Тепловые машины Земли
Автор: Павлов А.Н.
Пожалуй, впервые мысль о тепловых машинах Земли сформулировал в науке выдающийся французский физик Ф.А. Араго [1829 г] :
Атмосферная машина для выкачивания воды представляет снаряд безукоризненный, и прерывистость его действия не представляет никаких неудобств.
Через 100 с лишним лет эту идею развил крупнейший русский океанолог академик В.В. Шулейкин, который построил несколько моделей таких машин применительно к границе океан-атмосфера-суша.
Машины первого рода являются наиболее крупными. В качестве нагревателя в них работают тропические пояса Земли с положительным бюджетом тепла, а в качестве холодильника – высокоширотные области, в которых тепловой бюджет отрицательный. Термобарические колебания и соответствующий им массоперенос воздуха и воды имеют здесь субмеридиональное распространение.
Машины второго рода – это уже механизм регионального порядка. В холодное время года нагревателем в них служат наиболее теплые области океана, а холодильником – материки. В теплое время года ситуация меняется на обратную. Исключением являются лишь Антарктида и Гренландия, которые из-за мощного материкового оледенения выполняют функции холодильника круглый год. При этом подстилающая поверхность воздействует на нижний слой атмосферы мощностью до 4–5 км, а тепломассоперенос и распространение барических волн характеризуются субширотным направлением. Потоки атмосферной влаги связаны с определенными источниками и стоками планетарного масштаба расположенными в пределах как океанов, так и суши. Эти потоки представляют собой области квазизамкнутых циркуляций Тепловые машины второго рода генерируют колебательные процессы переменного знака и определяют так называемую муссонную циркуляцию.
Машины третьего рода формируют циркуляционные ячейки уже за пределами тропопаузы. По В.В. Шулейкину их работа обусловлена воздействием теплового излучения на воздушные массы стратосферы. В этих машинах круглый год нагреватель расположен над материком, а холодильник – над океаном.
Машины четвертого рода также участвуют в формировании зональных потоков, но другого характера. Их работа связана с тем, что охлаждение стратосферы над экватором является более сильным, чем над высокоширотными поясами Земли. Таким образом, для этих машин высокоширотные пояса Земли служат нагревателями, а тропический пояс – холодильником. В результате, в стратосфере возникают зональные потоки противоположные по направлению зональным потокам в тропосфере.
В машинах пятого рода, нагревателем являются особенно теплые участки океана, а холодильником – все окружающее их пространство. Это тропические ураганы.
Названные тепловые машины верхних геосфер, взаимодействуя, создают чрезвычайно сложную картину функционирования верхних геосфер.
Вслед за метеорологами и океанологами интерес к тепловым машинам Земли начали проявлять геофизики и геологи. Анализ связей между аномальными значениями плотности теплового потока нашей планеты и аномальными (по отношению к сфероиду) областям геоида позволил обсуждать возможные тектоносферные аналоги тепловых машин В.В. Шулейкина. А.Н. Павловым (1990) были предложены три таких аналога.
Аналог машин первого роды. В отличие от атмосферных машин этого рода нагреватели и холодильники имеют здесь не субширотную, а субмеридиональную поясность. При этом можно говорить о четырех крупных конвективных ячейках в верхней мантии, в основном, вероятно, в слое, который называется астеносферой. Поскольку геоид – одна из эквипотенциальных поверхностей гравитационного поля, векторы напряженности которого направлены к источнику, можно считать, что в областях положительных аномалий геоида будет происходить конвергенция потока вектора напряженности. В областях же отрицательных аномалий должна наблюдаться дивергенция. Это означает, что в первом случае можно говорить об уплотнении масс, а во втором – о разуплотнении.
В зависимости от того, протекает ли этот процесс в данное геологическое “мгновение” или он прекратился, могут быть сделаны различные выводы о связи гравитационного и теплового полей Земли.
Четвертичный период, в котором мы живем, относится к активной эпохе геологической истории Земли и как будто развивается в соответствии с неомобилисткими моделями. Об этом свидетельствуют геодезические измерения дрейфа литосферных плит, характер магнитных аномалий в зоне океанических хребтов и другие факты. Если это так, то работу тектоносферной тепловой машины первого рода можно изобразить в виде четырех крупномасштабных ячеек тепловой конвекции в верхней мантии (см. рис. 1).
Таким образом, можно говорить о структурной общности внешних и внутренних тепловых машин первого рада для нашей планеты. Любопытно, что и по КПД эти феномены близки: (1,7-2,0)% у атмосферных машин и (0,1-1,0)% для тектоносферных.
Рис.1. Схематический разрез геоида по экватору со стороны
южного полюса.
Стрелками показана конвекция в верхней мантии.
Тектоносферные аналоги машин второго рода. Анализ распределения положительных и отрицательных аномалий геоида показывает, что близкие абсолютные значения этих аномалий располагаются симметрично и могут быть объединены в пары. Каждая пара таких сопряженных аномалий естественным образом оконтуривается линией близкой к окружности. Эти структуры очень похожи на термобарические сейши В.В. Шулейкина (см. рис. 2 и 3).
Правда, на рис. 3 квазиокружности тектоносферных сейш больше похожи на эллипсы. Но не следует забывать, что координатная сетка на приведенной иллюстрации прямоугольная, что сильно вытягивает размеры объектов в средних и высоких широтах.
Рис. 2. Теоретическая схема термобарических сейш (по В.В. Шулейкину).
Напомним, что сейшевая модель муссонной циркуляции у В.В. Шулейкина двухслойная. Слои между собой не взаимодействуют. Нижний считается активным, верхний пассивным. Сейши вращаются против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой – в южном. Нетрудно понять, что идея этой модели вполне подходит и для конвективных ячеек тектоносферы. Геологическим следствием существования тектоносферных сейш должны быть эпейрогенические колебания земной коры, разворот литосферных плит при их раздвижении, а также определенный характер их раскалывания. Это предположение может быть использовано в целях прогноза и, вообще говоря, проверяется геологическими методами. Если вращение сейш в северном и южном полушариях происходит в разные стороны, то на экваторе теоретически никакого вращения не должно быть, а к более высоким широтам момент крутящих сил должен возрастать. Поэтому в сейшах, расположенных по обе стороны экватора, особенно если такое разделение несимметрично, будут возникать напряжения очень сложные по знаку и величине. В области (+24, – 23) (см. рис. 3) в экваториальной полосе на западе должны появляться сжимающие усилия, а на востоке – растягивающие. Схема О.И. Слензака как будто отражает именно такие тенденции (рис. 4).
Приводимые рассуждения не детализированы. Обсуждаются лишь принципиальные возможности использования модели атмосферной тепловой машины типа термобарических сейш для изучения и объяснения тектоносферных процессов. Создается впечатление, что такие аналоги могут иметь место.
Рис. 3. Карта высот геоида с деталями тектоносферных тепловых машин первого и второго родов (по А.Н. Павлову, 1990)
1 – нулевая изолиния геоида; 2 – изолинии геоида (проведены через 20 м); 3 – осевые линии главных морфологических элементов геоида; 4 – эстремумы геоида (положительные и отрицательные);5 – предполагаемые контуры тектоносферных тепловых машин второго рода.
Рис. 4. Схема сочетаний складчатых зон Северной Америки.
Обращение к таким аналогам принесет бесспорную пользу, так как формирует вполне конкретный подход к известным геологическим фактам и позволит применить в геологии уже разработанные математические схемы и решения. Появляется возможность перейти и к аналоговому моделированию, если не основных, то хотя бы вспомогательных задач. Проверка же и уточнение сейшевых моделей тектоносферы должна заключаться не только в анализе традиционной геологической информации, но и в попытках количественной оценки различных параметров тех или иных составляющих тектоносферы. Например, вязкости, средних коэффициентов теплопроводности, упругоемкости и т.д.
Сегодня еще трудно сказать, к машинам какого рода, второго или третьего, тектоносферные сейши ближе. Если тектонический цикл удастся уподобить астрономическому году и окажется, что распределение в нем внутреннего тепла Земли обусловливает различное нагревание сейшевых полюсов, появятся основания считать тектоносферные сеши машинами второго рода. Если же температурные аномалии сейшевых полюсов имеют постоянный знак, то более близким аналогом будут атмосферные машины третьего рода.
Рассмотренные аналогии, разумеется, не являются явными и требуют дальнейшего анализа. Если он подтвердит высказанные здесь почти эвристические идее, то перед геологией и геофизикой откроются новые, чрезвычайно перспективные горизонты.
Литература: