Дерзкие мысли о климате

О том, что ожидалось, я кратко перескажу в основном словами своего очерка, опубликованного в те годы (Файко, 1970).

Многие проекты, а лучшим образом проект П. М. Борисова, предусматривали тогда искусственное отепление климата путем уничтожения ледяного покрова Северного Ледовитого океана, следствием чего должно по замыслу явиться резкое, возрастание усвоения водной поверхностью солнечной радиации. После этого прямоток теплых вод через Арктику должен нагреть воду в Северном Ледовитом океане до 12…14 °C положительной температуры.

И вот (цитирую здесь и далее себя же): «В Верхоянске установятся такие же температуры, как нынче во Львове и Киеве. В Якутске климат будет таким же, как в наше время в Курске и Астрахани, Полюс холода евразийского материка переместится на стык рубежей Советского Союза с Монгольской народной республикой и Северным Китаем, но его средняя температура января повысится с минус 48 °C до минус 20 °C. В Оймяконе же зимой станет теплее на 30 °C. Реки будут более полноводными и ненадолго замерзающими. На Земле сократятся площади сухих пустынь, теплолюбивая растительность снова расселится почти до самого ныне называемого Ледовитым океана…» А разве плохо, если бы так и стало? Ведь только страх перед неизвестностью будущего заставляет нас говорить: «нет, пусть будет так как есть». А что есть? «Вот только один пример. На миллионах квадратных километров северной тайги и тундры возможно прокормить только одного оленя на ста гектарах угодий. Отсюда легко подсчитать, что биологическая продуктивность единицы площади здесь оказывается в сотни раз меньше сельскохозяйственной продуктивности угодий зон умеренного и теплого климата». Обратим внимание на то, как согласуется биологическая продуктивность с громадным различием климатических ресурсов, ранее оставшимся неизвестным, но описанным нами выше.

Далее. «Север СССР все интенсивнее осваивается. Но содержание каждого человека в северных районах обходится государству в два с лишним раза дороже, чем в зоне умеренного климата; строительство каждого объекта, эксплуатация каждой машины – почти в три раза дороже. В связи с интенсивным освоением вновь открытых месторождений нефти на Аляске, аналогичные проблемы ещё острее встали в США». А теперь у нас!

«Этот, если можно так выразиться, перерасход средств на единицу продукции обусловлен в основном суровыми климатическими условиями. Суммарная величина такого перерасхода даже за один год огромна и в скором будущем превзойдет стоимость осуществления почти любого проекта радикального изменения климата».

Заканчивая пересказ, я невольно задаюсь вопросом – а разве вовсе уже отпала необходимость поисков мелиорации климата? Верно, что в предложенном проекте П. М. Борисова возникла масса настораживающих сомнений, которые снять можно было только специальным всесторонним научным изучением проблемы. И об этом я тогда же писал в статье, озаглавленной «Колосс на задворках науки» (Файко, 1970, б).

Но проблемы изучения мелиорации климата не осталось даже на задворках науки. Проект П. М. Борисова был дружно и голословно охаян мужами науки, а после кончины его автора и вовсе забыт. Застой окончательно похоронил смелую мысль и дело большого начинания.

Я далек от идеализации всего комплекса исследований П. М. Борисова, но его главная инженерная идея – вскрытие Северного Ледовитого океана прямотоком океанских вод и способ его осуществления, вряд ли и в будущем найдут более удачное решение и по сей день не утратили актуальности. Что касается природоведческих оценок, в том числе даже их целей, затем расчетов, прогнозов и так далее, то тут есть, о чем задуматься. Изложенные выше факты о существовании неравновесного теплообмена Северного Ледовитого океана с атмосферой через ледяной покров здесь многое меняет не только во взглядах П. М. Борисова, но и в основе всех тех знаний, на которые он в свое время полагался, как на неоспоримые. И не стоит удивляться тому, что инженер не смог подняться над ошибками специалистов-географов и климатологов. Может быть даже это хорошо, что он не поднялся над ними, иначе под напором протестующих оппонентов его проект вообще бы не увидел свет и остался безвестным. Это я могу судить и по себе, а точнее по мукам прохождения собственных идей в свет.

Да, здесь повторяю, он, как и все, во многих случаях ошибался, а именно: неправильно считал баланс теплообмена между океаном и атмосферой, неверно учитывал теплоту фазовых превращений при водообмене, о действительных климатических различиях между широтами и многом другом, о чем я выше говорил или умолчал ещё не разобравшись. Наиболее курьезной представляется ошибка в назначении главной цели проекта П. М. Борисова – обогревании очень обширной территории суши высоких широт северного полушария. Мы уже знаем, что покрытый льдом океан теряет тепло только зимой, но теряет практически только теплоту кристаллизации воды. Если же мы зимой вскроем Северный Ледовитый океан, то потери с открытой воды, тем более нагретой до 12…14 °C возрастут в десятки, если не в сотни раз, причем с площади в несколько миллионов квадратных километров. Нет никакой уверенности, что все это тепло зимой пойдет только на обогрев ближайшей суши. Да и зачем ему распространяться на тысячи километров по суше, если проще излучиться через 5…7 км толщи атмосферы в сторону предельно охлажденного космического пространства. Значит вполне вероятно, что большая доля океанского тепла начнет теряться зимой с океана необратимо. И вот я беру калькулятор, начинаю считать и обнаруживаю ужасную вещь – оказывается вскрытый Северный Ледовитый океан таким путем остудит всю поверхность Мирового океана на несколько градусов в ближайшее столетие! А это чревато серьезным похолоданием климата всей Земли. Не слишком ли дорогой ценой окажется плата за иллюзорное отепление высоких широт суши?

В моем расчете могут быть существенные также ошибки и в ту и в другую стороны, из-за того, что мы не знаем, как отзовется на вскрытие полярного океана режим парникового эффекта атмосферы и ее циркуляции, как отзовется Мировой океан на деформацию термохалинной конвекции, возбуждаемой ледяным покровом Арктики; как отразится на замерзании арктических морей разрушение галоклина и возможный вынос распреснённых вод и много иных свойств внешних подвижных сфер Земли, о чем надо знать много больше и уверенней, в случае, если дойдет дело до попыток изменения климата. И все же уже первые прикидки настораживают, ибо непреднамеренное охлаждение Земли оказывается вполне вероятным.

После этого, казалось бы, и мне не оставалось ничего иного, как отвернуться от проекта П. М. Борисова и примкнуть к лагерю тех, кто охаял его проект и постарался забыть о нем. Но я не торопился и не стал этого делать по двум основным соображениям: во-первых, потому, что перекачку воды можно будет прекратить в любой момент, как обнаружится такая необходимость; во-вторых, сами суждения о судьбе климата вскоре резко противоположно изменились и большую тревогу стал вызывать замаячивший призрак возможного опасного перегрева климата Земли из-за увеличивающегося антропогенного теплового засорения атмосферы.

Короче говоря, в проекте П. М. Борисова начал просматриваться образ своеобразного ключа или спускового клапана, способного регулировать климат, глазным образом, северного полушария, а в известной мере и всей Земли. Из вышеизложенного в этой книге мы уже узнали, что полярные области Земли сейчас крайне мало теряют тепла в космическое пространство по той простой причине, что-либо не имеют что терять (Антарктида, Гренландия), либо не могут необратимо терять, поскольку тепло океана надежно охраняет плавучий лёд, то есть природный обратный тепловой клапан. Достаточно включить перекачивающую станцию, вскрыть Северный Ледовитый океан ото льда, то есть открыть этот самый обратный тепловой клапан с одновременной подачей теплой воды из Атлантики, и северная полярная область зимой станет уже терять в космическое пространство тепла во множество раз больше, чем теряет. Причем эта потеря оказывается необратимой не только для полярной области, но и для всей атмосферы, а значит и всей Земли. Вот вам и спасение от перегрева. Более проблематичным становится использование перекачки атлантических вод для обогрева прилегающей к Северному Ледовитому океану суши. Полностью эту вероятность исключить нельзя. Вполне можно, например, представить, что в результате вскрытия Северного Ледовитого океана, испарение с него в зимнее время резко увеличится, существенно возрастет плотность облачности и соответственно усилится парниковый эффект, компенсирующий отвод лучистого тепла от земной поверхности. Зимой станет намного теплее и на прилегающей суше. Но летом перекачку надо прекращать, чтобы снизить облачность и дать возможность для обогрева земной поверхности прямой солнечной радиацией. При этом необратимые потери тепла высвобождающегося при конденсации и сублимации пара в высотах атмосферы тоже соответственно увеличатся. Увеличатся осадки в горах, могут возникать новые ледники, теперь уже управляемого оледенения, а это уже не беда, а благо. Так можно фантазировать и далее.

Тут, как ни крутись на догадках, пока всюду приходишь к однозначному безутешному заключению, что мы слишком мало знаем физику явлений, происходящих в атмосфере и тем более ничего не знаем о том, какими они будут в случае их искусственной трансформации. Здесь и надо сосредоточить все силы и возможности науки, не торопясь отвергать, как якобы бредовые, а на самом деле перспективные инженерные решения в области управления климатом.

Проект П. М. Борисова выгодно отличается от многих других проектов перераспределения тепла океаносферы, (краткие характеристики которых даны в указанных выше работах И. А. Адабашева (1964) и самого П. М. Борисова (1970) рядом важнейших качеств.

Во-первых, этот проект по сути своей предназначен для удовлетворения общепланетарной нужды, он интернационален, в отличие от большинства более эгоистичных проектов отепления лишь своего «угла», своей страны, иногда даже в ущерб другой стране (например, проекты по изменению направления Гольфстрима или иных теплых течений).

Во-вторых, он правильно нацеливается на управление самым важным из тех, о которых мы пока знаем, климатоформирующим узлом северного полушария, а отчасти и всей Земли – термическим состоянием Северного Ледовитого океана.

В-третьих, он универсален тем, что не исключает возможности прекращения водообмена, если его следствие оказывается нежелательным; допускает изменение направления водообмена в противоположную сторону, если обнаружится целесообразность этого; может быть использован и для обогревания прилегающей суши и для общего охлаждения Земли, если окажется, что такое сочетание совместимо и целесообразно и так далее, в то время как многие иные проекты предусматривают перегораживание водных потоков глухими плотинами и дамбами, грозящими необратимыми и неясными следствиями.

В-четвертых, он, видимо, позволит открыть новые неожиданные возможности в развитии и процветании жизни на Земле, в то время как ряд других проектов предусматривает использование ядерных взрывов, покрытие океана герметичной пленкой и другими способами с вполне вероятными отрицательными последствиями для природы.

Пишу я все это, а сам невольно думаю о … военных противостояниях. Как они мешают заняться самым важным для человечества – благоустройством своего общего дома Земли. Вдумаемся поглубже – почему мы не можем отказаться от самой мысли о войне, зачем вооружаемся, какие выгоды ждем от войны? Ведь не для того же мы к ней готовимся, чтобы убивать людей – это противно духу человеческого разума. И не для того, чтобы, рискуя жизнью своей, захватывать чье-то добытое и произведенное добро – ведь все это не вечно, все портится, изнашивается, выходит из моды, скоро становится негодным. Перебирая так ведущие мотивы к развязыванию войны и игнорируя корыстными интересами военных концернов, несложно добраться и до того главного и единственного мотива, который ещё не исключает захватнического порыва – овладение благодатными ресурсами чужих территорий. Вот и все, что казалось бы есть смысл завоевывать.

Но ведь в подавляющих случаях все это можно добыть абсолютно бескровно и на своей же территории, лишь облагородив её. Чаще всего для этого надо исправить климат. Одному государству это не просто и непосильно, но и невозможно. Это можно сделать лишь всем миром, объединив на это научные и технические достижения всех государств и направив на это те средства, которые расходуются сейчас на бессмысленные военные вооружения.

11.2. Техногенный лёд и управление климатом

Почти через все разделы книги, помимо нашей воли, два термина «лёд» и «климат» постоянно соприкасаются, как понятия неотвратимо зависимые одно от другого и неразделимые. И когда мы помечтали об управлении климатом, они снова столкнулись на идее осуществить это через управление ледяным покровом Северного Ледовитого океана. Иного, лучшего решения не просматривается.

Это случилось после того, как мы убедились в теплозащитной роли льда на водоёмах и обнаружили, что, уничтожив его на Северном Ледовитом океане, можно охладить весь Мировой океан и тем самым остудить климат. Наше привычное представление о том, что «где лёд, там и холод» опять оказалось ошибочным. Но это на водоёмах. А как обстоит дело на суше? И здесь мы часто оказываемся в плену стандартного некритического мышления. Представив, что огромные массы льда, подобных Антарктической или Гренландской, не могут не влиять охлаждающе на климат всей Земли, мы уже не ищем возможной обратной связи и не сомневаясь в очевидности предположенной, ищем как велика она и ничего другого. Из этого же следует широко распространенное и казалось бы уверенное предположение, что существенно понизить среднюю температуру атмосферы Земли якобы можно, увеличив или уменьшив массу льда и площади им занимаемые. По отношению к водоёмам нам стало ясно, что такое мнение не просто ошибочно, но оно оказалось прямо противоположным мыслимому. А по отношению к суше? Не поможет ли здесь известный новый способ промышленного производства льда путем дальнеструйного дождевания через среду морозного воздуха?

Познакомившись с книгой «Взаимодействие оледенения с атмосферой и океанам» (1987), авторы которой известны как весьма добросовестные ученые, мне показалось излишним прибегать к пересказу их труда, чтобы осветить взаимосвязь между климатом и оледенением суши. Эта книга выгодно отличается от многих ранее изданных тем, что в ней рассматриваются не только отдельные звенья существующей связи между ледяными массами и окружающей их природой, но и их комплекс, как цельная система. Здесь по-новому и строго рассматривается физика фазовых превращений и их роль в теплообмене, с большей определенностью характеризуется атмосферная циркуляция и перенос ею тепла и влаги между ледяными массами и сушей, даются конкретные численные оценки термических взаимодействий между ними. Книга освещает массу конкретных фактов, которые не утрачивают ценности ни при каких уточнениях представлений о их природе.

Ниже я фрагментарно цитирую некоторые из основных заключений этой книги о влиянии современных ледников на климат (с.25…28). Оказывается, что из-за ледников «альбедо нашей планеты возрастает в летнее полугодие на 2 %, а за год на 1 %: от 0,29 до 0,30, что согласно модели М. И. Будыко (1969), приводит к охлаждению приземного слоя воздуха приблизительно на 10». И далее «Общий радиационный баланс малых покровных и горных ледников составляет минус 0,4×1014 МДж/год и в сумме с континентальным покровным оледенением равен минус 4,8×1015 МДж/год. Эти потери составляют около 0,2 % солнечного тепла, поглощаемого поверхностью нашей планеты». И, наконец, о затратах тепла на таяние ледников «В сумме затраты тепла на таяние составляет около 25×1013 МДж/год, то есть примерно в 20 раз меньше, чем затраты на компенсацию отрицательного радиационного баланса, и не имеют существенного значения для глобального охлаждения атмосферы», «… современная тропосфера охлаждается оледенением… ещё на 1° за счет отдачи тепла в них с турбулентным потоком». Наконец, «суммарное охлаждение современным оледенением равно 2 °C».

Так сейчас. А вот как было (с.33): «… в период последнего максимума ледникового периода 18 тыс. лет назад площадь ледников удваивалась. Это должно было вызвать дополнительное глобальное охлаждение атмосферы, по крайней мере, ещё на 2 °C, что само по себе объясняет около 1/3 отмечавшегося во время ледникового периода похолодания. Учет разрастания морских льдов и снежного покрова увеличит эту долю, по-видимому, до половины».

Вот каким «скромным» оказывается влияние ледников на изменение температуры воздуха на Земле, то есть на охлаждение климата всей планеты. Оледенение страшно в большей мере хотя и очень медленным, но захватом суши льдом, чем трансформацией общеземного климата, угроза которого чаще всего уже сейчас беспокоит человечество. На самом деле человеку конечно достаточно будет и времени и места, чтобы и при максимуме оледенения найти себе благоприятное обиталище.

Однако выше изложенные конечные оценки по климату могут существенно изменится, если трансформируются основополагающие научные представления о его природе, например, в том направлении, в каком я представлял их в этой книге. Если в конце концов окажется, что наши представления о радиационном балансе далеко не полны и некорректны; различия климатов с намного большей полнотой и контрастностью определяются не температурой воздуха, а тепло-обеспеченностью разных регионов; замерзание водоёмов менее влияет на понижение температуры воздуха, чем на сбережение тепла океанами; парниковый эффект в основе определяется паром и парообразованием, но не углекислым газом; за этим и другими уточнениями неизбежно последуют многие другие, от них зависимые, то конечно же очень значимые наши обобщения и заключения, кроме очевидных фактов, окажутся существенно измененными. Этого надо ждать и не надо этого бояться.

Причем прикидочные следствия этих познавательных и понятийных изменений высвечивает ещё во много раз меньшую роль льда в изменениях климата. В конечном счете оказывается, что, к примеру, заметно снизить зной Сахары или Каракумов не удастся совсем, если даже воздвигнем искусственные ледники на всей прочей суше. Значит подобное техногенное решение проблемы охлаждения климата ледниками оказывается столь же бессмысленным и неосуществимым, как в свое время предложенное освобождение Гренландии ото льда путем его сбрасывания в океан (Гернет, 1981).

Но вспомним, что понятие «климат», кроме теплового режима, автоматически включает влагообеспеченность ландшафтов, управление которой, хорошо ли плохо, но давно уже решается техническими средствами путем перераспределения или перекачки имеющихся природных ресурсов пресной воды. Хорошо уже то, что эта проблема решается, но плохо, что эти решения обходятся очень дорого, вызывают необходимость внесения многих необратимых нарушений в окружающую природную среду, к тому же часто оказываются мало эффективными. Если внимательно присмотреться к причинам таких неудач, то можно снова обнаружить наше плохое знание самой природы и комплексов ее естественных ресурсов. И поэтому же в орошении, например Средней Азии, до сих пор не находится подходящего альтернативного решения переброске стока сибирских рек.

В той же, не раз выше процитированной книге (с. 15), о ледниках суши можно прочитать: «Ледники, как правило, являются индикаторами зоны максимальных осадков…» Правильней было бы написать, что ледники являются не просто индикаторами наибольших осадков, а их производителями, генераторами. В географической литературе было опубликовано много фактов и обобщений, указывающих на то, что в снежном покрове и на ледниках, особенно в весенне-летний период, конденсируется значительное количество дополнительной атмосферной влаги (Иверонова, 1961; Клюкин, 1963; Котляков, 1968 и др.). Увеличение количества осадков над заснеженными покровами и ледниками часто вдвое и больше превышает норму осадков над окружающими равнинными территориями. Нередко их увеличение относят не на ледники, а на сами горные системы, заставляющие подниматься потоки воздуха, насыщенного паром, на большую высоту. Однажды я и сам был очевидцем, когда обильные осадки в виде снега вызвал в 1967 г. громадный ледяной затор (площадью около 250 км2) на реке Лене у Покровска вблизи Якутска, на абсолютной отметке около 100 метров над уровнем моря. Установлено это было при облете затора на легком самолете Як-12. При отсутствии снега вокруг затора и с наветренной стороны, на сам затор и на подветренной его стороне на 1…2 км, 10 мая, когда твердые осадки обычно уже не выпадают, выпал снег слоем 10…20 см. На затор форменным образом вернулась зима и снег удерживался 12 суток, подперев уровень воды в реке на 15 метров (Файко, 1975).

Читатель, наверное, уже догадался, что я клоню к идее создания в горах Средней Азии, например, на Памире, новых искусственных ледников, способных в какой-то мере решать здесь проблему дефицита воды. В первую очередь свое слово должны сказать гляциологи: на какую прибавку воды можно рассчитывать? Как определить их учить не надо. А я беру за основу ориентировочно слой дополнительных осадков в 330 мм, то есть 1 м 3 с 3 м 2 площади за год или один кубокилометр воды с 3000 км 2 площади новых ледников. Сейчас их площадь на Памире составляет около 8 500 км2. Прибавка к суммарному стоку крупнейших рек Средней Азии Амударьи (около 100 км3/год с этой площади составит всего 1 %. Не густо. Но площадь ледника в перспективе можно увеличить в 10 раз и более. Однако 3 000 км 2 для начала тоже много. Если принять толщину льда в леднике 15 метров (чтобы он не растаял в горах полностью за лето) для такой его площади на намораживание потребуется 45 км 3 воды. Столько за раз изъять нельзя – затрещит вся экономика Средней Азии. Сократим для начала площадь ледника до 300 км2, а объем воды для его создания до 4,5 км 3 на год.

Если новый ледник начнет собирать воду, то появится и новая вода для его расширения. Где взять эти 4,5 км3? В водохранилищах нельзя, они построены не для этого. Вглядываясь в карту Памира, нахожу нерукотворные, подпертые землетрясениями, озера Сарезское и Яшилькуль. В них обоих около 17 км 3 воды, появляется надежда, что у них воду можно «занять».

Теперь экономика. Нам уже удавалось получать малыми силами массивы до миллиона кубометров льда за зиму, доводя стоимость 1 м 3 до 5 копеек. На Памире воду придется поднимать на 1000… 1500 метров вверх. Учитывая иные сложности в работе в горах, но и возможность коренного усовершенствования намораживающей техники, примем, что кубометр льда в леднике будет стоить вдвое дороже. Считая далее, мы столкнемся уже с миллиардными затратами. Дорого, но кажется дешевле, чем будет стоить переброска стока северных рек в Среднюю Азию. Зато никаких каналов, никаких засорений и потерь воды, её высокое качество и полное исключение опасного нарушения природы. А не просчитать ли нам специально этот вариант восполнения дефицита влаги в Средней Азии? И не здесь ли кроется решение проблемы Арала?

Всякое новое решение любой проблемы неожиданными и неизведанными способами в начале представляется фантазией. Но разве мало фантастических замыслов уже воплощено в жизнь?

11.3. Лёд и энергетика

Нам уже известно, что в принципе вся энергетика, то есть добыча энергии, доступной управлению человеком, основывается на неравновесных процессах, либо возникающих в самой природе, либо искусственно создаваемых человеком.

Первый путь – использование естественных неравновесных процессов – в последние два века явно уступил более мобильному искусственному воспроизведению неравновесных процессов с помощью огня.

Второй путь, берущий начало от топки, утилизировал температурное и тепловое превосходство «сила огня» над окружающей средой. Так возникли все тепловые энергетические установки и машины, начиная от паровых двигателей до атомных установок.

Сейчас начинаем осознавать, что тепловая энергетика, обладая многими преимуществами над стихией естественных неравновесных процессов, одновременно несет с собой неотвратимые опасности не только для человечества, но и для самой Земли: грозящее истощение всех топлив; чрезмерную и вредную для экологии переработку земной коры при добыче подземных горючих; засорение атмосферы и т. д.

Тут подошло время сказать о неравновесном теплообмене замерзающих водоёмов с окружающей средой, как потенциальном источнике энергии, о котором люди мало что знали. Идея энергетического использования температурных разностей, возникающих между вечной мерзлотой грунтов и атмосферой, в свое время горячо отстаивал М. И. Сумгин (Сумгин, Демчинский, 1938). Реализация этой идеи, по некоторым неопубликованным данным, ограничилась несколькими опытами, подтвердившими её общую правильность, но выявившими и серьезные трудности технико-экономического толка. Помехой явилась, и быстро уменьшающаяся плотность тепловых потоков в неподвижной массе литосферы. Тем не менее, подобный источник не только на мерзлоте, но и просто в охлажденных грунтах, кое-где сейчас применяется для обогрева помещений. Ныне появились новые устройства для использования тепла от слабых неравновесных процессов. Например, одна японская фирма запатентовала в Англии (патент Великобритании № 149625) способ утилизации низкотемпературного тепла для получения электроэнергии. Кипящая при низкой температуре жидкость в резервуаре, обогреваемом слабым естественным теплом, испаряется на поверхности, хорошо проводящей тепло пористой металлической пластины. Пар вращает турбину и далее конденсируется в более холодной среде. Процесс идет непрерывно (Наука и жизнь, 1978, № 10).