26 апреля 2013 [Публикации]
Конденсационные ветры в ACP

Предложен принципиально новый физический механизм образования ветра в атмосфере, содержащей конденсирующийся газ (водяной пар). Статья на эту тему опубликована в ведущем метеорологическом журнале Atmospheric Chemistry and Physics.

Газы и жидкости приводятся в движение градиентами давления. Хорошо известно, что давление воздуха падает с высотой, образуя вертикальный градиент давления. Однако этот градиент не приводит к ускорению воздуха, так как работа градиента давления при подъёме или опускании воздуха в точности компенсируется противоположной по знаку работой силы тяжести. Это условие равновесия, называемого гидростатическим, обеспечивает устойчивое присутствие воздуха вблизи земной поверхности в течение времён порядка миллиардов лет.

Наличие в атмосфере конденсирующегося газа – водяного пара – в корне меняет ситуацию. Охлаждение влажного воздуха при его подъёме приводит к конденсации водяного пара и его выбыванию из газовой фазы. По этой причине давление водяного пара падает с высотой существенно быстрее, чем давление остальных неконденсирующихся газов воздуха (азота, кислорода и др.). Как следствие, мощность силы градиента давления* водяного пара при подъёме влажного воздуха в несколько раз превышает мощность силы тяжести, действующий на водяной пар. Авторы статьи утверждают, что именно эта чистая разница в мощности (т.е. мощность, остающаяся после того, как водяной пар “сам себя поднял”) и движет атмосферной циркуляцией на Земле.

Мощность атмосферной циркуляции** определяется локальной скоростью конденсации и, следовательно, осадками. Поскольку условие гидростатического равновесия препятствует образованию больших вертикальных скоростей воздуха, конденсационная мощность, связанная с вертикальным подъёмом воздуха, переводится в мощность горизонтальных потоков воздуха, сопровождающихся возникновением горизонтальных градиентов давления.

Количественная оценка мощности глобальной циркуляции, полученная на основе новой теории, прекрасно совпала с экспериментальными данными. Аналогичных оценок в традиционной метеорологической теории не существует. Традиционный взгляд на происхождение ветра основан на рассмотрении температурных градиентов: тёплый и, следовательно, лёгкий воздух поднимается, тяжелый и холодный – опускается. Этот подход, основанный на равновесной термодинамике, позволяет определить лишь максимально возможный к.п.д. преобразования тепла в работу (кинетическую энергию). Однако он не позволяет определить реальный к.п.д. тепловой машины атмосферы. Новая теория позволяет заключить, что этот тепловой к.п.д. близок к нулю, а кинетическая энергия воздуха имеет принципиально иное происхождение.

Новая теория, полностью переворачивающая традиционные взгляды на атмосферную циркуляцию, вызвала широкий интерес и разносторонние отклики в научном сообществе. Статья авторов находилась на рецензировании рекордно долгий срок – более двух с половиной лет. За это время она собрала большое количество комментариев в открытой научной дискуссии на страницах журнала и интенсивно обсуждалась в англоязычной климатологической блогосфере. В сопровождающем статью комментарии редактора подчёркивается, что публикацию “совершенно нового взгляда на движущую силу атмосферной динамики” следует рассматривать не как одобрение редколлегией журнала новой теории, но как “призыв к дальнейшему развитию” представленных авторами положений.

Авторы всецело поддерживают этот призыв. Важнейшим следствием новой теории является переосмысление роли лесного покрова в поддержании региональной атмосферной циркуляции и воздушного транспорта влаги с океана на сушу. Сохранение влаги в почве леса, испарение влаги с поверхности лесного покрова и её конденсация, регулируемая биогенными ядрами конденсации, приводит к образованию устойчивых зон пониженного давления на покрытых лесами территориях. Это приводит к появлению ветрового потока, приносящего влагу с океана на сушу и питающего круговорот воды на суше. Сведение лесов приводит к опустыниванию и представляет собой гораздо бoльшую угрозу, чем это предполагается в традиционной климатологической парадигме. Понимание истинной ценности естественного леса и его роли в транспорте влаги с океана исключительно важно для России, где сохранился самый протяженный лесной массив, и бoльшая часть территории которой находится на значительном расстоянии от берегов океанов.

*Градиент давления – это сила, действующая на единицу объёма воздуха, размерность Ньютон на кубический метр. Мощность (работа (т.е. сила на путь) в единицу времени) – это векторное произведение силы на скорость. Мощность вертикального градиента давления – произведение вертикального градиента давления и вертикальной скорости, размерность Ватт на кубический метр. Мощность силы тяжести – произведение силы тяжести на вертикальную скорость.
**Мощность глобальной циркуляции – скорость генерации кинетической энергии ветра на единицу площади, размерность Ватт на квадратный метр. Так как кинетическая энергия генерируется горизонтальными градиентами давления, мощность глобальной циркуляции равна интегралу по высоте от произведения вектора горизонтальной скорости на вектор горизонтального градиента давления. Мощность глобальной циркуляции представляет собой ту долю солнечной радиации, которая затрачивается на генерацию ветра. Эта доля порядка одного процента, а мощность глобальной циркуляции -- около 4 Вт/м2.

Историю и обсуждения статьи до публикации см. здесь. Подробное обсуждение после публикации см. здесь. СМИ отреагировали так:

 
Controversial research outlines physics behind how forests may bring rain
Jeremy Hance mongabay.com 30 January 2013.
Keep rainforests – they drive the planet's winds
Fred Pearce New Scientist 31 January 2013, No. 2902.
Forests as rainmakers: CIFOR scientist gains support for a controversial hypothesis
Ashlee Betterige Forests News (Center for International Forestry Research) 28 January 2013.
New study claims forests cause winds and rain
Southern Cross University 30 January 2013.
Branching out on climate
Graham Lloyd The Australian 02 February 2013 PDF (3 Mb).
Regnskog kan fungera som vindfabriker
Karin og Jesper Institutet Sveriges Radio 30 March 2013.
Почему дует ветер? Наука и жизнь, №3, 2013, с. 12-13.
Streit um die biotische Pumpe
Lucian Hass Deutschlandradio 23 April 2013.
Whether the paper should have been published, or not:
Richard Smith: The editor thinks your paper is nonsense but will publish anyway
Atmospheric Chemistry and Physics Throws Itself Into the Trash
Makarieva et al finally get their groundbreaking paper on Atmospheric Thermodynamics published
Accepted at Atmospheric Chemistry and Physics after nearly two and half years
Peer review problems at EGU journals?