Дерзкие мысли о климате

Но если мы пришли к заключению, что убыль воды в озере свидетельствует о потере им энтальпии (грубо – теплосодержания или просто тепла), то должны согласиться и с тем, что обратная прибыль воды в свою очередь должна сопровождаться соответствующим увеличением энтальпии озера. А отсюда следует, что принятый метод расчета теплового баланса, даже после устранения тех несуразностей, которые отмечены выше, может быть верен в случае, если одновременно балансируется массообмен водоёма с окружающей средой и не может быть истинным, если баланс водообмена не рассматривается.

Заметим, что автор далеко не первый замечает несовершенства принятого метода теплобалансовых расчетов. Например, В. Н. Степанов (1963, с.120) писал: «… радиационный баланс неуравновешивает ни в каждом данном месте, ни в океане в целом теплообмен, осуществляющийся за счет остальных компонентов», поскольку тепло может переносится как по вертикали, так и по горизонтали. И он настойчиво предлагал «заменить термин «баланс» (равенство, равновесие) термином «бюджет», под которым понимается разность между приходом и расходом тепла». Однако, если любой участок суши или моря термически стабильно существует очень большой ряд лет, то очевидно, что на нем имеет место примерное балансирование прихода и расхода тепла. Следовательно, и количественное соотношение конечных величин прихода и расхода тепла в этом случае обязательно, независимо от результатов их субъективных расчетов, существует. Задача исследователя в этом случае сводится лишь к тому, чтобы наблюдениями и расчетами подтвердить этот факт. А это можно сделать, учитывая лишь все факторы теплообмена, в том числе возможный приход тепла помимо радиации, обмен теплотой при обмене масс и прочие иногда не замечавшиеся особенности тепло- и массообмена внешних сред и сфер Земли.

Притягательность метода теплового баланса исходит от непреложности закона сохранения и превращения энергии. Мы автоматически принимаем, что если где-то тепло потрачено, то откуда-то оно должно возвратиться в том же количестве, а значит, можно его подсчитать, составляя тепловой баланс. Однако оказывается, что вывести сходящийся (замыкающийся) тепловой баланс для некоторых объектов природы не всегда возможно. Примером может служить обыкновенный ледяной покров на водоёмах. В этом случае нельзя составить годовой тепловой баланс собственно для льда, поскольку расходом теплоты кристаллизации он создается, а равным приходом теплоты плавления ликвидируется.

Но можно составить баланс теплообмена при намерзании и таянии льда. Если обозначим теплоту кристаллизации Q–, а теплоту плавления Q+, то можно, ничего не считая для одного и того же намерзающего и тающего слоя льда сразу записать баланс: Q- = Q+

Просто? Но за этой простотой, как оказалось, скрывались очень важные особенности теплообмена замерзающих водоёмов с внешней средой, дающие пищу для нового взгляда на проблему климата. Дальше об этом расскажем подробнее. Вернемся ещё и к тепловым балансам.

Часть II. Раскрываем ещё одну тайну льда

Каждый учёный, не сделавший открытия, есть самоубийца.

М. Пришвин

Глава 4. Плавучий лёд аккумулирует теплоту для водоёма

Ледяной покров водоёма настолько всем хорошо знаком, что, казались бы, не стоило тратить времени на поиски каких-то еще неизвестных его свойств. Но как часто ошибочность первого взгляда уводила исследователя от познания очень важного нового! Так случилось и со льдом. Пытаясь «на всякий случай» проверить, каким внешним теплообменом поддерживается баланс теплоты кристаллизации и теплоты плавления при намерзании и таянии плавучего льда, автор столкнулся с поразительной несуразицей, в которую невозможно было сразу поверить. Потребовалось ещё более 15 лет, чтобы эта назойливо маячившая в сознании загадка привела к обнаружению ясно обозначившегося ранее неизвестного природного явления. Оно до сих пор обсуждается на предмет научного признания. Но само явление очевидно и обросло неопровержимыми доказательствами его правомерности. Автор теперь может изложить его понятно и тем самым дать возможность читателю самому убедиться в его сути и важности, чему и посвящено далее следующее.

4.1. Невероятный, но очевидный разбаланс

Итак, теплота кристаллизации Q– и теплота плавления Q+ для одного и того же слоя намерзающего и тающего льда равны, то есть Q- = Q+

Так это всегда и принималось в теплобалансовых расчетах по замерзающим водоёмам, но оканчивалось тем, что корректных, не вызывающих сомнений в своей правильности, балансов теплообмена замерзающих водоемов с внешней средой по сей день не получено. Сотни раз рассчитывался тепловой баланс Северного Ледовитого океана, но ни один из них так и не был признан сколько-нибудь верным. И опять же В. Н. Степанов (1963) отметил, что теплового баланса здесь и не может быть. Но он объяснил это всегда существующим обменом Северного Ледовитого океана с водами Мирового океана, а автор причину разбаланса стал искать на типичном бессточном озере Якутии. Взял и сравнил, какими тепловыми воздействиями внешней среды обеспечивается балансирование расхода и прихода теплоты кристаллизации и теплоты плавления при намерзании и таянии льда.

И тут обнаружились удивительные факты. Оказалось, что лёд тает намного быстрее, чем намерзает. Ещё ранее то же самое заметил советский ученый С. В. Томирдиаро (1972), объяснив это, как обнаружилось далеко неполно, прозрачностью льда для солнечных лучей. Далее нами обнаружилось, что тепловые воздействия внешней среды при намерзании и таянии льда, выраженные как суммы градусо-суток отрицательной ∑-t° и положительной ∑+t° температуры, различаются ещё более разительно. Для атмосферы над якутским озером эти величины составили: при намерзании льда ∑-t° = минус 5 500°, а при полном таянии этого же слоя ∑+t° = плюс 200°. Тепловое воздействие отрицательной температуры при намерзании льда оказалось в 27,5 раза больше, чем положительной при таянии того же слоя льда!

Когда одна, и та же величина делится на большую величину, а затем на меньшую, то результат деления первой оказывается меньше, чем второй. Отсюда, поскольку

Q – = Q+, а

∑-t° > ∑+t°,

то их соотношение выразится неравенством:

Q – < Q+

∑-t° ∑+t°

из которого следует, что таяние льда требует суммы тепла положительной температуры меньше, чем требуется сумма отрицательной температуры при намерзании такого же слоя льда. Какой уж тут баланс теплообмена ледяного покрова с внешней средой, если налицо явно неравновесный или неравновесно обратимый теплообмен, причем соотношение воздействующих тепловых величин в разных климатических зонах оказывается далеко не постоянным. Например, в Северном Ледовитом океане сумма отрицательных температур может составлять минус 7 000°, а положительных всего плюс 35°. Единица воздействия тепла положительной температуры здесь способна расплавить льда уже в 200 раз больше, чем может наморозить его такая же единица теплового воздействия отрицательной температуры!

Чем же объясняется такой разительный разбаланс теплообмена ледяного покрова с внешней средой? Тут следует обратить внимание на то, как отводится теплота кристаллизации при намерзании льда и как усваивается льдом теплота плавления. Эти различия невозможно будет понять, если руководствоваться ошибочными выше отмеченными представлениями об этих процессах.

Поэтому напомним, что теплота кристаллизации высвобождается при намерзании льда на его внешней поверхности и выделяется молекулярной теплопроводностью через тот же нарастающий лёд и через снег на нём в атмосферу. Молекулярная теплопроводность, как уже замечено, является самой замедленной формой передачи тепла, что и ограничивает отвод теплоты кристаллизации во времени. Отвод ещё более уменьшается с увеличением толщины льда. К тому же фазовые превращения воды в лёд, как и обратно, характеризуются большой удельной теплоёмкостью. Всё это сдерживает наращивание толщины льда, почему однолетний лёд почти нигде не намерзает свыше 2 м. Если исключить передачу теплоты кристаллизации кондуктивной теплопроводностью через ледяной покров, перенести фазовое превращение воды в лёд непосредственно в морозную атмосферу, то можно намораживать горы льда высотой в несколько десятков метров за зиму, что нам и удалось доказать на практике (Файко, 1986).

При таянии льда под воздействием нагревающейся атмосферы или солнечной радиации, тепло, необходимое для его плавления, поступает к его внешней поверхности, уже минуя кондуктивную теплопроводность, без всякой задержки и полностью усваиваясь в любом малом количестве, характеризуемым положительной температурой. Усвоенная теплота плавления вместе с талой водой довольно скоро находит возможность стечь со льда, изотермически увеличивая энтальпию водоёма. В смене путей и видов теплообмена – малоинтенсивной кондуктивной теплопроводности зимой на полное её исключение и замену интенсивной конвективной теплопередачей со стоками талой воды весной – летом и состоит важнейшая, но еще не решенная причина неравновесного теплообмена теплотой фазовых превращений.

Заметим, что вводимое мною понятие о «стекании теплоты плавления» далеко не сразу и не всеми понимается и усваивается, из-за чего остается не понятой и основная суть самого обнаруженного явления.

Один из анонимных оппонентов, о котором я знаю только то, что он доктор географических наук профессор, в отзыве на мою работу письменно констатировал, что теплота плавления расходуется только на таяние льда и никуда далее поступать не может. Короче говоря, он считает, что, потратившись на таяние льда, теплота плавления просто исчезает. Сделав такой вывод, оппонент отказался далее читать работу.

Но мы знаем, что согласно закону сохранения и превращения энергии, теплота не может исчезать бесследно. И теплота плавления отнюдь не исчезает. После таяния льда она автоматически утрачивает лишь своё название, но не исчезает, поскольку существует и далее, выражается в изотермически увеличенной энтальпии замерзающего водоёма, а именно в том очевидном факте, что в водоёме какая-то часть или весь лёд, всегда имеющий меньшую энтальпию, заменяется такой же массой воды, имеющей большую энтальпию. Здесь мой оппонент оказался пленником путаницы в толковании сути фазовых превращений, о чём я писал выше, а в результате погрешил нарушением закона сохранения энергии. Так что термин «стекание теплоты плавления» может быть и не самый удачный и уж конечно непривычный, но всё же имеет тот важный смысл, что, правильно отражая явление, не позволяет нам нарушить закон сохранения энергии.

Надо заметить, что в свою очередь решающее значение в возникающей неравновесности теплообмена имеет важное физическое свойство воды: способность уменьшать плотность при замерзании.

Благодаря этому лёд постоянно удерживается на поверхности водоёма и по мере стаивания всплывает вверх, высвобождая объём для стекания талой воды, привносящей усвоенную теплоту плавления.

О том, что ледяной покров сберегает водоём от глубокого промерзания известно давно, а вот то, что большие различия в интенсивностях расхода и усвоения равных, но противонаправленных количеств теплоты фазовых превращений, обусловливают неравновесный теплообмен ледяного покрова, а значит и водоёма, накрытого им, с внешней средой было неизвестно. Это и составляет суть открытия под названием «Закономерность неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов с внешней средой».

Что же касается собственно жидкой массы водоёма, то при неизменном в течение года уровне воды в нем от конца таяния льда до начала нового замерзания его водная масса настолько же нагревается, насколько остывает, то есть в период открытого состояния в водоёме существует в холодное ли, теплое ли лето сходящийся баланс теплообмена с внешней средой. Разбаланс здесь не мыслим.

Поэтому имевшие место подозрения оппонентов в том, что я якобы своим открытием отвергаю давно проверенную методику теплобалансовых расчетов по водоёмам являются несправедливыми. На обнаруженную здесь непригодность балансового метода следует обратить внимание, ибо так могут оставаться нераскрытыми важные теплообменные процессы. Об этом свидетельствует и моя попытка выявить обнаруженную закономерность традиционным методом теплового баланса. И хотя я знал, что ординарными методами почти никогда нельзя получить неординарный результат.

В конечном счете оказывается, что при теплообмене с внешней средой за период своего существования ледяной покров якутского озера усваивает теплоты плавления в 27,5 раза больше, чем должен бы потерять теплоты кристаллизации, если теплообмен был бы равновесно обратимым. Иными словами, лёд «отпустил» в атмосферу всего лишь 3,6 % того количества тепла, которое следовало ему отдать в соответствии с зимним тепловым воздействием отрицательной температуры. И этих 3,6 % ему как раз хватило, чтобы такая потеря, выраженная высвобождением теплоты кристаллизации зимой, летом полностью компенсировалось возвратным «стеканием» теплоты плавления. Подобное же задержание отвода тепла из ледяного покрова Северного Ледовитого океана составляет уже 0,5 % от возможной отдачи, не будь на её пути кондуктивной теплопередачи через лёд.

О том, что ледяной покров оберегает водоём от глубокого промерзания известно с незапамятных времен, а вот то, что большие различия в интенсивностях высвобождения и усвоения равных, но противонаправленных количеств теплоты фазовых превращений, обусловливают неравновесный теплообмен ледяного покрова, а, значит, и водоёма, накрытого им, с внешней средой до сих пор было неизвестно. Установленное ныне обсуждается под названием «Закономерность неравновесного теплообмена замерзающего водоёма с окружающей средой».

Может возникнуть вопрос, а при чем тут водоём, если теплоту сберегает лёд? Но отделить эти среды одну от другой нельзя, ибо ледяной покров является неотъемлемой частью водоёма. Мы подробно рассмотрели, что происходит именно со льдом, чтобы знать точный адрес и причину обнаруживаемого явления. Что же касается собственно жидкой массы водоёма, то не сложно догадаться, что при неизменном в течение года уровне воды в якутском озере от конца таяния льда (5 июня) до начата нового замерзания (10 октября) его водная масса настолько же прогревается, насколько остывает, то есть в период открытого состояния в водоёме существует в любое, холодное ли, теплое ли лето сходящийся баланс теплообмена с внешней средой. Разбаланс здесь немыслим.

Требовательный читатель, надо думать, ждёт ещё веских доказательств достоверности вышеизложенных положений. Они есть, их много. Ряд их далее изложен автором по мере развития своих взглядов на природу климата, некоторые ещё ждут выхода в «свет».

Остановлюсь пока лишь на одном своего рода универсальном доказательстве. Оно подтверждает и причину, и следствие установленной закономерности, а сверх того является кажется окончательно разъясняет до сих пор называемый «феноменом» факт образования глубоко оледеневающей вечной мерзлоты. Но прежде сделаем небольшой экскурс в развитие взглядов на причины образования вечной мерзлоты.

Завораживающе убедительное представление о теплоохранной роли льда, как «шубе» водоёмов, казалось было законченным и не нуждавшимся в каких-либо уточнениях. Видимо поэтому изучением роли льда в термике водоёмов не стали заниматься, и казавшееся во всем ясным его влияние на теплообмен водоёма с внешней средой стало неким эталоном, по которому сравнивались отклонения термики иных, кроме водоёмов, сред. Именно этому было обязано столь большое внимание, обнаруженной в Якутии два столетия назад, вечной мерзлоте, простирающейся на удивительно большую глубину в сотни метров. Это воспринималось как некий термодинамический парадокс, завлекший своей загадочностью. «Ледяной сфинкс» долго будоражил умы и, наконец, в советское время был создан специальный институт для его изучения, существующий по сей день в Якутске. Было установлено, что чистый лёд имеет больший коэффициент теплопроводности, чем у грунтов, покрывающих вечномерзлые породы. Значит литосфера тем более не должна была промерзать глубоко, а она промерзла. Долго муссировалось мнение, что её возникновение обязано древним оледенениям Земли и не иначе. Наконец, в последние годы, когда было установлено, что мерзлота простирается лишь там, где господствует отрицательная средняя годовая температура воздуха, верх стало брать мнение, что мерзлота – это продукт современного климата (М. К. Гаврилова, 1981).

А теперь мы снова обратимся к описанным нами причинам непромерзания водоёмов и заметим, что почвогрунты, связанные скелетом из льда, не могут осуществлять массообмен, свойственный плавучему льду при его таянии, а именно: всплывать вверх, освобождая объём для талой воды конвективно вносящей теплоту плавления. В результате этого теплообмен вечно мерзлых грунтов с атмосферой туда и обратно осуществляется только кондуктивной теплопроводностью. А далее уже из основ термодинамики следует, что здесь имеет место обратимый равновесный теплообмен, когда переход термодинамической системы из одного состояния в другое возвращает ее в первоначальное состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, проистекающих в обратном порядке. Иными словами, существование вечной мерзлоты в зоне господства отрицательной средней годовой температуры воздуха с точки зрения физики оказалось явлением вполне «законным» и лишенным, загадочности в то время как существование здесь же непромерзающих водоёмов таило загадку. И если бы наука, не доверившись ходячему мнению о «ледяной шубе», своевременно разобралась в особенностях теплообмена через ледяной покров водоёмов, то не возникло бы и загадки «ледяного сфинкса». Можно было не создавать Институт мерзлотоведения, и как увидим далее, было бы куда больше известно о механизмах, управляющих климатом.

Рис. 4. Среднее за многолетие тепловое состояние озера на вечной мерзлоте

В результате обратимости теплообмена криолитозоны с внешней средой в ее глубине постоянно сохраняется отрицательная температура, в верхних слоях приближающаяся к средней годовой температуре воздуха, и лишь ниже, на глубине (1500 м в Якутии) она постепенно повышалась, становясь положительной под воздействием встречного потока внутриземного тепла. Этот факт свидетельствует о том, что в отличие от мерзлоты замерзающий водоём аккумулирует теплоту внешней среды, а это непосредственно подтверждается тем, что под ледяным покровом, толщиной около 1 метра, средняя годовая температура воды в том же якутском озере составляет плюс 5…7 °C, что на 18…20 °C выше среднегодовой температуры воздуха и многолетней мерзлоты на глубине 10…15 м от поверхности. Еще больше оказывается разность энтальпий, поскольку в нее включается удельная теплота фазового превращения: в озере она примерно на 400 Дж/г выше, чем в мерзлоте.

Таким образом, оказывается, что якутское озеро существует не промерзая, в полном окружении сред с постоянной снизу и сверху средней годовой отрицательной температурой. При этом оно не только не промерзает, но и запасает тепло, достаточное для постепенного оттаивания многолетней мерзлоты под своим ложем (рис. 4).

За длительный период такое оттаивание может пронизать весь слой вечной мерзлоты, а само озеро вследствие этого может исчезнуть, спустив воду путем фильтрации через оттаявшее дно в глубокие подмерзлотные горизонты.

4.2. Сверяясь с законом сохранения и превращения энергии

В науке опасно торопиться с выводами, нельзя спешить объявлять проблему решенной, если в её истолковании остаются какие-нибудь неясности. А они еще есть в объяснении описанного явления, хотя уже очевидно, что обнаруженная неравновесность теплообмена замерзающих водоемов с окружающей средой существует и четко доказывается фактами. Этим я временно успокоил себя и надо думать, убедил уже большинство читателей в доказанности изложенного, но вряд ли удовлетворил физиков, сверяющих всякое новое тепловое явление с фундаментальными положениями термодинамики. Мерилами физической правомерности данного факта являются закон сохранения и превращения энергии и постулат Клаузиуса, гласящий, что «теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой».

Тут уж с первого взгляда оказывается, что сформулированное мною открытие входит в острый конфликт и с тем и с другим фундаментальными положениями физики. Во-первых, самопроизвольный, естественный неравновесный теплообмен в природе, казалось бы, вообще не должен иметь места и если кем-то и фиксировался, то не признавался возможным потому, что уже с первой «прикидки» якобы прямо противоречит закону сохранения энергии. Во-вторых, потому, что мы показываем возможность передачи тепла через лед от среды в среднем в году более холодной (атмосферы) к среде более теплой (жидкой массе водоёма), что противоречит постулату Клаузиуса. И не потому ли обнаруженная закономерность так долго оставалась неизвестной, что на пути ее признания оказывались два таких трудно преодолимых препятствия. В истории науки известен случай, когда один хорошо доказанный факт исправлял или даже отвергал какой-то закон, но чтобы опровергалось сразу два закона – неизвестно. И я их не стал опровергать. О постулате далее пишется особо, а сейчас – о более важном законе.

Закон сохранения и превращения энергии с момента его установления всегда подтверждал свою справедливость и не может быть сомнений, что его абсолютная истинность никогда не будет поколеблена. И если какой-то вновь обнаруженный факт не согласуется с этим законом, то в первую очередь надо искать ошибку в субъективном истолковании самого факта. В этом случае закон сохранения и превращения энергии оказывается не только надежным эталоном и контролером для суждения о правильности всяких мнений о теплообменных процессах, но и верным ориентиром в поиске огрехов объяснения обнаруженного факта, противоречащего ему.

Причину неравновесия теплообмена через плавучий лёд мы вроде бы уже нашли. Их оказалось две: во-первых, большое различие форм и интенсивностей обмена теплотой фазовых превращений при намерзании и таянии льда, во-вторых, параллельно следующий при таянии льда массообмен, выраженный всплыванием стаивающего льда и стеканием талого стока под него, интенсивно возвращающего теплоту плавления водоёму взамен потерянной зимой кондуктивной теплопроводностью теплоты кристаллизации.

Здесь всё логично и убедительно, но надо уяснить отвечает ли такое объяснение простым и жестким требованиям закона сохранения и превращения энергии?

Для этого мысленно выгородим участок земной поверхности с замерзающим водоёмом оболочкой, исключающей не только его теплообмен, но и передачу давлений со стороны окружающей солнечной радиации и обратного излучения энергии в космос. Проделаем то же самое с соседним участком земной поверхности с вечной мерзлотой. Не сложно понять, что от такого выгораживания на обоих участках порядок теплообмена в первом случае замерзающего водоёма, во втором – вечной мерзлоты с выделенной над ними атмосферой не изменится. Теплосодержание водоёма на первом участке так же останется многократно увеличенным против теплосодержания вечной мерзлоты. Сохранится и действие причин, приводящих к увеличению теплосодержания первого (морского) участка.

Однако представленное нами термоадиабатическое изолирование участков позволяет предметнее и строже судить о том, почему эти участки сохраняют разную энтальпию (теплосодержание) и как это согласуется с законом сохранения и превращения энергии. И тут обнаруживается, что с точки зрения этого закона причины неравновесного теплообмена, названные нами выше, не должны увеличивать количества энергии в первом выделенном участке, поскольку они являются внутренними, принадлежащими собственно этому выделенному участку. Повысить количество энергии в изолированной системе может лишь дополнительная доза тепла, поступающая извне изолированного участка или какая-то внутренняя работа в нём, осуществляемая внешней силой. Первое не допускалось условиями изоляции, второе – не обнаруживалось.

От этого мысленного экскурса в наглядную термодинамику явно запахло крахом всех моих представлений об обнаруженном открытии. Факты убедительно свидетельствовали, что оно есть, а глубоко почитаемый мною закон сохранения энергии, казалось бы, окончательно отвергал возможность неравновесного теплообмена водоёма через лёд.

После некоторого шока я всё же снова вернулся к анализу причин, приводящих к увеличению энтальпии замерзающего водоёма, продолжая представлять его заключенным в термо-адиабатически изолированном участке. Всякую возможность поступления дополнительного тепла в такую изолированную систему пришлось сразу отбросить, как абсолютно бессмысленную. Оставалось искать только какую-то работу внутри этой системы, как эквивалент теплоты, но работу, которая бы обеспечивалась какой-то обязательно внешней, по отношению к системе, силой.