Дерзкие мысли о климате

И здесь обнаруженная закономерность неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов приоткрывает завесу на тайну этих озер. По наиболее изученному из них озеру Ванда мы произвели обстоятельные теплобалансовые расчеты. Это соленое озеро глубиной до 73 м постоянно покрыто многолетним льдом со средней толщиной от 4,2 до 4,5 м, ежегодно стаивающим и намерзающим приблизительно на 75 см. Средняя годовая температура глубинных вод в нём достигает плюс 25 °C и не падает ниже плюс 20 °C. С глубины от 17 до 45 м температура воды сохраняется постоянной в пределах около 10 °C. Исследователи отмечают, что район, где расположено озеро характеризуется очень малым количеством осадков, а лёд самого озера отличается удивительной прозрачностью. Обратив на это внимание, новозеландские ученые давно уже высказали предположение, что причиной нагрева глубинных вод являются проникающие солнечные лучи, но это не подтверждалось теплобалансовыми расчетами. Разумеется, что в этих балансах не обращалось внимания на неравновесность теплообмена озера с внешней средой, поскольку о существовании такой закономерности ещё не было известно.

Не станем утруждать читателя нудными колонками балансовых расчетов, а расскажем проще, чем же объясняется феномен озера Ванда. Для нас теперь уже очевидно, что, как и все замерзающие водоёмы, озера Антарктиды, в том числе и невскрывающиеся, не должны промерзать, поскольку на них ежегодно намерзает и стаивает одинаковый слой льда. В этом случае независимо от весьма неравновесного по отношению к внешнему термическому воздействию обмену теплотой фазовых превращений уже в ледяном покрове устанавливается внутренние равновесие теплообмена, надежно ограждающее нижележащую массу озера от необходимости теплообмена с внешней средой. Именно это решающее обстоятельство не учитывалось при теплобалансовых расчетах. Но установив, что тепловое состояние жидкой массы озера, прикрытой льдом, уже вовсе не зависит от теплового состояния внешней среды, становится проще оценить другие, менее значимые процессы теплообмена, способные создавать побочные, порой казавшиеся главными или загадочными явления, привлекавшие внимание исследователей.

Далее, как бы мы не оценивали теплоизолирующие способности ледяного покрова нам ничего не остается как признать, что преодолеть эту преграду может только луч Солнца. В прозрачной среде он тепло либо не теряет, либо теряет далеко не всё. Но достигнув непрозрачной среды, он отдает ей всю свою энергию, которая может быть мала по количеству теплоты, но значительна по температуре. Достигнув темного дна, луч нагревает его, а от дна уже нагревается и вода. В полярную ночь, когда луча уже нет, дно может остыть, а вода еще будет сохранять высокую температуру, поскольку для обратной передачи тепла здесь существуют свои лимитирующие теплопередачу условия, в создании которых участвует и земное притяжение.

В частности, в озере Ванда обнаружена стойкая стратификация воды по плотности: верхние слои, рассоленые льдообразованием, оказываются пресными, а нижние – сильно засоленными. Это сдерживает, если не вовсе исключает, возможность конвективного теплообмена в массе озера вследствие чего потеря водой полученного от Солнца тепла может происходить лишь очень малоинтенсивной молекулярной теплопроводностью самой воды и дна. Наши расчеты показали, что проникать до дна с лучом Солнца в озеро Ванда может всего 0,5 % энергии, достигающей поверхности его льда, но и это количество энергии составляет более 800 Дж/см² год. Возвратиться же снова ко льду может не более 300 Дж/см² год. Остальное тепло теряется через дно, причем теряется лишь до того предела, когда температура воды успевает понизиться примерно лишь на 5 °C, затем следует новый цикл нагревания дна солнечным лучом. Таким путем средняя за год температура глубоких слоев воды составляет + 20÷25 °C. Возврат тепла к поверхности льда оказывается тем менее интенсивным, чем глубже озеро, что непосредственно следует из закона кондуктивной теплопроводности. Это подтверждается и сравнительными данными по разным озерам Антарктиды. Если вода в озере Ванда с глубиной 73 м не охлаждается ниже 20 °C, то в озере Бонни, глубиной 36 м, предел её охлаждения составляет 7 °C, а в озере Фриксал (17 м) уже всего 2,2 °C.

Таким образом, оказывается, что новозеландские ученые в своей догадке оказались ближе всего к правильному объяснению «загадочного» нагрева озер Антарктиды, но не смогли этого доказать, не зная других особенностей теплообмена озер с внешней средой.

Итак, причина высокого нагревания воды в невскрывающихся озерах Антарктиды в основе объясняется двукратным неравновесным теплообменом озера с внешней средой, обусловленным тем, что интенсивно поступающая и сразу усваиваемая энергия солнечной радиации при обратном теплообмене в обоих случаях сдерживается малоинтенсивной молекулярной теплопроводностью.