Дерзкие мысли о климате

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.