Как замедлить рост глобального потепления, и в первую очередь в России
«Если об этом станет известно, то нас всех следовало бы уволить».
Известный метеоролог.
Аннотация
Для измерения температуры сегодня используются как ваттная, так и энергетически нелинейная температурная (калориметрическая) шкалы. При расчете средних величин или сопоставления контрастов по традиции используют температурные шкалы. Полученные средние калории для исходных данных с размахом колебаний свыше 20ºС отличаются от аналогичных величин, оцененных в ваттах (W) на градусы (ºС). Диагноз энергетическому непостоянству калории поставлен в медицинской энциклопедии. Исходя из этого, Международная метрологическая организация требует немедленно изъять калорию из обращения. В качестве альтернативы следует ввести энерго-термометрическую шкалу. Нуль её можно (удобно) сопоставить с 0ºС, значение 100 — со 100ºС, с соответствующими величинами в W. Величину дискретности шкалы принять равной делению на 100 разницы W при 100ºС и 0ºС. Иначе и далее по энергетически искаженным («кривым») шкалам Цельсия, Фаренгейта будем продолжать судить о генезисе климатических изменений. Для привыкания к использованию энерго-термометрической шкалы придется лишь наклеить на градусники мерную полоску, связывающую шкалы ºС и энергии.
* * *
Введение, обоснование
При термометрических измерениях в атмосфере и океане используют как температурную (калориметрическую), так и ваттную шкалы. Еще в XIX веке определили нелинейность связи между величинами объемных коэффициентов расширения спирта, воды и ртути (градусов в шкале Кельвина) с энергетикой в ваттах (посредством возведения температуры в 4-ю степень):
М = σ * T4 вт/м2, …(1)
где σ =5,67/10-8, T — температура в градусах Кельвина.
Начиная с конца XX века значительную часть энергетических наблюдений стали осуществлять неконтактно, то есть измерять не градусы, а ватты. Из-за энергетической нелинейности градусов (калорий) получается, что чем больше контраст температур, тем значительнее расхождения между средними температурами при оценках в шкале °С и через W, достигающие в экстремальных ситуациях свыше 10°С. В зонах смешения вод полярных и тропических течений, где контрасты температур порой превышают 25°С (строки 9, 10 Табл.1) интерполяционные ошибки достигают градуса при ожидаемой (и декларируемой) величине ошибки не более десятых долей °С.
Табл.1. Оценка средних температур (°С) для различных контрастов исходных температур и аналогичных величин, но рассчитанных через W.
№ столбца
t°С
W
t°С, пересчитанная из W
Разница средних t°С (столбцов 3 и 7)
1
2
3
4
5
6
7
8
1
мин.
макс.
ср.
мин.
макс.
ср.
средняя
2
-80
0
-40
78,9
315,6
197,3
-30,3
-9,7
3
-60
-20
-40
117,0
232,9
174,9
-37,5
-2,5
4
-50
-30
-40
140,6
198,2
169,4
-39,4
-0,6
5
-40
60
10
167,5
698,5
433,0
22,5
12,5
6
-20
60
20
232,9
698,5
465,7
27,9
7,9
7
5
95
50
339,4
1041,6
690,5
59,0
9,0
8
65
35
339,4
741,3
540,4
39,3
4,3
9
0
30
15
315,6
478,9
397,3
16,2
1,2
10
5
25
15
339,4
448,0
393,7
15,5
0,5
* * *
География климатических изменений
На глобальной карте климатических изменений, построенной на основе температурной-калориметрической шкалы, максимум потепления наблюдается в Арктике, где достигает 4ºС и более (Рис.1а) [http://nsidc.org/cryosphere/; http://big-archive.ru/geography/; Кокорин, 2014]. Основной причиной глобального потепления объявлена техногенная эмиссия парниковых газов, несмотря на то, что на фоне общепланетарного роста концентраций парниковых газов значимого потепления нет в северной Финляндии, горной Сахаре, западной экваториальной части Тихого океана и на Южном полюсе.
«Ваттная» картина климатических изменений, по данным спутниковых наблюдений, лишь для сопоставления пересчитанных в температуры, во многом иная (Рис.1б) [http://images.remss.com/msu/msu_data_monthly.html]. Экстремальное потепление, во-первых, вдвое ниже и, во-вторых, распластано от Арктики до Средиземноморья с максимумом в мальтийском регионе.
Основные причины текущих климатических изменений связаны с длительным уменьшением чисел Вольфа (признаком наступления очередного «маундеровского» минимума) и асинхронной с их числом активизацией землетрясений на Земле (инструментальные наблюдения проводятся менее 2-х веков, выявленные тенденции взаимных климатических и вековых изменений солнечной и земной погоды лишь качественны).
ЧИСЛО ВОЛЬФА («международное число солнечных пятен», «относительное число солнечных пятен», «цюрихское число») — названное в честь швейцарского астронома Рудольфа Вольфа. Является одним из самых распространённых показателей солнечной активности. Популярно в разного рода метеорологических прогнозах.
МИНИМУМ МАУНДЕРА (Маундеровский минимум; англ. Maunder Minimum) — период долговременного уменьшения количества солнечных пятен примерно с 1645 по 1715 годы. Получил название по имени английского астронома Эдварда Уолтера Маундера (1851—1928), обнаружившего это явление при изучении архивов наблюдения Солнца. Минимум Маундера совпадает по времени с наиболее холодной фазой глобального похолодания климата, отмечавшегося в течение
Следствием учащения землетрясений является активизация сейсмодегазации метана. Когда метан скапливается подо льдом, происходит его бактериальное окисление метанотрофными микроорганизмами [Леин, Иванов, 2009]. Энергия, выделяющаяся при бактериальном окислении, превращает монолитный лед в пористый. При торошении на поверхности льда оказываются серые продукты метанотрофии и взмученный метаном детрит, которые, снижая альбедо, способствуют инсоляционному таянию, появлению «грязных» от взвешенных продуктов метанотрофии и детрита разводий. Эта взвесь в несколько раз сокращает толщину фотического слоя и благоприятствует его дополнительному прогреву на 1—3ºС. Шторма и облака временно препятствуют прогреву, однако фотический слой остается утонченным и на солнце вновь прогревается.
ДЕТРИТ (от лат. detritus — истёртый) — органогенный обломочный материал в осадках или осадочных горных породах. Детрит образуется из фрагментов тканей растений, раковин, скелетных частей животных и их выделений. По степени раздробленности детрита различают тонкодетритовый и грубодетритовый.
АЛЬБЕДО — характеристика отражательной способности поверхности: отношение потока излучения, рассеянного поверхностью по всем направлениям, к падающему на неё потоку.
ФОТИЧЕСКИЙ СЛОЙ — поверхностный слой воды водоёма, в котором достаточно света для процесса фотосинтеза.
Льды в таких теплых разводьях ускоренно тают, как мороженное в кофе. Разводья за счет дрейфа превращаются в полыньи и разрастаются на десятки и даже сотни километров, превышая размеры очагов землетрясений. Примеры в Северном Ледовитом океане: заприпайная полынья, которая появилась над очагом единственного за 40 лет аляскинского мористого землетрясения (Рис.2а); полыньи на севера моря Лаптевых над очагами двух землетрясений (Рис.2б-г).
А вот сейсмогенные полыньи в Южном океане (Рис.3) [Люшвин, 2016].
Землетрясения в Арктике происходят в основном на хребте Гаккеля (Рис.4а). Изменение числа землетрясений противоположно направлению тренда изменения площади льда (Рис.4б). Синхронно с уменьшением площади утончается и толщина льда.
На рубеже 70—80-х годов ХХ века в Арктике был экстремально толстый лед (Рис.5) [http://www.natice.noaa.gov/]. За период с 2002 по 2012 годы толщина многолетнего льда уменьшилась приблизительно на 40%. Произошло это на фоне потепления арктического воздуха на 1—2ºС [Люшвин, 2016]. Однако фрагментарные ледовые и тепловые аномалии не совпадали. В сейсмоспокойный период 70—80-х годов XX века наблюдалось утолщение льда, а некоторое похолодание пришло позже, в 1982—1987 годах. Сокращение толщины льда в 90-е годы XX века происходило на фоне активизации землетрясений и отсутствия тренда к потеплению. Сейсмогенные метанотрофные процессы начала XXI века привели к тому, что ни локальное охлаждение, ни спад числа землетрясений в отдельные годы на рубеже первого и второго десятилетий XXI века не привели к быстрому замораживанию «теплой» Арктики.
Изменения толщины льда значимо сказываются на ходе температуры приземного воздуха только при минимуме инсоляции. В Арктике потепление на градусы было обусловлено утончением льда — уходом многолетнего льда (Рис.6).
Значимые изменения толщины льда зимой при температурах воздуха ниже — 30ºС за счет изменения температур воздуха на 2—5ºС невозможны. И, наоборот, в отсутствие многолетних льдов нет и устойчивых изменений в ходе температур воздуха. Пример чему — ход температуры воздуха у устья р. Лены (п. Тикси), где не бывает массовых многолетних льдов. Аналогичная ситуация наблюдается и в Южном океане (Рис.7).
Нет массовых многолетних льдов — нет значимого тренда изменения площади льда (сейсмика прошлогодней зимы в явном виде не влияет на толщину и площадь однолетнего льда следующего года). Однако и здесь нарастающее число региональных землетрясений приводит к потеплению при снижении инсоляции (сейсмогенные полыньи), хотя величина потепления на порядок меньше, чем в Арктике (где была значима площадь толстого многолетнего льда).
Выявленные за последние 40 лет взаимные тенденции хода площади льда, температуры воздуха и числа землетрясений отмечались и ранее. Тренд потепления в первой половине XX века наблюдался только в зимние месяцы (Рис. 8 и 9), как и похолодание в 40-е — 80-е годы — только в зимние месяцы.
Еще раз отметим, что обсуждаемые максимальные калориметрические тренды наблюдаются в основном только в полярных широтах зимой. Однако, если вспомнить определение калории, то оказывается, что энергетическое потепление, корректно оцененное в ваттах, окажется в два раза слабее.
Почему? Внесистемная единица количества теплоты — калория — означает энергию при изменении температуры воды от 19,5ºС до 20,5ºС [Бурдун, 1962]. Международная организация законодательной метрологии относит калорию к таким единицам измерения
«которые должны быть изъяты из обращения как можно скорее там, где они используются в настоящее время, и которые не должны вводиться, если они не используются» [https://ru.wikipedia.org/wiki/].
Так как градиенты энергии в калориях эквивалентны градиентам в температурах, то, по крайней мере, в энергетической географии следует ввести новую энерго-термометрическую шкалу, назвав её градус-Уатт (ºУт-ºY) (Рис.9). Нуль шкалы «удобно» сопоставить с 0ºС, значение 100 со 100ºС с аналогичными W. Дискретность во всем диапазоне принять 7,8 Вт — новая энергетическая калория, полученная при делении на 100 разницы W при 100ºС и 0ºС.
Для привыкания использования энерго-термометрической шкалы придется лишь наклеить на градусники мерную полоску, связывающую шкалы ºС и энергии ºY. Иначе и далее об энергетических изменениях будем судить по «кривым» шкалам Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и т.п. Искаженными останутся все осредненные величины и соответствующие выводы по ним. Например, отнесение антарктического климата к континентальному из-за того, что контрасты температур зимой в нем численно больше чем летом [Хромов, Петросянц, 2012], пересчет контрастов через ватты дает обратную картину.
* * *
Сопоставление энергетических результатов при смешении жидкостей на соответствие формуле Стефана-Больцмана или шкале Кельвина
Эксперимент. Доведение двух одинаковых объемов жидкостей (от 100 мл, пресной воды, морской воды S35‰ и спирта) до температур, подобных Табл. 1. Измерение температур проб, смешение проб, измерение температур смеси.
Расчет по формуле (1) температуры смеси, исходя из первоначально измеренных температур проб (пересчет каждой tºС в W, оценка средней, пересчет средних W в ºС). Сопоставление этой (ваттной) оценки температуры смеси с ожидаемой по шкале Цельсия ((мин.tºС + макс.tºС)/2) и измеренной температурой смеси.
Результат. Убеждаемся в том, что арифметические действия с температурами сред не отражают соответствующих энергетических изменений в средах (чем больше размах температур, тем значительнее расхождения)!
Дальнейшие действия:
1. Внести изменения в нормативные документы, включая систему СИ.
2. Пересчитать все используемые средние величины и контрасты температур.
3. Переписать (пересчитать) расчетные формулы и данные, куда так или иначе входит использование температуры среды (сжатие и расширение, смешение, теплозапас и т.п.). Для привыкания к использованию энерго-термометрической шкалы придется лишь наклеить на градусники мерную полоску, связывающую шкалы ºС и энергии ºY.
* * *
Выводы
1. Получается, что при оценках через W современные экстремумы потепления в Арктике мало где превышают 2ºС, а не 4ºС и более при использовании калориметрической шкалы.
2. Арктическое потепление связано с сейсмогенным уходом толстого многолетнего льда, заменой его более тонким однолетним, общим сокращением площади льда и уменьшением альбедо Земли. В Южном океане, где всегда преобладал однолетний лед, величина потепления в разы меньше, а в его сейсмоспокойных частях практически отсутствует.
* * *
Литература
1. Бурдун Г.Д. Единицы физических величин // М.: Государственное издательство стандартов, 1962. 166 с.
3. Кокорин А.О. Изменение климата: Обзор пятого оценочного доклада МГЭИК. Физическая научная основа. Воздействие на природу и человека. Смягчение изменений климата // М.:WWF, 2014. 79 с.
3.Леин А.Ю., Иванов М.В. Биохимический цикл метана в океане // М.:"Наука», 2009. 576 с.
4.Люшвин П.В. Заклепки на Науках о Земле. Результат возведения парадигм в статус аксиом в геофизике и гидробиологии // М. издание автора, 2016. 147с. Стационарный сетевой адрес: http://nadisa.org/download/lyushvin_book.pdf. (In Russian).
5. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология // М.:Изд. МГУ. 2012. 582 с.
6. Arctic Meteorology Climate Atlas (http://nsidc.org/data/g01938#).
7. http://aisori.meteo.ru/ClimateR
8. http://big-archive.ru/geography/development_and_transformation_of_the_geographical_environment/7.php
9. http://images.remss.com/msu/msu_data_monthly.html
11. http://nsidc.org/cryosphere/arctic-meteorology/climate_change.html
12. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F