01.03.2012

Учёные измерили нагрев атмосферы дождями

Используя радарную съёмку из космоса, исследователи определили мощность, рассеиваемую капельками дождя во время падения. Результат удивил учёных и заставил задуматься о точности имеющихся моделей климата Земли.

Оригинальную работу провели Оливер Паулис (Olivier Pauluis) из Нью-Йоркского университета и Джулиана Диас (Juliana Dias) из Национального управления океанических и атмосферных исследований. Данные, полученные со спутника TRMM, позволили им вычислить тепло, передаваемое атмосфере от летящих дождевых капель (либо снежинок).

Эта цифра оказалась куда выше, чем ожидалось, что должно повлиять на представление людей о распределении потоков энергии в «климатической установке» планеты. Но прежде чем говорить о цифрах, миниатюрное отступление.

Атмосфера работает как огромная тепловая машина, приводящая два крупных механизма – круговорот воды и потоки ветров. Солнце нагревает поверхность Земли (это «печка»), от неё греется воздух, поднимая водяной пар вверх, на высоту порядка 15 километров, где он конденсируется (это «холодильник») и потом выпадает вниз в виде осадков.

Общая мощность этой машины, по оценке Оливера и Джулианы, с учётом всех потерь (тут ведь есть КПД, как и у реального двигателя) – 5 ватт на квадратный метр земной площади (в среднем). Она уходит на создание воздушных потоков и генерацию осадков.

Но поскольку кинетическая энергия в атмосфере в целом не растёт, существует механизм диссипации – перехода энергии из упорядоченной формы (например, в виде ветров) в хаотичную. Это всяческие макро- и микротурбулентные потоки, уменьшающиеся и постепенно растворяющиеся в тепловом движении молекул, фактически – в нагреве атмосферы.

Учёные, моделирующие земной климат, знают об этом. Вполне очевидно, что воздушные потоки из-за трения воздуха о воздух, в конце концов, утихают, а их энергия – рассеивается.

Паулис и Диас высчитали мощность, рассеиваемую ветрами. Она оказалась равной (ориентировочно) от 1 до 5 ватт на квадратный метр. Как видим, по порядку это число сопоставимо с мощностью всей климатической машины планеты.

Тут бы нашим героям и успокоиться. Но нет. Они задали себе вопрос, над котором учёные раньше серьёзно не думали: «А падающие капли дождя, испытывающие на протяжении километров аэродинамическое торможение, разве не отдают свою кинетическую энергию в атмосфере?»

Действительно, все знают, что капли летят с довольно низкой скоростью. При этом на всём их пути вниз микроскопические завихрения воздуха вокруг капелек и воздушное трение выполняют роль тормоза. А поскольку закон сохранения нужно соблюдать, энергия куда-то уходит – к тому же воздуху. Это вроде всем ясно.

Но вот насколько важен этот фактор – никто до сих пор не знал. Наши же персонажи вооружились данными об осадках, собранными спутником TRMM. Он был запущен специально для измерения тропических дождей. Как сообщает Physics World, учёные посчитали концентрацию и размер капель дождя на высотах около 0, 2, 4, 6, 10 и 15 километров над уровнем земли.

Размер капель зависит от скорости свободного падения, а зная её, можно посчитать силу сопротивления воздуха. Зная же и длину пути падения капли, можно выяснить и величину теряемой энергии.

Оказалось, что в среднем осадки рассеивают (на изученной полосе от 30 градусов северной до 30 градусов южной широты) 1,8 ватта на квадратный метр (региональные отклонения вверх или вниз естественно были связаны с количеством осадков в том или ином районе). А это значение сопоставимо с мощностью, рассеиваемой ветрами.

Получается, что дожди, то есть кинетическая энергия падающих капель, передаваемая атмосфере за счёт трения (то же самое, что интересно, справедливо и для снежинок), является сильно недооценённым источником энтропии в термодинамической системе под названием Земля.

Это приводит к любопытным выводам. Скажем, существующие теории предсказывают, что глобальное потепление приведёт к росту общего количества осадков и высот, с которых они выпадают.

Но результат исследования Оливера и Джулианы означает, что в таком случае дожди будут забирать у климатической машины (при подъёме влаги на высоту) и далее «бесследно» рассеивать в атмосфере всё больше и больше энергии, следовательно, её меньше останется на… формирование воздушных потоков. То есть атмосферная циркуляция, ветры будут ослабляться.

Насколько эти глобальные выводы справедливы, ещё можно поспорить, но ясно, что вклад крохотных водяных капелек в энтропийные процессы в атмосфере ранее был сильно недооценён.

(Подробности исследования можно найти в статье в Science.)

Леонид Попов

Источники:

1. MEMBRANA