Тепловые машины Земли

ПАВЛОВ А.Н.

ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ ЗЕМЛИ

Основные понятия
1. Тепловая машина – механизм, превращающий тепло в работу. Основными узлами такой машины являются нагреватель и холодильник.
2. Муссоны – ветры, периодически меняющие свое направление в зависимости от смены  времен года. Наблюдаются в основном в тропическом поясе.
3. Барическое поле – распределение атмосферного давления в пространстве. Изменение этого поля во времени создает барические волны.
4. Тектоносфера  – оболочка Земли, охватывающая земную кору и верхнюю мантию, в которой происходят тектонические процессы, обусловливающие вертикальную и горизонтальную неоднородность состава и физических свойств масс.
5. Конвергенция, дивергенция – соответственно схождение и расхождение. В этом разделе речь идет о схождении и расхождении векторов напряженности гравитационного поля Земли.
6. Эпейрогенические колебания – медленные вековые поднятия или опускания обширных площадей, на вызывающее изменение их структуры.
7. Сейши – стоячие волны.

Атмосферные машины
    Пожалуй, впервые мысль о тепловых машинах Земли сформулировал
в науке выдающийся французский физик Ф.Д. 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 положи¬тельным бюджетом тепла, а в качестве холодильника – высоко¬широтные 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 по¬рядка. В холодное время года нагревателем в них служат наиболее теплые области океана, а холодильником – материки. В тёплое время года ситуация меняется на обратную. Исключением являются лишь Антарктида и Гренландия, которые из-за мощного материкового оледенения выполняют функции холодильника круглый год. Работа машин второго рода в значительной мере определяет муссонную циркуляцию, 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 определяют области квазизамкнутых циркуляций. Тепловые машины второго рода генерируют колебательные процессы переменного знака.

 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 тёплые участки океана, а холодильником – все окружающее их пространство. Это тропические ураганы.

     С позиций работы тепловых машин может быть объяснён и феномен появления облачности. Например, аномально нагретый участок океана продуцирует восходящее движение воздуха и влаги. На определенной (термодинамически критической) высоте влага конденсируется (работа холодильника), возникшая облачность экранирует поступление солнечной радиации, нагреватель под ней «остывает», облачность рассеивается – машина переходит на холостой ход (её КПД резко снижается). Затем происходит новое возбуждение вызванное поступлением свежей порции тепловой энергии и т.д.
     Названные тепловые машины, взаимодействуя, создают чрезвычайно сложную картину функционирования верхних геосфер.

Тектоносферные машины
     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 были предложены три таких аналога [1990].

     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.

     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.

     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.
     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.
     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.

     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, тогда появятся основания считать тектоносферные сейши 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 идеи, то перед геологией и геофизикой откроются новые, чрезвычайно перспективные  горизонты.

Общий вывод:
• верхние геосферы Земли и тектоносфера функционируют по принципу тепловых машин разного рода;
• их работа обеспечивает и контролирует взаимодействие геосфер, формируя их открытую гетерогенность.