Температурная инерция океана и ледниковые эпохи
Солнце почти одинаково нагревает оба полушария. Приход его радиации зависит от географической широты. Но одинаковый приток тепла дает различные результаты. В северном полушарии вблизи параллели 55° расположены плодородные берега Англии, Дании, леса Подмосковья, а на той же широте южного полушария, на меридиане Парижа, лежит остров Буве, погребенный под толщей вечного льда.
На два полушария можно смотреть как на две природные модели планеты и, сравнивая их, оценивать значение особенностей географической оболочки для теплового равновесия земной поверхности. Но сравнительное описание дает лишь качественные ответы. Например, на карте мира видно, что остров Буве лежит в центре океанического кольца, огибающего планету в широтном направлении, и что к югу от этого кольца расположен обширный ледяной материк. ‘
Поиски количественных связей, а также ответов на вопрос о причинах, вызывающих ту или иную обстановку (например, Антарктида — эт. о результат или причина холодного климата), требуют создания математических моделей. Такие модели схематизируют изучаемые объекты, выделяя в них главные связи и зависимости. Рассмотрим это сначала на самой простой модели.
Предположим, что тепло поступает к земной поверхности только за счет радиации Солнца, а уходит от поверхности только за счет излучения в космическое пространство. Обозначим приход тепла Q, а расход — 1. Если Q>/, то поверхность Земли нагревается, если Q<V — охлаждается. Будем искать температуру равновесия, когда Q — /. Из учебников физики нам известен закон теплового излучения:
i = sXW, ‘ (71)
где і — величина излучения с единицы поверхности; 0 — абсолютная температура поверхности (температура в градусах Кельвина); % — коэффициент, постоянный для всех поверхностей и температур (постоянная Стефана — Больцмана); s — коэффициент, характеризующий индивидуальные особенности поверхности.
Умножив выражение (71) на площадь Земли, найдем величину ее теплового излучения: —
/ = 5Х64- 4«Яа, (72)
где R —г радиус Земли.
Суммарное поглощение солнечной радиации поверхностью планеты запишем формулой
, Q = q(-a)«H V (73)
где q ■— радиация, падающая на единичную площадку, расположенную перпендикулярно к лучам Солнца;
а — та часть радиации q, которая отражается планетой в космическое пространство; nR2 — площадь сечения Земли.
Приравняем выражения (72) и (73) и вынесем температуру в левую часть формулы;
4/ -irVtTb. (74)-
— Как известно из наблюдений, средняя температура земной поверхности в современную эпоху примерно 15°С, или 288К. Среднее значение коэффициента а 0,32. Из этих данных найдем значение первого корня в правой
Современная температура |
v 0,2 0,4 0,6 о, a« Альбедо поверхности Земли |
Рис. 16. Зависимость средней температуры поверхности Земли от ее альбедо. |
части формулы (74):
4s X |
Предположим, что эта величина остается постоянной. Тогда можно построить количественную связь между температурой. поверхности и коэффициентом а. Этот коэффициент—альбедо поверхности (albedo — белизна). Он имеет максимальное значение для снежноледяной поверхности (а^ = 0,8) и минимальное для — водной (а = 0,1). На рис. 16
мы построили график, показывающий связь между сред-, ней температурой поверхности Земли (в °С) и ее альбедо. График вычислен по формуле
(76) |
Из рисунка видно, что планеты, получающие одинаковое тепло от своих солнц, могут иметь большие различия температур в зависимости от характера своей поверхности. В нашем примере это различие меняется в диапазоне почти 100° С. Конечно, построенная модель (ее идея заимствована из работ М. И. Будыко) очень приблизительна. Она грубо учитывает влияние атмосфе-
ры на тепловое излучение (с помощью постоянного коэффициента s) и не разделяет суммарное отражение радиации в космическое пространство (коэффициент а) на Отражение от облаков и от земной поверхности. —
По такому же принципу, как была построена модель, т. е. из~ условия теплового равновесия, можно рассчитать, как изменится температура какого-то района Земли при появлении или исчезновении на нем ледяного покрова. Эти расчеты должны, однако, учитывать новое обстоятельство — перенос тепла воздушными и морскими течениями.. Особое значение имеет при этом перенос меридионального направления. Остров Буве расположен в центре огромного течения, расход воды в котором в 7 раз больше, чем у Гольфстрима. Однако течение Южного океана огибает Землю вдоль параллелей, и это ограничивает его влияние на климат. Но верхние слои воды под действием ветра все-таки медленно смещаются к северу, неся с собой холод и льды от антарктического побережья. .
Приведем несколько цифр, показывающих роль океанических течений в формировании климата. Объемная теплоемкость воды примерно в 3200 раз больше, чем воздуха. Это значит, что 1 м3 воды, охлаждаясь на Г, может нагреть на Г столб воздуха сечением 1 м2 и высотой более 3 км. Но 50% всего воздуха атмосферы сосредоточено в ее нижнем пятикилоцетровом слое. Поэтому теплоемкость всей земной атмбеферы равна теплоемкости трех верхних метров океана. Еще более внушительны величины тепла, выделяющегося при замерзании и испарении воды. При замерзании одного объема воды от. нее отнимается тепло, достаточное для нагревания на 1° 250 000 объемов воздуха, а при испарении — 1 800 000 объемов.
Перечисленные свойства воды приводят к тому, что океан реагирует на изменения солнечной радиации, в том числе на ее годовой ход, совсем иначе, чем твердая суша. Поглощая или отдавая большое количество тепловой энергии, он мало изменяет свою температуру.
Физиологическое ощущение холода различно при соприкосновении со сталью и деревом одинаково низкой температуры. Причина заключается в том, что на месте соприкосновения двух тел (например, палец—‘дерево)
мгновений устанавливается температура Ьт, которая делит разность между начальными температурами поверхностей (йд — ‘Од) на два отрезка, отношение между которыми обратно пропорционально коэффициентам теп — лоусвоения тел: .
Коэффициенты теплоусвоения определяются формулой
ь = уТак = са УК, (78)
где с — удельная теплоемкость вещества; а — его плотность; Я — коэффициент теплопроводности; К — коэффициент температуропроводности.
Коэффициент теплоусвоения, как видно из отношения (77), определяет способность тела противиться изменениям температуры на его поверхности. По формуле (78) можно подсчитать, что коэффициенты теплоусвоения меди, железа, песчаника и дерева относятся как 114:47:6:1. Труднее получить коэффициенты тепло — уовоения для воды и воздуха. Опыт нам подсказывает, что ощущение человеком температуры этих сред зависит от их подвижности. Происходит так потому, что вместо молекулярной температуропроводности в движущейся среде нужно учитывать турбулентную температуропроводность, связанную с вихревым перемешиванием. Эта температуропроводность в десятки тысяч раз больше молекулярной. Так, коэффициент молекулярной температуропроводности воды 1,4 -10-3 см2/с, а турбулентной — меняется в зависимости от скорости течений в пределах от 1 до 100 см2/с. При /С= 1; 10; 100 коэффициент теплоусвоения у воды будет больше, чем у песчаника, соответственно в 22; 70 и 220 раз.
,. До сих пор мы говорили о тепловом взаимодействии двух тел. Но одно из тел мы можем заменить эквивалентным в каждый момент времени потоком тепла, например потоком лучистой энергии. Реакция океана, суши и атмосферы на колебания этого потока и стала предметом исследования Такахаси.[18] Его модель включает два уравнения. Первое выражает изменения теплосодержания столба атмосферы, имеющего единичное сечение:
= *($,-»), (79)
где С — теплоемкость столба; Ф — температура воздуха; 0s —■ температура поверхности; t — время; х — коэффи — цйент, учитывающий все виды теплообмена воздуха с подстилающей поверхностью.
Согласно уравнению (79), атмосфера прозрачна для солнечных лучей и нагревается только снизу от поверхности планеты, что почти соответствует действительности. Изменение температуры воды или грунта определяется уравнением температуропроводности:
Так же как и рассмотренные раньше уравнения движения, уравнение (80) выражает баланс некоторой субстанции. Баланс составлен для неподвижного кубика, вырезанного в пространстве воды или грунта. Левая часть уравнения обозначает скорость изменения тепловой энергии внутри кубика, деленной на теплоемкость и плотность вещества (эти величины сокращены в левой и правой части). Правая часть — разность между потоками тепла, вызванными теплопроводностью среды и пересекающими нижнюю и верхнюю грани кубика. Вспомним, что похожим образом мы выражали результирующее воздействие на две грани кубика силы трения.
К двум уравнениям (79) и (80) добавляется граничное условие, показывающее, чему равен тепловой поток Ф через поверхность моря или грунта:
‘ ■® = Q-/-x(»,-ft)t (81)
где Q — солнечная радиация, поглощаемая поверхностью; I — тепловое излучение поверхности, уходящее в космическое пространство.
Такахаси исследовал поведение модели при изменениях поглощенной радиации, заданных формулой
A Q = 0,01 Q0 cos tot, (82)
где Qo — среднегодовое значение радиации; со — частота
колебаний от очень быстрых, соответствующих суткам, до очень медленных, соответствующих тысячелетиям.
‘ —- 1—— І і і а- Ю 5 10 * 10’3 10~2 юш рад/год |
В результате расчетов была получена связь между частотой колебаний радиации и амплитудой колебаний температуры океана. Эта связь имеет вид, близкий к кривой на рис. 17. Из рисунка следует, что чем меньше частота колебаний (т. е. длиннее их период), тем больше изменение температуры. При нулевой частоте, иными словами, при увеличении радиации на постоянную ве-
Рис. 17. Связь между частотой колебаний радиации и амплитудой ‘ колебаний температуры океана (по К.
Такахаси, 1965).
личину’ 0,01 Qo, температура поверхности океана изменится на 3,3° С, а при частоте, соответствующей годовому периоду колебаний, — на 0,2°С.
Отсюда находим дополнительное объяснение суровости природы о. Буве — окружающий его океан не успевает за летнее время нагреваться настолько, чтобы растаял лед, покрывающий остров. Как подтверждают наблюдения, средняя величина сезонных колебаний температуры на поверхности океана —около 2°, а на поверхности суши— 20° С.
Советский геофизик С. Я — Сергин подошел к результатам Такахаси с позиций теории управления. Он обратил внимание на то, что кривая на рис. 17 приблизительно соответствует уравнению ~
‘ л(.)=т|а=. га
где Л(ю)’—ослабление амплитуды колебаний на выходе звена (температура) при увеличении частоты колебаний со на входе (радиация); А (0) —соотношение между амплитудами колебаний на выходе и входе при со = 0; Т — постоянная времени, характеризующая инерционные свойства звена.
. Формула (83) относится к инерционному звену первого порядка. Переходной процесс такого звена показан
на рис. 18. Из рисунка видно, что длительность переходного процесса примерно равна утроенному значению постоянной времени, Сама же постоянная определяется как величина проекции касательной на линию установившегося значения новой температуры Фс-
Постоянную времени Мирового океана С. Я. Сергин получил по данным графика рис. 17 и формулы (83). Постоянная оказалась равной 2 тысячам лет с возмож-
‘
Яе |
Рис. 18. Переходный процесс инерционного звена первого по’ ■ рядка. ‘
tc *зТ |
а — изменение во времени радиа — дии Я; б — изменение во времени температуры •&. " установившее
ся новое значение температуры (входная характеристика звена);
/?с — установившеёся новое значе — * ние радиации (входная характерне- С тика звена; ^ — продолжительность переходного процесса; Г— постоянная времени звена.
ным отклонением до 4 тысяч лет. Таким образом, продолжительность переходного процесса изменения температуры океана имеет порядок 10 тысяч лет. Эта продолжительность не зависит от величины, на которую изменяется поступление радиации.
В один из периодов геологической истории океана значительная часть его воды перешла путем испарения и осадков в континентальные ледяные щиты. Современные ледяные щиты Антарктиды и Гренландии значительно меньше тех, которые были при максимальном развитии оледенений, но и они хранят такое количество льда, которое при таянии способно повысить уровень Мирового океана на 65 м и затопить приморские, наиболее населенные районы суши. Если мы вспомним затраты тепла на таяние льдов, то поймем, что процесс разрушения щитов очень длителен. Например, на него не хватило бы запасов тепла всего современного
океана. Ледяные щиты аккумулируют не только влагу, но и огромные запасы холода, а потому их надо считать вторым инерционным звеном в системе теплового взаимодействия океана, суши и атмосферы;
В 1955 г. американским геологом В. Стоксом была высказана гипотеза, что взаимодействие двух инерционных звеньев — Мирового океана и ледяных щитов — должно иметь очень важные климатические следствия. Если система с такими звеньями будет выведена из состояния температурного равновесия с поступающим теплом Солнца, то она войдет в режим долгопериодных температурных колебаний, когда холодные ледниковые эпохи будут чередоваться с теплыми межледниковыми.
Физические причины таких колебаний были описаны Стоксом в статье «Новый взгляд на ледниковый период».1 Гипотеза Стокса, хотя и в качественной форме, объясняла то удивительное обстоятельство, что с начала ледникового, или четвертичного, периода Земли (500 тысяч лет назад) оледенения проходили волнами, чередовавшимися с теплыми межледниковыми временами. Во время Последнего межледниковья (100 — 70 тысяч лет назад) на Восточно-Европейской равнине и средней Волге произрастали, вечнозеленые деревья, включая тисс, а дуб выходил за Полярный круг. Максимум же последней ледниковой волны наступил 20 тысяч лет назад. Это было время мамонтов, когда среднеиюльские температуры в Европе упали ниже 6° С. До начала четвертичного периода средняя температура океана была значительно выше современной (по Стоксу — на 10°). Следствием высокой температуры было большое испарение, влагосодержание воздуха и осадки. Какой-то первоначальный толчок, например повышение суши в районе полюса, нарушил равновесие влагооборота. Осадки, выпадающие На повышенную поверхность суши, не таяли, а создавали ледники. Альбедо поверхности повышалось и вызывало охлаждение.’ Падение температуры вело к уменьшению влажности и осадков. Таким образом, между испарением и ростом ледников существовала отрицательная обратная связь, которая могла бы ограничить рост ледни-
‘Stokes W. L. Another look at the ice age. — «Science», 1955, vol 122, N 3174, p. 815—821,
ков. Однако огромная температурная инерция океана эффективно препятствовала процессу охлаждения. Это достигалось перемешиванием охлаждавшихся поверхностных вод с глубинными, в то время теплыми водами. ,
Таким образом, оледенение смогло развиться в полную силу и ледники вышли на берега океана. В дальнейшем, в связи с понижением температуры и влажности, скорость роста щитов за счет осадков стала уступать скорости их разрушения за счет таяния и откола айсбергов. Ледники начали сокращаться, и создались условия для возвращения океана к нормальной для него высокой температуре. Если бы не температурная инерция океана, то произошло бы быстрое — нагревание его вод, а возросшая при этом влажность и осадки остановили бы разрушение ледников. Но однажды охладившийся океан нуждается в тысячелетиях накопления тепла, чтобы вернуться к прежней температуре. К этому времени ледяные щиты успевают частично или полностью разрушиться. Наступает теплый межледниковый период, за которым следует очередная волна оледенения.
Те же процессы взаимодействия были рассмотрены в 1966 г. С. Я. Сергиным, но в более полной, а главное, количественной форме.[19] Обратимся к схеме взаимодействия, предложенной Сергиным (рис. 19). По этой схеме земная поверхность и атмосфера образуют систему, управляемую солнечной энергией.
Внешнее воздействие на систему — радиация Солнца. ‘ Она проходит сквозь атмосферу и трансформируется в тепло на поверхности планеты. Результатом этого воздействия будет изменение средней температуры поверхности и изменение температурных градиентов. Последнее обстоятельство не учитывалось Стоксом, однако, по расчетам Сергина, оно имеет принципиальное значение для поведения системы и может переводить ее из области затухающих колебаний в область автоколебаний.
Чем вызван этот градиент и какие он имеет последствия? Изменение температуры происходит главным
образом в направлении меридианов — от экватора к полюсам. Оказывается, что величина этого изменения существенно зависит от площади, занятой в полярных районах материковыми и морскими льдами. Чем больше эта площадь, тем ниже температура воздуха в полярных районах. Расчеты показывают, например, что льды Арктики понижают среднегодовую температуру на 15° С, а ледяной щит Гренландии вызывает отрицательную температурную аномалию в 16° С. Температу-
Морение и материковые льды
& |
Осадки |
Облачность
Атмосф. |
ч77 ‘ 1 // 7*-^ _ Ср. температура поверхности |
Температурные градиенты |
Солнечная |
‘О’ЛИ^ИЩ |
О—г- |
равиация Ср. т-ра |
радиация |
I &05ссь |
воздуха |
t |
Испарение■
Рис. 19. Общая функциональная схема земная поверхность —
атмосфера (по С. Я — Сергину, 1966).
А — атмосфера, Я — поверхность планеты.
ра на поверхности открытого океана никогда не может упасть ниже—2° С. Вблизи границы вода — лед создаются значительные разности температуры — к центру ледяных массивов температура падает, и это падение пропорционально площади льдов (в центральных районах Гренландии среднегодовая температура воздуха. —30°, Антарктиды —60°С). С другой стороны, повышение температуры воды с удалением от льдов вызывается теплом Солнца и происходит тем быстрее, чем больше поступление этого тепла й, значит, чем ‘ ближе расположена к экватору граница льдов. Значит, температурный градиент — величина переменная, зависящая от площади льдов и прежде всего льдов’ морских, поскольку площади материковых льдов (например, Антарктиды) ограничены размерами подстилающей твердой поверхности. ‘ ‘ : ‘ ;
Таким образом, мы можем записать:
G=A(S
где G — средний для поверхности Земли градиент тем — — пературы, a S — средняя площадь, занятая льдом (морским и матеоиковым). . ‘
С другой стороны, чем больше пространственное изменение температуры поверхности, тем больше разности приземного давления атмосферы. Это происходит потому, что теплая поверхность нагревает воздух и увеличивает высоту лежащего над ней слоя атмосферы. Холодная поверхность охлаждает воздух и атмосферная оболочка над ней сжимается. На больших высотах происходят движения, в результате которых толщина атмосферы выравнивается за счет притока воздуха к холодным областям. Таким образом, к охлажденным поверхностям наибольших высотах стекаются дополнительные массы воздуха, которые создают области высокого приземного давления. Над нагретыми поверхностями возникает обратная картина. Значит, большие разности приземной температуры создают большие градиенты приземного давления атмосферы. Но различия давления:— это движущая сила, создающая приземный ветер. Чем больше разность давления, тем сильнее ветер. Мы можем записать зависимость ветра от градиента температуры:
(85) |
W=f2(G),
где W — скорость ветра.
На рис. 19 эта связь показана линией «температурные градиенты». Нарастающая скорость ветра увеличивает скорость испарения с поверхности океана. Эта связь показана линией «атмосферная циркуляция». Испарение увеличивает облачность и осадки. Осадки влияют-на образование снежных и ледяных покровов, которые вместе с облачностью определяют альбедо планеты и с его помощью регулируют подачу солнечного тепла; . . . . •
На рис. 19 показана также связь между средней температурой поверхности океана и состоянием атмосферы. Эта, связь заключается в том, что подстилающая поверхность нагревает атмосферу и этим путем
увеличивает ее возможность поглощать водяной пар без конденсации его в облачность и перехода в осадки. Нагревание океана сопровождается также выделением из него в воздух углекислого газа, который в растворенной и — химически связанной форме содержится в океане в значительно большем количестве, чем в атмосфере. Присутствие в воздухе двух газов — водяного пара и углекислого газа — очень сильно влияет на прозрачность атмосферы относительно теплового излучения. Добавление этих газов делает пропускную способность атмосферы к тепловым лучам избирательной. Чем выше температура тела, тем меньше длина его тепловых волн. Короткие волны солнечной радиации беспрепятственно проходят через воздух, содержащий водяные пары и углекислый газ, но длинные волны теплового излучения земной поверхности поглощаются этими газами. Таким образом создается парниковый эффект земной атмосферы.
Связи, показанные на схеме, были выражены уравнениями и введены в электронную аналоговую модель. Это устройство позволило определять поведение системы земная поверхность—атмосфера в ответ на различного рода случайные возмущения на входе, т. е. в величине поступления тепла. Причины этих возмущений могут быть разными. Это прямое изменение поступающей радиации или изменения поглощаемого Землей тепла за счет изменений ее атмосферы и состояния поверхности. —
Записи, снятые с электронной модели, показали изменения во времени массы ледников и температуры земной ^поверхности (рис. 20). Эти изменения даны в отклонениях от среднего состояния.
В процессе подготовки модели было найдено, что некоторыми связями системы можно пренебречь ввиду их незначительной роли в энергетических процессах. Так, в модели земная поверхность представлена в двух состояниях— льды и океан. Суша учитывается косвенным образом — поправкой на испарение океана. Но изменения площади морских льдов оказались принципиально важными.
Если в модель ввести линейную зависимость площади льдов от температуры океана, то модель работает в затухающем колебательном режиме. Однако в реаль
ном океане связь между температурой и площадью морских льдов весьма сложна, что вызвано соленостью морской воды. В противоположность воде пресной вода океана имеет максимальную плотность при температуре замерзания. Поэтому охлажденные частицы воды, становясь более тяжелыми, чем подстилающие их воды, уходят с поверхности, не успев превратиться в лед. Таким образом, началу замерзания в океане — должно предшествовать интенсивное плотностное перемешивание, которое задерживает рост ледяного покрова.
Рис. 20. Запись автоколебаний системы земная поверхность — атмосфера (по С. Я — Сергину, 1968).
Палеогеографические данные показывают, что при охлаждении земной поверхности площадь морских льдов возрастала сперва быстро, затем все медленнее и медленнее, напоминая в своем изменении ход синусоиды от 0 до я/2. Когда такая зависимость площади льдов от температуры вводилась в модель, изменения климата приобретали незатухающий автоколебательный характер, как это. видно, например, из рис. 20. Колебания здесь развиваются без участия внешнего возмущения, их источником служат отклонения параметров системы от равновесного состояния. В начальный момент времени температура поверхности имеет среднее значение, но уменьшенная масса льдов не соответствует этой температуре (на рисунке масса оледенения показана сплошной линией, а температура поверхности планеты — пунктирной). Такое несоответствие могло бы возникнуть при искусственном уничтожении ледяных щитов. В связи с этим несоответствием температура, как и предсказывают проекты уничтожения льдов, быстро повышается. Однако далекие последствия этого весьма плачевны. Следя за рисунком слева направо, мы видим, что примерно через 25 тысяч лет развивается новое оледенение Земли.
Системный анализ и математическое моделирование глобальных процессов — это вопросы для географии океана и суши относительно новые. В первой половине
нашего столетия моделированию подвергались преимущественно явления локального характера, связанные с развитием или условием равновесного состояния физических процессов в какой-то точке пространства.
Переходя последовательно от одной точки к другой, океанологи смогли рассчитать карты осредненных, в значительной степени идеализированных морских течений и получить величины переносимого ими тепла и солей. Парадоксальным было, однако, то, что объяснить картину циркуляции было иногда труднее, чем рассчитать. Почему у западных берегов Атлантики существуют стремительный Гольфстрим, а у восточных — неустойчивое и медленное движение вод, хотя поле ветра над океаном почти симметрично? Почему Гольфстрим отрывается от берегов Северной Америки раньше, чем на него действуют западные отжимные ветры? Почему, пересекая затем ветровое поле, он устремляется в полярные широты? Почему под ним существует глубинное противотечение? Не зная ответов на эти и другие вопросы, мы не можем предсказывать поведение океанической системы. —
Мы рассмотрели наиболее простые модели, служащие фундаментом дальнейшего развития теории динамической системы океана. Эти модели еще не вошли ни в один из отечественных учебников океанологии или географии, а научные журналы публикуют все новые и новые работы, усложняющие моделирование и приближающие его к реальным условиям планеты.
Таким образом, всякая обзорная работа, посвященная современному моделированию океана, успеет в какой-то мере устареть раньше, чем увидит читателей. Тем не менее понять новое нельзя без опоры на те работы, из критики и усовершенствования которых это новое появилось в науке.