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

Предисловие

Существуют три вида, три ступени обучения. Их результаты:

знание,

умение,

ПОНИМАНИЕ.

Третья стадия выделена в списке шрифтом, потому что достичь третьей фазы познания – труднее всего. Например, в музыке легче всего выучить расположение нот на нотном стане. Сложнее научиться воспроизводить музыку. Но самое сложное – стать профессионалом, то есть понимать и чувствовать музыку.

Рис.1. Три стадии обучения

На рис.1 изображен музыкант, который смеется, читая ноты пьесы Дворжака, «Юмореска» (использованы рисунки https://im0-tub-ru.yandex.net/i?id=5b3ef441177f2d306a951abd6ddd5ff9&n=13 , https://n-mus.ru/wa-data/public/photos/43/03/343/343.970.jpg и https://im0-tub-ru.yandex.net/i?id=d5c10581361353fc2982fbc898f49c51&n=13 ).

Наверно, только настоящие, то есть высококвалифицированные, музыканты способны так себя вести? Как достичь третьей стадии? По мнению автора, достичь понимания учебного предмета невозможно без интереса к нему. Сдать экзамен по физике – вещь, конечно, необходимая. Но для неформального овладения этим учебным предметом надо испытывать к нему «искренний интерес» (так говорил капитан Жеглов, когда учил Шарапова разговаривать с подследственными).

Представленный ниже материал может показаться довольно странным. К какому виду учебной литературы его можно отнести? Предлагаемое издание не является ни учебником, ни задачником. Более всего оно может быть отнесено к мероприятию «посещение зоопарка». Во времена, когда автор учился в школе, существовал замечательный вид урока: класс вели в зоопарк. При этом единственное, чего требовала учительница ботаники по итогам такого урока, это написать, «каких зверей ты видел и что они ели». Вот такую же «прогулку» по физическому зоопарку автор и предлагает возможному читателю.

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, QС, падающий на планету, создается Солнцем. Его плотность обратно пропорциональна квадрату расстояния до Солнца, QС = 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, QТ = βT⁴ , где T – средняя для планеты абсолютная температура, β – коэффициент пропорциональности. Таким образом, приравнивая QС = QТ , 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 TЗ 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