Читать книгу Дерзкие мысли о климате - Лев Иванович Файко - Страница 16

Где термическое состояние любой системы, находящейся под воздействием потоков тепла, направленных как к ней, так и от нее, сохраняется достаточно долго постоянным, надежным способом отыскания источников и количеств прихода – расхода тепла является метод теплового баланса. Если при достаточно надежном установлении количеств прихода и расхода тепла их равенства не наблюдается, то есть собственно баланса не существует, то такая система находится в неравновесном термодинамическом состоянии. Эти простые, хотя и не всегда правильно понимаемые положения обусловили чрезвычайную популярность теплобалансовых расчетов и этот метод стал едва ли не главным инструментом оценок и исследований по термике водоёмов и суши. Географы стали ему доверять больше, чем допустимо и здесь стали возникать разночтения. Сейчас мы уже уверенно знаем, что сумма отрицательной и положительной температур воздуха за год, например, в Якутске, соотносятся как минус 5500°: плюс 1800°, то есть далеко не равны между собой. Но по привычному расчету теплового баланса непременно будет показано, что противонаправленные тепловые воздействия на подстилающую поверхность равны. Об этом свидетельствуют все выведенные балансы.

Так где же правда? А она искажена тем, что среди методов климатологических исследований незаметно, постепенно, но крепко прижились досадные несовершенства, путаница и просто несуразица.

Что такое «радиационный баланс»? Смысловое значение этих двух слов приемлемо лишь для характеристики общеземной разности между приходом и расходом радиационного тепла, достигающего поверхности всей Земли, но отнюдь не может распространяться на каждый конкретный участок земной поверхности.

Оценки в последнем случае вуалируются искусственными смысловыми натяжками из-за не совсем ясно принятой разницы между радиационным и тепловым балансами «радиационный баланс первичен, тепловой – вторичен», хотя величины тех и других потоков тепла оцениваются размерностями (кал/см² или Дж/см2 и сравниваются в общих строках баланса. Здесь определенно существует субъективно созданное прибежище для накопления смысловых ошибок, уводящих к грубым искажениям представлений о климате разных регионов. Например, из книги в книгу «кочуют» тепловые балансы озер Севан, Аральского, Каспийского моря и так далее. Недоумение вызывает тот факт, что всё количество приходящей солнечной радиации, достигшее поверхности воды в балансах однозначно относится к поглощенному водой. Например, для оз. Севан это количество составляет 120,9 ккал/см² год (505 кДж/см²). Зная удельную теплоемкость воды и среднюю глубину озера (28,5 м) не сложно рассчитать, что в случае поглощения этого тепла вода в озере летом нагревалась бы до 42,4 °C, а на глубинах меньше 12 м – должна была закипать! Но ни того, ни другого не происходит и, значит, отнесение статьи прихода тепла ориентировано нечетко. Здесь опять условности, исподволь приживающиеся как аксиомы, через путы которых к истине надо докапываться путем дополнительного не всем доступного специального анализа.

Рассмотрим много раз опубликованный тепловой баланс оз. Севана.

Здесь уже в расходе значится: эффективное излучение (175 кДж/см² год): турбулентный обмен с атмосферой (132 кДж/см² год) и тепло, затраченное на испарение воды (198 кДж/см² год). Только тут выясняется, что первая величина вовсе не поглощалась водой поскольку эта доля тепла, как от зеркала, просто отразилась от поверхности водоёма. Но ведь между смыслами слов «поглотилась» и «отразилась» существует большая разница.

Из второй статьи расходов после некоторого мысленного усилия следует, что в ней отражено количество тепла, пошедшее на нагревание воды в озере, что точнее можно измерить термометром. Но далее оказывается, что только это количество тепла и шло на нагревание воды, то есть собственно поглощалось озером. Оно составляет лишь 24 % всей достигшей озеро энергии солнечной радиации. А как же с испарением? Испарение происходит на бесконечно тонкой поверхностной пленке воды и этот изотермический процесс тоже не влияет на изменение температуры воды, а значит, и тепло затраченное на испарение тоже может относится к поглощенному массой водоема. Как следует из оценок актинометристов до 86 % всей поступившей к поверхности водоёма радиационной энергии расходуется на испарение в верхнем слое воды толщиной в 1 мм, то есть практически отражается, а не поглощается. Скрытая энергия испарения поднимается в высоты атмосферы, где и высвобождается снова путем конденсации пара в воду или при сублимации[2] его в ледяные кристаллы. Но для водоёма парообразование не проходит бесследно, поскольку он теряет массу, как «хранительницу» тепловой энергии. Потери массы, это потери энтальпии, то есть изотермическая потеря теплоты, не доступная фиксированию термометром, но энергетически выраженная ещё больше, чем изменением температуры, так как удельная теплота парообразования весьма велика и составляет 2,25 кДж/г. Величина третьей расходной статьи баланса свидетельствует о том, что на оз. Севан ежегодно испаряется слой воды в 88 см. И именно на убыль уровня озера расходуется вся энергия, пошедшая на парообразование.

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.