Всякий виявлений парадокс ненавмисно заперечує якусь усталену думку, що здається безумовно правильною. Нові знання часто і починаються з спроб пояснити і «закрити» парадокс. На цей раз протиріччя таке. Чому не промерзають до дна озера криолітозони (так називають місця з негативною середньою річною температурою)? Наприклад, в Якутії вічна мерзлота поширюється в глибину до півтора кілометрів, а озера лише під кінець суворої північної зими покриваються шаром льоду товщиною не більше метра.
Замерзає, але не промерзає
Всі відкриття, складові фундаментального даху наших знань про природу, як ніби вже зроблені. У всякому разі, так прийнято вважати. Часом і в наш час трапляютьсяістотні, іноді навіть глобальні наукові одкровення.
Вражає відкриття, що випало на долю Кандидата географічних наук Л.І.Файко
Багатьом здається, ніби вони знають відповідь про причину такого малого промерзання водойм. Нам ще зі шкільної лави пояснюють малою теплопровідністю льоду. Для тих, хто слабо знайомий з вічною мерзлотою, таке пояснення виявляється цілком достатним. Однак встановлено, що коефіцієнт теплопровідності верхніх шарів грунтів самого різного складу ще менше, ніж у льоду. Значить, в зоні панування негативних середньорічних температур повітря грунт мав би промерзати ще в меншій мірі, ніж водойми. А відбувається все навпаки.
Сам цей парадокс, звичайно, відкритий не сьогодні і не вчора. Про нього знали давно і намагалися його пояснити. Для дрібних озер в якості причин називали різноманітні слабкі джерела тепла: розкладання біомаси, акумуляція проникаючої крізь воду теплоти сонячної радіації. Для глибоких озер ці джерела здавалися недостатніми, і пошуки інших дещо тривали. З найбільшою не промерзлою водоймою, Північним Льодовитим океаном, все, начебто, йшло просто: сюди в достатку надходять теплі води Атлантики.
Але тоді знову парадокс: в самій Антарктиді, де температурні умови куди більш жорсткі, ніж в північній полярній області, виявлені озера, що не розкриваються і тим не менш аж ніяк не промерзаючі, внутрішніх джерел тепла в яких зовсім немає. Мало того, в деяких з них вода постійно нагріта істотно вище нуля за Цельсієм.
Якщо детально проаналізувати процес теплообміну через багаторічний крижаний покрив, можна прийти до висновку, що Центральний Арктичний басейн не буде промерзати навіть і в тому випадку, якщо зовсім припиниться приплив теплих вод в нього з боку. значить, внутрішні джерела тепла - не головна причина непромерзання. Тоді в чому ж вона?
Помилка, що закрила дорогу до істини
Всі ми вчимося у викладачів. Початківці вчені осягають ази науки у самих авторитетних, маститих. І якщо авторитет помиляється, а вчений меншого рангу у всьому на нього покладається, то дослідження неминуче заходять в глухий кут.
Одним з визнаних авторитетів серед гідрофізиків був академік В.В.Шулейкін. його багаторазово перевидані книги «Фізика моря» і «Нариси з фізики моря» донині служать настільними посібниками для кожного, хто вивчає моря. Тут є чому повчитися, але - тільки не гляціологу.
В. В. Шулейкін стверджує: «При таненні кожного грама льоду поглинається, як відомо, близько 80 кал., які віднімаються від навколишньої води... Рівно стільки ж тепла як би виділилося при утворенні крижаного покриву...»
Сміємо запевнити: ці дві фрази застопорили на десятиліття все дослідження процесів, що відбуваються в водоймах Крайньої Півночі. За Шулейкіним, їх розморожування є не більше ніж замерзання з протилежним знаком - між тим і іншим вбачається повна оборотність і рівновісність.
Не занадто це приємно - вказувати на помилку великого і заслужено шанованого вченого, - але хіба можна порівняти ціну істинного, точного знання з ціною будь-яких емоцій?
Отже, в чому ж вона, помилка. Неважко помітити, що лід на водоймах - будь-яких, не тільки північних - тане набагато швидше, ніж намерзає. Поговоримо все-таки про Північ, де цей ефект вже дуже яскраво виражений і легко спостерігається. Скажімо, в Якутії на озерах лід намерзає взимку в середньому протягом 210 діб, а повністю тане всього лише за якийсь місяць. Контраст вийде ще ефектніше, якщо порівняти витвори негативних і позитивних градусо-діб протягом року. Це дуже просто: дні множаться на градуси з відповідним знаком - так здавна поступають в своїх розрахунках гляціологи і кліматологи.
Так ось, в Якутії негативних градусо-діб виходить в межах 5000-7000, а позитивних - приблизно 200. І тим не менше нагадую: то, що намерзає за сім місяців, тане потім за один. Щось тут не так. Дивна якась оборотність, щонайменше, сумнівна рівновісність!
Та до того ж і така асиметрія намерзання і танення - не межа. У Північному Льодовитому океані вона більш вражаюча ще в сотні разів. І при цьому все-таки цілком очевидно, що при намерзанні і таненні теплота кристалізації і теплота плавлення відповідно виділяються і засвоюються в абсолютно еквівалентних об'ємах. Не турбуйтеся: закон збереження енергії ми не скасовуємо і вічний двигун винаходити не збираємося.
Заковика ж полягає в тому, що намерзання плавучого льоду і його танення - принципово різні процеси. Ні про яку рівновагу між ними і мови бути не може. Намерзання відбувається на нижній поверхні льоду, з боку води. При цьому передача теплоти кристалізації через всю товщу льоду в атмосферу стримується його ж кондуктивною теплопровідністю - це ж самий повільний, самий утруднений спосіб передачі тепла.
Танення ж починається на поверхні льоду, зверненої до Сонця, потік сонячного тепла, що його викликає, не зустрічає тієї потужної теплоізолюючої перепони, яку являє собою сам лід.
Але це ще не все. Лід тане дуже нерівномірно. Першими розріджуються ті кристаліти, що замерзли останніми, - а саме ті, де міститься більше домішок. У разі, морської води головна домішка, ясна річ, сіль. Лід не тане рівномірно, по горизонтальній площині, а стає пористим, повітряним - ось і спливає лід, підставляючи Сонцю свою верхню частину, що активно сприяє своєму подальшому таненню. У товщі льоду виникають звивисті міжкристаллічні канали, по яких тала вода, засвоївши теплоту плавлення, поступово стікає вниз, під лід, і конвективно (а значить, з великим лишком) повертає в водойми втрачену при намерзанні теплоту.
Тепер і з вічною мерзлотою стає все набагато ясніше. Її замерзлі шари не можуть спливти над талими, вивільняючи обсяг для стікаютчих талих вод. Отже, не може мерзлота і відновити випарувану теплоту кристалізації більш інтенсивним поверненням теплоти плавлення. В цьому випадку теплообмін між льодом і повітрям відбувається кондуктивно, через масу льоду, і ніяк інакше. Ось чому з мерзлотою все виходить цілком зворотньо і рівновісно.
Якби не було цієї асиметрії замерзання - танення, Північний Льодовитий океан і при сучасному кліматі промерз би так само глибоко, як кріолітозона. А між тим цей суворіший з океанів утримує тепла як мінімум на 400 Дж/см3 більше, ніж навколишня його вічна мерзлота. Така властивість океану важлива, зараз ми в цьому переконаємося.
Деякі додатки неврівноважності
Взагалі кажучи, і у неврівноваженого стану є своя рівновага. Багаторічний лід наростає не безмежно. Через деяке число років (або, вірніше сказати, зим), якщо лід не винесе в Атлантику, він досягає постійної, так званої рівноважної товщини, коли він щорічно тане на стільки, на скільки ж намерзає. Знову неординарне, суперечливе явище: рівноважну товщину льоду створює нерівноважний обмін теплотою фазових перетворень. А за цим парадоксом ховаються багато наслідків, що мають незвичайне прикладне значення. Наприклад, виявляється, що температура коротенького північного літа, на яку зазвичай і уваги ніхто не встигає звернути, набагато сильніше впливає на товщину льоду, ніж довгі зимові морози. Якийсь зайвий непередбачений десяток позитивних градусо-діб може запросто компенсувати вплив сотень градусо-діб негативних. Воно тепер нам уже й не дивно: адже ми знаємо, що лід тане набагато інтенсивніше, ніж намерзає. Це дуже важливо для гідрометеорологів, які складають прогнози льодової обстановки. Виявлена закономірність в корені міняє результати всіх теплових і теплобалансових розрахунків по водоймах і навіть по суходолу. З теплотою кристалізації і раніше зазвичай рахувалися, а про теплоту плавлення часто забували. Вона як би сама собою кудись зникала, виправдовуючи застарілий термін «прихована теплота». Тепер, оскільки ясно, що саме цю теплоту талий стік передає водоймам, доведеться з нею впритул познайомитися.
Ще один цікавий факт: замерзла водойма найінтенсивніше засвоює тепло в період танення льоду, а зовсім не в пору жаркого літа. Йдеться саме про засвоєння тепла, тобто збільшення питомого тепловмісту (ентальпії), а не просто про нагрівання. З талою водою в озера Якутії «стікає» енергія: до 2000 Дж/см2 в день, а в жарку пору - уп'ятеро менше.
Останнє пояснюється тим, що більша частина тепла, що обігріває влітку поверхню відкритої водойми, відразу витрачається на пароутворення, чого не буває під крижаним покривом. І, як уже можна здогадатися, найменше тепла водойма втрачає взимку, будучи під надійним крижаний захистом.
Можна назвати й інші наслідки «льодової неврівноваженості», але обмежимося сказаним, найзагальнішим і основним, - і поглянемо тепер ширше на всю нашу неньку-Землю.
Добре відомо, що стан зовнішніх сфер нашої рідної планети (атмо-, біо-, гідро- і всіх інших) багато в чому визначається однією з них - океаносферою. Отже, є підстави очікувати змін у поглядах кліматологів і палеокліматологів на минулі і майбутні заледеніння Землі.
Поки з усього тут сказаного напрошується висновок: за будь-яких мислимих зміни зовнішнього теплообміну Землі її заледеніння неможливо. Океаносфера не може ні замерзнути, ні, тим більше, промерзнути наскрізь. При будь-яких минулих кліматичних катаклізмах океани берегли життя нашої планети, бо навіть в найгірших умовах його тепло завжди надійно охороняв від розтрати крижаний покрив.
Тепло з холоду - від теорії до практики
Почнемо, мабуть, з інженерних «дрібниць». З'ясувавши, як, чому і як повільно намерзає лід на водоймах, задумали позбавити воду крижаного покриву, щоб ... прискорити намерзання льоду. Так в Якутії з'явився відомий вже багатьом індустріальний спосіб прискореного намораживания крижаних масивів: дощування. ідею відразу оцінили дорожники, які зрозуміли, що так можна намораживать міцні крижані переправи вже з початку осені. Спосіб приносить економічний ефект, що обчислюється мільйонами рублів в рік.
Так була побудована велика крижана гребля на судноплавній річці Амге.
Але давайте заглянемо трохи далі сьогоднішнього дня. Нехай під льодом, що сковує річку або озеро, встановлена ідеально герметизована ємність з рідиною, що кипить поблизу 0°С.
Чи не бачиться вам тут джерело надзвичайно дешевої енергії? Уявімо собі таку установку: рідина кипить на поверхні пористої металевої пластини, добре проводить тепло. Пар обертає турбіну, потім конденсується в іншому резервуарі, що знаходиться над льодом, на морозному повітрі, - після чого під власною вагою знову надходить у вихідний робочий резервуар для розігріву і кипіння (адже там температура, як ми знаємо, набагато вище). Процес безперервний. До того ж зауважимо, що серед низкокиплячих рідин зустрічаються недорогі і абсолютно екологічно нешкідливі.
Ні, нам зовсім не думається, що сьогодні хтось стане будувати подібну електростанцію - працювали б надійно хоч ті, що є. Але замислимося: ми в нашій сучасній енергетиці постійно щось спалюємо, перегріваючи і засмічуючи біосферу, або перегороджують річки, псуючи їх і затоплюючи родючі землі! Іншими словами, все, що б ми не робили, - це жахлива штучно насаджувана нами неврівноважність. На її створення ми витрачаємо неймовірні зусилля, перекручуючи природу і самих себе, - щоб потім з неї, з цієї неравновесности, витягти енергію.
А тут - подивіться: ніщо не горить, не знищується. Природа пропонує нам свою величезну, нерукотворну, природну неравновесность: підходь і бери дарову чисту енергію.
