметричным энергетическим барьером или, назовем его теперь по-русски, обратным тепловым клапаном, хорошо пропускающим теплоту к водоёму, но плохо отпускающим ее обратно в атмосферу. Причем аналогия с обратным тепловым клапаном здесь полнейшая иррациональность его теплоаккумулирующего действия так схожа с хорошо специально продуманной, что невольно можно стать пленником мистической мысли о существовании сверхчеловеческого разума. Потому и оставалась так долго незамеченной колоссальная разница в обеспеченности теплом между полярными областями и низкими широтами Земли, что замерзающий Северный Ледовитый океан сам, до поры как бы тайно от людей, гасил эту разность.

Рассмотрим теперь детальнее, когда совершаются решающие тепловые процессы, обеспечивающие успешную работу этого «клапана». Когда Солнце, в июне – июле, на околополюсном пространстве светит больше, чем на экваторе, и лёд начинает стаивать «клапан открывается». Конкретно это выражается во всплывании (поднятии) стаивающего льда на воде, а вследствие этого освобождения под ним объема для стекающего талого стока и в образовании промоин, по которым и стекает талый сток. Талая вода, усвоившая теплоту плавления, скоро и беспрепятственно возвращает водной массе океана всю теплоту, потерянную ею за долгую зиму в виде теплоты кристаллизации. Собственно клапаном, то есть в переводе с немецкого «крышкой» является сам лёд, поднимающийся на воде. На невскрывающемся водоёме им является многолетний ледяной покров. Завершение его летнего поднятия в этом случае знаменует и «закрытие клапана» до следующей весны. Именно только за короткий летний период года Северный Ледовитый океан накапливает теплоту, получая её преимущественно от Солнца. Всю остальную, большую часть года, океан практически обходится этим же теплом (рис. 6).

Рис. 6. Зимнее кондуктивное выделение теплоты кристаллизации через лёд летом восстанавливается намного более интенсивным конвективным возвратом теплоты плавления со стоком талой воды при одновременном всплывании льда на воде.

На вскрывающемся летом водоеме обратный клапан «закрывается» сразу с появлением на водоёме нового льда. Зимой остывшая атмосфера жаждет забрать тепло океана, но закрывшийся клапан не отпускает его. В результате тепло все же выделяется в обход клапана, но не иначе, чем в виде теплоты кристаллизации, отходящей от нижней плоскости льда; не иначе, чем через сам постоянно утолщающийся лёд и не иначе, чем очень замедленной и постоянно замедляющейся кондуктивной теплопроводностью. Такое многофакторное регламентирование теплопередачи и приводит к тому, что приобретенное летом тепло водная масса океана возвращает зимой атмосфере в сотни раз менее интенсивно, чем усваивала его, когда обратный тепловой клапан «открывался».

Тут пора ещё раз обратить внимание на колоссальные различия внешних термических условий, при которых происходит расходование и усвоение одних и тех же количеств теплоты кристаллизации и теплоты плавления, напомним, что эти различия обусловливаются соотношением сумм градусо-суток положительной и отрицательной температуры за лето и зиму. Посмотрим какими они бывают над акваторией Северного Ледовитого океана.

Сумма градусо-суток отрицательной температуры довольно уверенно определяется по многим данным станции «Северный полюс» (СП) и в среднем составляет ∑-t° = минус 7 000°. Сумма положительных температур по прямым измерениям температуры около 0 °C сколько-нибудь надежно не определяется. Но она может быть определена, как величина, эквивалентная количеству тепла, усваиваемого льдом при стаивании. Измеренное стаивание льда, а значит, и сумма градусо-суток положительной температуры имеет значительный разброс, что и принуждает нас выведенные соотношения сумм градусо-суток, а заодно и условия, их определяющие, сгруппировать (табл. 1).

Таблица 1. Соотношение сумм градусо-суток отрицательной и положительной температуры воздуха вблизи северного полюса при ∑ – t°= -7000°

Крайняя правая колонка табл. 1 достаточно убедительно показывает, что сумма градусо-суток отрицательной температуры воздуха над Северным Ледовитым океаном превосходит сумму положительных температур в сотни, а в среднем примерно в 200 раз за год. Между тем средняя температура всей толщи (около 4 000 м) воды Мирового океана вдоль экватора и Северного Ледовитого океана у полюсов на фоне огромного различия в теплообеспеченности приземных слоев воздуха над той и другой акваториями можно считать почти не различающимися.

Но если бы наш, отнюдь не мифический, обратный тепловой клапан не «работал», как он не «работает» на вечную мерзлоту, поскольку его на ней не возникает и неравновесного теплообмена Северного Ледовитого океана с внешней средой не существует, то он оледеневал бы, как и вечная мерзлота, на большую глубину до тех пор, пока не встретил бы равный противонаправленный поток внутриземного тепла.

Но мы видим, что океан, укрывшись льдом, существует термически стабильно и вовсе не стремится промерзать, как диктует ему внешняя среда. При этом под покровом льда внутренний теплообмен его водной массы от зимы к лету полностью балансируется. И не стоит трудиться искать причину этого состояния, как это часто делают, в том, что в Северный Ледовитый океан из Атлантики поступают теплые воды. Наш специальный анализ показал, что даже полностью отсеченный от водообмена с Мировым океаном Северный полярный океан будет существовать также термически стабильно, как существуют без внешнего водообмена невскрывающиеся озера Антарктиды (Файко,1978). Впрочем, никому ещё не удалось зафиксировать нагревания воды выше температуры её замерзания под многолетним льдом. А в этом состоянии вода может отдавать теплоту только замерзая. Однако, если попытаться такое термически стабильное существование полярного океана увязать с сезонным ходом температуры атмосферного воздуха, то баланса не получится.

Внутренний баланс теплообмена собственно многолетнего ледяного покрова тоже существует. Это вытекает из того, что от зимы к лету, по достижении многолетним льдом равновесной толщины, на нём намерзает снизу и стаивает сверху одинаковый слой. Но и этот баланс не увяжется с термикой атмосферы опять по той же причине. Снег на льду не способен влиять на годовой ход теплообмена ледяного покрова с атмосферой. В начале зимы он может заметно сдерживать нарастание льда, но летом он настолько же задерживает его таяние, что видно и из табличных данных.

Итак, есть очевидные внутренние тепловые балансы воды и ледяного покрова и столь же очевидный разбаланс их теплообмена с атмосферой. А далее мы уже знаем, что этот разбаланс является следствием неравновесного обмена теплотой фазовых превращений и поднятия льда на воде по мере таяния, то есть действие самого обратного теплового клапана. Как же его не назвать обратным тепловым клапаном, если он «выпускает» тепла в 200 раз меньше, чем должен был бы выпускать?

Некоторая неловкость и даже какая-то сантехническая грубоватость предложенного термина проистекает от того, что он и вправду более технический, чем географический. С этим нельзя не согласиться. В то же время он наглядно представляет механизм неравновесного теплообмена ледяного покрова с внешней средой. Наконец, кто сказал, что в будущем этот термин не может быть заменен более удобоваримым для естествоиспытателей? Во всяком случае, я уже не боюсь, что мне снова «щелкнут по носу» за этот термин.

Раз найден в природе один реально существующий обратный тепловой клапан, значит, не исключена возможность существования и других подобных природных механизмов. Так что не надо бояться обратных тепловых клапанов. Это бюрократы от догматизма запретили мыслить в обход Второго начала термодинамики. Запретили даже называть вещи своими именами.

4.5. Снова о контрастах климата

Разве можно не вспомнить отброшенный когда-то мной, как сомнительный расчет, из которого выходило, что полярные области получают тепла в сотни раз меньше, чем экваториальные, если я в таблице, помещенной в предыдущем разделе, увидел почти такой же большой контраст в обеспеченности теплом Северного Ледовитого океана?

Напомним, что тот расчет исходил из оценок различий в поступлении солнечной радиации и количеств выпадающих осадков в сравниваемых областях, из чего следовало, что северная полярная область обеспечивается теплом примерно в 190 раз, а южная даже в I 000 раз хуже, чем приэкваториальные (глава 2).

Первый столбец табл. 1 дает хорошую основу для проверки правильности метода и количественной оценки этого расчета. Довольно надежен и индикатор количества тепла, поступающего на Северный Ледовитый океан, – величина стаивания льда. Вспомним цифру, которую мы еще не знали, как употребить, – сумму градусо-суток положительной температуры воздуха в приэкваториальной области, которая оказалась равной плюс 8400°. Примем, что среднее летнее стаивание льда под снегом в Северном Ледовитом океане составляет 44 см, что согласно табл. 1 эквивалентно сумме градусо-суток положительной температуры, равной плюс 40°. А теперь делим 8400: 40 = 210. Следовательно, примерно во столько раз полюс обеспечивается теплом меньше, чем экватор. Итак, 190 и 210. Схождение близкое, а расхождения вполне могут быть в подобного рода расчетах из-за неточности задания исходных данных: занижения величин стаивания льда (например, на 5 см), завышения средней температуры воздуха над океаном по экватору, завышения суммы отрицательных температур на полюсе, наконец ошибками первоначального расчета и так далее,

Важно, что мы снова и независимо от ранее показанного, выявили альтернативный метод сравнения климатических контрастов и сходящийся результат подсчета, а также ещё одно свидетельство того, что полярные области действительно обеспечиваются теплом в сотни раз хуже, чем экваториальные.

Получили и сразу два метода нахождения этих различий: назовем первым, как более простой и верный, сравнение годовых (можно и сезонных) сумм градусо-суток положительной (можно и отрицательной) температуры и вторым – расчет теплового вклада отдельных климатических факторов: радиации, альбедо и количеств осадков для выделенных климатических зон. Практически мы получили методическую основу для разработки новой схемы климатического районирования земного шара, ибо, очевидно, что климат в первую очередь различается ресурсами тепла или холода, а затем уже факторами, определяющими эти различия и следствиями этих различий на развитии биосферы. Разумеется, что ещё придется оттачивать и сами методы, и способы получения исходных данных для оперирования этими методами, а затем уже применять те и другие в конкретных практических решениях.

А пока не знаю, как Вы читатель, сам не перестаю удивляться. Удивляться тому, что на нашей единой Земле, на махонькой частице Вселенной, обогреваемой единственным и единым источником тепла, Солнцем, к тому же всюду освещающим Землю, равными суммами времени, могут возникать такие разительные контрасты в обеспеченности теплом.

Удивляться тому, что размах этих контрастов определяется не столько различиями приходящей солнечной радиацией, как чисто земными, вторичными эффектами (альбедо, парниковым эффектом, атмосферной циркуляцией и т. д.), хотя начало начал – солнечное тепло.

Наконец, удивляться тому, как долго мы не знали таких удивительных свойств подвижных сфер Земли. А всё потому, что мы же люди, давно и много изучая Землю, пусть и непреднамеренно, но не мало запутали свои представления, за чем и скрылись эти контрасты. Если мы взглянем на мировые карты и таблицы радиационного баланса, то найдем полное согласие актинометрических приборных наблюдений с рассчитанными, относительно небольшими различиями радиационной напряженности, с которой освещаются разные широты земной поверхности и с которыми мы познакомились в начале этой книги.

Если познакомимся с широко разошедшимися табличными расшифровками оборота радиационной энергии на любом участке земного шара (Будыко, 1984), то увидим, что расход тепловой энергии всюду балансируется с приходом усвоенной радиации. Уже отсюда следует, что и все межширотные различия в приходе тепла к земной поверхности определяются якобы только различиями усвоенной солнечной радиации и ничем более. Наложенные на них различия в приходе тепла с атмосферной адвекцией, фиксируемые на каждом участке количеством сконденсировавшихся осадков, остаются в этом случае неучтенными. А если эти наложенные различия, как мы уже знаем, сами достигают десятикратного и более значения, то совместно с радиационными различиями конечные разности в приходе тепла возрастают до ста и более раз. Тут расчет простой: если какая-то область получает радиационного тепла в десять раз меньше, да ещё в десять раз меньше получает тепла с атмосферной адвекцией, то всего она получает тепла в 100 раз меньше, чем другая.

А если во встречающихся подписях к таким таблицам указано, что они характеризуют якобы весь энергетический баланс, а не собственно радиационный, то для других источников тепла здесь вообще места уже не остается и их вроде бы и не существует. Поэтому обнаруженные нами контрасты теплообеспеченности вовсе не следуют из современных энергетических балансов.

Так оказались скрытыми удивительные явления тепловой жизни Земли, эти самые контрасты. Но они есть. Различия более чем внушительные и ошибки в правильном определении этих различий могут иметь непредсказуемо пагубные последствия, как в характеристике климатических зон, так и в возможных мероприятиях по стабилизации или мелиорации климата.

Постоянное проживание в Якутии (60 лет) не мешало мне встречаться и переписываться с большими учеными: Михаилом Ивановичем Будыко, который работал над очередной своей монографией. Может быть и некстати, что разговор начал издалека. Спросил, заметил ли он ошибки В. В. Шулейкина в его описании хода фазовых превращений при намерзании и таянии льда, на что он недолго думая, ответил: Василия Владимировича я хорошо знаю. Это серьёзный ученый, он ошибаться не может! Вот и всё. Сдерживая себя, я вежливо ретировался. Стало ясно, что мой несостоявшийся собеседник не очень утруждает себя анализом чужих работ, во всём доверяя авторитету ученого. Похоже, что того же ждет и от своих читателей. Но я так и не осознал смысла его энергетических балансов поверхности Земли и не только этого. Некоторое время думал, что я сам прожженный тупица. Но вот… Разве можно оспорить даже один очевидный факт, что приход тепла к земной поверхности пока лучше всего оценивается суммой градусо-суток положительной температуры воздуха? А второй очевидный факт, что сравнение таких сумм надежно свидетельствует об их огромном различии на разных участках Земли? И разве маловажен тот третий факт, что такое сравнение независимо подтверждается численным анализом явлений, сопутствующих усвоению и переносу тепловой энергии над поверхностью Земли?

Теперь посмотрим, достаточно ли надежны оценки в распределении тепла по земной поверхности, опирающиеся лишь на радиационные балансы.

Вот типичная запись одной из строк табличной раскладки составляющих радиационного баланса R для океана на 70 ÷ 60° северной широты (ккал/см2 год):

R=LE+Р-А,

23 = 33 ÷ 16–26 = 23,

где LE – испарение; Р – потери в атмосферу; А – усвоение водной массой океана.

Доверие здесь внушает лишь измеренная величина R.

Остальные все величины измеряются в высшей степени ненадежно или вообще не поддаются измерению. Здесь-то и выручает сам принцип балансового расчета, при котором расход и приход тепла на каждом участке якобы должны, просто обязаны, сходиться. Всякое расхождение здесь вполне законно может быть, перекрыто так называемым остаточным членом, который окончательно скрывает все ошибки измерений и расчетов. Приблизительно верными подобные теплобалансовые расчеты оказываются лишь для областей, расположенных где-то близко к середине между крайними значениями контрастов теплообеспеченности, преимущественно в районе средних широт. И не потому ли табличные расчеты межширотного распределения энергетических балансов часто обходят вниманием самые высокие широты Земли, что как раз там «выскакивают» неожиданные, неподдающиеся объяснению и не согласующиеся с расчетами термические контрасты?

Вот и в выше показанной табл. 1 этот контраст выскочил в виде огромной разности между суммами градусо-суток положительной и отрицательной температуры. Его можно было не показывать, не находя ему объяснения. Но я встретился с ним второй раз и в новых обстоятельствах, а это уже что-то значит. Наконец, мне уже была известна закономерность неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов с атмосферой и обнаруженный контраст уже предполагался, и потому не удивил, а скорее успокоил.

А как было у В.В. Шулейкина я уже показал, но добавлю, что этот, прямо скажем, талантливый ученый, «генератор идей» мог бы раскрыть причину обнаруженного разбаланса «ледовитого моря», если бы ему не помешало то обстоятельство, что он не понял особенностей оборотов теплоты фазовых превращений при намерзании и таянии льда, о чем мы уже упоминали. Но он настойчиво искал причину разбаланса. Возникла мысль, что здесь остался неучтенный какой-то большой приход теплоты. Вначале он заподозрил недоучет теплового стока рек, но расчеты не подтвердили такой версии. Тогда он этот приход отнес на приток теплых вод из Атлантического океана, на чем и остановился. К сожалению, и эта версия не согласуется хотя бы с тем фактом, что атлантические воды доходят до Карского моря более двух лет и потому неминуемо полностью охлаждаются на пути. Так обнаруженный разбаланс остался не объясненным.

Неудачной оказалась и моя прежняя попытка объяснить этот разбаланс неординарным расчетом опять же теплового стока рек. И только когда созрело ясное представление о закономерности неравновесного теплообмена моря через ледяной покров, всё стало на свои места. Оказалось, что злополучный разбаланс объясняется не недостатком приходящего к морю тепла, а неравновесно по отношению к воздействующей сумме градусо-суток отрицательной температуры воздуха, малой потере тепла, прикрываемого покровом льда в течение долгой зимы. Лёд не только оберегает море от глубокого промерзания, но и, как видно, долго укрывал от нас реальную картину соотношений тепла и холода в полярных областях.

Глава 5. Из открытия следует…

5.1. Когда теплообмен через лёд становится равновесным

Естественно желание всякое вновь добытое знание проверить в деле. Усмотрев общую правильность открытой закономерности неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов с окружающей средой, я решил представить, а что было бы на Земле, если водоёмы, лишившись теплозащитной роли льда, стали обмениваться теплом с атмосферой так же, как обменивается многолетняя мерзлота?

И вот, вглядываясь в карту нашей страны, мысленно представил такую картину: полярные моря и многочисленные озера стали промерзать в глубину. Промерзание шельфов, мелководных заливов и проливов нарушило водообмен Северного Ледовитого океана с Мировым океаном, что повлекло новые климатические деформации. Промерзание морей на шельфе достигло дна. Льды стали аккумулировать твердые осадки, из-за чего на них начали подниматься ледники. Нарушенный водообмен Северного Ледовитого океана привел к аккумуляции увеличенного пресного стока многочисленных крупных рек. Подпруженные поднятым уровнем океана и льдом реки образовали на северных низменностях Сибири обширные водоёмы, переливающиеся в низины Средней Азии. Увеличились площади водных поверхностей Каспия, Арала и так далее.

Рис. 7. Последний Евразийский ледниковый покров.1 – свободный от ледников океан; 2 – пресноводные бассейны; 3 – свободная ото льда суша; 4 – границы ледников; 5 – линия движения налегающих на ложе (а) и плавучих (б) ледников; 6 – уровни внутриконтинентальных бассейнов (относительно современного уровня океана); 7 – сток приледниковых вод. Буквенные символы – условные наименования ледниковых щитов (по М. Г. Гроссвальду, 1983).

Каково же было моё удивление, когда, познакомившись с книгой М. Г. Гроссвальда (1983), я увидел почти точно такую же зарисовку явлений, случившихся всего 18…20 тыс. лет назад! (рис. 7). Но это был уже не домысел, а результат обобщения обширнейших материалов по изучению следов последней ледниковой эпохи. Труд десятков морских и наземных экспедиций, лабораторий, определявших возраст и происхождение морских осадков и наземных пород, сотен специалистов, изучавших многочисленные следы бывших оледенений достоин уважения и доверия.

Но мысленно развивая своё видение возможных событий, я допустил «отключение» действия закономерности неравновесного теплообмена замерзающих водоемов с окружающей средой, а разве это может быть? Может, если летнее стаивание (абляция) льда в полярных областях вовсе прекратится. Тогда ледяной покров начнет обмениваться теплом с атмосферой, как и вечная мерзлота, туда и обратно лишь кондуктивной теплопроводностъю и поэтому океан станет неуклонно промерзать. Из-за большой удельной теплоемкости фазового превращения воды в лёд и из-за того, что в литосфере связанная вода составляет не более 20–25 % объёма, промерзание водоёма будет происходить в 4…5 раз медленнее, чем литосферы и лишь достигнув дна продолжится так же, как в литосфере.

Итак, оказывается, что достаточно исключить поступление того мизерного количества тепла, то есть суммы градусо-суток положительной температуры, равной 30…70°, которой обеспечивается сейчас Северный Ледовитый океан летом, чтобы абляция прекратилась и началось глубокое промерзание плавучего льда, а затем и оледенение. Причем понижения зимней температуры, что всегда считалось необходимым условием для начала оледенений, вовсе не требуется.

Зимой температура может даже повыситься на 10…20°, а оледенение от этого не прекратится, а скорее даже ускорится, ибо теплые зимы в Арктике характеризуются увеличением твердых осадков.

Как не удивиться тому, чего мы до сих пор не знали? Оказывается, многие окраины суши северного полушария (кроме уж «отпетой» Гренландии) находятся на волоске от ждущего их оледенения. В ряду размаха температуры, которой характеризуются все широты Земли, составляющего более 120° в интервале от плюс 40° до минус 80 °C достаточно сдвинуться летом ртутному столбику термометра всего на 2–3 °C ниже, чтобы в северной полярной области прекратилось таяние льда и началось новое, далее саморазвивающееся оледенение.