Игорь Николаевич Сачков
Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов
Закон чередования ледниковых эпох Земли
Ледниковыми эпохами (оледенениями) в истории Земли называются резкие понижения средней температуры Земли, которые приводили к образованию ледников, покрывавших большую часть Европы, Азии и Северной Америки (подробнее см. https://www.mirf.ru/science/lednikovye-periody-v-istorii-zemli/ ).
Процесс оледенения наиболее наглядно иллюстрируется изменениями средней температуры на Земле. На рис.10 представлен график изменения температуры за период от настоящего времени до 400 тыс. л. до н.э.
Рис.11. Изменение средней температуры на Земле за 400 тыс. лет, Википедия
Что означает этот график? Нуль температуры на оси ординат рис.10 и нуль на оси времени соответствуют настоящему времени. Климат Земли при этом характеризует картинка рис.3. В этих условиях средняя температура на Земле равна +14 oC . На графике рис.11 этот участок зависимости отмечен красной цифрой «0».
Обращает внимание, что лишь в кратковременные периоды, обозначенные на рисунке красными цифрами от 0 до 4-х, наблюдались потепления, подобные нынешнему. Основное же время Земля имела температуру ниже, чем сейчас, на 2-9 градусов. Геофизические исследования показывали, что в эти промежутки времени север Америки, Европы и России покрывали ледники.
Таким образом, получается, что в последние 400 тыс. лет основное состояние климата Земли – оледенение. На рис.12 изображен пейзаж в районе Парижа, который можно было бы наблюдать во время последнего ледникового периода, если бы существовала машина времени.
По мнению автора брошюры картинка рис.10 является иллюстрацией одного из крупнейших открытий физики последних семи лет. Для ее получения потребовалась разработка методов применения ядерной физики и компьютерных методов обработки информации. График содержит результат работы нескольких тысяч океанографов, полярников, физиков, биологов, компьютерщиков и ученых других специальностей. Подробное описание действий нескольких армий ученых требует отдельной книги. А мы отметим лишь следующее.
Рис.12. Тундро-степь Европы в эпоху последнего оледенения (в представлении художника, Википедия)
Существование периодов оледенений были известны в науке давно, более ста лет. На территории России их назвали Валдайское, Московское и Днепровское, соответственно (рис.11). Подробное рассмотрение процессов оледенений выходит за пределы настоящей брошюры. Дополнительные сведения можно найти в статье https://www.mirf.ru/science/lednikovye-periody-v-istorii-zemli/ .
Сенсацией же последних семи лет является подробное количественное описание изменений температуры. Обнаруженное множество колебаний температуры в течение этого периода времени свидетельствуют о крайней неустойчивости климата Земли.
Следует отметить, что в физике существуют два основных метода исследований – «феноменологический» и «модельный». Первый из них основан на использовании «первых принципов». Они получаются из множества опытов и принимаются как аксиомы. Например, закон сохранения энергии – феноменологический, он получен путем наблюдений и экспериментов. Второй, то есть модельный, подход позволяет обосновывать опытные законы исходя из теоретических расчетов. В частности, закон сохранения механической энергии доказывается с помощью аналитической механики, исходя из аксиомы однородности времени (см. например, Л.Д. Ландау, Е.М.Лифшиц. Механика). При этом однородность времени – тоже аксиома, укладываемая в фундамент теоретических расчетов.
В термодинамике второй ее закон утверждает, что энтропия замкнутой системы в любых процессах увеличивается. Это – феноменологический закон. В то же время статистическая теория Максвелла-Больцмана, объясняет рост энтропии движением молекул. Это – модельная теория.
Подобным образом, климат может описываться и предсказываться и с помощью феноменологических законов, и путем модельных расчетов на компьютерах. В частности, рис.11 показывает, что существует феноменологический закон: теплый климат между ледниковыми периодами должен длиться примерно 10 тысяч лет. Следствие: последний ледник кончился как раз 10 тыс. лет назад. Получается, что на Земле скоро снова наступит глобальное похолодание и оледенение?
Однако у физиков существует глобальная цель – перейти к модельному описанию климата, то есть описать все пики, все изменения, представленные на рис.11, с помощью компьютерных расчетов. Таким образом был бы осуществлен модельный метод предсказания климата. Он заключается в расчетах действия всех различных механизмов, которые им управляют. Продолжим в следующем разделе рассмотрение этих факторов.
Альбедо: разноцветные наряды Земли
Средняя температура планеты определяется прежде всего величиной потока тепла, создаваемого Солнцем. Но при этом количество получаемого тепла зависит от еще одного фактора. Он называется «альбедо» планеты.
Альбедо – это физическая величина, характеризующая долю излучения, отражаемого поверхностью диффузным образом. Рис.13 показывает, что поверхность Земли – разноцветная. При этом для снега альбедо равно 0,9, для сажи составляет 0,04. Именно альбедо существенно меняет величину коэффициента теплообмена планеты γ, который использовался нами при расчете температур Венеры и Марса. Именно то, что мы не учли альбедо, создало существенную погрешность в проведенных нами расчетах.
Рис.13. Фотография Земли, сделанная астронавтами космического корабля «Аполлон 11» 20 июля 1969 года, продемонстрировала различные альбедо различных участков поверхности Земли
Солнечная постоянная легко устанавливается, она обратно пропорциональна квадрату расстояния планеты до Солнца, то есть она максимальна для раскаленного Меркурия и минимальна для замороженного Плутона. Что же касается альбедо, то планеты солнечной системы характеризуются совершенно различными значениями альбедо: оно минимально для поверхностей астероидов, для Меркурия и Луны, составляя примерно 0,1. Поверхность этих космических тел имеет черно-коричневый цвет. Максимальное значение альбедо фиксируется для «голубых» газовых планет Нептуна и Урана (порядка 0,7). Венера также имеет альбедо около 0,7, поэтому она так ярко светится на ночном небе. Самым большим aльбeдo, превышающим 0.9, обладает спутник Сатурна Энцелад. Его поверхность покрыта льдом, отражающим свет, рис.14. В отличие от других планет, альбедо Земли резко меняется при переходе от одной точки ее поверхности к другой, рис.13. Ее поверхность представляет разноцветную мозаику: белые «шапки» полюсов, белые Гималаи, белые облака. Синие, зеленые, оранжевые пространства океанов, лесов и пустынь. При этом значения альбедо различных участков значительно отличаются друг от друга. В частности, снег и облака имеют альбедо 85-90%. Хвойный лес, лиственный лес, луга, поля, пустыни, скалы и т.д. характеризуются альбедо, меняющимися в широких пределах, от 5 до 25%. Как известно, две трети земной поверхности занимают океаны и моря. При этом их альбедо меняется от 5 до 10%, в зависимости от угла падения солнечных лучей и состояния водной поверхности. Альбедо зависит также от географической широты, оно максимально для полюса и минимально для экватора, при прочих равных условиях.
Рис.14 Спутник Сатурна Энцелад (слева) , https://img-fotki.yandex.ru/get/65488/214291281.bb/0_1da5cd_f2cf7b6f_orig.jpg и Меркурий, https://avatars.mds.yandex.net/get-zen_doc/3502204/pub_5eede402ea1f4f4969193095_5eede4312231600b3dbd40cf/scale_1200
Таким образом, если некоторый район Земли покрыли облака, то общий приход тепла от Солнца уменьшится. Если море покрывается волнами, поглощение тепла усиливается. То же самое произойдет, если растает ледник на горах. И т.д.
