Дерзкие мысли о климате

В науке опасно торопиться с выводами, нельзя спешить объявлять проблему решенной, если в её истолковании остаются какие-нибудь неясности. А они еще есть в объяснении описанного явления, хотя уже очевидно, что обнаруженная неравновесность теплообмена замерзающих водоемов с окружающей средой существует и четко доказывается фактами. Этим я временно успокоил себя и надо думать, убедил уже большинство читателей в доказанности изложенного, но вряд ли удовлетворил физиков, сверяющих всякое новое тепловое явление с фундаментальными положениями термодинамики. Мерилами физической правомерности данного факта являются закон сохранения и превращения энергии и постулат Клаузиуса, гласящий, что «теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой».

Тут уж с первого взгляда оказывается, что сформулированное мною открытие входит в острый конфликт и с тем и с другим фундаментальными положениями физики. Во-первых, самопроизвольный, естественный неравновесный теплообмен в природе, казалось бы, вообще не должен иметь места и если кем-то и фиксировался, то не признавался возможным потому, что уже с первой «прикидки» якобы прямо противоречит закону сохранения энергии. Во-вторых, потому, что мы показываем возможность передачи тепла через лед от среды в среднем в году более холодной (атмосферы) к среде более теплой (жидкой массе водоёма), что противоречит постулату Клаузиуса. И не потому ли обнаруженная закономерность так долго оставалась неизвестной, что на пути ее признания оказывались два таких трудно преодолимых препятствия. В истории науки известен случай, когда один хорошо доказанный факт исправлял или даже отвергал какой-то закон, но чтобы опровергалось сразу два закона – неизвестно. И я их не стал опровергать. О постулате далее пишется особо, а сейчас – о более важном законе.

Закон сохранения и превращения энергии с момента его установления всегда подтверждал свою справедливость и не может быть сомнений, что его абсолютная истинность никогда не будет поколеблена. И если какой-то вновь обнаруженный факт не согласуется с этим законом, то в первую очередь надо искать ошибку в субъективном истолковании самого факта. В этом случае закон сохранения и превращения энергии оказывается не только надежным эталоном и контролером для суждения о правильности всяких мнений о теплообменных процессах, но и верным ориентиром в поиске огрехов объяснения обнаруженного факта, противоречащего ему.

Причину неравновесия теплообмена через плавучий лёд мы вроде бы уже нашли. Их оказалось две: во-первых, большое различие форм и интенсивностей обмена теплотой фазовых превращений при намерзании и таянии льда, во-вторых, параллельно следующий при таянии льда массообмен, выраженный всплыванием стаивающего льда и стеканием талого стока под него, интенсивно возвращающего теплоту плавления водоёму взамен потерянной зимой кондуктивной теплопроводностью теплоты кристаллизации.

Здесь всё логично и убедительно, но надо уяснить отвечает ли такое объяснение простым и жестким требованиям закона сохранения и превращения энергии?

Для этого мысленно выгородим участок земной поверхности с замерзающим водоёмом оболочкой, исключающей не только его теплообмен, но и передачу давлений со стороны окружающей солнечной радиации и обратного излучения энергии в космос. Проделаем то же самое с соседним участком земной поверхности с вечной мерзлотой. Не сложно понять, что от такого выгораживания на обоих участках порядок теплообмена в первом случае замерзающего водоёма, во втором – вечной мерзлоты с выделенной над ними атмосферой не изменится. Теплосодержание водоёма на первом участке так же останется многократно увеличенным против теплосодержания вечной мерзлоты. Сохранится и действие причин, приводящих к увеличению теплосодержания первого (морского) участка.

Однако представленное нами термоадиабатическое изолирование участков позволяет предметнее и строже судить о том, почему эти участки сохраняют разную энтальпию (теплосодержание) и как это согласуется с законом сохранения и превращения энергии. И тут обнаруживается, что с точки зрения этого закона причины неравновесного теплообмена, названные нами выше, не должны увеличивать количества энергии в первом выделенном участке, поскольку они являются внутренними, принадлежащими собственно этому выделенному участку. Повысить количество энергии в изолированной системе может лишь дополнительная доза тепла, поступающая извне изолированного участка или какая-то внутренняя работа в нём, осуществляемая внешней силой. Первое не допускалось условиями изоляции, второе – не обнаруживалось.

От этого мысленного экскурса в наглядную термодинамику явно запахло крахом всех моих представлений об обнаруженном открытии. Факты убедительно свидетельствовали, что оно есть, а глубоко почитаемый мною закон сохранения энергии, казалось бы, окончательно отвергал возможность неравновесного теплообмена водоёма через лёд.