Игорь Николаевич Сачков
Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов
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
Ячейки Бенара существуют не только в «пробирках» ученых. Космическая станция «Кассини» прислала фотографию облаков на полюсе Сатурна. Они образуют почти правильный шестиугольник, подобный ячейке Бенара, рис.9. Наблюдения, начатые еще станциями Вояджер-1 и Вояджер -2 и продолженные Кассини, показали, что правильная фигура, которая видна на рисунке, стабильна уже в течении более 20 лет. Предполагается, что эта структура образуется потоками тепла, которые распространяются от центра планеты-гиганта к ее поверхности. Источники тепла пока неизвестны.
Проведенные в инфракрасном диапазоне наблюдения показали, что шестигранная структура Сатурна является вихрем, имеющем прямые «стены», уходящие на глубину порядка 100 км. Таким образом, он подобен одиночной ячейке Бенара.
В атмосфере Земли тоже существуют синергетические ячейки. Но они не шестигранные, а имеют очень сложное строение. Примером служат ячейки Хедли, которые «помогают» переносить тепло от экватора Земли в ее средние широты.
Рис.9. Шестигранная ячейка на полюсе Сатурна, фото станции Кассини, https://pbs.twimg.com/media/D8r_YrQWwAAyySy.jpg
Следующим хорошо известным синергетическим явлением атмосферы Земли и других планет является турбулентность. Она заключается в том, что если поток газа или жидкости тормозится препятствиями или какими-то стенками, то возникает множество вихрей, накладывающихся друг на друга. В результате движение делается внешне беспорядочным, хаотичным. Турбулентность – это одно из хорошо известных, и очень опасных для самолетов, явлений.
Турбулентность хорошо видна в атмосферах планет-гигантов. На рис.10 изображены открытые в 2019 г. вихри планеты Юпитер. Особенность углеводородной атмосферы Юпитера и Сатурна состоит в том, что цвет облаков там заметно меняется в зависимости от изменений температуры. Поэтому вихри хорошо поддаются выявлению и анализу.
Основы науки синергетики не попали пока в школьные и вузовские учебники по физике, потому что эта наука – новая. Более подробное описание некоторых ее эффектов можно найти в электронном файле https://www.dropbox.com/s/95bqng6rgiocpmo/s7.docx?dl=0 .
Наша брошюра называется «Климатические катастрофы». Слово катастрофа здесь – это научный термин. Он означает, что объект теряет устойчивость и в нем происходят достаточно резкие изменения его состояния. Эти процессы описывает особый раздел математики, который называется «теория катастроф». Он включает такие теории, как описание «бифуркаций решений дифференциальных уравнений», классификации «разрывов, изломов и иных особенностей многомерных математических функций» и т.д. В частности, некоторые синергетические катастрофы описывается математически, как «процесс, протекающий с обострением». Впервые их открыл академик С.П. Курдюмов с сотрудниками Института прикладной математики имени М. В. Келдыша при изучении поведения плазмы.
Рис.10. Турбулентные вихри в атмосфере Юпитера, фото космической станции Юнона, https://artpa.ru/assets/components/phpthumbof/cache/9d0def8677f0bfe0b58dc524382f95c5_ce_1080x1080x0x0_cropped_800x800.a00e10b767023a95f5c88735a342a0cf.jpg
Основы науки синергетики не попали пока в школьные и вузовские учебники по физике, потому что эта наука – новая. Более подробное описание некоторых ее эффектов можно найти в электронном файле https://www.dropbox.com/s/95bqng6rgiocpmo/s7.docx?dl=0 .
Наша брошюра называется «Климатические катастрофы». Слово катастрофа здесь – это научный термин. Он означает, что объект теряет устойчивость и в нем происходят достаточно резкие изменения его состояния. Эти процессы описывает особый раздел математики, который называется «теория катастроф». Он включает такие теории, как описание «бифуркаций решений дифференциальных уравнений», классификации «разрывов, изломов и иных особенностей многомерных математических функций» и т.д. В частности, некоторые синергетические катастрофы описывается математически, как «процесс, протекающий с обострением». Впервые их открыл академик С.П. Курдюмов с сотрудниками Института прикладной математики имени М. В. Келдыша при изучении поведения плазмы.
Изменения климата, рассматриваемые в настоящей брошюре – это тоже синергетические процессы. Они отличаются самопроизвольностью, непредсказуемостью и катастрофичностью.
Почему они возникают? Это – очень важный вопрос! Механические часы работают благодаря тому, что у них внутри содержатся соответствующие механизмы: зубчатые колеса, пружины, маятники. Они создают чудо: стрелки сами собой показывают время. Синергетические катастрофы климата также происходят из-за наличия ряда соответствующих механизмов. Большинство из них открыты в последние семь лет, в частности благодаря полетам на другие планеты. Рассмотрим их кратко ниже.
