Четверг, 28.03.2024, 15:30
Приветствую Вас Гость | RSS
Главная » 2013 » Апрель » 5 » Ледниковый период
Ледниковый период
23:49
Ледниковый период.
   Сегодня поговорим о том, откуда берётся ледниковый период. Есть ли здесь периодичность?

   Известные факты:
1. Теплопроводность (Вт/(м·°С))
  - воды от 0.47 до до 0.58 (при температурах от 0 до 80 °С)  
   - льда от 2.27 до 2.91 (при температурах от 0 до -60 °С)
   - снега 0.15 
   - почвы (или грунта)  в среднем сравнима с теплопроводностью льда
   - воздуха 0.02
2. Теплоёмкость (Дж/(кг·К))
   - воды 4200
   - льда  2100 (при -70°С 1600)
   - почвы 800
   - воздуха 1000
   - снега 2100
3 удельная теплота плавления (Дж (кг К))
   - льда 3000 
   - снега 3300
4. Считается общепризнаным, что ледники достигали в высоту километры. Пример тому Гренландия (которая почему-то означает зелёный остров).
5. На ледник действуют жар из под земли, жар от солнца, жар от прилегающей территории, жао от воздуха и жар от потенциальной энергии падающих осадков.
6. Температура во внешних стенах вашей квартиры изменяется по линейному закону. Линейная зависимость меняет коэффициент в месте, где меняется материал.
7. Температура поверхности на солнце всегда выше температуры воздуха. Разница может составлять десятки градусов.Иначе говоря, температура ледника выше температуры воздуха над ним. 
8. Антарктида находится ближе к полюсу, чем наши ледники, а край её примерно на том же уровне. Среднегодовая температура в центре Антарктиды -57°С, скраю -12°С. Причём летом скраю темпреатура достигает -5 - 0 °С.

Теперь проанализируем, что мы получили.
   I. Рассмотрим цикл образования и таянья ледника. За начальную точку возьмём ситуацию, когда ледник уже образовался.
 
   1. теплоёмкость вещества определяется формулой cmΔt, энергия плавления λm
Для начала оценим, что нам даёт потенциальная энергия ледника, ведь он тает (сверху). Образовавшаяся вода падает и в конечном итоге кинетическая энергия преобразуется в теплоту.
Его энергия определяется формулой mgh. 

   Выкинем для удобства массу из рассмотрения.

   Что касается повышения температуры, то в основном мы должны будем обратить внимание на повышение температуры почвы и воды. Что касается льда и снега, то их температура будет расти в два раза быстрее, чем воды, т.е. ледник будет нагреваться быстрее и быстрее будет таять. Мы не будем его рассматривать для простоты а остановимся лишь на возможном повышении температуры океана и почвы.

   Итак gh  30000. В среднем (высота при таянии меняется) даёт 15000. Вода при этом нагревается на 3-4 градуса, почва на 20 градусов.

   Те ледники, которые находились на суше, нагревали почву. Почва нагревала воздух и ледник. В свою очередь воздух отдавал свою энергию леднику (т.к. всё происходило в одном месте).

   Короче говоря если процесс начался, то всё вело к ускорению таяния ледника и мы можем считать, что вся энергия идёт на нагрев ледника. Не хотели мы это рассматривать, да всё к этому и свелось.

   В среднем это даёт прирост температуры в 6 градусов для льда.

   2. Жар из под земли. Мы знаем, что чем толще стены, тем лучше они хранят тепло. А в недрах Земли находится печка. Значит, под землёй температура должна была несколько подняться, что приведёт к дополнительному нагреву Земли в целом, в частности океана и свободных участков земли. Иначе говоря это сделает климат более тёплым.
   На нашей полосе глубина промерзания сейчас составляет 1.4 метра. Ниже температура выше нуля. В ледниковый период это глубина была меньше.
   Под ледником аналогичная ситуация, но глубина там ещё меньше (если не брать в расчёт сам ледник). Далее, в леднике, температура распределяется по линейному закону (в первом приближении) по толщине, точно также, как это происходит в стенах вашего дома. Температура при этом изменяется от, скажем, -1°С до температуры ледника на поверхности. Если исходит из ситуации с Антарктидой, то не так тук уж и холодно, даже для воздуха. А темпрература льда и вовсе должна была бы быть около нуля!

   3. Энергия осадков припадении кинетическая и потенциальная энергия осадков переходит в тепло. Применительно к ледникам это означает, что чем выше ледник, тем меньше его разогревают осадки. С другой стороны, как только ледник начнёт таять и опускаться, осадки начнут его разогревать и таяние пойдёт быстрее.

   Итак, исходя из нашего анализа, мы приходим к однозначному выводу, что если ледник, скажем, из-за того, что снега стало над ним выпадать меньше, начал таять, то он растает до конца. Причём процесс будет происходить со всё большей скоростью (до определённого момента).

   Что могло привести к началу таянья ледника? Это либо недостаток осадков, т.к. площадь океана уменьшилась (из-за ледников), то испарений стал меньше. Либо это связано с потеплением климата, скажем, благодаря энергия печки (внутренней энергии планеты). При этом энергия аккумулируется в воде много лет. Т.е. если климат потеплел из-за тёплого океана, то он (климат) ещё не скоро изменится, вода остывает медленно. В любом случае это приводит к полному таянью ледника.
   
   Вывод - если возник ледник у нас в северных землях, то рано или поздно он начнёт таять и он растает полностью.

   II. Рассмотрим, как образуются течения на примере Гольвстрима.
   
  Тепло всегда распространяется от более нагретого участка (печки) к менее нагретому (холодильнику). Происходит это обычно при помощи конвенкции (течения воды или воздуха).

   Очевидно, печка находится на экваторе. Если нет вулканов, то других вариантов нет. Что касается холодильника, то он находится у полюсов. Причём чем эффективней холодильник, тем  сильнее будет течение именно к этому холодильнику.

   Эффективность холодильника зависит в первую очередь от теплопроводности. Чем выше теплопроводность, тем быстрее произойдёт остывание. В этом отношении лучше всего подходит побережье, причём не важно, грунт это или лёд. Холодильник будет более эффективен и в том случае, когда его температура ниже. Однако, как мы видели температура ледников, даже, в Антарктиде не особо низкая, она сравнима с температурами на севере. Наконец, холодильник эффективней, чем он больше. Здесь может иметь значение либо длина побережья, либо объёмы холодной воды, с которым течение перемешивается.

   Если мы посмотрим на север, то течение на широте Гренландии контактирует с полоской земли, довольно большой. Это, уже холодные широты, где замерзают реки и озёра. На юге, на тех же широтах мы видим расширение водной глади. Иначе говоря, течение здесь будет расширяться в несколько раз. При этом потеря энергии через воду, по сравнению с потерями через лёд ниже в несколько раз. Иначе говоря нет явных причин, для того, чтобы суммарный поток тепла на юг был сильнее. Однако в следствии расширения течения, скорость его будет падать и мы его не заметим.

   Если мы посмотрим ближе к к полюсу, на уровне побережья Антарктиды, то мы видим, что холодильник на севере более эффективен. Там присутствует всё побережье Северного ледовитого океана, плюс сам океан. На юге же есть лишь побережье Антарктиды, но из-за того, что к нему выходят три подогреваемых океана, участок контакта для охлаждения будет очень маленьким. Должно быть воды у Антарктиды теплее, чем в Северном ледовитом океане. 

   Если вы наберёте в поисковике слово "Гольвстрим", то вам выдадут несколько моделей течений. В некоторых из них Гольвстрим не заходит в Северный ледовитый океан. Я склонен думать, что он всё же в него заходит (по этому вопросу лучше поискать информацию о Северном ледовитом океане). Также там показано, что он проходит справа (у Европы) и не подходит к Гренландии, что несколько противоречит предложенной мною теории распространению тепла (т.е. течение должно бы было занимать весь пролив). Однако  данное явление можно обяснить тем, что у берегов Гренландии течение охлаждается и уходит под воду, где в конечном итоге меняет своё направление.

   То, что Гольвстрим заходит в Северный Ледовитый океан, позволило бы объяснить, почему на Севере только Гренладтя покрыта Ледниками. Дело в том, что если Гольвстрим проходит дальше на север, то из Северного ледовитого океана должна где-то вытекать вода, и она будет холодная. Выходить она может либо через Берингов пролив, либо в районе Гренландии. Беренгов пролив гораздо уже, чем пролив в районе Гренландии и там тоже существует тёплое течение на север. Так что, моя модель объясняет, почему Гренландия омывается холодными водами, а это приводит в свою очередь к её охлаждению.

   Течение через Берингов пролив также существуют. Это течение тёплое. О холодном течении там говорить трудно. Пролив не широк, и глубина не большая.

   III. Рассмотрим теперь аккумуляцию энергии Северным ледовитым океаном.

    Из-за того, что Северный ледовитый океан в значительной степени покрыт ледниками, то он мало получает тепла от Солнца. Однако в океан поступает, также тепло от течений и от самой планеты (изнутри).

    Как мы говорили ранее, ледяная шапка может дать дополнительную теплоизоляцию океану, тем более, что лёд плохо излучает тепло. На деле ситуация с океаном другая. Действительно, тепла лёд в пространство (космос) излучает меньше, чем вода, и, если бы не было ветров, то энергия в океане аккумулировалась. Однако океан не окружён горами и потому от туда должны дуть ветры в соответствии с моделью "печка-холодильник". При этом ветры уносят энергию с ледника. А т.к. теплопроводность льда в несколько раз выше, чем у воды, то говорить об аккумуляции не приходится. 

   К примеру, лёд возвышается над водой на 6 метров, значит его толщина 60 метров. Дополнительная шапка - 6 метров изо льда, но при этом 54 метров у нас заменено льдом. В итоге метров льда заменяют 54 метра воды. Но как утеплитель, 60 метров льда по теплопроводности соответствует примерно 12 метрам воды. Т.е. теплоизоляция уменьшилась. Можно ещё предположить, что поверх воды находится снег, а лёд лишь под водой, но всё равно теплоизоляция падает. 

    Однако вот эта вся энергия, которая поступает из под Земли идёт на нагрев планеты. Если в Северном ледовитом океане растают льды, а солнечного тепла будет поступать недостаточно, то  часть энергии начнёт уходить в космос. 
 
   В сравнении с толщиной океана, потеря теплоизоляции в 40 метров небольшая (около 1%). Но это не совсем так для самого океана. Воды там очень холодные, около -1. Не много не хватает, чтобы океан промёрз до дна. Если солёность понизить, то он опять же замёрзнет. Ледники же, как правило формируются за счёт осадков, т.е. они пресные. Если ледники не будут выходить из Северного ледовитого океана, а таить там, то это может понизить солёность океана.

   Как известно, айсберги достигают значительной величины. В целом их толщина может достигать километров. Глубина Северного ледовитого океана в среднем около 4000 метров. При толщине льда над водой в 20 метров, общая толщина льда составит 200 метров, сто будет соответствовать по теплоизоляции толщине воды в 50 метров. Потеря в теплоизоляции 3-4%. 

   В общем Северный ледовитый океан на старте.  

   IV. Теперь рассмотри формирование ледника.
 
   Причины начала формирования ледникового периода:
   - климат станет менее тёплым. Скажем, это может произойти, если растают льды в Антарктиде (теплоизоляция станет хуже) или по какой-то иной причине,
   - тёплые течения перестанут заходить в Северный ледовитый океан. Скорее всего это может произойти в районе Берингового пролива. Айсберги бывают столь большие, что они могут его полностью закупорить. Есть и более экзотический вариант, не так давно был обнаружен дрейфующий остров из пемзы. Его длина порядка 300 км, глубина погружения может достигать 100 метров и даже больше. Так остров также может закупорить берингов пролив, причём пемза в этом случае послужит отличным теплоизолятором,
   - прекратиться вулканическая деятельности внутри Северного ледовитого океана,
   - понизится солёность Северного ледовитого океана. Здесь действительно положение серьёзно. До глубины в 200 метров океан находится при температуре плавления льда, с учётом его солёности. Таяние льдов Гренландии или Антарктиды может сильно повлиять и на ниже лежащие слои (верхние, очевидно, замёрзнут).
   - увеличиться количество осадков (в виде снега), что увеличит толщину ледяного покрова. Если же будет идти дождь, то он может понизить солёность океана,
   - океан охладится ещё сильнее. 

   Как видим, пуском могут послужить многие явления. Некоторые из представленных явлений случайны, другие, вероятно, постепенно накапливаются.

   Что произойдёт дальше?
 
   Мы не будем рассматривать то, что могло бы происходить с Антарктидой, хотя если закупорить Берингов пролив, то, вероятно, к Антарктиде начнёт поступать больше тепла.

   Допустим, однако, что в  океан стал холоднее. Если причина будет в закупорке Берингова пролива, то оледенение может начаться с той стороны. В других случаях оледенение может пойти от центра полюса.

   После начала оледенения, т.е льды стали больше покрывать площадь или они стали толще. И то и другое приводит к охлаждению океана, что в свою очередь ведёт к ещё большему увеличению льда. 
  
   Пока льды плавают, это не сказывается на уровне океана, а значит на количестве осадков, если, конечно, не стали таять льды Антарктиды. Однако толщина льда возрастает, что с одной стороны ведёт к ещё большему охлаждению океана. Льды тают как сверху, так и снизу, но процесс идёт медленно. Возрастая в массе, льды вытесняют солёную воду, а при таянии в океан поступает пресная вода. Океан становится меннее солёным, что препятствует его восстановлению в жидкую фазу.Да и вообще, может привести к его промерзанию.

   В конце концов океан промерзает до дна или почти до дна. Если это произойдёт из-за изменения солёности, то процесс произойдёт очень быстро. Скажем, за сутки. При этом лёд имеет меньшую плотность. Холмы изо льда могут подняться на сотни метров буквально за день! 

   В любом случае, отсутствие тепла рядом с побережьем, и подступом более холодных вод приведёт к началу оледенения на побережье всего Северного ледовитого океана.. Тёплые течения к тому времени отступят ближе к экватору.

   После того, как льды перестали плавать, достигли дна, осадки начинают сказываться на уровне океана. Его уровень начинает падать. 

   В виду того, что ветры дуют от холодильника понизу, т.е. с полюса, то причина оледенения побережья теперь кроется в холодных ветрах со снегами.собственно и льды могут спускаться на побережье.

   В какой-то момент осадков станет выпадать меньше и в основном они начнут осаждаться раньше, не долетая до центра полюса. Вокруг Северного ледовитого океана начнут формироваться ледяные горы, образую что-то типа кастрюли, а скорее тарелки, т.к. склоны, видимо,.будут пологими.
 
   После того, как сформированы горы, ветры внутри такой кастрюле уменьшились. Теперь снега не метёт на стены "кастрюли". Тепло от дна Северного ледовитого океана перестаёт уходить в окружающую среду. Тепло Земли начинает накапливаться в леднике.

   В конечном итоге процесс таяния начнётся либо с вершин ледянового покрова, когда накопится потенциальная энергия, либо с самого океана, снизу, когда тепла саккумулируется достаточно много.

   Случай с потенциальной энергией мы рассмотрели ранее - он приводит к потеплению и полному таянию льда на побережье. 

   Что произойдёт со льдами в океане? 

   Их температура будет близка к температуре плавления. Солнце может их расстопить.Их расстапливает и снизу. В любом случае ледник осаждается. Т.к. его величина , в следствии глубины океана достигает толщины в киллометры, то выделяется значительное колличество теплоты. Процесс аналогичен тому, что мы рассмотрели ранее. 

   В какой-то момент ледники начнут плавать, не достигая дна океана. В этом случае, при таинии снизу, ледник начинает всплывать, и говорить о потенциальной энергии сложно. Оценим ситуацию.

   Уровень океана при таянии айсбергов не изменяется, поэтому массу воды всего океана можно не рассматривать. Рассматриваем, лишь то , что расстаяло.

  Итак. Рассмотрим ледяной цилиндр высотой 10 метров, погружённый в воду, который растаял снизу на 1 метр. Масса цилиндра изначально пусть будет равна 10.

   В первый момент центр тяжести системы (центр тяжести цилиндра, рока он не расстаял) находился на высоте 5 метров. mqh=10x5x10=500 - это потенциальная энергия в начале.

   После того, как лёд расстаял на 1 метр. У нас образовалась вода под цилиндром высотой 0.9 метра, её масса равна массе растаявшего льда, т.е. 1. Цилиндр при этом опустился на 0.1 метра.

   Теперь ищем потенциальную энергию новой системы: 
   - для воды получаем 1х10х0.9/2=4.5,
   - для плавающего цилиндра 9х10х(0.9+9/2)=81+405=486
   - в сумме получаем 486+4.5=490.5<500

   Видим, что при таянии айсберга снизу также теряется потенциальная энергия, которая, очевидно, преобразуется в тепло.


   Т.е. после начала таяния льдов  они будут продолжать таять , пока не расстают. По видимому, в следствии того, что температура льда близка к температуре плавления, таяние происходит очень быстро. Осадки не могут этого компенсировать, да и потенциальная энергия осадков начинает возрастать. По видимому остаётся и форма кастрюли в процессе таяния, т.е. пока всё не расстает, всё тепло идёт на расстопление. 

    При таянии сверху, когда вся вода расстекается по поверхности.  Потенциальная энергия, после таяния цилиндра на метр, будет 9х10х9/2=405. Т.е. ледники на суше тают эффективней.

   Ранее мы подсчитывали, на сколько поднимет температура льда в средем при таянии ледника высотой в 3 км (на 6°С) Ради интереса подсчитаем, хватит ли потенциальной энергии на расстопления льда. Толщина льда у нас теперь больше, но мы примем за основу те же 3км. Тамперату раже льда пусть будет на уровне плавления.
   
   При таянии цилиндра целиком:
   - в океане потенциальная энергия стала 10х10х9/2=450,
   - на суше до нуля.

   Как видим на суше таяние ледника в 10 раз даст больше тепла, а значит это эквиваленто увеличению температуры льда всего на полградуса (0.6°С).

   Удельная теплота плавления льда и снега нам надо сравнить с полученной потенциальной энергией. Оказывается, что на суше её хватает (она в 5 раз больше теплоты плавления), а вот с плавающими айсбергами ситуация будет другой - их потенциальная энергия в 2 раза меньше удельной температуры плавления. Воды в океане будут холодными, но лёд будет таять, ведь теплота идёт ещё и из цента Земли, и от тающего ледника на суше, и от солнца, и от остального океана. Сам лёд полностью или почти полностью растает. 

   По поводу ледников Антарктиды. По видимому потенциальной энергии её ледников достаточно, чтобы она освободилась ото льда, и даже, нагрелась. В этом случае станет больше приходить тепла на север. Дальше анализировать сложно, т.к. в случае с Антарктидой ледяной покров в значительной степени (но не полностью) служит теплоизолятором. 
   Я склоняюсь к мнению, потери по теплоизоляции будут не большими, компенсироваться солнечной энергией, а уровень океана поднимется. Весьма вероятно, что на полюсах было бы довольно тепло, теплее чем сейчас.
   Есть и ещё один механизм, который мы не рассмотрели. Если лёд образовался мновенно, то он мог расти не только ввысь, а и в ширь. А как мы знаем, лёд может разорвать металл в трубах. Это большая сила.
© Митькин Александр Ильич 1976 г.р.
 
   






Категория: Мои статьи. | Просмотров: 5993 | Добавил: rznusl1 | Рейтинг: 0.0/0 |
Всего комментариев: 1
1 rznusl1  
0
скорее всего, не учитывал плотность переохлаждённой воды, считая, что она меняется медленно.

На самом деле плотность такой воды очень близка к плотности льда. Вода, конечно, может замёрзнуть разом, но ледяные горы при этом мы не получим. Лёд будет весь в воде, фактически.

Данный факт ведёт и ещё к одному выводу - подводная часть айсберга может быть гораздо большей.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]