Дерзкие мысли о климате

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