Дерзкие мысли о климате

Поэтому, если подходить к расчету теплового баланса земной поверхности очень строго, то надо учитывать и задержание, аккумуляцию солнечной энергии биосферой. Эта запасенная тепловая энергия может сохраняться миллионы лет (нефть, каменный уголь, газ и т. д.), но может и сравнительно быстро высвобождаться, как это происходит в наше время очень активного использования топливных ресурсов человеком. Мы не будем скатываться до расчетов такой точности, к тому же объектами нашего основного внимания являются водные пространства и полярные области с весьма бедной биологической продуктивностью.

Что касается КПД тяготения в согревании атмосферы, а через нее и поверхности Земли, то уже из много раз упомянутого закона сохранения и превращения энергии и массы, однозначно следует, что он не может быть меньше или больше, чем 100 %. В этом случае само представление о КПД превращений энергии для природных циклов утрачивает смысл и о нем можно было бы не вспоминать, если бы опыт использования машин не наталкивал нас на традиционную привычку: во всем искать долю пользы, а уж потом полное понимание. На это же невольно наводят и положения Второго начала термодинамики.

Всякие конечные превращения в природе обязательно полностью обратимы. Зная это, можно уверенней решать и задачи по обратимости энергии. Дж. Джоуль еще сто с лишним лет назад определил механический эквивалент теплоты, измеряя температуру воды после приложения к ней работы по перемешиванию. Этот эксперимент многократно повторен и механический эквивалент теплоты был определен довольно строго (1 Дж = 107 эрг = 0,2388 кал). Примечательно, что работу в этом эксперименте выполняла опять же сила земного притяжения гири («сила тяжести», что по результату действия почти одно и то же), как легко и точно измеряемая количественно.

Работа внешней силы притяжения может быть направлена как на увеличение, так и на уменьшение теплосодержания среды, в том числе и за счет меньшего нагревания соседствующих сред. Например, увеличенное нагревание атмосферы благодаря работе внешней силы тяготения происходит за счет ограничения нагревания воды в океане при испарении. Значит, одной и той же внешней работой, выражающейся поднятием пара над океаном, атмосфера увеличивает свою энтальпию, а океан уменьшает ее.

Зная удельную величину механического эквивалента теплоты, можно определить, какому эквивалентному нагреванию соответствует вклад работы внешней силы притяжения в атмосферном круговороте влаги. Падению 1 см3 воды на 1 см отвечает работа силы притяжения, равная 980 эргам. Принимая, что в среднем на поверхность Земли за год выпадает слой воды, равный 113 см с высоты примерно 2 500 м, можно определить, что этому падению (равно как и поднятию пара) соответствует работа, эквивалентная относительному дополнительному поступлению тепла 2 773 Дж/см² год или 665 кал/см² тепла за год. По сравнению со средним годовым приходом радиационного тепла к земной поверхности (72 000 кал/см² год) эта величина мала. Но мы уже знаем, что участие работы силы тяготения имеет прямое отношение только к тому дополнительному количеству тепла в атмосфере, которое приводит к повышению средней температуры поверхности Земли на 30° выше температуры поверхности Луны, не имеющей атмосферы, но получающей эквивалентное количество солнечной радиации. Далее уже приближенно можно подсчитать, что дополнительному нагреванию атмосферы, а значит, и поверхности Земли в среднем на 1° способствует работа внешней силы тяготения, эквивалентная дополнительному поступлению в атмосферу около 20 калорий тепла на 1 см² за год. При малой теплоёмкости воздуха такое нагревание нижних слоев атмосферы кажется правдоподобным.

Я не уверен, что избранный мной метод такого расчета, тем более его численный результат удачен. И приведены они не для того, чтобы выдать величины, польза от которых пока неясна, а для того, чтобы показать, что наши количественные оценки в будущем могут быть дополнены оценками теплотворной роли тяготения, как только ясно обозначится нужда в этом. Заканчивая краткий очерк о роли тяготения в формировании климата Земли и планет, замечу, что сами по себе представления о тяготении не являлись для автора специально поставленной целью изучения. Вторгнуться в эту область знаний заставила сначала необходимость найти физически обоснованное объяснение установленной закономерности неравновесного теплообмена замерзающих водоёмов с окружающей средой, а далее уже ряд возникших вопросов о теплообмене атмосферы, определяющем состояние климата. Будем надеяться, что физики во всем этом в будущем разберутся лучше, чем смог это сделать географ.

Часть III. Через призму нового взгляда

Движение вперед человечества в области познаний заключается в снимании покровов, закрывающих истину.

Лев Толстой