Маховик климата и погоды

Водяное отопление северных широт. - Механизм кондиционирования воздуха планеты. - Перестройка климата и ее опасности

Солнечные лучи почти не нагревают воздух. Его нагревает обратное длинноволновое, тепловое и невидимое для глаз излучение суши и моря. Суша быстро нагревается и быстро остывает. В приземном слое воздуха над сушей можно встретить температуру от 50 º тепла до 80 º мороза, тогда как самая высокая температура в тропических водах открытого океана +28 º, а самая низкая в полярных бассейнах -1,9 º. У дна в глубоководных частях Мирового океана температура воды повсеместно около 2 º выше нуля.

Годовые изменения температуры поверхностной воды в тропиках не превышают 2º, а в полярных бассейнах 14-15º. Это происходит потому, что вода, в отличие от суши, медленно нагревается и медленно остывает. У воды ничтожно мала физическая теплопроводность. Передача тепла в море от поверхности в более глубокие слои происходит путем перемешивания. Эту задачу выполняют волны, приливные и другие течения. Перемешивая воду, они способствуют проникновению тепла в глубины моря летом и возвращению его в атмосферу зимой. Заметные сезонные колебания температуры воды не проникают обычно глубже 100-200 м. Температура воздуха над поверхностью воды лишь незначительно отличается от температуры воды.

В средних и высоких широтах летом вода в океанах и морях накапливает тепло, а зимой отдает его в атмосферу. Теплоемкость воды огромна. Кубический метр воды, охлажденный на несколько градусов, на столько же градусов нагревает 3134 м³ воздуха. Даже лед не препятствует морю нагревать атмосферу. Поэтому в Центральной Арктике в разгар зимы температура воздуха редко бывает ниже -20º, тогда как на севере Сибири, в Якутии, она падает порой до 70º ниже нуля.

Если в северных широтах океан согревает воздух, то в экваториальных странах он его охлаждает. Кроме того, он охотно делится избытком тепла, накопленного в тропиках, с северными холодными морями при посредстве течений. Теплое течение Куросио согревает Японские острова, Гольфстрим - север Европы. Вместе с этим мощным течением из Атлантического океана в Арктику ежегодно поступает от 140 до 243 тыс. млрд. ккал тепла. Таким количеством тепла можно растопить 3 млрд. т льда. Под влиянием Гольфстрима среднегодовая температура воздуха в Англии на 15º, а в Норвегии - на 20-25º выше нормальной температуры для соответствующей географической широты. Благодаря Гольфстриму наше Мурманское побережье круглый год свободно от льда. Теплые океанские течения - водяное отопление умеренных и северных широт планеты.

Полярные моря в свою очередь направляют холодные воды в области океана, расположенные в средних и экваториальных широтах. Их переносят холодные поверхностные течения - Ойясио и Гренландское в северном полушарии, Перуанское и Бенгельское - в южном полушарии. Кроме того, холодные полярные воды текут в сторону экватора в глубинах океана. Таким образом, океан непрерывно выравнивает температуру воздуха на земном шаре.

Океан согревает атмосферу не только путем непосредственного теплообмена и длинноволновой радиации, но и посредством испарения. Океан - это нагреваемый Солнцем паровой котел. В среднем около тысячи тонн пара в час снимает атмосфера с квадратного километра поверхности этого гигантского парового котла. В тропиках под палящими лучами солнца испарение возрастает в два - три раза. Здесь над безбрежными просторами океана собирается в воздухе огромное количество водяных паров. Конденсируясь и превращаясь в облака, они выделяют тепло, отнятое при испарении у океана. Доля этого тепла в нагреве атмосферы оценивается учеными по-разному - от 2/3 до 9/10 общего количества тепла, поступающего от океана в атмосферу. Как бы ни считать, оно служит мощным источником энергии, приводящей в движение воздушные массы. Весьма вероятно, что именно в тропиках начинаются ветры, дающие первые толчки атмосферной циркуляции, которая охватывает весь земной шар.

Это хорошо показал, например, американский ученый Бьеркнес в своем докладе о крупномасштабном взаимодействии океана и атмосферы на 2-м Международном океанографическом конгрессе в Москве.

В периоды аномально слабых пассатов в восточной половине Тихого океана на экваторе несколько меняются относительные скорости в системе течений и вместо подъема глубинных вод происходит их погружение. Температура воды в экваториальной зоне повышается и теплые воды распространяются далеко за обычные пределы, в результате чего устойчивый северотихоокеанский центр низкого атмосферного давления смещается со своего обычного места в Аляскинский залив. Понижение давления в северо-восточной части Тихого океана и прилегающих районах Северной Америки влечет за собой развитие центра избыточного давления вблизи Южной Гренландии и понижение давления на северо-западе СССР в зимнее время. В результате существенно меняется погода на огромных пространствах земного шара. Все эти явления наблюдались как раз в период Международного геофизического года (1957-1958 гг.) и поэтому были хорошо изучены. Интересно отметить, что ослабление пассатов, изменение течений и повышение температуры воды на экваторе сопровождается усилением уже известного нам течения Эль-Ниньо. Таким образом, это загадочное и сравнительно незначительное течение может служить как бы индикатором ряда крупномасштабных изменений в атмосферной циркуляции северного полушария планеты.

О другом примере связи между атмосферой и океанскими течениями на этом же конгрессе сделал сообщение советский океанолог А. И. Дуванин. Усиление западных ветров в Атлантике влечет за собой потепление Северо-Атлантического течения (Гольфстрима) и охлаждение встречных холодных течений из Арктического бассейна. Ослабление этих ветров вызывает обратные явления. Такие пульсации атмосферных и океанских течений в Северной Атлантике обнаруживают, оказывается, известную периодичность (2,5 и 5 лет), а индикатором того или иного их развития может служить уровень Балтийского моря, по состоянию которого можно судить о ледовитости Арктического бассейна за два года вперед. В свою очередь изменение ледовитости Арктического бассейна влияет на распределение атмосферного давления, на образование и движение воздушных масс, несущих погоду в северные области Европы, Азии и Америки.

Воздушные течения, как и морские, также переносят и холод, и тепло, но, кроме того, они несут с собой еще водяные пары. Словом, океан с атмосферой - это планетарный механизм кондиционирования воздуха.

Известно, что в природе нередко малые силы порождают физические процессы планетарного масштаба. Недалеко, быть может, время, когда будут найдены центры приложения таких сил для изменения воздушных течений в желаемую сторону, в частности, для перераспределения атмосферных осадков. Сейчас за движением облаков следят фотообъективы метеорологических спутников. Эти наблюдения следовало бы подкрепить учетом водности облаков, пересекающих рубежи океанов и материков. Тогда к моменту овладения движением воздушных масс наука уже точно будет знать, где и как это движение надо изменить.

Но на океан природа возложила еще одну важную роль - роль регулятора содержания углекислого газа в атмосфере. Присутствие в воздухе углекислоты, помимо биологического, имеет и чисто физическое значение. Углекислый газ, как и водяные пары, усиливает парниковый эффект атмосферы. Он не пропускает в космическое пространство длинноволновые тепловые лучи и способствует таким образом поддержанию устойчивого температурного режима планеты.

В атмосфере, по подсчетам академика А. П. Виноградова, содержится около 2000 млрд. т углекислого газа. В океанской воде его в десятки раз больше. В холодной воде больше растворено углекислоты, чем в теплой. Это обстоятельство играет важную роль в ее балансе.

Расход углекислого газа на развитие водной и наземной растительности компенсируется его выделением при гниении, брожении и дыхании. За последнее столетие выделение углекислоты в атмосферу все время возрастает в результате технической деятельности человека - увеличения площади возделанных земель и особенно сжигания огромных количеств топлива. Высказывается предположение, что со времени промышленной революции количество углекислого газа в атмосфере возросло на 10-12%. Правда, не все ученые с этим согласны, к тому же точные измерения содержания газов в атмосфере стали возможны только в последние десятилетия. Между тем подсчитано, что увеличение углекислоты вдвое повлечет за собой повышение средней температуры воздуха на Земле на 3-4º.

На первый взгляд это может показаться совсем не страшным. Однако с повышением температуры воздуха повысится и температура воды в океане. Еще энергичнее начнут таять ледники и морские льды. С повышением температуры воды уменьшится ее способность растворять и поглощать из атмосферы газы, в том числе тот же углекислый газ. От этого его количество в атмосфере будет возрастать еще быстрее. Воздух станет еще теплее. Поверхностная вода в полярных областях нагреется, станет легче и перестанет погружаться на дно. Будет ослаблен, а может быть, и совсем прекратится водообмен между поверхностными и глубинными слоями океана. Вследствие этого нагрев атмосферы и воды еще более усилится и, наконец, растают все "вечные" льды. Уровень океана от этого должен будет (подняться на 50-60 м. Если под тяжестью такого количества воды дно океана немного и прогнется, то все же по меньшей мере сорокаметровый слой воды затопит огромные пространства суши, а вместе с ней такие крупные приморские города, как Нью-Йорк, Лос-Анжелос, Лондон, Ленинград и др.

Чтобы избежать подобной катастрофы, можно представить себе два способа. Первый заключается в том, чтобы усилить водообмен между холодными глубинными и нагретыми поверхностными водами океана. Тогда избыток двуокиси углерода будет удален из атмосферы в глубины океана, а вода на поверхности океана будет непрерывно охлаждаться путем перемешивания с глубинной водой. Другой способ предлагает академик А. Е. Арбузов.

По его мнению, надо увеличить на Земле объем растительного вещества, которое и поглотит избыток двуокиси углерода. Этого можно достичь при помощи процессов искусственного фотосинтеза. К сожалению, пока оба эти способа находятся за пределами наших возможностей. А это значит, что надо над ними настойчиво работать и одновременно как можно обстоятельнее изучить значение океана в балансе двуокиси углерода.

Итак, океан - это мощный испаритель, посылающий на сушу свою живительную влагу, крупнейший поставщик энергии, приводящей в движение сложный механизм атмосферной циркуляции, наконец, регулятор баланса углекислоты, словом, в полном смысле слова - маховое колесо климата и погоды.

За последние десятилетия человечество всерьез стало задумываться над возможностью капитально перестроить климат Земли. Инженер Борисов предложил перегородить плотиной Берингов пролив и растопить арктические льды, перекачивая воду из Тихого океана в Северный Ледовитый океан. Для ускорения таяния арктических льдов было выдвинуто предложение покрывать их каждое лето слоем сажи. Директор отдела метеорологических исследовании бюро погоды США Г. Уэкслер рекомендовал действовать "по-американски": сбросить в полярный бассейн и взорвать под водой несколько водородных бомб по 10 мегатонн каждая. Бомбы нагреют воду, растопят льды. Советский океанолог В. Н. Степанов предложил произвести отепление Арктики открытием более свободного доступа в нее теплых атлантических вод. Для этого надо углубить подводный порог, отделяющий Арктический бассейн от Атлантического океана.

Сейчас ледяной покров отражает почти всю радиацию Солнца, поступающую в Арктику. При отсутствии же льда Солнце будет нагревать воду Полярного бассейна. Предполагается, что при этом образование многолетних льдов станет невозможным. Действительно, по подсчетам советского климатолога В. С. Самойленко восстановление ледяного покрова в Арктике не произойдет, если приток тепла из Атлантики после растопления льдов сохранится хотя бы в половинном размере. В новых условиях северные порты трех материков будут доступны для навигации большую часть года, значительно продвинется на север граница земледелия, а средняя температура воздуха в Нью-Йорке, Москве и Лондоне повысится примерно на 10º.

Существует также проект перекрытия плотиной Гибралтарского пролива. Сильное испарение понизит уровень Средиземного моря, из воды выйдет широкая полоса береговой отмели, которая может быть использована для сельского хозяйства, а на плотине будет построена мощная гидроэлектростанция.

В печати появлялись и менее грандиозные проекты перестройки природы путем изменения установившейся циркуляции океанских и морских течений. Например, проект искусственного подъема глубинных вод у берегов Калифорнии с помощью установленных на дне атомных реакторов, что должно вызвать усиление бризов и атмосферных осадков, в которых так нуждается засушливая почва полуострова; или постройка шлюзов в проливе Невельского для одностороннего пропуска теплых приливных течений на север в Охотское море и т. д.

Однако невозможность заранее предусмотреть все последствия таких мероприятий может повлечь за собой немало неожиданностей. Американские геофизики М. Юинг и В. Л. Донн, а также английский геофизик Г. Симпсон считают, например, что открытое полярное море увеличит испарение и выпадение снега на севере Европы настолько, что летнее солнце не поспеет его растопить. Накапливаясь из года в год и постепенно уплотняясь, снег превратится в лед. Начнется новый ледниковый период. По их мнению, именно в таких условиях и начинались пережитые Землей ледниковые периоды. Что касается гибралтарского проекта, то перекрытие доступа соленой средиземноморской воды в Атлантический океан может понизить соленость и плотность атлантической воды настолько, что даже сильное зимнее охлаждение при поступлении ее в полярный бассейн не создаст условий, необходимых для погружения в глубины океана. С этого момента воды Гольфстрима не смогут больше проникать в Арктику и потекут по замкнутому кругу в Атлантическом океане. Таковы будут результаты перекрытия Гибралтарского пролива по мнению американского океанолога Г. Стоммела. Понятно, что после этого берега Исландии, Норвегии, Шотландии и Кольского полуострова будут блокированы непроходимыми льдами, а в Баренцовом море и Северной Атлантике прекратится рыбный промысел.

Из сказанного можно сделать небесполезный вывод. При крупномасштабных перестройках природы в первую очередь надо взвесить возможные отрицательные их последствия и лишь потом оценивать желаемые положительные результаты. Недаром говорит русская пословица: "Семь раз отмерь, а один раз отрежь".