Дерзкие мысли о климате

И там и тут такая неравнозначность в усвоении и потере тепла обусловливается различием интенсивностей разных форм теплообмена. На льду малоинтенсивной кондуктивной теплопроводности (при отводе тепла) противопоставляется намного более интенсивный конвективный теплообмен (при усвоении тепла). В атмосфере и на земной поверхности менее интенсивный конвективный теплообмен при отводе тепла через испарение – конденсацию постоянно сменяется самым интенсивным из возможных – лучистым теплообменом при поступлении тепла. Для пояснения сути возникающих таким путем процессов можно обратиться к примеру аналогичного накопления воды в резервуарах, за счет разности в интенсивности подачи и слива равных объёмов воды, то есть за счет разности расходов при его заполнении и сливе. Если скорость притока воды будет превышать скорость ее оттока, то вода будет накапливаться в резервуаре до тех пор, пока та и другая скорости не уровняются.

Подобный неравнозначный теплообмен через лёд на водоёмах чаще приводит к сохранению стабильного теплового уровня водной массы в окружении намного более холодной среды (реже к разогреву, как например на оз. Ванда в Антарктиде), а в атмосфере – определенно к разогреву поверхности планет. В последнем случае возникает, казалось бы, невозможный и все же очевидный термодинамический эффект – едва «теплое» тело Вселенной (Земля), находясь в окружении предельно «холодного» космоса, даже при уменьшении прихода тепла от согревающего его Солнца, оказывается способным к самостоятельному разогреву своих внешних сфер. То же, вероятно, происходит и на Венере, поскольку известно, что высокая температура её внешних сфер удерживается при меньшем, чем на Земле, прихода тепла от Солнца. Последнее обусловливается более значительным (по сравнению в Землей) альбедо венерианского облачного покрытия (около 0,6) существенно уменьшающим приход тепла, несмотря на то, что Венера находится к Солнцу ближе, чем Земля. Там теплота сдерживается фазовыми превращениями уже углекислого газа и ещё большей мощностью атмосферы. Наконец, мы уже знаем, что эти увеличения энтальпии внешних сфер Земли и Венеры в конечном счете обусловливаются работой внешних сил тяготения, реализуемой на конвективных движениях их атмосфер.

Как в случае со льдом, когда молекулярному теплообмену противопоставляется конвективный, так и в атмосфере, когда лучистому теплообмену противопоставляется он же, имеет место закономерность изменения теплового состояния энтальпии системы (тела) при изменении вида обратно направленного теплообмена с другой системой (телом), обусловленная различием интенсивностей теплопередачи, а в конечном счете, участием внешней силы тяготения, в создании неравновесного теплообмена. Мы привели достаточно доводов, чтобы допустить возможность существования такой закономерности. Поэтому рассмотрим, что же ожидает Землю, если эта закономерность усилит свое влияние на термику её сфер.

Почему-либо начавшийся процесс блокирования Земли увлажнением атмосферы и облачностью, коли он сопровождается потеплением земной поверхности, может усиливаться, так как известно, что «… при повышении средней температуры воздуха на 1 °C испарение увеличивается на 4 «(М. И. Будыко, 1984, с.253). Поскольку у нас нет оснований подозревать, что указанная зависимость испарения от температуры может чем-то нарушаться по мере разогревания атмосферы и земной поверхности, то мы оказываемся недалеки от предположения, что для Земли вроде бы не исключается вероятность возникновения необратимого, как на Венере, парникового эффекта (в том его понимании, как изложили мы). Тогда может последовать полное испарение воды и даже замена всей атмосферы углекислым газом, которого в химически связанном состоянии на Земле всего лишь в 4 раза меньше, чем воды. Достаточно увеличенного нагревания, чтобы произошло высвобождение его в виде газа. Подкрепим это предположение высказыванием известных английских ученых Р. Гуди и Дж. Уолкера (1975, с.176): «… посмотрим, каким образом Венера потеряла воду. Вследствие необратимого парникового эффекта вся вода Венеры попала … в атмосферу, где она подверглась фотодиссоциации под действием солнечного излучения. Образующийся водород рассеивался в космическом пространстве; оставшийся водород вступил в химические реакции с минералами, входящими в состав поверхности планеты.» Такое объяснение вполне правдоподобно; другое дело, правильно ли оно.

Надо думать, что мнение этих известных специалистов в области физики атмосферы о правильности их заключения было бы иным, если бы наука не «забуксовала» на пути развития космогонических представлений. В частности, если они хотя бы предположили, что планеты Солнечной системы могут крайне медленно, но приближаться к своему светилу, то обнаружили бы, что описанное ими возможное развитие планетных атмосфер весьма близко согласуется с такой версией.

Итак, мы нашли, что поскольку атмосфера – это практически последняя оболочка, регулирующая общий теплообмен твердой сферы с космическим пространством, то весьма вероятно, что именно её состоянием определяются основные и наиболее существенные изменения общего климата Земли. Из палеоклиматических данных известно, что в геологической истории Земли бывали и оледенения, и глубокие потепления, позволявшие, например, теплолюбивой флоре и фауне распространятся в области высоких широт. Зависимость таких изменений от состояния насыщенности атмосферы влагой подтверждается и показанными выше оценками. В то же время довольно уверенно мы знаем, что разогревание внешних сфер Земли не заходило так далеко, чтобы принимало необратимый характер, за которым следует изменение даже состава основных газов самой атмосферы, как это произошло на Венере.

Отсюда следует, что в атмосфере и в ее взаимодействии с земной поверхностью существуют механизмы, способные до поры сопротивляться перегреву и даже вызывать глубокие охлаждения, вплоть до весьма значительных оледенений. Чем же объяснить, что вполне возможное прогрессирующее разогревание внешних сфер Земли за счет увеличения влажности и облачности атмосферы не приводило к возникновению необратимого парникового эффекта, а сменялось похолоданиями? Нельзя исключить, что этому способствовали, с одной стороны, особенности глобальной циркуляции атмосферы, с другой – способность атмосферной влаги не только конденсироваться, но и сублимироваться до твердых осадков, выпадающих на земную поверхность. В силу этого, с одной стороны, можно было ожидать возникновения своеобразных «окон» в оболочке облачности в полярных областях, с другой – увеличенного снегонакопления в этих же областях за счет более значительного их охлаждения и общего увлажнения атмосферы.

Если же мысленно допустимо такое развитие явлений, то нельзя исключить вероятности своеобразной перегонки всей массы океаносферы на полярные области, где могли бы возникать гигантские ледяные шапки, намного больше, чем марсианские, поскольку на поверхности Марса жидкая вода пока существовать не может.

На Земле объемы аккумуляции льда вокруг полюсов могли быть ещё более значительными. Следовавшие затем сокращения площади водяной поверхности и разрастание площади полярных оледенений; абляция краевых областей ледников, а значит, охлаждение воды и уменьшение её испарения, в конце концов приводили к угасанию парникового эффекта и к смене теплого климата на холодный ледниковый. Но не будем спешить объявлять описанное выше развитие процессов сколько-нибудь правдоподобным, так как для этого еще недостаточно фактов и пока еще прочны позиции теорий, с которыми такое развитие не согласуется.

Рассмотрим далее явления, определяемые участием атмосферы, в условиях, более схожих с современными.

9.4. О невозможности полного оледенения земли

Наравне с возможностью значительного, независимого от изменений условий внешнего теплообмена, разогрева поверхности Земли за счет усиления парниковой защиты атмосферы нередко приходится слышать мнение о вероятности полного оледенения нашей планеты.

Как пишет М. И. Будыко (1984, с.430): «вывод о возможности существования планеты, полностью покрытой льдом, был сделан на основании простого теоретического расчета до начала эпохи исследований Солнечной системы на космических кораблях. В этих исследованиях было доказано, что несколько спутников больших планет полностью покрыты льдом и в связи с этим являются аналогами «белой Земли». Наиболее известен из них спутник Юпитера Европа».

Но можно ли здесь говорить о каких-то аналогиях, не учитывая громадные различия расстояний Солнца от Земли и от Юпитера и не предполагая о возможных изменениях этих расстояний в ходе эволюции Солнечной системы? Тем не менее М. И. Будыко считает возможным полное оледенение Земли, и даже возможным устойчивое существование её в оледеневшем состоянии. Такую возможность он рассматривает с разных позиций, из которых мы отметим только наиболее характерные и не уходящие в будущее на сотню миллионов лет, как, например, возможность изменения солнечной постоянной.

Предполагаемую неизбежность потепления климата в ближайшие десятилетия М. И. Будыко плотно связывает с изменением концентрации углекислого газа в атмосфере и поэтому считает, что «морские льды, вероятно, полностью или в значительной мере разрушатся во второй четверти XXI века» (Будыко, 1984, с.416). Спорность мнения о сколько-нибудь определяющем влиянии на климат углекислоты мы уже отмечали. Что последует вслед за таянием морских льдов М. И. Будыко не рассматривает, но заметим, что здесь мы усматриваем возможность скрытой подготовки нового существенного похолодания.

В более отдаленном будущем, в связи с предполагаемым через тысячи лет некоторым понижением радиации, М. И. Будыко ожидает и снижение концентрации углекислого газа в атмосфере. Взаимосвязь этих явлений и конечное отражение их на развитие климата объясняется им так: «Продолжающееся снижение концентрации углекислого газа будет сопровождаться постепенным уменьшением продуктивности автотрофных растений и уменьшением общей массы живых организмов на Земле. Одновременно с этим будет постепенно расширяться зона полярных оледенений, которые в ледниковые эпохи перемещаются в более низкие широты. Через несколько миллионов лет ледяной покров достигнет критической широты, после чего он распространится вплоть до экватора в порядке саморазвития. В результате возникнет полное оледенение планеты, которое будет обладать большой устойчивостью, обусловленной низкими отрицательными температурами на всех широтах земного шара» (Будыко, 1984, с.429).

Но заметим, что самые пессимистические оценки возможного уменьшения приходящей радиации ограничиваются 3…4 % от современного уровня. Вместе с тем, мы уже установили, что увеличение самонагревания атмосферы Земли может происходить даже при снижении энергии усвоенной коротковолновой радиации на десятки процентов. Следовательно, изменения астрономических факторов в определенных условиях обладают меньшими возможностями и изменению термики внешних сфер Земли, чем сами ее сферы, а соображения об изменениях концентрации углекислого газа в атмосфере здесь вовсе ничего не изменяют. Наконец, если мы вспомним уже не раз рассмотренный нами случай, вытекающий из закономерности неравновесного теплообмена замерзающих водоемов с внешней средой, что плавучий лёд тает во много раз интенсивнее, чем намерзает, то все доводы о возможности полного оледенения Земли окончательно обесцениваются и казалось бы теряет смысл даже ссылка на них. Но все же обратные доводы существуют и было бы неверным не рассматривать их ошибочность. Одной из возможных причин, способных побудить оледенение Земли, в том числе полное, М. И. Будыко считает вероятность, наблюдающегося и в нашу эпоху, поднятия континентов в северной полярной области вплоть до исключения межокеанического обмена вод с Арктическим бассейном. Но выше и в специальной работе (Файко, 1978) я уже показал, что это приведет лишь к формированию в бассейне льда равновесной толщины и полному исключению невосстанавливаемых потерь от моря и не далее.

К тому же прекратится вынос холодных вод и льда в Атлантику. Короче говоря, это обстоятельство будет способствовать меньшему расходу общеземного тепла, но отнюдь не разрастанию оледенения. Таким образом, анализируя вышеизложенное, как и целый ряд упомянутых здесь условий, выдвигаемых разными авторами и якобы способными довести Землю до полного оледенения, мы не находим среди них и сами не можем представить таких, которые бы убедительно подтверждали мрачную вероятность полного оледенения Земли. Посмотрим, например, на возможность стабильного сохранения Земли в полном оледенении.

Воспользуемся одним из уравнений М. И. Будыко (1977) для расчета планетарного лучистого теплообмена Земли с окружающим пространством:

N = (1-a) = J

где N – приходящее; J – уходящее излучение (ккал/см2 месяц) в условиях безоблачности; a – альбедо всей Земли и, приняв реально возможное, что N – 22 ккал. /см2 месяц и, как принимает М. И. Будыко для оледенения Земли, a = 0,65, рассчитаем, какой должен быть поток уходящего излучения. Оказывается, что он составил бы 7,7 ккал/см2 месяц, или 92 ккал/см2 год. Но такого значительного количества тепла ледяные поверхности, как, впрочем, и все твердые породы, терять не способны. При любых мыслимых колебаниях температуры массивы сухого льда кондуктивной теплопроводностью могут терять не более 9 ккал/см2 год, то есть в 10 раз меньше, чем будет поступать солнечной радиации на оледенелую Землю. Поскольку же в среднем вся поверхность оледенелой Земли не сможет терять столько же тепла сколько будет его получать, то ни её полное оледенение, ни существование в оледеневшем состоянии оказываются невозможными. В то же время оледенелое состояние и в наши дни вполне нормально в околополюсных пространствах, где поверхность ледников получает тепла в сотни раз меньше, чем в среднем вся земная поверхность.

М. И. Будыко, допуская, что атмосфера Земли при некоторых условиях может становится особо прозрачной как для коротковолновой, так и для длинноволновой радиации (чего не исключаем и мы) и, используя формулу для определения эффективной температуры, выводимой из закона излучения Стефана – Больцмана, находим, что при альбедо «белой Земли», равной 0,8, средняя температура ее поверхности опустится до 186°К, или минус 87 °C. Отсюда опять же следует заключение о неизбежности устойчивого оледенения. Но условия, из которых исходит предположение М. И. Будыко, в полной мере соответствуют современным условиям центральной части Антарктиды. Тем не менее средняя годовая температура поверхности ледника здесь оказывается равной минус 50°, а не минус 87 °C. Если учесть понижение температур за счет большой высоты (на 25 °C) и полярного положения Антарктиды, то окажется, что произведенный теоретический расчет вовсе далек от вероятного значения средней температуры на поверхности полностью оледеневшей Земли, Другая, графическая модель М. И. Будыко, построенная на тех же исходных посылках, дополнительно в основу оценок включает полученную на эмпирических данных зависимость, из которой следует, что средняя широтная граница постоянного снежно-ледяного покрова соответствует средней годовой температуре, равной минус 10 °C. Возникает вопрос, а почему собственно минус 10 °C, если известно, что пресные воды и льды замерзают и тают при 0 °C, морская вода при минус 1,8…2,2 °C, а распространение многолетней мерзлоты почти полностью совпадает с изотермой среднегодовой температуры около минус 1,5 °C? Достаточно ли обоснован такой выбор для отсчета температуры? В Якутске, например, средняя годовая температура составляет минус 14 °C, в Верхоянске минус 15,7 °C, в Оймяконе минус 17 °C, но никаких постоянных снежно-ледяных покрытий, исключая подземную мерзлоту, здесь нет и все эти пункты являются центрами земледельческих районов. В Якутске в открытом грунте вызревают помидоры и практически все, кроме фруктов, что выращивается в Подмосковье. Границу морских льдов, как показал В. Ф. Захаров (1978) также менее определяет температура воздуха, чем характер вертикального теплообмена в самом море. Несмотря на то, что М. И. Будыко свидетельствует о широком признании его моделей, мы как видно, не можем согласиться с вытекающими из них заключениями о возможности полного оледенения Земли. И здесь ошибки исходят от невнимания к особенностям обмена теплоты фазовых превращений. Поэтому мнение М. И. Буды-ко о том, что «Вывод о возможности устойчивого существования «белой Земли», по-видимому, может быть получен из любой реалистической теории климата (Будыко, 1977, с.98) определенно является спорным.

То, что невозможно для среднего состояния Земли является вполне нормальным и в наше время для высоких ледниковых куполов полярных широт Антарктиды и Гренландии. В Антарктиде, при весьма прозрачной атмосфере и в соответствии с её широтным положением имеется, кроме неоднократно отмеченных, существенная причина для стабильного удержания низкой температуры ледяными массами – это низкая температура окружающего воздуха из-за значительной высоты (адиабатического охлаждения), что не позволяет льду прогреваться до температуры таяния. В связи с этим интересно заметить, как велики оказываются различия в нормах фактически усваиваемой радиационной энергии поверхностью разных широт Земли даже в космических масштабах – полярные области ее получают меньше, чем в среднем получает единица поверхности Марса, в то время как в среднем вся Земля получает ее (из-за меньшего альбедо) больше, чем Венера. Следовательно, на Земле могли быть шире представлены и марсианский и венерианский климаты, если бы этому не препятствовала динамика тепла в гидросфере. И именно она же исключает вероятность полного естественного оледенения Земли. Нам приходится подкреплять это заключение словом «естественного» в связи с тем, что человек неразумным применением разрушительных военных средств может вызвать непредсказуемые неестественные отклонения.

И все же могла ли Земля когда-либо оледеневать полностью? Не об этом ли свидетельствуют находки древних тиллитов на всех континентах? Эту вероятность исключать нельзя. Но это могло быть лишь в том случае, если вся Земля в среднем длительно и стойко получала от Солнца тепла существенно меньше, чем в современную эпоху. Обосновать вероятность значительного в прошлом сокращения радиации пока невозможно. И все же, импонируя идее философа Декарта, автор не исключает, что сокращение радиации могло иметь место в случае, если в глубинах миллиардолетий Земля, двигаясь вокруг Солнца намного дальше, получая при этом во много раз меньше радиации. В самом деле, что, кроме бремени противоположных, но недоказанных взглядов, мешает нам представить Луну «старшим» спутником среди тысяч спутников, запущенных человеком. И почему, твердо зная, что все запущенные спутники, в конечном счете, падают на Землю, нам не допустить, что и Луна приближается к Земле, и Земля к Солнцу по одному и тому же, еще не признанному ученым миром закону?

9.5. На подступах к тайнам вихревых движений

Катастрофические явления, порождаемые энергией механических движений атмосферы, на Земле совершается чаще, чем землетрясения, вулканические извержения и цунами, приносящие человечеству не меньшие материальные потери и жертвы. Нашу страну они навешают намного реже, чем тропические приморские страны, но всё же случаются в виде приходящих тропических циклонов на Дальнем Востоке, а в виде атмосферных вихрей малых размеров и в европейской части СССР. Но и здесь их посещения часто оставляют неизгладимые следы. Когда случаются жестокие ураганы, смерчи, обвальные ливни и так далее, среди людей часто возникают массовые пересуды причин таких явлений. Когда-то эти страшные явления просто относили на «кару божью». Сейчас чаще можно услышать ссылки на творения ума и рук человека: атомные взрывы, реактивные самолёты и даже спутники. Объяснение сверх примитивное: «раньше такого не было, а как появились спутники все пошло наперекосяк». Тягостно слышать такие тёмные суждения, еще труднее бывает их оспорить. Здесь издержки культуры. Не имея четких объяснений причин экстремальных механических процессов, случающихся в атмосфере, и наука практически расписалась в бессилии против их загадочности, оставляя людям судить и думать об этом кто как может.

Но давайте посмотрим, сопоставимы ли количества энергии, активно действующей в динамических атмосферных явлениях, с той, которую может ей противопоставить, исключая массовые взрывы атомного оружия, человек.

Энергия вихревых движений атмосферы в отличие от трудностей раскрытия их природы, поддается расчету. И тут мы узнаем, что «энергия одного урагана в тысячи раз превосходит энергию крупнейших водородных бомб»; мощность одного торнадо «соответствует… почти половине мощности всех электростанций США»; «развитый циклон … в течение 2–3 суток может дать более 40…50 млрд. м 3 воды» и так далее. Эти сравнения убедительно показывают, как несопоставимы мощности естественных процессов в атмосфере с мощностями возможных энергетических воздействий на них человека. Отсюда следует и полная несостоятельность каких-либо ссылок на современную способность человека изменить или упредить развитие стихии механических процессов атмосферы ресурсами своей энергии.

Главнейшей силой человека является и всегда будет оставаться мощь его ума. Лишь глубоко познав физику явления, найдя их ключевые точки «перепускные краники» их энергетические взаимосвязи и научившись управлять ими, можно надеяться на укрощение стихийных явлений их собственной энергией.

И если мы постоянно сталкиваемся с фактом бессилия перед стихией движения атмосферы, то в первую очередь это свидетельствует о том, что мы ещё далеко не в полной мере мобилизовали на это силу своего разума. Освоив космические полеты, люди научились фиксировать очаги зарождения циклонов, следить за их развитием и движением, предупреждать о них, но до сих пор не познали главного – природы их возникновения. Нельзя сказать, что специалисты в области физики атмосферы этим не занимаются. Просматривая большую стопку академического журнала «Физика атмосферы и океана» можно убедиться, как много и разнообразно исследуются процессы в атмосфере. Но просматривается и определенный перекос: здесь крайне мало кропотливого, въедливого элементарного анализа, самих физических явлений, но сплошь и рядом отрывочная мысль или наблюдаемый факт скоро и основательно вовлекается в поток сложнейших математических манипуляций и порой теряются в нем. Такой перекос чреват опасностью математического развития физически недостаточно обоснованной последовательности реальных явлений, а значит и ошибочностью конечного решения.

Верхоглядство, исходящее из предположения, что все изначальное элементарно и достаточно хорошо всеми изучено и не заслуживает особого внимания, видимо чаще всего подводит исследователя, возлагающего свои надежды на математику. Нечто подобное, мне кажется, случилось с изучением вихревого движения, составляющем основу наиболее грозных динамических явлений атмосферы. Наибольший интерес в познании природного вихря представляет его способность невероятно увеличивать, скорость ветра в зоне своего действия (до 300…400 км/ч) и способность рушить, поднимать и переносить по воздуху нередко все, что попадается на пути его сравнительно не быстрого (не более 15…20 км/ч) продвижения: дома, автомобили, вагоны и так далее.

Во всех встречающихся справочниках вихревое движение характеризуется одним основным явлением – движением жидкости или газа, сопровождающееся вращением частиц вокруг мгновенной оси и вращением слоев вихря со значительно отличающимися друг от друга скоростями. С этих отправных представлений начинается и каждое математическое описание вихревого движения. Но давайте не будем торопиться запрягать математику и посмотрим внимательнее, что же представляет собою вихрь. Обратимся к внешне простой задаче в свое время сформулированной А. Эйнштейном, а позднее повторенной академиком М. А. Лаврентьевым, но, похоже, так и оставшейся не решенной; почему в стакане с раскрученным чаем, чаинки собираются в центре дна стакана?

Мне представляется эта задача полнее решаемой, если обратить внимание на то, что в стакане возникает не только вихрь, но от него возбуждается еще определенное движение чаинок и, наконец, взаимосвязь между этими движениями дает дополнительный материал для усмотрения и понимания ряда событий, сопутствующих вихрю. Повернем спокойно ложечкой по кругу чай в стакане и посмотрим сначала, как образуется вихрь. По движению чаинок можно заметить, что чай не просто стал самостоятельно вращаться в стакане, но это вращение далее приобретает все более увеличивающуюся угловую скорость в приближении к центру стакана. Это и есть вихрь. Не сложно понять почему происходит ускорение вращения в центре стакана: внешний слой жидкости после раскручивания начинает тормозиться стенками стакана, но через мельчайшие вихри, образующиеся сначала между стенкой стакана и жидкостью, а затем между слоями жидкости, передает момент своего движения следующему внутреннему слою жидкого настоя чая. Тот в свою очередь и таким же путем передает момент движения (вращения) следующему внутреннему слою и так далее (рис. 18, а).