ГЛАВА
ТЕРМОДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ
Исследуем устойчивость планеты к вековым изменениям климата. Кроме того, проследим тенденцию климатических изменений в последние тысячелетия.
Как уже упоминалось, поверхностные слои океана разогреты на экваторе до 27—29 °С. Конденсация паров воды в атмосфере происходит при 0 °С. Таким образом, располагаемый температурный напор на экваторе составляет порядка 27—29 °С, а в средних широтах эта величина снижается до 15-20 °С.
В своем пограничном слое океан и атмосфера затрачивают на вращение Земли примерно пятую часть располагаемого температурного напора, остальное приходится на атмосферу.
Таким образом, основное количество тепловой энергии, способной быстро преобразовываться в кинетическую, находится в атмосфере.
Как писала американский метеоролог Джоан С. Малкус, водяной пар — это основное “горючее” атмосферы: по крайней мере в ее нижних слоях именно в процессах испарения следует искать причины, порождающие движение воздуха, то есть ветер. Ветер, в свою очередь, воздействует на море, и при этом происходит прямая передача механической энергии морю. Эта энергия и является главной причиной, порождающей генеральные системы поверхностных океанических течений и морские волны [22].
В отличие от океана, в атмосфере подогреваются нижние слои, что способствует естественной циркуляции потоков. В нижних широтах возникают устойчивые циркуляционные ячейки (ячейки Гадлея), в средних широтах проявляются слабые циркуляционные ячейки (ячейки Фарреля). Зональная циркуляция дополняется восточными ветрами в экваториальной зоне и западными — в средних широтах. Различные крупномасштабные турбулентные образования типа циклонов, антициклонов и волновых структур в зональных потоках обеспечивают требуемый перенос тепла и момента количества движения [36-38].
Вместе с тем, ряд аспектов общей циркуляции атмосферы не получил должного теоретического объяснения. В частности, условия зарождения и рассеивания кинетической энергии потоков никак не связываются с изменением скорости вращения Земли. Кроме того, физическая модель процессов разрабатывалась без учета состояния атмосферы в ледниковые периоды. Без реконструкции климатических условий прошлого невозможно понять наблюдаемые сегодня изменения погоды и климата.
Рассмотрим основные зоны, где сейчас рождаются моменты количества движения, и установим закономерности передачи атмосферой этого количества движения Земле. Те же операции выполним для периодов оледенений и уточним, как изменялась при этом скорость вращения Земли.
Предположим, что поднимающиеся с ускорением вверх потоки влажного воздуха сообщают определенное количество движения Земле.
Поскольку, как уже говорилось, атмосфера несколько запаздывает по отношению к вращению Земли, то потоки воздуха поднимаются от поверхности океана по искривленному пути. Причем сечение потоков с высотой увеличивается. Форма каждого потока напоминает профиль изогнутого сопла Лаваля. Вектор импульса силы можно разложить на составляющие также как и в случае с вектором в пограничном слое атмосфера-океан (рис. 7). В итоге выделенная нами горизонтальная часть реакции импульса должна способствовать вращению Земли. Вместе с тем, данная схема энергетических преобразований справедлива лишь для спокойных условий, не нарушаемых какими-либо возмущениями в атмосфере. С появлением горизонтальных или вихревых воздушных течений наклон вертикальных потоков может изменяться в ту или другую сторону. При наклоне навстречу вращению Земли вертикальный поток теплого воздуха сообщает ускорение Земле, в противном случае — замедляет ее вращение.
3.1. ГАЗОДИНАМИКА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПАРОВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ЗОНЕ
Рассмотрим распределение воздуха в низких широтах. Оседающий в зоне высокого давления воздух частично возвращается в экваториальный пояс в виде пассатов — самых устойчивых на Земле ветров. Пассаты движутся к экватору с северо-востока в северном полушарии и с юго-востока — в южном.
Время движения пассатов от 30° широты до экватора — около трех недель, скорость течения — 5-8 м/с, скорость меридионального смещения — 2 м/с. За это время пассаты нагреваются и насыщаются влагой. Основная конденсация водяного пара происходит в поясе экваториальной депрессии, расположенном от 0 до 20° северной широты.
Сходимость пассатов северного полушария с пассатами южного полушария усиливает вертикальное движение воздуха. В результате конденсации водяного пара развиваются гигантские башни кучевых облаков, достигающие 10—11 км, а иногда и 15 км. Эти башни часто называют тепловыми из-за большого количества кинетической энергии, образующейся при конденсации водяного пара. Подсчитано, что количество этой энергии намного превышает количество кинетической энергии всех ветров и воздушных потоков на планете [21]. Направление движения пассатов обеспечивает при их встрече наклон тепловых башен в сторону, противоположную направлению вращения Земли. В этом случае горизонтальная составляющая импульса реактивной силы, создаваемой башнями, сообщает Земле дополнительное количество движения.
Итак, именно в экваториальной зоне Земля приобретает свой основной момент количества движения.
В этой ситуации термический КПД подъемных каналов высотой от тонкого пограничного слоя атмосферы и до зоны образования облаков возрастает до 7,8 %. Внутренний КПД несколько снижается, поскольку высота подъемного канала значительная и скорости движения в нем паровоздушного потока высокие. То и другое приводит к ощутимым потерям энергии на трение.
В башнях преобразуется не только тепло поверхностного слоя воды зоны депрессии, но и тепло водяного пара, привнесенного к экватору из прилегающих широт. В отличие от тонкого пограничного слоя, где расчет велся по треугольной диаграмме, здесь вычисления проводятся по обычным тепловым диаграммам, которые применяются к паровым турбинам (см. следующую главу).
Тем не менее, степень участия тепловых башен в увеличении момента количества движения Земли определяется гидродинамической обстановкой, создаваемой горизонтальными воздушными потоками, граничащими с зоной депрессии. Поэтому для квалифицированной оценки количества энергии, получаемого Землей, необходимы дополнительные исследования гидродинамики потоков в экваториальной зоне Земли.
3.2. ГАЗОДИНАМИКА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПОТОКОВ В СИСТЕМЕ ГОРНЫХ ХРЕБТОВ
Иная ситуация складывается с той частью тепловых потоков, что перемещается воздушными массами через средние широты в Арктику и Антарктику. Выделим период года, когда в средних широтах северного полушария преобладают теплые юго-западные и западные ветры. Причем потоки теплого воздуха, как и потоки теплой воды, движутся, опережая вращение Земли и отклоняясь к северу за счет сил Кориолиса.
Предположим, что на Североамериканский континент со стороны Тихого океана натекают теплые потоки воздуха. Проследим их взаимодействие с горным хребтом Кордильеры.
При охлаждении воздушного потока в предгорьях хребта водяной пар, содержащийся в нем, конденсирует. В этот момент давление воздуха в потоке падает, и поток развивает высокую скорость. При входе в пространство между гор поток замедляет свое движение. Резкое торможение приводит к преобразованию кинетической энергии потока в потенциальную. В результате на поверхности ледников развивается давление, значительно превышающее давление воздуха в зоне формирования потока над Тихим океаном. Холодный воздух, поднявшись над горами, стекает затем на океан.
Вполне возможно, что на материк с противоположной стороны поступают потоки влажного воздуха, возникшие над Атлантическим океаном. Как уже упоминалось, основная часть из них направляется в северо-восточном направлении, но ряд потоков устремляется на запад к Кордильерам. Этим воздушным течениям приходится преодолевать значительные расстояния над равниной, где при охлаждении ими теряется большая часть влаги. В результате давление воздуха, формируемое на восточных склонах, оказывается существенно ниже, чем давление торможения потока на западных склонах хребта. Как следствие возникает крутящий момент, ускоряющий вращение Земли (рис. 14).
Рис. 14. Сечение Североамериканского континента
1 — Тихий океан; 2 — вершины Кордильер; 3 — ледник; 4 — материк; 5 — Атлантический океан; А — поток влажного воздуха с запада; В — поток влажного воздуха с востока; С — направление действия крутящего момента.
Поясним сказанное рядом примеров. Струя газа, направленная на преграду, преобразует свою кинетическую энергию в потенциальную. При этом восстановленное у преграды давление газа составляет максимум 70—80 % от первоначального давления (рис. 15) [39].
Картина меняется в случае торможения струи пара, охлаждаемого водой. В результате конденсации пара скорость парожидкостной смеси возрастает, что при встрече струи с преградой или замкнутым пространством обеспечивает повышение давления смеси до уровня, значительно превышающего уровень давления исходного пара (рис. 16).
Рассмотрим данный процесс на основе термодинамических диаграмм. Как показывает анализ цикла в системе координат i—S, давление смешанного потока может быть выше давления пара только в том случае, если прямая идеального процесса конденсации, соединяющая точки начального состояния взаимодействующих сред, проходит в области высоких изобар по сравнению с изобарами начального их состояния (рис. 17) [40].
Пароводяной инжектор использован нами для закачивания холодной воды, находящейся при атмосферном давлении, в водородный реактор высокого давления с помощью струи пара, взятого из того же реактора [41]. Приобретен также значительный опыт эксплуатации подобных устройств в котлах различного типа [42]. Коэффициент преобразования инжекторами тепловой энергии в кинетическую не превышает 0,5—0,6 %. Поскольку температурный уровень природного пара ниже, чем промышленного, то при равных температурных перепадах термический КПД природного инжектора значительно выше промышленного. Но, с другой стороны, плотность природного пара значительно ниже промышленного, что, как мы уже знаем, снижает величину внутреннего КПД. В итоге величины общих КПД обоих типов инжекторов примерно равны друг другу. В промышленных инжекторах рабочим телом является водяной пар, а компримируемым — вода. Вода, как известно, не изменяет своего объема при сжатии.
В природных инжекторах рабочим телом служит также водяной пар, а сжимаемым — воздух. Воздух — упругое тело, изменяющее свой объем при сжатии.
Данное обстоятельство приводит к различной эффективности природных и промышленных инжекторов.
Если, например, транспортные инжекторы способны повысить давление воды в 10—15 раз, то природные при том же КПД создают давление воздуха в горах, всего в 1,5—2 раза превышающее давление над океаном.
Р1 — начальное давление воздуха; Р2 — давление в струе, выходящей из сопла;
Р3 — давление заторможенного потока над плоской стенкой.
Рис. 15 а. Изменение давления по длине воздушной струи
1 — воздушное сопло; 2 — струя; 3 — плоская стенка; А — вход воздуха; В — отток заторможенного потока. Области течения: I — начальный участок; II — основной участок; III — зона поворота потока; IV — зона установившегося радиального течения.
Рис. 15 б. Схема натекания осесимметричной струи на плоскую стенку
Р1 — давление пара; Р2 — давление смешанного потока в цилиндрической части сопла; Р3 — давление заторможенного потока на выходе из диффузора.
Рис. 16 а. Изменение давления по длине проточной части пароводяного инжектора
1 — паровое сопло; 2 — камера холодной воды; 3 — цилиндрический участок; 4 — диффузор; А — вход водяного пара; В — вход холодной воды; С — выход заторможенного потока.
Рис. 16 б. Схема пароводяного инжектора с цилиндрической камерой смешения
Рис. 17. Компрессионный цикл обратимой конденсации струи пара при взаимодействии с холодной водой
1 — пограничная кривая (х = 0); 2, 3 — изобары низкого и высокого давления; А — насыщенный пар при низком давлении (х = 1); С — холодная вода при низком давлении; К — критическая точка; В — точка касания линии идеального обратимого процесса конденсации пара при смешении потоков с изобарой высокого давления; штриховая линия — линия обратимого смешения
Рис. 18. Циклон (снимок NASA)
О возможном уровне давления торможения можно судить по скоростям перемещения ураганов и тайфунов, действующих по тому же физическому принципу. Наблюдаемые в атмосфере динамические структуры, например циклоны (рис. 18), возникают в результате совместных усилий гравитационного, ротационного и компрессионного эффектов.
Из опыта эксплуатации промышленных инжекторов следует, что природный компрессионный эффект возникает лишь при значительной разности температур между потоком влажного воздуха и ледником.
Ясно, что максимально возможный температурный напор будет наблюдаться для ледников, расположенных в низких и отчасти в средних широтах.
Другая и, пожалуй, основная особенность природного инжектора заключается в том, что компрессионный эффект возникает внезапно при достижении системой определенного сочетания параметров, и также внезапно исчезает при отклонении от этого сочетания.
Из приведенных выкладок следует, что горный хребет Кордильеры, протянувшийся с севера на юг по американским континентам на расстоянии 18 тысяч километров, действует как высокоэффективная лопатка турбины, ускоряющая вращение Земли.
Рис. 19. Схема устройства для исследования тепломассообмена между потоком горячего воздуха и поднимающейся пленкой воды
А — вход сухого воздуха; В — вход воды; С — выход влажного воздуха; D — выход воды; 1 — входной участок трубки; 2 — емкость воды; 3 — рабочая трубка; 4 — сепаратор; 5 — отбойный участок трубки; 6 — дополнительный сепаратор.
Заметный вклад в этот процесс вносит Гренландия, на ледниках которой конденсируется влага теплых воздушных течений, поступающих через территорию восточных штатов США с Мексиканского залива и Карибского моря.
Обратимся к анализу воздействия атмосферы в зоне горных хребтов Евразии и Африки на скорость вращения Земли. Как видим, оба континента в своих южных и средних широтах обрамлены горами. Это создает благоприятные условия для возникновения компрессионных эффектов и их взаимной компенсации.
Однако в этой общей закономерности есть одно существенное отклонение. Как известно, вблизи экватора преобладают восточные ветры, но на участке “пустыня Сахара-горы Гималаи” наблюдаются, особенно в весеннее время, устойчивые западные ветры. Потоки воздуха, нагреваясь над песками Африки, устремляются в восточном направлении и, пройдя над Красным и Аравийским морями, сталкиваются с мощным горным хребтом на Индостанском полуострове. Над морями потоки насыщаются влагой.
Рассмотрим этот процесс на примере испарения воды в потоке воздуха. Возьмем за основу процесс в пленочных испарителях. Предположим, вода увлекается вверх в виде пленки высокоскоростным газовым потоком, движущимся по вертикальной трубке (рис. 19). Исследуем закономерности данного процесса в экстремальных условиях, когда температура воздуха достигает 150-200 °С, а воды — 70-75 °С. Оказалось, что поток воздуха, движущийся в трубке Фi 18,1 х 10-3 м со скоростью 20-35 м/с, уже надлине 1,2 м снижает свою температуру до 45—47 °С. Аналогично поступает пленка воды, текущая вверх по внутренней стенке трубки со скоростью 0,2— 0,3 м/с. Влажность воздуха возрастает с 1—2 % до 100 % [43].
Как видим, на испарение затрачивается как тепло воздушного потока, так и тепло воды.
Отсюда следует, что западные ветры расходуют на свое насыщение влагой как собственное тепло, полученное над Сахарой, так и тепло морей, над которыми они проносятся. В итоге ветры несут в себе громадное количество воды. В предгорьях Гималаев постоянно идут самые сильные на земном шаре дожди. Следовательно, именно здесь рождается мощный крутящий момент, передаваемый атмосферой Земле.
Для замыкания циркуляционной ячейки поток охлажденного воздуха, отдав влагу ледникам, должен подняться вверх по склонам хребта и отправиться в обратный путь к Африке.
Крутящий момент подобного уровня не может возникнуть при ветровой нагрузке гор со стороны Тихого океана. Дело в том, что океан и атмосфера обладают способностью к саморегулированию испарения воды. Как только интенсивность лучистой энергии Солнца возрастает и испарение увеличивается, над океаном появляются облака. Эти облака отражают большую часть поступающей энергии, и испарение воды вновь снижается.
Над африканской же пустыней небо всегда безоблачно. Можно сказать, что тепло Сахары вращает Землю.
Для количественной оценки крутящего момента необходимо иметь полные сведения о скорости течения и влажности воздуха, температурных условиях в атмосфере и океане, значениях поверхности и объема ледников, величине пространства между горами хребта, сезонных изменениях климата, инерционных свойствах масс атмосферы и Земли.
Говоря о последних двух параметрах, следует отметить, что динамические возможности атмосферы довольно ограничены, поскольку ее масса составляет менее одной десятитысячной доли процента массы Земли. К тому же с внешней стороны атмосфера граничит с космосом, и поэтому при передаче количества движения Земле ей, по сути дела, не на что “опереться”.
Но следует учитывать, что атмосфера находится на расстоянии 6400 км от центра Земли. При таком радиусе действия силы, развиваемые высокоскоростными потоками влажного воздуха в горах, создают существенный крутящий момент.
