Климатические катастрофы: пособие по физике для старших школьников и младших студентов

Игорь Николаевич Сачков, 2021

Автором отобраны наиболее интересные физические открытия, связанные с климатом Земли, сделанные за последние три года. Возможно ли превращение нашей планеты в раскаленный ад Венеры, или в ледяную безводную пустыню Марса? Какие существуют физические доводы в пользу глобального потепления или нового ледникового периода? Возможно ли, что мамонтов убило физическое явление «метан-гидратное ружье»? Фактически впервые в школьном и вузовском учебном курсе «общая физика» введены в рассмотрение синергетические явления. В целом представленный материал соответствует разделу физики «тепловые явления». Рассчитан на наиболее подготовленных школьников и студентов. Может использоваться также преподавателями с целью организации познавательной мотивации учащихся.

Введение

Проблема климата — важнейшая для человечества, потому что угроза мировой войны может быть ликвидирована путем переговоров, голод и болезни смогут победить развитие науки и техники. А вот как быть с климатическими катастрофами? Можно ли их предотвратить или, хотя бы, предсказать и подготовиться к ним?

В настоящее время наиболее остро дискутируются два взаимоисключающих варианта скорого его изменения: или глобальное потепление, или оледенение севера Земли. Источниками противоречивых прогнозов стали результаты исследований последних семи лет.

Кроме того, в прошедшем году выдвинуты гипотезы, согласно которым даже на планете Венере в прошлом были реки, океаны и жизнь (см. например, https://ria.ru/20191023/1560073551.html ). Однако произошла какая-то климатическая катастрофа, и реальный сегодняшний пейзаж Венеры представлен на рис.2. Космическая станция Венера-13 передала на Землю фотографии безжизненного мира. Она сообщила, что температура планеты составляет 450 градусов Цельсия! Вместо водных потоков на поверхности ближайшей соседки Земли по космосу должны литься струи расплавленного свинца. Климатологи 21-го века утверждают, что там произошла какая-то чудовищная катастрофа.

Согласно классической физике 70-х годов 20-го века, Венера является «сестрой» Земли и температуру ее поверхности нетрудно оценить, используя знания курса физики для вузов. При этом, если не требовать строгих расчетов, можно сделать упрощенную оценку следующим образом.

Рис.2. Венера, результат климатической катастрофы, https://starcatalog.ru/images/2018/07/foto_venery_13.jpg

Средняя температура небесного тела определяется процессами теплового баланса. В условиях термодинамического равновесия количество пришедшего к телу тепла должно быть равно количеству ушедшего. Основной поток тепла, Q_С, падающий на планету, создается Солнцем. Его плотность обратно пропорциональна квадрату расстояния до Солнца, Q_С = α / R², где коэффициент пропорциональности определяется температурой и состоянием поверхности Солнца. Не будем здесь учитывать действие солнечного ветра, космических («галактических») и внутренних источников тепла.

Заметим далее, что планеты находятся в вакууме, теплопроводность которого близка к нулю, поэтому планеты способны отдавать тепло лишь в форме теплового излучения. Его плотность может быть описана законом Стефана-Больцмана, Q_Т = βT⁴ , где T — средняя для планеты абсолютная температура, β — коэффициент пропорциональности. Таким образом, приравнивая Q_С = Q_Т, получим, что в описываемых условиях средняя температура планеты T = γ / R^1/2, то есть температура планеты обратно пропорциональна корню квадратному из среднего расстояния ее орбиты. Здесь γ=(α/β)^1/4 — параметр теплообмена, присущий данной планете и зависящий от особенностей ее поверхности, обсуждаемых ниже. Чем выше значение γ, тем сильнее тепловое действие солнечного излучения.

Для Земли средняя температура T_З равна примерно 14 ^oC = (14 + 273) K. Если принять, в качестве примера, что параметры γ для Венеры и Земли одинаковы и учесть, что радиус орбиты Венеры примерно в 1,4 раза меньше, чем у Земли, ее температура должна быть равна 348 K = 75 ^oC. При такой температуре космонавтам в скафандре можно даже жить на такой планете!

Причина ошибки, допускаемой при упрощенном расчете температуры Венеры связан с тем, что γ Земли и Венеры различны. С оценкой величины коэффициента теплообмена нашего тела и окружающей улицы мы сталкиваемся ежедневно, когда выбираем, что одеть на себя: шубу, куртку, плащ или купальник. Фактически важнейшая задача тысяч физиков, работающих в научных учреждениях 21-го века — расчет γ для планет солнечной системы. При этом оказывается, что необходимо учесть огромное число факторов, рассматриваемых ниже: парниковый эффект, альбедо, синергетические процессы, форма орбиты планеты, влияние солнечного ветра и т.д. Можно сделать два вывода. 1) Оказывается, чудовищный климат Венеры сформировался в результате какой-то катастрофы, которая увеличила ее γ!!!

Рис.3. Остров Кипр, рай Солнечной системы. Фото Р.И.Лопатиной

2) Подобная же катастрофа может, в принципе, произойти и на Земле. На рис.3 изображен один из райских уголков Земли, остров Кипр. Некоторые ученые предсказывают, что γ Земли может измениться и глобальное потепление превратит пейзаж на рис.3 в рис.2.

Однако существует другая группа исследователей, которые утверждают, что климат действительно изменится, однако это произойдет в «обратную сторону». Грамотные, очень авторитетные эксперты прогнозируют возвращение на Землю нового ледникового периода. Север Европы должны поглотить ледники, похожие на те, что уже более ста тысяч лет покрывают остров Гренландию.

Рис.4. Древний ледник Гренландии, https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2019/06/01_greenlandicesheet_nationalgeographic_1938848.jpg

Возможность оледенения севера Европы давно известна. Установлено, что с периодом, равным примерно 100 тыс. лет, на севере планеты возникали ледники, подобные тем, которые сейчас покрывают Антарктиду. Их центры совпадали с гористыми участками суши: Скандинавией, Гренландией, Северным Уралом, а также и с «южными» горами: Альпами, Кавказом, Алтаем. Остатки этого ледника до сих пор сохранились на острове Гренландия, рис.3. А 50 тысяч лет назад толщина ледяных шапок всего севера Европы достигала 3-х километров! Длительность каждого из десятков предыдущих оледенений составляла около 90 тыс. лет и сменялась потеплением, длившимся примерно 10 тыс. лет. Обсуждаемые сравнительно регулярные колебания климата между ледником и потеплением продолжаются уже несколько миллионов лет. При этом оказывается, что существующий сейчас период потепления заканчивается.

Однако космические исследования последних семи лет показали, что возможен и еще один сценарий. Он заключается в полном внезапном исчезновении и воды, и атмосферы на планете.

Эта жуткая возможность была обнаружена на планете Марс. Космические станции передали, что атмосферное давление на Красной планете в тысячу раз меньше, чем на Земле, а средняя температура равна — 63 ^oC. Эта температура близка к условиям конденсации «сухого льда», то есть углекислого газа, рис.5.

Рис.5. Фотография Марса, сделанная марсоходом Куриосити, https://img-s3.onedio.com/id-56ab6887388293dd09105667/rev-0/raw/s-cbbda3fcdd09de96fcae43fcb3a971648c2c7292.jpg

Низкая температура и отсутствие воды на Марсе — не очень большая сенсация. Однако анализ снимков, полученных с Марса, проведенный грамотными специалистами показал, что вода на Марсе — была! Довольно давно, 2 миллиарда лет назад. Но — имелась! При этом и температура была настолько высокой, что вода текла в виде огромных рек! Свидетельством сказанного служат обнаруженные марсоходом так называемые гидратированные породы, то есть минералы, образованные водой. Сохранился и характерный рельеф, сформированный мощной водной эрозией. С космической станции, Марс Орбитер, вращающейся вокруг Марса, отчетливо видны характерные русла древних рек, рис.6. Кроме того, методами «нейтронного каротажа» обнаружен замороженный лед под песками Марса (см. например, https://izverzhenie-vulkana.ru/2018/12/nejtronnyj_karotazh_marsa_prodolzhaetsya_sedmoj_god.html ).

Таким образом, Марс тоже подвергся значительной климатической катастрофе. Однако, в отличие от Венеры, произошло не нагревание, а замораживание поверхности планеты. Не грозит ли такой же сценарий Земле?

Рис.6. Русла высохших рек на Марсе, снимок с орбитальной станции Марс Орбитер, https://top10a.ru/wp-content/uploads/2019/12/7-37.jpg

«Замораживание» Марса нельзя «списать» на его удаленность от Солнца. Нетрудно повторить для него упрощенный расчет температуры. Учтем, что радиус орбиты Марса примерно в 1,5 раза больше Земного. Используя формулы для оценок его температуры, получим, T_М = 238 K = — 35 ^oC. Рассчитанная таким образом температура заметно выше реальной, равной — 63 ^oC. Забегая вперед, заметим, что такое отличие легко объяснить практически полным отсутствием парникового эффекта для разреженной атмосферы Марса. Но куда делась эта атмосфера?

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.