Дерзкие мысли о климате

Полное исключение всякого теплообмена водоёма с внешней средой происходит и тогда, когда весь ледяной покров прогревается до температуры плавления, становясь сплошь изотермической средой. Поэтому встречающееся в литературе указание, что в это время ледяной покров осуществляет теплообмен между морем и атмосферой как однородная среда лишено смысла. Факт неравновесности теплообмена многолетнего ледяного покрова с атмосферой ещё раз и весьма наглядно обнаруживается при анализе новой формулы равновесной толщины многолетнего льда, выведенной автором и на примере конкретных решений по этой формуле.

Первое уравнение равновесной толщины многолетнего льда предложил еще в прошлом веке австрийский полярный исследователь Вейпрехт. Позднее стало широко известным уравнение советского океанолога Н. Н. Зубова. Известны и поздние исследования и оценки условий достижения льдом равновесной толщины. Однако в основах представления о формировании и существовании многолетнего льда всё еще оставались неясности. Естественно было предположить, что новый подход к таким оценкам мог обнаружить новые закономерности в жизни многолетнего льда.

Это предположение оправдалось.

Наша формула равновесной толщины многолетнего льда выглядит так:

где Нр – равновесная толщина многолетнего льда (см);

QMH – общее среднее выделение тепла через многолетний лед за год (Дж/см²);

hc – величина стаивания слоя льда за год (см);

L – удельная теплота кристаллизации (плавления) льда (334 Дж/г);

с и δ соответственно удельные теплоемкость (2 Дж /г × °C) и плотность (0,92 см³/г);

Т – минимальная температура внешней поверхности льда, достигающая зимой (минус °C);

0,38 – эмпирически установленный коэффициент пропорциональной зависимости теплового потока QMH от Т и любой толщины многолетнего льда.

Известен, правда немногочисленный, ряд определений численной величины общего потока тепла QMH, выделяющегося за зиму через многолетний лёд в Северном Ледовитом океане. Определения выполнены по весьма трудоёмким измерениям температуры льда с помощью гирлянд термодатчиков, установленных на разную глубину ледяного покрова, то есть по изменениям градиента температуры. Внося необходимые методические уточнения в расчеты, автор нашел, что в среднем через лёд Северного Ледовитого океана за зиму выделяется всего около 30 кДж/см². Эта величина мало изменяется от особенностей каждой конкретной зимы. По большому ряду наблюдений можно принять, что за лето здесь стаивает в среднем на 44 см, а зимой его поверхность охлаждается до минус 40 °C. Эти величины могут быть ещё не раз уточнены, но они не должны сильно отличаться от действительных, и мы используем их на примерах конкретных расчетов.

Рассчитаем, какова должна быть средняя равновесная толщина многолетнего льда в Северном Ледовитом океане при приведенных величинах:

После явно завышенной оценки Н. Н. Зубова, который не исключал возможности достижения льдом Арктики равновесной толщины в 20 м и более, последующие оценки имели очень большой разброс. Некоторые исследователи находили, что предельная толщина льда в Арктическом бассейне, может составлять 4 м, другие считали, что равновесное состояние льда наступает при его толщине 6 м, а то и 3 м и так далее. Ряд этих оценок для определенных условий термической жизни льда могут быть верны, но нам важно установить основные зависимости, определяющие образование равновесной толщины льда, чтобы потом стали понятными наблюдаемые отклонения. Это позволяет перейти к оценке следствий, которые вытекают из показанного расчета. С помощью этого уравнения удалось рассчитать время достижения льдом равновесной толщины, которое в Арктике составляет около 20 лет, увидеть ряд ранее не замечавшихся особенностей многолетнего нарастания льда и даже усмотреть новые возможности управления нарастанием и таянием многолетнего льда (Файко, 1986).

Интересны следствия и выводы, которые имеют прямое отношение к закономерности неравновесного теплообмена оледеневших водоемов с окружающей средой, вообще к термике полярных морей, а за этим и к вопросам климата.

Решая большой ряд задач с показанным уравнением, мы обнаружили, что равновесная толщина многолетнего льда более всего зависит от величины его летнего стаивания – чем она больше, тем меньше равновесная толщина льда. Например, полагаясь на вышеприведенные численные значения, но принимая увеличение стаивания льда всего на 5 см, то есть до 49 см, находим, что равновесная толщина уменьшится на 70 см, а время её достижения сократится вдвое, то есть до 10 лет. При стаивании до 100 см за лето в течение нескольких лет, лёд вовсе перестает быть многолетним, поскольку уже на второй год существования он не может зимой прирастать на эту же величину.