Лев Файко - Дерзкие мысли о климате

Теплопроводностьюназывается теплообмен в неравномерно нагретом теле (среде), имеющей атомно-молекулярный характер, не связанный с движением самого тела, чтобы подчеркнуть суть этого процесса, его часто называют молекулярной теплопроводностью, что не относится к металлам, поскольку в них перенос энергии в основном осуществляется электронами проводимости. Например, принимается, что перенос тепла во льду осуществляется за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку. Чтобы подчеркнуть характер происходящей при этом передачи тепла, процесс часто называют кондуктивной теплопроводностью или кондуктивным теплообменом.

Обязательным условием теплопроводности является наличие вещественной среды и непрерывной разности температуры (температурного градиента) в ней, то есть отсутствие изотермичности. Поэтому вещественная среда с одинаковой температурой не может осуществлять теплообмен, пока в ней не сформировался градиент температуры, о чём иногда забывается.

Конвективным теплообменомназывается перенос теплоты в неравномерно нагретой среде жидкости или газа путём движения самой среды. В природе конвективный теплообмен чаще всего возбуждается действием силы тяготения из-за неравномерного нагрева и, следовательно, возникающих, в силу этого различий в плотности участков подвижной среды, находящейся на разных уровнях. Такой теплообмен называют еще естественной (свободной) конвекцией, характеризующейся перемещением среды по вертикали. Конвекция водной массы, сопровождающаяся ее плотностной стратификацией, имеет большое значение в формировании условий замерзания и зимней жизни водоёмов.

Адвективным теплообменом (адвекцией) называют горизонтальный перенос атмосферы, а вместе с ней и тепловой энергии. В последнее время этот термин часто стал распространяться и на случай переноса тепла с горизонтальными перемещениями воды и льда, например, морскими течениями. Это сугубо географический термин, поскольку в технике такой перенос принято называть вынужденной конвекцией.

Лучистым теплообменом называется перенос тепловой энергии между телами вследствие испускания лучей или электромагнитного излучения (радиации), что может происходить и даже лучше происходит при отсутствии промежуточной среды. Практически вся тепловая энергия, поступающая на Землю от Солнца, переносится лучистым теплообменом в виде коротковолновой радиации. Столько же Земля теряет тепла в космос путём длинноволнового излучения.

Важно заметить, что скорость распространения лучей не зависит от их длины и всегда равна скорости света. Лучи не могут нигде задерживаться иначе, чем путём поглощения одновременно нагревающейся материальной средой, которой они достигают и через которую проникают, или путём превращения в другую форму энергии. Световая энергия поглощенных лучей, переходящая в другие различные формы энергии среды, частично или полностью переизлучается средой на частотах, отличных от частоты поглощенного излучения. Недостаточное внимание к особенностям трансформации лучистой энергии нередко как увидим далее, порождает неясности толкования её динамики в атмосфере.

Лёд и снег играют большую роль в регулировании лучистого теплообмена Земли с окружающим космическим пространством в силу их значительных отражательных способностей.

Обратим внимание на мало известный в физической географии теплообмен при изотермическом изменении энтальпии масс. Этот теплообмен, в результате которого изменение количества теплоты (энтальпии) в определенной массе вещественной среды, не вызывается разностью температуры и не сопровождается ею. Чаще всего он происходит после независимо свершившегося фазового превращения в среде и вследствие переноса масс разного агрегатного состояния. Примером такого теплообмена может служить случай простой замены в водоёме массы льда равнозначной массой воды. В Арктическом бассейне такие явления постоянно происходят вследствие притока атлантических вод и обратно направленного выноса дрейфующих льдов в Атлантику. Невнимание к факту существования такого вида теплообмена породило целый ряд неясностей в описании процессов теплообмена и тепловых балансов полярных водоёмов, что нам еще предстоит далее обсудить особо.

В природе несколько видов теплообмена, действующих одновременно, дополняя один другим или, наоборот, сдерживая теплообмен одной формы другой. Например, на водоёме лёд намерзает за счет кондуктивного отвода теплоты кристаллизации в атмосферу и одновременно может дрейфовать, то есть участвовать в адвекции. Намерзая, под воздействием холодной атмосферы, он одновременно может подтаивать под действием проникающей солнечной радиации, нагревающей воду и конвективно передающей теплоту обратно льду и так далее. Выделить конкретную величину теплового влияния той или иной формы теплообмена не всегда возможно, но четкое представление о физических условиях таких процессов намного упрощает эту задачу.

Нет смысла подробно объяснять, что такое фазовый переход, поскольку достаточно твердые представления об этом даются уже в общеобразовательной школе. Но обратим внимание на нередкие случаи непреднамеренного искажения этих представлений, порождающих паралогизмы и целый ряд вытекающих из них сложностей в изучении и описании тепловых явлений в гидросфере.

Фазовым переходом первого рода называется термодинамический процесс, при котором энтальпия, плотность и другие характеристики вещественной среды изменяются скачком. Для осуществления такого перехода необходимо подводить или отводить теплоту, называемую теплотой фазового перехода и измеряемую скачком энтальпии при фазовом переходе в условиях постоянства температуры и давления.

Теплота фазового превращения для уточнения направленности перехода, например, «вода – лёд» называется либо теплотой кристаллизации, то есть количеством тепла, отводимым от воды при затвердении и соответствующем уменьшении её энтальпии, либо теплотой плавления – количеством тепла, подводимым для перехода льда в воду при соответствующем увеличении энтальпии. Для других случаев фазового перехода первого рода применяются другие термины, например, теплота испарения, теплота сублимации и так далее.

Из справочных источников ныне исчезает менее строгий термин «скрытая теплота», характеризующий изменение энтальпии при фазовом переходе. Недостатком толкования старого термина была не столько его некоторая неопределенность, сколько возможность нечеткого толкования следовавших за ним пояснений, давших пищу для заблуждений в понимании теплообмена при фазовом переходе.