Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов

Низкая температура и отсутствие воды на Марсе – не очень большая сенсация. Однако анализ снимков, полученных с Марса, проведенный грамотными специалистами показал, что вода на Марсе – была! Довольно давно, 2 миллиарда лет назад. Но – имелась! При этом и температура была настолько высокой, что вода текла в виде огромных рек! Свидетельством сказанного служат обнаруженные марсоходом так называемые гидратированные породы, то есть минералы, образованные водой. Сохранился и характерный рельеф, сформированный мощной водной эрозией. С космической станции, Марс Орбитер, вращающейся вокруг Марса, отчетливо видны характерные русла древних рек, рис.6. Кроме того, методами «нейтронного каротажа» обнаружен замороженный лед под песками Марса (см. например, https://izverzhenie-vulkana.ru/2018/12/nejtronnyj_karotazh_marsa_prodolzhaetsya_sedmoj_god.html ).

Таким образом, Марс тоже подвергся значительной климатической катастрофе. Однако, в отличие от Венеры, произошло не нагревание, а замораживание поверхности планеты. Не грозит ли такой же сценарий Земле?

Рис.6. Русла высохших рек на Марсе, снимок с орбитальной станции Марс Орбитер, https://top10a.ru/wp-content/uploads/2019/12/7-37.jpg

«Замораживание» Марса нельзя «списать» на его удаленность от Солнца. Нетрудно повторить для него упрощенный расчет температуры. Учтем, что радиус орбиты Марса примерно в 1,5 раза больше Земного. Используя формулы для оценок его температуры, получим, T_М = 238 K = – 35 ^oC. Рассчитанная таким образом температура заметно выше реальной, равной – 63 ^oC. Забегая вперед, заметим, что такое отличие легко объяснить практически полным отсутствием парникового эффекта для разреженной атмосферы Марса. Но куда делась эта атмосфера?

Необходимо заметить, что «обычное» оледенение севера Европы не так страшно, как катастрофа типа марсианской. Дело в том, что оледенения предыдущих 400 тыс. лет не распространялись южнее 60-ти градусов северной широты. И, что важнее, не сопровождались глобальным высыханием. Пока есть лёд на планете, он может растаять, рано или поздно. И жизнь в ледяную пустыню – вернётся. Между тем Марс, по-видимому, навсегда останется и замороженной, и безводной пустыней      .

Таким образом, возможны четыре сценария развития климата Земли. 1) Превращение в раскаленную Венеру, 2) возвращение ледникового периода мамонтов и питекантропов, 3) вымерзание планеты по типу Марса и, наконец, 4) сохранение «райского» климата современности. Следует также отметить, что помимо экстремальных катастроф возможны «мелкие», подобные «малому ледниковому периоду», рассматриваемому ниже.

Синергетика атмосферы

Что общего между рассмотренными выше катастрофами? На этот вопрос отвечает современный раздел теории тепловых явлений. Он называется «синергетика». Оказывается, что среди «обычных» тепловых процессов, примерами которых являются нагрев, охлаждение, сжатие, расширение и другие процессы, происходящие в однородных жидкостях и газах, имеются и «необычные». За их открытие Илья Ефимович Пригожин получил Нобелевскую премию. Синергетические процессы отличаются от прочих явлений наличием трех следующих признаков: самопроизвольность, непредсказуемость и катастрофичность, https://www.dropbox.com/s/95bqng6rgiocpmo/s7.docx?dl=0. Яркий пример синергетического процесса – смерч, рис.7. Он возникает «сам собой», неожиданно и очень «резко», катастрофично.

Рис.7. Смерч, https://funart.pro/uploads/posts/2020-03/1584101898_20-p-foni-s-tornado-74.jpg

Смерч отличается от «обычных» туч тем, что он вращается вокруг своей оси. Он всасывает окружающий воздух (вместе с различными предметами, например, автомобилями). Смерч похож на трубу, соединяющую облако на небе с поверхностью Земли.

Известен другой яркий пример синергетического процесса. «Обычный» нагрев жидкости не вызывает никаких неожиданностей вплоть до температуры кипения. Однако при определенных условиях, еще до кипения, на поверхности жидкости внезапно иногда появляются своеобразные «узоры», похожие на шестигранный паркет, рис.8. Явление называется «ячейки Бенара». Неразумная жидкость превращается в своеобразного художника.

Рис.8. Ячейки Бенара, https://i.ytimg.com/vi/v2vMXmuC818/maxresdefault.jpg