Дерзкие мысли о климате

Важнейшим тепловым следствием названной закономерности и образования неравновесной толщины льда, является тот очевидный факт, что зимний теплообмен водоёма с атмосферой почти полностью замыкается на равном расходе и приходе теплоты фазовых переходов. Следовательно, невскрывающийся водоём, как и любой вскрывающийся летом, полностью прекращает всякие необратимые потери тепла, кроме как по трещинам и разводьям. Поэтому он даже в очень суровом климате высоких широт может существовать не промерзая бесконечно долго, вовсе не нуждаясь в подтоке теплых вод.

Теплые воды, если они всё же попадают в замерзающий водоём, всю свою теплоту, выраженную температурой выше точки замерзания, расходуют на таяние или задержку намерзания ледяного покрова у его кромки, но попадая под нее уже не способны вызывать существенных отклонений в теплообмен между массой воды и атмосферой. Всякое природное явление, начни его рассматривать более тщательно и неторопливо, обязательно раскрывает какие-то новые особенности, задает новые загадки. Отметим наиболее важные малоизвестные события, сопутствующие намерзанию и таянию ледяного покрова любых водоёмов. Намерзание льда характеризуется установлением в нем температурного градиента, то есть непрерывного понижения температуры в слое льда от температуры замерзания воды на его нижней плоскости до минимальной температуры его верхней плоскости. Так формируется «дорожка» непрерывного понижения температуры снизу вверх, по которой «утекает» в атмосферу теплота кристаллизации и теплота, отток которой формирует эту дорожку.

Такое линейное или однонаправленное (монотонное) формирование температурного градиента во льду продолжается не всю зиму, а лишь до тех пор, пока температура воздуха, а значит, и верхней плоскости льда, продолжает понижаться или хотя бы находиться на каком-либо постоянном уровне отрицательной температуры. Но как только температура воздуха начинает повышаться, верхний слой льда перестает охлаждаться, снова нагреваясь (разумеется в пределах отрицательных значений температуры) и тем самым прерывает теплообмен нижних слоев льда с атмосферой, появившимся здесь безградиентным слоем льда (рис. 12). С этого момента наращивание льда резко замедляется и продолжается уже не за счет прямого оттока теплоты кристаллизации в атмосферу, а за счет релаксации (постепенного расходования) «запаса холода», создавшегося во льду в первой половине зимы и отсеченного безградиентным слоем от кондуктивной теплопередачи в атмосферу. Этот отсеченный запас холода будет тем больше, чем сильнее был мороз в первой половине зимы и чем толще был лёд. Например, в Якутии толстый (до 2 м) речной и озерный лёд намерзает и весной, когда сверху уже тает. Многолетний морской лёд намерзает практически всё лето. К концу зимы безградиентный слой опускается до середины всего слоя ледяного покрова и на всё лето остается его самым холодным слоем. Как бы не был тонким, или толстым этот слой обязательно имеет зону изотермичности (одинаковой температуры), которая и исключает кондуктивный теплообмен между слоями льда, находящимися ниже и выше его. Исключается и всякий теплообмен атмосферы с водой, причем не только собственно безградиентным слоем, но всеми примыкающими к нему слоями льда с одинаковыми значениями температуры (штриховка на рис. 12).

Рис. 12. Положение температурного профиля во льду:

а – при нарастании свежего ледяного покрова;

б – при зимнем повышении температуры воздуха;

в-положение безградиентного слоя в ледяном покрове в конце зимы.

h – толщина льда; – – – безградиентный слой.

Таким образом, мы узнаем, что ледяной покров обладает еще одним теплофизическим свойством – способностью отсекать всякий теплообмен водоема с внешней средой, в том числе и отток теплоты кристаллизации из самого льда, уже во второй половине зимы, когда в атмосфере еще держится мороз.

Значит и кондуктивная теплопередача через лед имеет свойство выключаться в пору, когда ещё удерживается значительная разность между температурой воздуха и водой, которая казалось бы могла ещё поддерживать поток тепла в атмосферу. Но этой способностью обладают и верхние слои многолетней мерзлоты и вообще всякие твердые породы. Мало того, аналогичное выключение кондуктивного теплового потока в твердых массах происходит и при обратно направленном теплообмене, а это значит, что оно обратимо, следовательно, и не способно обусловливать неравновесного теплообмена твердых масс с внешней средой.

Отсюда следует, что замеченная особенность зимнего кондуктивного теплообмена водоёма с внешней средой через ледяной покров отнюдь не вносит каких-либо сомнений в достоверность сформулированной выше закономерности неравновесного теплообмена через ледяной покров, а лишь уточняет особенность кондуктивной теплопроводности.