Читать книгу Дерзкие мысли о климате - Лев Иванович Файко - Страница 9

Ведущие теоретические разработки в области физики атмосферы представляются не только далекими от завершения, но и, пожалуй, изрядно запутанными. В первую очередь это относится к объяснению причин общепланетарной циркуляции атмосферы с запада на восток, то есть общего движения воздушных масс, обгоняющего вращение самой Земли. Формально используя термин «глобальная циркуляция», специалисты физики атмосферы кажется не все признают факт существования этого явления в прямом смысле этого термина.

Но очевидно, что такое явление существует, и можно назвать множество свидетельств о преобладании одностороннего смещения воздушных масс с запада на восток и даже примеров его прямого использования в науке, практике и военном деле, независимо от полноты объяснения его природы.

Например, самолеты, летящие из Якутии в Москву, то есть на запад, преодолевают равный путь за большее время, чем летящие на восток; погода чаще «приходит» с запада, чем с востока, что отражено и в народных приметах; количество осадков в удалении от океанов чаще уменьшается с запада на восток и так далее. Обследуя следы нагонных приливов в заливах моря Лаптевых, мы обнаружили, что у восточных берегов их амплитуда может достигать 8…10 метров, а у западных – не более 2…3, что опять же свидетельствует о большой интенсивности западных ветров.

Ярким свидетельством этого же является существование самого мощного океанического циркумполярного течения западных ветров вокруг Антарктики.

В. В. Шулейкин (1963) обобщив широко наблюдаемое явление, показал, что азиатский материк испытывает большее воздействие далеко удаленного, но расположенного с запада, Атлантического океана, а не Тихого, расположенного ближе, но с востока. Эти положения учитываются в прогнозировании погоды. Глобальная особенность циркуляции атмосферы часто используется неуправляемым воздухоплаванием. Японцы в период Второй Мировой войны применили ее для бомбардировок территории США с помощью воздушных шаров. Военного успеха этот способ не имел, но генеральное направление движения воздушных масс с запада на восток таким путем получило массовое подтверждение. Военной авиацией нередко используются известные струйные течения, всегда направленные с запада на восток.

Видимо под напором этих фактов родилась теория геострофического ветра, призванная объяснить широко замеченную особенность глобальной циркуляции атмосферы. Коротко суть ее сводится к тому, что при стремлении заменить одну другой, плотные приэкваториальные и менее плотные приполярные массы воздуха отклоняются под действием силы Кориолиса.

Здесь вроде бы правильное предположение, что две массы воздуха, имея разные плотности должны стремиться к замещению одна другой, на самом деле оказывается спорным. Так рождаются бризы, местные ветры, муссоны и так далее. Их характерной особенностью является сравнительно близкое расположение воздушных масс разной плотности. Но может ли вызывать столь мощное движение атмосферы, каким является ее планетарная циркуляция, воображаемый барический градиент, растянувшийся от экваториальных до полярных широт, то есть на тысячи километров? Разве не вероятнее тот случай, что нагретая земной поверхностью в дневное время тропическая воздушная масса тут же устремляется в высоты атмосферы, а охладившись там в глубокой тени первой же ночью где-то рядом снова ниспадет до земной поверхности, вытеснив вновь нагретую атмосферу. И наоборот, сложнее представить случай, чтобы разогретая масса воздуха сразу устремилась к полюсу.

Наконец, если теория геострофического ветра полагается на участие силы Кориолиса, как причины отклонения движения тёплых масс воздуха на их пути к полюсам, то можно ли забывать, что такому движению должен быть противопоставлен такой же обратный поток холодных масс с обратным Кориолисову ускорением, то есть противопоток, гасящий общее опережающее вращение всей атмосферы относительно вращения самой Земли. Здесь ничего не даёт и встречающееся указание об отсутствии силы трения для масс, участвующих в геострофическом ветре. Теория оставляет не выясненным важный вопрос: почему области низкого давления на Земле расположены у полюсов? Ведь здесь воздух всегда холоднее и, казалось бы, уже по этой причине должен быть плотнее, а не наоборот.

Незавершенность, а нельзя исключить, что и ошибочность общей теории глобальной циркуляции, стала одним из серьезнейших препятствий в объяснении загадок климата и погоды. И не случайно по этому поводу делается такое неутешительное заключение:

«Модели общей циркуляции атмосферы и океана, которые в настоящее время разработаны в мире, в принципе дают возможность оценить последствия крупных энергетических и других экологических изменений. Но эти модели ещё настолько несовершенны, что трудно принимать всерьёз полученные по ним результаты» (Марчук Г. М.,1980, с.121).

Если вызывает сомнение объяснение, возможно поспешно названное теорией, то почему бы не предложить на его место хотя бы гипотезу, лучше отвечающую реальной картине?

Например, С. П. Хромов считал, что общий перенос атмосферы вполне можно представить, как планетарный циклонический вихрь над каждым из полушарий. Почему бы, например, общую циркуляцию земной атмосферы не вообразить в виде модели, представляющей собой два гигантских тайфуна, обволакивающих поверхность южного и северного полушарий Земли. Тогда общим центром их вращения окажется земная ось, а двумя «глазами» вокруг центра вращения – околополюсные пространства. Каждый такой гипотетический «тайфун» лишь вблизи экватора имеет угловую скорость меньше угловой скорости вращения Земли и здесь наблюдается отставание атмосферы, то есть преобладание восточного переноса воздушных масс. На прочих широтах, исключая приполюсные, угловая скорость «тайфуна» увеличивается с приближением к его «глазу» и атмосфера уже обгоняет здесь вращение Земли. Вспомним «ревущие сороковые», «неистовые пятидесятые» в южном полушарии или пурги и метели – северном, где господствуют западные ветры. И, наконец, обе приполюсные зоны. Здесь, как и в «глазе» всякого тайфуна, воздух почти не вращается, но вращается Земля и потому атмосфера отстаёт и смещается теперь уже с востока на запад. «Глаз» тайфуна характеризуется пониженным давлением воздуха – здесь наблюдается то же. В «глазе» тайфуна обычно бывает повышенной температура воздуха, но разве мы уверены в том, что на полюсах Земли температура не могла быть ниже? Например, последние измерения, проведенные на Венере, обнаружили, что у её полюсов температура атмосферы оказалась наиболее высокой. А почему бы не допустить, что законы динамики планетных атмосфер общие.

Но довольно. Эта может быть и красивая гипотеза, но слаба тем, что тоже ещё не способна объяснить природу тех явлений, с которыми вроде бы удовлетворительно согласуется. Здесь, наконец, сохраняются те же загадки, которые всё ещё мешают познать физическую суть рядового тайфуна. Но изложили мы её не случайно, ибо далее, уяснив роль земного тяготения в движении атмосферных масс, надеемся вернуться к ней с багажом новых представлений.

Из вышесказанного следует, что если общеземная атмосфера и могла бы более существенно влиять на повышение температуры в полярных областях, то этому оказывается мешает отсекающее влияние глобального круговорота воздушных масс. А для понимания природы климатов важно знать и то, «каким теплом живут» полярные области Земли.

Известно, что перенос тепла атмосферной адвекцией определяется удельной теплоёмкостью самого воздуха и его способностью переносить и конденсировать водяной пар. Удельная теплоёмкость воздуха составляет 0,24 кал/г °C, что в 4 раза меньше теплоёмкости воды. Поскольку же приземный воздух в 400 раз менее плотен, чем вода, то единица его объёма в естественном состоянии потребляет или отдаёт теплоту нагревания – охлаждения уже в I 600 раз меньше, чем вода.

Передача теплоты от воздуха и через него, к тому же сильно ограничивается его крайне малой молекулярной теплопроводностью, особенно в разреженном состоянии. С понижением давления воздух адиабатически (без отъёма от него теплоты) может охлаждаться на 1° при поднятии на каждые 100 м высоты. Следовательно, при поднятии в тропосфере на 10 км он должен бы остывать на 100° или от средней температуры его у поверхности Земли до –85 °C.

Поскольку в космосе господствует абсолютный нуль температуры, то при поднятии ещё на 15 км воздух должен был бы сгуститься в жидкость. Фактически же на высоте 10 км он почти всюду имеет среднюю температуру около минус 40 °C и нигде, кроме как над экватором (где его температура на высоте 18…20 км составляет около минус 80 °C), не охлаждается ниже 60 °C. Одной из вероятных причин такого отклонения может являться увеличенная длительность освещения высоких слоев атмосферы Солнцем.

Другой более важной причиной является насыщение воздуха конденсирующимся на высоте паром и высвобождением теплоты парообразования, вследствие чего практическое падение его температуры с поднятием на высоту в среднем составляет 0,5…0,6° на 100 м. Поднимающийся воздух фактически увеличивает энтальпию, то есть приобретает дополнительное количество теплоты, несмотря на понижение температуры, в чем можно убедиться, возвратив его в условия атмосферного давления на уровне моря.

Из сказанного следует, что хотя столб воздуха сечением в 1 см² при его массе в 1 кг казалось бы мог отдавать по 250 кал (более 1 кДж) тепла при охлаждении на каждый 1°, но в силу адиабатического охлаждения, он не отдаёт его и даже сам «нагревается» за счет высвобождающейся теплоты конденсации атмосферного пара. Следовательно, воздух лишь транспортирует и даже присваивает «чужое» тепло, но сам своего тепла в окружающее пространство отдавать не может, поскольку переносимый им пар, в какой бы естественной концентрации не присутствовал в воздухе, успевает передавать тепло интенсивнее и больше, чем может это сделать воздух в силу своих физических свойств, к сожалению, ещё недостаточно изученных в экстремальных условиях высоких слоев атмосферы.

Энергия на образование паровой влаги (испарение) расходуется на водных поверхностях, а высвобождается при конденсации в атмосфере. Преобразование и задержка расхода теплоты парообразования в атмосфере в основном и создает ей тепловое преимущество, именуемое парниковым эффектом. На пути следования атмосфера неоднократно освобождается от водяного пара и вновь его приобретает.

И тут надо заметить, что тепло, высвобождающееся в высоких слоях атмосферы при конденсации пара, не может «обогревать» земную поверхность, поскольку конденсация и сублимация пара чаще происходит при температуре более низкой, чем имеет её земная (водная, ледяная) поверхность и направляется оно, главным образом, в космическое пространство длинноволновым излучением. Но поток этого тепла, к тому же чаще идущий из облачного покрова, компенсационно сдерживает примерно идентичное длинноволновое излучение самой земной поверхности, то есть «экономит» ее тепло, что при балансируемом приходе – расходе тепла в теплообмене земной поверхности с Солнцем и космосом равнозначно ее эквивалентному нагреванию. Поэтому высвобождающуюся теплоту парообразования в атмосфере условно, но допустимо в каком-то приближении отождествлять с приходом тепла к земной поверхности.

Допустим, в порядке «разведки боем», гипотетическое толкование сути однонаправленной атмосферной циркуляции и новый взгляд на роль воздушных масс в переносе ими тепла, мы получили неожиданную возможность наглядно сопоставить различия в теплообеспеченности высоких широт Земли с другими климатическими зонами.