ГЛАВА
ТЕРМОДИНАМИКА ОКЕАНА
Суть данного раздела исследований сводится к доказательству положения о том, что находящаяся вблизи звезды планета, имеющая атмосферу и океан, неустойчива по отношению к силам, вызывающим ее вращение вокруг своей оси.
До сих пор представления по данному вопросу укладывались в аксиому: “Вращение вокруг оси — общее свойство свободных тел, одна из форм их движения. Оно возникает за счет того, что скорости частиц, из которых образовалось тело, обязательно имеют составляющую, перпендикулярную радиусу. Сложение этих составляющих по закону сложения векторов определяет направление и угловую скорость вращения тела” [18].
Данное утверждение касается лишь начального момента образования планеты и мало чем проясняет ее сегодняшнее состояние.
Нам же предстоит установить, что при определенных условиях планета, воспринимающая солнечные лучи, должна самопроизвольно вращаться. Причем величина угловой скорости устанавливается в зависимости от интенсивности солнечного излучения, размеров и массы планеты, а также свойств ее газожидкостной оболочки.
2.1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЦИРКУЛЯЦИИ ПОТОКОВ В ОКЕАНЕ
Принято считать, что природные явления на Земле носят естественный характер. Под этим подразумевается наиболее распространенный и безупречно действующий процесс естественной циркуляции потоков, суть которого рассмотрена в предыдущем разделе.
Но наблюдаемые атмосферные процессы довольно хаотичны и в значительной степени отклоняются от законов естественной циркуляции.
В еще меньшей мере укладывается в существующие представления динамика вод Мирового океана. Обогрев Земли Солнцем приводит к тому, что теплые воды располагаются над холодными, что само по себе исключает возможность возникновения естественной циркуляции. Между тем, мощные течения пересекают океан в различных направлениях, а на их границах с неподвижными слоями непрерывно возникают и исчезают водные вихри. Вихри образуются также под воздействием ветра (циркуляционные ячейки Ленгмюра). Наиболее значительное морское течение существует вблизи берегов Антарктиды (циркумполярное течение) [19—21].
Разумеется, для генерирования вихрей и поддержания определенной скорости течения потоков необходима энергия. Логично предположить, что динамические процессы в океане вызываются и поддерживаются как за счет энергии воздушных потоков, так и частичного использования энергии вращения Земли. Очевидно также следствие такого подхода: постоянное поглощение энергии Земли на образование и поддержание водных структур неизбежно приведет к снижению скорости ее вращения. Поскольку этого не происходит, то должен быть механизм непрерывной подпитки энергии вращения Земли энергией Солнца, но отличный от механизма естественной циркуляции потоков. Эту частную задачу по выяснению механизма циркуляции будем решать поэтапно.
2.1.1. Гидродинамическая модель циркуляции
Вначале примем за основу приближенную гидродинамическую модель циркуляции, относящуюся к несжимаемым жидкостям, и покажем ее положительные и отрицательные стороны.
Предположим, в некий сосуд с вертикальной герметичной перегородкой налиты: в один отсек — теплая вода, а в другой — холодная. Осторожно извлечем перегородку. При начавшемся смешении теплая вода будет стремиться занять верхнее положение в отсеке холодной воды, а холодная — растекаться по всему дну сосуда.
Именно эта причина, как утверждают океанологи, заставляет двигаться теплую воду к полюсам, а холодную — к экватору [22].
Попытаемся в первом приближении ориентироваться на эту так называемую “термохалинную” циркуляцию.
Глядя на Землю сверху, можно увидеть, что у восточных побережий материков расположены мелкие моря. Эти моря выполняют роль аккумуляторов тепла. Отсюда начинают свой путь наиболее мощные теплые течения. Двигаясь в северо-восточном и юго-восточном направлениях, эти потоки как бы увлекают за собой Землю, что и определяет направление ее вращения. Получив от теплых потоков импульс силы, Земля передает его холодным потокам. В принципе данной ситуации соответствует на диаграмме p—V (рис. 5) равенство площадей bcab и a21ba (без учета трения в потоках). Но в качестве сил, проталкивающих холодные потоки в зону нагрева к экватору, выступают теперь силы центробежного поля Земли.
Не нужно забывать, что в природных условиях слои воды находятся на шаровой вращающейся поверхности. Оба вида потоков участвуют в общем с Землей вращении. Так, теплый поток на экваторе обладает линейной скоростью 464 м/с. По мере продвижения к полюсу его расстояние от оси вращения Земли уменьшается, и в силу сохранения количества движения скорость вращения должна увеличиться. Когда этот поток достигает широты45°, его расстояние от оси вращения Земли составит 0,707 своего первоначального значения на экваторе, и вследствие этого его скорость вращения около земной оси должна увеличиться до 656 м/с. Между тем, скорость вращения земной поверхности на широте 45° меньше и составляет всего 328 м/с. В этой ситуации в теплом потоке должна была бы возникнуть неустойчивость. Но поскольку теплый поток через слои воды передает свое теряемое количество движения холодному потоку, то значительных возмущений потоков не происходит. Тем не менее, наблюдаемая форма передачи импульса силы через образование вихрей ведет к большим потерям энергии на трение в закрученных потоках воды.
Гидродинамическая модель позволила установить, что Земля принимает участие в циркуляции воды в океане, воспринимая определенное количество движения от теплых потоков и передавая его холодным потокам.
И все же приближенная модель не в состоянии объяснить причин погружения теплых потоков в холодные слои при подходе к полярным зонам.
Кроме того, получаемой за счет разницы плотностей теплой и холодной воды кинетической энергии явно недостаточно для прокачивания потоков с определенной скоростью на тысячи километров через слои неподвижной воды и для преодоления трения в образующихся вихрях.
Ситуация меняется, если расчеты проводить на базе газодинамической модели.
2.1.2. Газодинамическая модель циркуляции
Априори можно утверждать, что основной момент количества движения Земли возникает в нижних и средних широтах, воспринимающих основной поток солнечной радиации. В самом деле, если колоссальная масса воды непрерывно испаряется, поступая в атмосферу в виде высокоскоростных паровоздушных потоков, то океан должен испытывать ответную реакцию, воспринимаемую затем Землей.
Проследим путь преобразования энергии. С этой целью рассмотрим несколько схем, поясняющих наблюдаемые процессы.
Рассечем Землю по экватору и посмотрим на один из секторов этого сечения со стороны, например, Северного полюса (рис. 6). В случае неподвижной Земли потоки пара радиально поднимаются от ее поверхности, захватывая с собой и нагревая воздух.
Каждый паровой поток (стрелка А) сообщает Земле свое количество движения. Реактивные силы направлены по радиусу к центру Земли. Поскольку паровые потоки расположены равномерно по шаровой поверхности, то возникающие импульсы силы компенсируют действие друг друга.
Ситуация изменяется при вращении Земли. В этом случае незначительное запаздывание скорости вращения атмосферы относительно скорости вращения Земли приводит к искривлению направления движения парового потока А'. Этому же направлению соответствуют импульсы сил, равные количеству движения, приобретенному потоками за счет тепловой энергии океана (рис. 7). Вектор А является реакцией этой силы. Разложим вектор А на составляющие В и С. Воздействие вектора С и заставляет Землю вращаться.
На данном этапе исследования ограничимся рассмотрением процессов в пограничных слоях.
На самой границе океан-атмосфера расположены ламинарные слои с аномальной температурой. Здесь нас интересует слой воды толщиной примерно 5·10-2 м, где происходит снижение температуры по направлению к границе раздела фаз на величину 1-3 °С. Это снижение вызвано потерей тепла поверхностным слоем в результате излучения в атмосферу, испарения и контактного теплообмена с воздухом. Но основная часть тепла уходит в атмосферу путем испарения воды.
Рис. 6. Сектор экваториального сечения неподвижной Земли
Z — центр Земли; R — радиус; F — сечение поверхности Земли; A — направление движения влажных потоков воздуха.
Рис. 7. Сектор экваториального сечения вращающейся Земли
Е — направление вращения Земли; А' — направление движения влажных потоков воздуха; А — вектор силы реакции влажного потока воздуха; В, С — составляющие силы реакции.
Ниже тонкого слоя расположен так называемый термоклин с более высокой температурой воды [23, 24].
В создании крутящего момента Земли участвует также и тонкий ламинарный слой атмосферы, прилегающий непосредственно к поверхности океана. Зададимся лишь такой толщиной атмосферного слоя, где падение температуры вверх от границы раздела фаз происходит на туже величину, что и в поверхностном слое воды, т. е. 1-3 °С. Указанное допущение вытекает из того факта, что границу раздела фаз нельзя считать строго фиксированной. Даже в спокойную погоду вершины гребней зыби на поверхности океана и мелкие брызги преодолевают высоту, соответствующую выбранной толщине атмосферного пограничного слоя.
Таким образом, суммарный температурный напор, обеспечивающий испарение воды с поверхности океана, составляет 2-6 °С.
Теперь для оценки количества движения, получаемого Землей на границе раздела атмосфера-океан, мы имеем полное право воспользоваться уже известным нам треугольным циклом. Для этого рассмотрим систему, состоящую из теплого течения, например Гольфстрима, и обратного холодного потока, движущегося в глубине океана. По мере движения теплого потока к северу часть водыиспаряется, образовавшиеся пары поднимаются вверх, причем резкое падение их температуры на единицу высоты наблюдается в тонких слоях, прилегающих к поверхности океана. В верхних слоях атмосферы пары конденсируют и в виде дождя вновь выпадают на поверхность Земли.
Данная последовательность явлений графически выглядит на диаграмме T-S как ступенчатый треугольный цикл (рис. 8). Испарение воды с поверхностного слоя океана соответствует адиабатным процессам c1d1, c2d2, c3d3 и т. д. Условно примем, что отвод пара из тонкого ламинарного пограничного слоя атмосферы эквивалентен его конденсации.
Рис. 8. Ступенчатый цикл циркуляционного контура Земли в системе координат T—S
После конденсации водяного пара и перемещения основной массы остывающей воды по течению (процессы d1a1, d2a2, d3a3 и т. д.) следует нагнетание воды в зону нагрева (процессы a1b1, a2b2, а3b3 и т. д.). Наконец, линии b1c1, b2c2, b3c3 и т. д. относятся к процессу нагрева воды за счет солнечного излучения.
Суммарная площадь треугольных циклов отдельных участков потока соответствует количеству тепла, преобразуемого в работу, расходуемую на ускорение вращения Земли.
Сумма длин вертикальных участков a1b1, a2b2, a3b3 и т. д. находится в корреляции с работой Земли, затрачиваемой на перекачивание холодного потока к экватору. Сюда же следует отнести работу Земли по преодолению своего торможения в результате выпадения ранее испарившейся влаги в виде дождя. Количество энергии, полученное Землей на одном из участков теплого потока, в тот же момент передается ею участку холодного потока, протекающему в нижележащих слоях воды. По сути дела, Земля действует как своеобразный многоступенчатый турбонасос, непрерывно вырабатывающий и сразу же поглощающий механическую энергию. Причем диаметр ступеней турбины уменьшается от экватора к полюсам, а насоса, наоборот, — увеличивается.
Тем самым Земле удается перебросить избыток тепла с экватора к полюсам.
Реакция С, обеспечивающая вращение Земли (рис. 7), проявляет себя лишь до зон погружения теплых вод в глубь океана. Само же по себе погружение теплой воды вызвано всасывающим действием подводных частей материков, вращающихся вместе с Землей. Так, например, шельфы полуостровов Антарктиды действуют как лопатки центробежного насоса, всасывающего воду (в том числе и поступающую с поверхности) и нагнетающие ее в обратном направлении к экватору. При этом основная часть глубинной воды поднимается по склонам шельфа к поверхности. Сохраняя свой момент количества движения, вытолкнутые на поверхность потоки воды частично поддерживают циркумполярное течение, создаваемое вокруг Антарктиды западными ветрами.
Примерно так же действует дно Северного ледовитого океана. Представим себе чашу, наполовину заполненную водой. Причем ее сечение слегка увеличивается с высотой. Примемся быстро вращать чашу вокруг своей оси. Вода также начнет вращаться, постепенно поднимаясь по конической стенке и переливаясь через ее край. Именно так действует дно океана, всасывая потоки воды в своей центральной части и нагнетая их к экватору своей периферийной более высокой частью.
Из анализа треугольного цикла мы знаем, что теплый поток обладает достаточным количеством движения для того чтобы, восполняя массу убывающей холодной воды, войти с поверхности внутрь центральной вращающейся части дна океана. Представленный механизм действия выступающих к экватору частей шельфа Антарктиды и дна Северного ледовитого океана вполне реален, если допустить, что в приполярных районах вращение Мирового океана вокруг оси Земли несколько запаздывает по отношению к вращению самой планеты.
Обратимся к свойствам Земли как реактивной турбины. Из теории известно, что максимальный КПД таких турбин достигают при разбиении располагаемого температурного напора на несколько частей. В этом случае удается снизить скорость течения пара в каждой ступени и тем самым добиться минимальных потерь на трение потоков о стенки каналов [25, 26].
Земля успешно справляется с этой задачей, реализуя многоступенчатый треугольный цикл.
Достижимый КПД сопл малого диаметра (3-5) х 10-3 м реактивной турбины, работающей на вскипающей жидкости, находится в пределах 64 % [27]. Можно представить себе сотовое расположение циркуляционных ячеек над поверхностью теплых течений. Тогда подъемные каналы этих ячеек действуют как сопла реактивной турбины.
Последнее обстоятельство открывает возможность приближенной экспериментальной оценки внутреннего КПД циркуляционных ячеек, действующих на границе океан-атмосфера при температурных напорах 2-6 °С.
Отметим, что суммарное действие ячеек заключается в сообщении Земле определенного количества движения, преобразуемого ею в момент количества движения. Отсюда экспериментальная модель должна выглядеть как массивный вертикальный вал, имитирующий тело Земли, с установленными на нем реактивной турбиной (аналог, например,экваториаль- ной зоны Земли) и циркуляционным насосом (аналог шельфа Антарктиды). С учетом шаровой формы Земли диаметр турбины должен быть значительно больше диаметра насоса.
Впрочем, данная модель может рассматриваться и как отдельная ступень макросистемы: теплое течение-Земля-холодное течение.
Установку необходимо также снабдить теплообменником для подогрева циркулируемой воды и конденсатором для конденсации пара, образующегося при вскипании воды в соплах турбины.
Предстоит показать, что при температурных перегревах циркулируемого потока в пределах 2-6 °С вал турбонасоса самопроизвольно начнет вращаться. При этом вырабатываемой турбиной энергии будет достаточно для работы циркуляционного насоса, забирающего холодную воду после турбины и конденсатора и нагнетающего ее через теплообменник в ту же турбину. Такая циркуляция соответствует наблюдаемой циркуляции воды в океане.
Кроме доказательства термодинамической природы вращения Земли, сопровождаемого циркуляцией потоков, модель должна позволить оценить КПД циркуляционных контуров, действующих при столь низких температурных напорах.
Выдвинутым требованиям к экспериментальной модели Земли в основном удовлетворяет компактная испарительная установка с турбинным приводом циркуляционного насоса [28].
Рассмотрим результаты испытаний этой установки. Внешний вид ее дан на фото (рис. 9), а схема установки представлена на рис. 10.
Рис. 9. Внешний вид испарительной установки: а — в процессе монтажа; б — в рабочем состоянии
