В природе действует космический закон цикличности? Часть 1
До сих пор нет удовлетворительного ответа на вопрос: откуда берется приток энергии для процесса роста температур в течение цикла и куда отводится высвобождаемая энергия? «Ведь по законам термодинамики, если имеет место приток энергии извне, расходуемый на убывание энтропии в открытых сильно неравновесных системах (поток «негэнтропии»), то должно быть эквивалентное количество термодинамических систем, в которых энтропия должна возрастать». Общепринятый, но ничего не говорящий об источниках и механизмах, ответ на заданные вопросы таков: «В природе действует космический закон цикличности (или периодичности)".
В бытии мира всё циклично (по кругооборотам) чередуются периоды созидания эволюционного порядка (полупериоды прогресса от простых к высокоорганизованным системам) и регресса, распада, возврата к исходной простоте (полупериоды регресса от высокоорганизованных систем к исходному состоянию)». С точки зрения синергетики цикличность является следствием свойства самоорганизации сложных эволюционирующих структур.
Сложная самоорганизованная система «чтобы поддерживать свою целостность, периодически преодолевать тенденцию к стохастическому распаду … должна существовать в колебательном режиме, позволяющем замедлять процессы и устанавливать общий темп развития внутри сложной структуры» [Князева Е.Н. Антропный принцип в синергетике 1997].
В нелинейных моделях определенного класса «установлено существование двух взаимодополнительных режимов эволюции сложных систем - LS-режима локализации и возрастания интенсивности процессов и HS-режима расплывания структур и охлаждения» [там же].
Авторам представляется, что разнопорядковая периодичность климата является отражением сложной структуры климатической системы и сосуществования разнопорядковых автоколебаний, связанных с входящими в систему подсистемами. В первом приближении, можно принять, что «долгосрочные изменения погоды» связаны с атмосферной подсистемой (темпомиром*), имеющей очень короткую энергетическую память.
*ТЕМПОМИР(Ы), ТЕМПОРАЛЬНОСТЬ - метастабильно устойчивое объединение простых структур, находящихся на разных стадиях эволюции ("горящих с разной мощностью").
«Вибрации климата» связаны с короткопериодическими катастрофическими событиями, оставляющими память о себе в подсистемах океана, поверхности суши, включая криосферу. «Климатические циклы», вероятно, отражают работу темпомира всей климатической системы Земли. Большая продолжительность климатических циклов объясняется, скорее всего, большим объемом и инерционностью масс тектоносферы, частично вовлеченной в климатическую систему.
Изменения энергетического состояния климатической системы связаны с процессами депонирования (консервации - R°) свободной энергии в энергетических резервуарах (потоками негэнтропии как между системой и окружающей средой, так и между подсистемами) и периодическим освобождением этой энергии, сопровождаемым переходом ее из одной формы в другую.
Депонирование энергии климатической системы.
Появление новых состояний самоорганизующихся систем «обусловлено рождением коллективных мод под действием флуктуаций, их конкуренций и отбором «наиболее приспособленной моды» или комбинации таких мод». В процессе рождения коллективных мод вклад перераспределения оперативных и депонированных энергетических ресурсов в каждой из подсистем (атмосфера, гидросфера, литосфера, криосфера, биосфера) и между ними может быть весьма значительным или решающим. Непредсказуемое во времени высвобождение накопленной энергии и обеспечивает флуктуацию системы.
Вместе с тем, входящие в систему подсистемы могут иметь собственные флуктуации, более значительные из которых порождают «аддитивный шум», а случайные - «мультипликативный» шум.
Рассмотрим резервуары энергии, которые сосредоточены, в гидросфере, атмосфере, криосфере и тектоносфере.
Наиболее крупным резервуаром тепла является океан. Масса океанической воды в 258 (по некоторым данным в 275) раз больше массы атмосферного газа. «Разовое содержание тепла в океане в 21 раз превышает ее поступление к земной поверхности в целом. Даже в 4-метровом слое океанической воды тепла в 4 раза больше, чем во всей атмосфере». Теплоемкость океана превышает теплоемкость суши и атмосферы и, благодаря этому, он является тепловым регулятором и, следовательно, тепловым резервуаром планеты.
Основная доля поглощенной солнечной радиации и основной теплообмен с атмосферой происходит в деятельном слое океана (ДСО), достигающем нескольких сот метров. Средняя годовая температура поверхностных вод Мирового океана 17,4°С, что на 3°С выше средней годовой температуры воздуха. Это гигантский объем тепловых резервов, если учесть, что для нагрева атмосферы на 1° потери тепла океана составят 0,001°. При современных темпах потепления (среднее 0,025 град/год выравнивание температур океана и приземного слоя воздуха произойдет, примерно, через 100 тыс. лет (в течение климатического цикла!), если система океан-атмосфера будет изолированной. Значительный объем потенциальной энергии накапливается в океанах при эндотермическом образовании нерастворимых карбонатов, а при экзотермическом их превращении, с участием растворенного СО2, в растворимые бикарбонаты энергия выделяется в виде тепла, что также приводит к повышению температуры соответствующих слоев гидросферы. Помимо накопителя ощутимого тепла и карбонатов, океан также является резервуаром основных парниковых газов, находящихся в нём в конденсированном (растворенном и/или твердофазном) виде: водяного пара, углекислого газа и метана.
Потенциальные запасы водяного пара в климатической системе безграничны. Содержание его в атмосфере около 0,3%. Вклад водяного пара в парниковый эффект земной атмосферы составляет около 20,6°С - около 78 % парникового эффекта. Известно, что при росте температуры увеличивается образование водяного пара, и на каждые 10°С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается.
Вклад углекислого газа в парниковый эффект земной атмосферы составляет около 7°С (около 16% парникового эффекта). Его содержание в гидросфере (прежде всего океаны) сейчас составляет 4*104Гт углерода (отсюда и далее приводятся данные по СО2 в пересчете на углерод), включая глубинные слои. В атмосфере в настоящее время содержится около 7,5*102 Гт углерода. При повышении температуры воды океанов от 5° до 10°С, коэффициент растворимости СО2 в ней уменьшается приблизительно с 1,4 до 1,2 , что приводит к его эмиссии в атмосферу.
Основной объем депонированного метана (99 %) содержится в океанах в виде метангидратов (условия образования t<0-2°С и давление ≥25 бар). При разложении 1 м3 метангидрата выделяется до 160 м3 метана, радиационная активность которого в создании парникового эффекта атмосферы в 21 раз выше, чем СО2. К 2000 году радиационный форсинг от повышения концентрации метана составил 0,5 Вт/м2, т.е. треть от радиационного форсинга СО2 (1,5 Вт/м2) или около 6 % парникового эффекта. Всего же в метангидратах сосредоточено около 10 тыс. Гт метана в пересчете на углерод. Как считает О.В.Иващенко, для разрушения практически всех залежей океанических метангидратов, необходим прогрев глубинных вод и прилегающего слоя верхнего слоя донных пород не менее чем на 30°С. Но для разрушения нескольких процентов от этих запасов (что хватит для сильнейшего влияния на тепловой баланс Земли), достаточно всего лишь потепления на несколько градусов.
Роль атмосферы как резервуара энергии относительно невелика. Это связано с тем, что срок «энергетической памяти» атмосферы измеряется первыми десятками дней. В климатической системе Земли атмосфера играет роль преобразователя, транспортера и, благодаря парниковому эффекту, «защитника и сберегателя» энергии, циркулирующей в системе. В атмосфере тепловая энергия содержится постоянно в больших объемах в виде, в основном, скрытой теплоты испарения водяного пара. Его конденсация в тех или иных объемах в относительно короткий промежуток времени может привести к определенным климатическим изменениям.
В литосфере, по сравнению с океанами, депонировано значительно меньше тепловой энергии и парниковых газов. Весьма значительны здесь запасы углерода, который при попадании на границу литосферы и атмосферы может стать компонентом углекислого газа. В литосфере депонировано 6×107Гт углерода. Одними из функционирующих источников этого газа являются криогенные отложения. Небольшое количество радиационного энергетического бюджета,
приходящееся на фотосинтез и почвообразование (≈1%), превращается в климатообразующий фактор за десятки тысяч лет накопления в криолитосфере. Так, по нашим данным, в минеральной составляющей ледового комплекса криолитозоны (токодисперсные высокльдистые отложения северных территорий, занимающие до 5 % Арктики) содержится в среднем 5% органической составляющей, что при таянии мерзлоты может существенно увеличить содержание парниковых газов в атмосфере.
В «вечной» мерзлоте содержатся метангидраты - менее 1 % общего запаса.
Значительные запасы гравитационной энергии могут быть сосредоточены в криосфере в форме ледников. Энергия, затраченная на испарение и подъем паров в верхние слои атмосферы, на определенных этапах эволюции климатической системы переходит в гравитационный по-тенциал ледников. Общие запасы льдов на Земле в наши дни достигают 25,8 млн.км3 (в водном эквиваленте), что составляет две трети пресных вод на планете. Если учесть, что в ледниковые эпохи объем ледников мог быть в несколько раз больше современного, запасы льда могли достигать 62 млн.км3, и массы 6×104 Тт. Такие значительные нагрузки были сосредоточены на относительно небольшие участки литосферы и, несомненно, приводили к гляциоизостатическим движениям, потере устойчивости тектоносферы, разрушению ледников, гидрогенным катастрофам. Наибольшей интенсивности такие события достигали в периоды максимального похолодания, приуроченные к концу климатических циклов.
Вышеотмеченное позволяет сделать два вывода: (1) наиболее значительные запасы энергии
(и запас негэнтропии) климатической системы Земли сосредоточены в тепловом и конденсированном (твердофазном и в виде растворенных бикарбонатов) резервуаре океанов и гравитационном резервуаре ледников; (2) поскольку приток внешней энергии (инсоляций) изменяется в небольших диапазонах, разделенных незначительными промежутками времени, значительные флуктуации переменных климатической системы в 100-тысячелетних циклах связаны с поступлением энергии из энергетических резервуаров.
Вестник СВФУ. №1. 2019
В бытии мира всё циклично (по кругооборотам) чередуются периоды созидания эволюционного порядка (полупериоды прогресса от простых к высокоорганизованным системам) и регресса, распада, возврата к исходной простоте (полупериоды регресса от высокоорганизованных систем к исходному состоянию)». С точки зрения синергетики цикличность является следствием свойства самоорганизации сложных эволюционирующих структур.
Сложная самоорганизованная система «чтобы поддерживать свою целостность, периодически преодолевать тенденцию к стохастическому распаду … должна существовать в колебательном режиме, позволяющем замедлять процессы и устанавливать общий темп развития внутри сложной структуры» [Князева Е.Н. Антропный принцип в синергетике 1997].
В нелинейных моделях определенного класса «установлено существование двух взаимодополнительных режимов эволюции сложных систем - LS-режима локализации и возрастания интенсивности процессов и HS-режима расплывания структур и охлаждения» [там же].
Авторам представляется, что разнопорядковая периодичность климата является отражением сложной структуры климатической системы и сосуществования разнопорядковых автоколебаний, связанных с входящими в систему подсистемами. В первом приближении, можно принять, что «долгосрочные изменения погоды» связаны с атмосферной подсистемой (темпомиром*), имеющей очень короткую энергетическую память.
*ТЕМПОМИР(Ы), ТЕМПОРАЛЬНОСТЬ - метастабильно устойчивое объединение простых структур, находящихся на разных стадиях эволюции ("горящих с разной мощностью").
«Вибрации климата» связаны с короткопериодическими катастрофическими событиями, оставляющими память о себе в подсистемах океана, поверхности суши, включая криосферу. «Климатические циклы», вероятно, отражают работу темпомира всей климатической системы Земли. Большая продолжительность климатических циклов объясняется, скорее всего, большим объемом и инерционностью масс тектоносферы, частично вовлеченной в климатическую систему.
Изменения энергетического состояния климатической системы связаны с процессами депонирования (консервации - R°) свободной энергии в энергетических резервуарах (потоками негэнтропии как между системой и окружающей средой, так и между подсистемами) и периодическим освобождением этой энергии, сопровождаемым переходом ее из одной формы в другую.
Депонирование энергии климатической системы.
Появление новых состояний самоорганизующихся систем «обусловлено рождением коллективных мод под действием флуктуаций, их конкуренций и отбором «наиболее приспособленной моды» или комбинации таких мод». В процессе рождения коллективных мод вклад перераспределения оперативных и депонированных энергетических ресурсов в каждой из подсистем (атмосфера, гидросфера, литосфера, криосфера, биосфера) и между ними может быть весьма значительным или решающим. Непредсказуемое во времени высвобождение накопленной энергии и обеспечивает флуктуацию системы.
Вместе с тем, входящие в систему подсистемы могут иметь собственные флуктуации, более значительные из которых порождают «аддитивный шум», а случайные - «мультипликативный» шум.
Рассмотрим резервуары энергии, которые сосредоточены, в гидросфере, атмосфере, криосфере и тектоносфере.
Наиболее крупным резервуаром тепла является океан. Масса океанической воды в 258 (по некоторым данным в 275) раз больше массы атмосферного газа. «Разовое содержание тепла в океане в 21 раз превышает ее поступление к земной поверхности в целом. Даже в 4-метровом слое океанической воды тепла в 4 раза больше, чем во всей атмосфере». Теплоемкость океана превышает теплоемкость суши и атмосферы и, благодаря этому, он является тепловым регулятором и, следовательно, тепловым резервуаром планеты.
Основная доля поглощенной солнечной радиации и основной теплообмен с атмосферой происходит в деятельном слое океана (ДСО), достигающем нескольких сот метров. Средняя годовая температура поверхностных вод Мирового океана 17,4°С, что на 3°С выше средней годовой температуры воздуха. Это гигантский объем тепловых резервов, если учесть, что для нагрева атмосферы на 1° потери тепла океана составят 0,001°. При современных темпах потепления (среднее 0,025 град/год выравнивание температур океана и приземного слоя воздуха произойдет, примерно, через 100 тыс. лет (в течение климатического цикла!), если система океан-атмосфера будет изолированной. Значительный объем потенциальной энергии накапливается в океанах при эндотермическом образовании нерастворимых карбонатов, а при экзотермическом их превращении, с участием растворенного СО2, в растворимые бикарбонаты энергия выделяется в виде тепла, что также приводит к повышению температуры соответствующих слоев гидросферы. Помимо накопителя ощутимого тепла и карбонатов, океан также является резервуаром основных парниковых газов, находящихся в нём в конденсированном (растворенном и/или твердофазном) виде: водяного пара, углекислого газа и метана.
Потенциальные запасы водяного пара в климатической системе безграничны. Содержание его в атмосфере около 0,3%. Вклад водяного пара в парниковый эффект земной атмосферы составляет около 20,6°С - около 78 % парникового эффекта. Известно, что при росте температуры увеличивается образование водяного пара, и на каждые 10°С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается.
Вклад углекислого газа в парниковый эффект земной атмосферы составляет около 7°С (около 16% парникового эффекта). Его содержание в гидросфере (прежде всего океаны) сейчас составляет 4*104Гт углерода (отсюда и далее приводятся данные по СО2 в пересчете на углерод), включая глубинные слои. В атмосфере в настоящее время содержится около 7,5*102 Гт углерода. При повышении температуры воды океанов от 5° до 10°С, коэффициент растворимости СО2 в ней уменьшается приблизительно с 1,4 до 1,2 , что приводит к его эмиссии в атмосферу.
Основной объем депонированного метана (99 %) содержится в океанах в виде метангидратов (условия образования t<0-2°С и давление ≥25 бар). При разложении 1 м3 метангидрата выделяется до 160 м3 метана, радиационная активность которого в создании парникового эффекта атмосферы в 21 раз выше, чем СО2. К 2000 году радиационный форсинг от повышения концентрации метана составил 0,5 Вт/м2, т.е. треть от радиационного форсинга СО2 (1,5 Вт/м2) или около 6 % парникового эффекта. Всего же в метангидратах сосредоточено около 10 тыс. Гт метана в пересчете на углерод. Как считает О.В.Иващенко, для разрушения практически всех залежей океанических метангидратов, необходим прогрев глубинных вод и прилегающего слоя верхнего слоя донных пород не менее чем на 30°С. Но для разрушения нескольких процентов от этих запасов (что хватит для сильнейшего влияния на тепловой баланс Земли), достаточно всего лишь потепления на несколько градусов.
Роль атмосферы как резервуара энергии относительно невелика. Это связано с тем, что срок «энергетической памяти» атмосферы измеряется первыми десятками дней. В климатической системе Земли атмосфера играет роль преобразователя, транспортера и, благодаря парниковому эффекту, «защитника и сберегателя» энергии, циркулирующей в системе. В атмосфере тепловая энергия содержится постоянно в больших объемах в виде, в основном, скрытой теплоты испарения водяного пара. Его конденсация в тех или иных объемах в относительно короткий промежуток времени может привести к определенным климатическим изменениям.
В литосфере, по сравнению с океанами, депонировано значительно меньше тепловой энергии и парниковых газов. Весьма значительны здесь запасы углерода, который при попадании на границу литосферы и атмосферы может стать компонентом углекислого газа. В литосфере депонировано 6×107Гт углерода. Одними из функционирующих источников этого газа являются криогенные отложения. Небольшое количество радиационного энергетического бюджета,
приходящееся на фотосинтез и почвообразование (≈1%), превращается в климатообразующий фактор за десятки тысяч лет накопления в криолитосфере. Так, по нашим данным, в минеральной составляющей ледового комплекса криолитозоны (токодисперсные высокльдистые отложения северных территорий, занимающие до 5 % Арктики) содержится в среднем 5% органической составляющей, что при таянии мерзлоты может существенно увеличить содержание парниковых газов в атмосфере.
В «вечной» мерзлоте содержатся метангидраты - менее 1 % общего запаса.
Значительные запасы гравитационной энергии могут быть сосредоточены в криосфере в форме ледников. Энергия, затраченная на испарение и подъем паров в верхние слои атмосферы, на определенных этапах эволюции климатической системы переходит в гравитационный по-тенциал ледников. Общие запасы льдов на Земле в наши дни достигают 25,8 млн.км3 (в водном эквиваленте), что составляет две трети пресных вод на планете. Если учесть, что в ледниковые эпохи объем ледников мог быть в несколько раз больше современного, запасы льда могли достигать 62 млн.км3, и массы 6×104 Тт. Такие значительные нагрузки были сосредоточены на относительно небольшие участки литосферы и, несомненно, приводили к гляциоизостатическим движениям, потере устойчивости тектоносферы, разрушению ледников, гидрогенным катастрофам. Наибольшей интенсивности такие события достигали в периоды максимального похолодания, приуроченные к концу климатических циклов.
Вышеотмеченное позволяет сделать два вывода: (1) наиболее значительные запасы энергии
(и запас негэнтропии) климатической системы Земли сосредоточены в тепловом и конденсированном (твердофазном и в виде растворенных бикарбонатов) резервуаре океанов и гравитационном резервуаре ледников; (2) поскольку приток внешней энергии (инсоляций) изменяется в небольших диапазонах, разделенных незначительными промежутками времени, значительные флуктуации переменных климатической системы в 100-тысячелетних циклах связаны с поступлением энергии из энергетических резервуаров.
Вестник СВФУ. №1. 2019