Как уже заметил, наверное, читатель, говоря о тепловом балансе как о законе сохранения энергии, мы в то же время используем его в качестве метода для изучения или объяснения того или иного физического процесса на Земле.
В отличие от только что приведенных гипотез о возникновении и развитии ледников, строящихся в основном на предположениях, объясняющих качественную сторону этого процесса, метод теплового баланса позволяет обосновать оледенение и взаимоотношение между ледниками и климатом с количественной стороны.
Прежде чем начаться оледенению, какие-то причины должны были вызвать похолодание климата, то есть нарушить существовавшее соотношение между приходными и расходными статьями теплового баланса. Такими причинами могли быть любые из тех, о которых говорилось выше: и астрономические и земные.
Уменьшение прихода солнечного тепла на земную поверхность неминуемо должно привести к понижению температуры этой поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха, а последнее —к увеличению количества твердых осадков.
Особенно следует указать на очень большую роль отражательной способности (альбедо) льда и снега в формировании температуры подстилающей*поверхности и прилегающего к ней слоя воздуха. Из-за того, что покрытые снегом поверхности ледников отражают большую часть солнечной радиации, температура их оказывается на много ниже, чем температура поверхностей, свободных от льда. В настоящее время, например, даже средние годовые температуры поверхности ледников в Гренландии равны 35—37 градусам мороза, тогда как при отсутствии льда они должны были бы быть здесь выше нуля. В периоды же оледенений, когда ледники занимали не только высокие, но и умеренные широты, температура на поверхности ледников, как, впрочем, и температура воздуха, достигла 70 градусов мороза.
Та же картина наблюдается в Арктике и Антарктиде. Летом каждый см2 ледяной поверхности за 24 часа получает от 700 до 1000 калорий солнечного тепла. В целом же за год Арктика получает столько же солнечного тепла, сколько, например, Украина или даже Франция. А что касается Антарктиды, то тепла она получает от Солнца еще больше, чем Арктика. Его достаточно, чтобы за месяц растапливать слой льда в 3 метра толщиной. Солнечного тепла, которое получает Арктика за одно лето, с избытком хватило бы, чтобы уничтожить все ее вековые льды (толщина которых равна 5—6 метрам). Но несмотря на это Арктика и тем более Антарктида закованы льдом. И даже в разгар лета температуры здесь крайне низки…
Ученые давно обратили внимание на такое несоответствие в природе.
М. В. Ломоносов в «Кратком описании разных путешествий по северным морям», опубликованном в 1763 году, писал:
«Рассудив о Северном океане, на который Солнце хотя и косвенными лучами целые полгода сияет почти беспрестанно, подумать невозможно, чтобы от них не согревался чувствительно; подлинно, что зимою для долговременного отсутствия теплоты солнечной, должен он много прохлаждаться, но прохлаждение зимнее летнего нагревания превысить не может…».
На основании этого Ломоносов приходит к заключению, что неисследованная в то время Центральная Арктика должна быть свободна от льда. Этот вывод имеет глубокий физический смысл. В самом деле, почему же при почти одинаковом годовом приходе солнечного тепла на полюсах и в низких широтах температуры воздуха между ними так сильно различаются? Объяснить эту загадку удалось, когда было составлено и решено уравнение теплового баланса поверхности полярных льдов.
Мы уже говорили, что в полярных широтах покрытые льдом и снегом поверхности отражают в 5—10 раз больше солнечной радиации, чем поверхности, свободные от льда, то есть альбедо снега и льда достигает 80—90 процентов от суммарной радиации, тогда как поверхности суши и воды, не покрытые льдом и снегом, отражают только 10—20 процентов падающей на них радиации.
Из физики известно, что эффективная температура любой поверхности, близкой к поверхности абсолютно черного тела (а на Земле большинство естественных поверхностей близки по своим свойствам к черному телу) пропорциональна
где а — альбедо поверхности, выраженное в долях единицы. При изменении альбедо от а до щ эффективная температура любой подстилающей поверхности, которая обычно выражается в градусах международной шкалы, будет изменяться уже пропорционально
Представим себе, что на всей Земле одновременно выпал снег, тогда альбедо нашей планеты повысилось бы с 0,35, чему оно равно в настоящее время, до 0,80, и температура Земли упала бы почти на 100 градусов. Вместо 15 градусов тепла ее среднегодовая температура стала бы 87 градусов мороза. Земля навсегда превратилась бы в ледяную планету. К счастью, такой картины никогда не произойдет. Однако, применяя эти расчеты к покрытым льдом и снегом полярным областям, мы уже в состоянии объяснить причину столь больших температурных контрастов между соседними географическими зонами Земли. Эти различия вызываются не столько Солнцем, сколько состоянием подстилающей поверхности.
Посмотрим теперь, какие взаимоотношения устанавливаются между льдом и климатом в этих условиях. Какое влияние оказывает климат на рост ледникового покрова и как влияет ледниковый покров на формирование климата. Известно, что лед и снег в теплое время года тают, но известно также и то, что в горах таяние льда и снега даже в разгар лета происходит только до определенной высоты. Выше этой линии снег лежит круглый год. То же самое относится и к горным ледникам. Для объяснения этого явления воспользуемся знакомым нам уравнением теплового баланса, переписав его следующим образом:
В этом уравнении все обозначения те же, что и в приведенной ранее формуле, только Я означает расход тепла на нагревание не почвы, а ледяного покрова, h — изменение толщины льда, а в — скрытая теплота плавления льда, равная приблизительно 80 кал на грамм льда. Для того чтобы лед или снег начали таять, необходимо, чтобы на поверхности льда приход тепла был больше, чем расход. Приходными статьями в этом уравнении являются: остаточная радиация, тепло воздуха, если температура его выше точки таяния льда и, наконец, тепло, выделяемое при конденсации водяного пара на поверхности ледника. Расходными статьями теплового баланса будут затраты тепла на испарение с поверхности льда и его таяние. На нагревание ледника во время таяния льда тепла расходуется очень мало, так как температура во всем тающем слое льда не может подняться выше нуля градусов.
Уравнение теплового баланса для поверхности тающего льда можно переписать тогда так:
где аК — приход тепла за счет конденсации.
Вот как, например, выглядит тепловой баланс горных ледников умеренной зоны северного полушария летом (табл. 7) по данным наблюдений, проведенных на 13 ледниках Америки, Европы и Азии (ккал/см2месяц):
Обратите внимание на таблицу и вы увидите, что на таяние ледников не хватает солнечного тепла. Солнечная радиация покрывает затраты на таяние всего лишь на 80 процентов. Дефицит в балансе компенсируется теплом, приходящим из воздуха, за счет турбулентного теплообмена. Если учесть, что период таяния ледников продолжается несколько месяцев, то легко подсчитать уменьшение мощности ледника, которое достигает нескольких метров за одно лето.
Для того чтобы ледник сохранялся в равновесии, то есть не отступал и не наступал, необходимо, чтобы расход льда За эти месяцы компенсировался за счет выпадения твердых осадков в остальное время года. Сейчас на большинстве горных ледников как раз и существует такое равновесие, хотя многие ледники (особенно в Средней Азии) систематически отступают, что дает основание ученым рассматривать современную эпоху как конец ледникового периода.
Теперь представим себе, что приходные части теплового баланса поверхности ледника даже летом окажутся меньше расходной, тогда ледники таять не будут в течение круглого года, Такая картина и наблюдается в Антарктиде, Гренландии, а также высоко в горах. Вот каков, например, тепловой баланс ледниковой поверхности Антарктиды, по нашим наблюдениям, проведенным на станции Пионерская летом 1957 г. (табл. 8) (ккал/см2месяц).
Измерив или рассчитав составляющие теплового баланса, можно найти скорость таяния льда и уменьшение его толщины для любого ледника за любой промежуток времени. Проведенные расчеты показывают, что эта скорость таяния определяется главным образом двумя факторами: количеством падающей на поверхность льда солнечной радиации и температурой воздуха над льдом.
Что же касается скорости нарастания льда, то для ледников, находящихся на поверхности суши, она зависит всецело от количества выпавших в этом районе твердых осадков и сконденсировавшегося на поверхности и в верхнем слое ледника водяного пара в виде инея, изморози или других форм атмосферного льда. Надо сказать, что роль твердых осадков, выпадающих на поверхность ледника даже в летнее время, необычайно велика.
В. М. Котляков, наблюдавший летом 1962 года за таянием ледников в Приэльбрусье, обнаружил, что случайные снегопады сокращали период таяния со 120 до 50 дней. Остальные 70 дней шли на «борьбу» солнечных лучей со свежевыпавшим снегом.
Располагая способами расчета скорости намерзания и таяния льда, а также зная тепловой и водный баланс ледников, геофизики теперь могут определить (для любой области Земли), как и насколько меняется толщина ледникового покрова в течение года, то есть растет ледник или убывает. Теория теплового баланса ледникового покрова позволяет объяснить не только современное состояние ледников и климатов Земли, но их прошлое и тенденцию на будущее. Она также может подтвердить или опровергнуть рассмотренные выше теории и гипотезы.
Мы уже говорили, что нормальным или обычным для нашей планеты является теплый климат с положительными годовыми температурами от экватора до полюсов, слабо выраженной термической зональностью и отсутствием ледников и ледовитых океанов. Эти нормальные условия в прошлом неоднократно нарушались «кратковременными», в геологическом летосчислении, ледниковыми эпохами. С помощью теории теплового баланса легко показать, что для их возникновения при слабой термической зональности достаточно было непродолжительного (всего несколько лет) уменьшения прихода солнечной радиации на земную поверхность. А причины для такого уменьшения могли быть любые, как космические, так и земные. В 1883 году, например, при извержении вулкана Кракатау на Зондских островах в воздух поднялось огромное количество вулканической пыли. Она поднялась на огромную высоту и быстро распространилась на всю атмосферу Земли, вызывая в течение ряда лет необычайные явления атмосферной оптики, надолго оставшиеся в памяти людей и дошедшие до нас в виде различных преданий и записей.
По воспоминаниям очевидцев, живших на Кавказе, например, там в этот период ночами можно было, вследствие увеличения рассеянного света, читать без свечи. Появившееся в тот период необычайно красные зори одних приводили в восторг, у других вызывали суеверный ужас. В ясные дни вокруг солнца и луны были видны очень яркие ) ореолы, от зеленовато-желтых до огненно-красных. По наблюдениям французских ученых, ослабление прямой солнечной радиации в первые месяцы после извержения в ряде пунктов Земли достигало 30 и более процентов. В течение двух, а по некоторым данным даже трех лет солнечная радиация всюду была на 10 процентов ниже нормальной. К сожалению, наблюдений не только за радиацией, но и за температурой воздуха в то время было крайне мало. Поэтому сказать что-либо о влиянии этого понижения радиации на изменения температурного режима на земном шаре в тот период нельзя. Гораздо более отчетливо об этом эффекте можно было судить по действию вулканической пыли после извержения вулканов Ман-Пеле в Вест-Индии (1902 г.) и Катмай на Аляске (1912 г.) (Рис. 16). Через полмесяца после извержения вулкана Катмай облака вулканической пыли затмили солнце над Европой, а через 25 дней мгла распространилась над всей Африкой. Ослабление солнечной радиации в это время достигало 50 процентов и лишь к концу года уменьшилось до 20 процентов. Заметное ослабление солнечной радиации после извержения наблюдалось в течение нескольких лет. Было установлено, что 1912 год явился наиболее холодным годом на фоне общего потепления климата, начавшегося в конце прошлого столетия. В Ленинграде, например, зима 1912/13 г. была почти на 4 градуса холоднее, чем обычно, а зерновые в Сибири созрели на 3 недели позднее, чем в предыдущие годы. Но, пожалуй, наиболее интересные данные были получены в 1957—1961 гг., в период Международного геофизического года и года спокойного Солнца, а также спустя некоторое время после него. Наблюдения за солнечной радиацией и циркуляцией атмосферы в этот период, одновременно с другими геофизическими наблюдениями, велись на всем
земном шаре одновременно и по единой программе. Природа, казалось, специально позаботилась об ученых, выбросив в атмосферу во время извержения вулкана Агунг в марте 1963 года несколько миллионов куб. км твердого вулканического вещества. Это извержение по сравнению с извержениями Кракатау или Камай казалось совсем безобидным, и на него вначале даже не обратили внимания. Но прошло 8 месяцев, и советские метеорологи, наблюдавшие солнечную радиацию в Антарктиде, обнаружили, что в совершенно ясные дни она вдруг стала на 30 процентов ниже, чем обычно. Это же явление заметили и американские ученые на своих антарктических станциях, а затем и ученые других стран. В Советском Союзе солнечная радиация уменьшилась в эти годы в среднем на 3—5 процентов. Запыленность атмосферы продолжает отмечаться нашими станциями и по настоящее время. Правда, вызывается она не только вулканическими выбросами.
На понижение радиации большое влияние оказывают и различные сферы деятельности современного человека: увеличение промышленных выбросов, гигантский рост автомобильного транспорта, сжигание угля, торфа, нефти, газа.
Известно, например, что во время пыльных бурь прозрачность атмосферы уменьшается в 2—3 раза, а прямая радиация — на 30—40 процентов по сравнению с нормальной.
Интересны данные наблюдений над прозрачностью атмосферы и солнечной радиацией в больших городах. Над Ленинградом, например, они на 10—20 процентов ниже, чем в окрестных районах. Следует, правда, оговориться, что связь между ослаблением прозрачности воздуха и температурой не так проста, как кажется на первый взгляд. Понижение температуры за счет ослабления прозрачности атмосферы будет в значительной мере компенсироваться нагреванием нижних слоев воздуха вследствие так называемого оранжерейного эффекта, возникающего в запыленной атмосфере. Однако этот эффект может уменьшить понижение температуры в атмосфере, но не полностью компенсировать недостаток прихода солнечной радиации.
Работы К. С. Шифрина показывают, что при замутнении атмосферы, благодаря увеличению рассеянной радиации интенсивность суммарной радиации в 10 раз меньше, чем интенсивность прямой радиации. Поэтому, если устойчивое понижение прямой радиации на 10—20 процентов должно привести к понижению температуры атмосферы на 1—1,5 градуса, то понижение суммарной радиации на 15—20 процентов неминуемо вызовет охлаждение атмосферы и понижение температуры воздуха у земной поверхности уже на 5—6 градусов. А это, согласно теории теплового баланса, уже достаточно для того, чтобы заметно изменить климат на Земле, а при большой продолжительности вызвать и рост льдов.
В самом деле, в полярных широтах, где температура воздуха летом обычно близка к нулю, похолодание даже на несколько десятых градуса прекратит таяние льдов и сделает их устойчивыми в теплое время года. Что касается существующих ныне покровных оледенений в Гренландии или Антарктиде, то в их режиме мало что изменится. Они как были, так и останутся в устойчивом состоянии.
Самые интересные превращения в случае похолодания произойдут с горными ледниками. Как мы видели на примере (см. табл. 7), в настоящее время на таяние этих ледников затрачивается не только все радиационное тепло, но и тепло, приносимое из воздуха. При понижении температуры воздуха эта приходная статья баланса исчезнет или окажется очень малой. Поэтому таяние ледников значительно уменьшится. При прочих равных условиях, тo есть при существующем количестве осадков снега будет накапливаться больше, чем таять.
В теплое время года он начнет превращаться в зернистый фирн, а затем под влиянием собственной тяжести — в лед. Лед, как смола, вар или ком теста, обладает способностью растекаться даже на ровной поверхности. На горном же склоне растекание происходит еще быстрее. Лед начнет ползти вниз, заполняя все долины, ущелья, котловины. Ледяные языки окажутся на много сотен метров ниже снеговой линии и продолжат свою жизнь уже в зоне теплого климата. По мере роста ледники будут создавать собственные условия жизни, распространяя свое влияние и свой климат на окружающее пространство и постепенно освобождаясь от влияния общеклиматических условий этого района. Механизм такого формирования местного климата теперь уже нам известен. Уменьшение остаточной радиации после наступления ледника понизит температуру воздуха над ледником и вблизи него и приведет к возникновению в районе ледника своей местной циркуляции воздуха (местных ветров по типу тех, которые сейчас наблюдаются в Антарктиде). Холодный воздух начнет уноситься с ледника, а на смену ему будет приходить более теплый и влажный. Это неминуемо приведет к увеличению количества твердых осадков над ледником, а значит, к увеличению его размеров. Влияние ледника на климат окружающего района будет нарастать лавинообразно. Он быстро начнет ползти вниз, сливаться с другими ледниками и, достигнув предгорий, образует покровное оледенение. Тогда уже ему не страшно, если солнечная радиация вновь увеличится и достигнет своей прежней величины. Ледник, как мы видим, не боится солнца, так как сам создает благоприятные условия для своего развития. А дальше уже все пойдет так, как об этом говорят Юинг и Донн, Шегота и другие гляциологи. Ледник будет расти до тех пор, пока не достигнет таких размеров, когда ресурсов для его питания будет не хватать, или пока вновь не изменится тепловой баланс его поверхности. Эта вторая критическая точка в жизни ледника — точка его максимального развития, зависит от чисто географических условий и прежде всего от расположения суши и океанов, высоты материков и связанной с этим циркуляции атмосферы и океанов. Антарктида, например, обледенев еще в третичном периоде, то есть много миллионов лет назад, будучи окружена со всех сторон морем, всегда достаточно обеспечена влагой для питания ледников. Любое сколь-либо заметное понижение или повышение температуры на Земле не изменит ее состояния. Ледниковый покров в Антарктиде в первом случае лишь несколько расширится, а во втором — может даже сократиться, но зато высота ледников увеличится. В случае длительного потепления климата на Земле Антарктида должна становиться больше похожей на конус, а не на опрокинутую вверх дном чашу, которую она напоминает теперь. Причина такой метаморфозы состоит в том, что при потеплении климата на Земле воздух над Антарктидой будет более богат водяным паром, чем в настоящее время. При той же системе циркуляции, что и теперь, центральные области Антарктиды начнут получать больше осадков, чем в настоящее время.
Иное дело Арктика. В те периоды, когда она покрывается льдом, окружающие ее материки, даже если они свободны от льда, не могут дать достаточного питания для ее ледников. Тем более не может быть обеспечен рост ледников в высоких и умеренных широтах при замерзшем Ледовитом океане.
В северном полушарии оледенение неминуемо должно прекращаться как только замерзает Арктический бассейн. Если бы почему-либо географические условия на Земле изменились, например уменьшилась площадь Ледовитого океана в результате сближения материков или поднятия дна океана, то площадь максимального оледенения в северном полушарии могла бы оказаться совсем иной по сравнению с той, какой она была, например, во время Великого оледенения. В этом случае оледенение может захватить все материки.
Теория теплового баланса позволяет ответить на вопрос, какой стала бы температура воздуха на земном шаре, если бы наша планета оказалась полностью покрытой льдами. В этом случае наступило бы устойчивое тепловое равновесие. Температура воздуха даже летом не переходила бы через ноль градусов, а зимой понижалась бы до 90 градусов мороза. Земля никогда бы уже не могла освободиться от ледового плена. Термическая зональность, как и при отсутствии ледников, была бы очень слабо выражена. Такие расчеты, конечно, всегда останутся теоретическими. В действительности, как мы увидим ниже, людям вероятнее всего предстоит бороться с излишками тепла, а не холода.
—Источник—
Русин, Н.П. Солнце на Земле/ Н.П. Русин [и д.р.]. – М.: Советская Россия, 1971.- 204 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
