В основу такого моста легли принципы термодинамики и гидромеханики, управляющие движением водных и воздушных масс под действием одного и того же потока энергии — потока тепловой энергии солнечных лучей, неравномерно нагревающих различные широтные зоны земного шара и столь же неравномерно нагревающих атмосферу над океаном и над материками. С точки зрения термодинамики мы вправе рассматривать атмос-феру и гидросферу как тепловые машины, работающие между нагревателем и холодильником. В частности, в тропосфере легко подметить два рода таких тепловых машин.[ ...]
Тепловая машина (двигатель внутреннего сгорания) работает, взаимодействуя с атмосферой. Двигатель внутреннего сгорания меняет рабочее тело в каждом цикле. Такой массообмен осуществляется с атмосферой. В процессе получения полезной работы происходит теплообмен все с той же окружающей средой, т. е. принцип работы тепловой машины предполагает ее взаимодействие с окружающей средой в соответствии с законами термодинамики.[ ...]
В качестве транспортного газотурбинного двигателя наибольшее распространение получила схема с теплообменником, показанная на рис. 6.35. Двигатель состоит из центробежного компрессора 1, турбины привода компрессора 2, тяговой турбины 3, теплообменника 4 и камеры сгорания 5. Компрессор и турбина привода компрессора расположены на одном валу, а тяговая турбина-отдельно на втором валу и с турбиной привода компрессора имеет только газовую связь. Тяговая турбина через редуктор обычно связывается с ведущими колесами транспортной машины. Принцип работы газотурбинного двигателя заключается в следующем. Сжатый воздух из компрессора проходит через теплообменник, подогревается в нем отработавшими газами и поступает в камеру сгорания. В нее впрыскивается топливо, которое сгорает, используя для окисления только часть кислорода воздуха, подаваемого с избытком. Образовавшиеся газы, нагретые до высокой температуры, перемешиваясь с остальной большей частью воздуха, поступают на лопатки привода компрессора. Здесь происходит расширение газов и превращение их тепловой и кинетической энергии в механическую работу в тяговой турбине, что приводит ее во вращение, После этого, потеряв значительную часть энергии, газы попадают в теплообменник, где отдают оставшееся тепло сжатому воздуху, а затем выходят в атмосферу.[ ...]
В предыдущих параграфах этой главы зональная и муссонная циркуляция в атмосфере рассматривалась как работа некоторых двух родов «тепловых машин». Машины первого рода созданы различием прогрева воздуха в тропических и в высокоширотных поясах Земли. Машины второго рода возникли благодаря различию в прогреве воздуха над океаном и воздуха над материками, причем подстилающая поверхность непосредственно воздействовала там на нижний слой атмосферы — практически на слой толщиной около 4 км.[ ...]
Важную роль в процессе разделения зарядов в атмосфере играет кругооборот воды в атмосфере. На испарение воды расходуется мощность 4 • 1013 кВт, и нетрудно себе представить, что к этой мощной тепловой машине Земли подключена малоэнергетичная электрическая машина, которая требует затрат мощности 5 • 107 кВт, что на шесть порядков меньше. Но при этом может оказаться, что на перенос заряда влияют и другие процессы, не заметные на фоне мощного процесса переноса воды в атмосфере.[ ...]
Систему океан-атмосфера можно рассматривать как тепловую машину с нагревателем — океаном, холодильником — атмосферой и рабочим веществом — водяным паром [156, 157]. Коэффициент полезного действия этой машины невелик. При разности температур АТ между температурой поверхности океана Т8 и атмосферы Та на высоте образования облаков, равной 6 К, КПД паровой машины океан-атмосфера будет не более 2%. Вот эта часть тепла и преобразуется в механическую работу и расходуется на поддержание всех динамических процессов в атмосфере и океане — глобальной циркуляции воздушных и водных масс, течений, вихрей и т. д. Остальные 98% тепла идут на обеспечение стационарного термического состояния нашей планеты, т. е. на обеспечение стационарного климата.[ ...]
Режим работы перечисленных тепловых машин В. В. Шулей-кин и назвал климатом. Дальнейшие исследования показали наличие ряда новых циклических механизмов формирования климатических условий сродни описанным. Самим В. В. Шулейкиным была обнаружена ПТМ V рода, связанная с развитием и эволюцией тропических циклонов [327]. Близка по структуре к атмосферной океанская ПТМ I рода, обеспечивающая меридиональный перенос масс и тепла. На возможности такого переноса впервые указывали А. Гумбольдт [96] и Э. Ленц [181], предсказавшие по немногочисленным наблюдениям подъем глубинных вод у экватора и опускание поверхностных вод в районах субполярного фронта. В океане отсутствует аналогичная атмосферной ПТМ II рода, однако сезонная цикличность отчетливо проявляется в колебаниях сезонного термоклина, для которого атмосфера попеременно является холодильником и нагревателем. Вопросы энергоснабжения верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) и колебаний сезонного термоклина подробно разбираются в [142, 204] и будут нами затронуты в соответствующих главах, как и цикличность в процессах взаимодействия океанских круговоротов с атмосферой. Особой колебательной структурой в системе океан—атмосфера, имеющей черты ПТМ, является валкеровская циркуляция, непосредственно связанная с Южным колебанием, которое выражается в изменении масс воздуха между восточным и западным полушариями в тропиках и субтропиках Тихого океана. Можно назвать много работ, посвященных анализу годового хода, двухлетней цикличности и ее нарушениям, модуляции колебаний в системах океанских течений и т. д. Сюда же относятся и многие модельные работы, авторы которых используют детерминированное описание для начальных и граничных условий и для функций источников.[ ...]
Непосредственные наблюдения в природе давно натолкнулиметеорологов на мысль о волнообразном изменении погоды: о нем писали уже С. Д. Грибоедов [37], Б. П. Мультановский [38] и Л. Г. Данилов 139]. На основе представления о тепловых машинах в атмосфере В. В.Шулейкин в 1939 г. построил теоретическую схему термобарических сейш в атмосфере [40]—физико-математическую схему смены погоды.[ ...]
Другими словами, система океан—атмосфера—суша состоит из набора тепловых машин разного рода. И если общая интегральная их работа за отрезки времени порядка одного млн нескольких лет, отнесенная к единице времени, меняется незначительно (в рамках доступной сейчас точности расчетов просто не меняется), то в отдельного рода тепловых машинах эти изменения весьма существенны. Примером этому служат явления Эль-Ниньо, аномальные засухи и тому подобные явления. В этом смысле короткопериодные колебания климата — не что иное как взаимозависимая модуляция интенсивности разного рода природных тепловых машин, приводящая к перераспределению в пространстве интенсивности крупномасштабного теплообмена. Но мы пока не в состоянии прогнозировать локальные тенденции этой энергетической эволюции в океане и атмосфере.[ ...]
Важным недостатком является укоренившаяся дифференциаль-ность в изучении крупномасштабного взаимодействия. В большей степени это относится к исследованиям, обобщавшим разнообразный экспериментальный материал, прерогативой которых долгое время, до появления мощных вычислительных машин, оставалось исследование крупномасштабного взаимодействия. Несмотря на то что использование климатических обобщений информации позволило получить, хотя и приближенно, интегральные оценки тепловых потоков для Мирового океана и отдельных океанов [17, 40, 59, 89, 362, 419, 430, 459], мы не знаеГм интегральных тепловых характеристик взаимодействующих структур в атмосфере и в океане. Другими словами, нет возможности перейти от географических координат к феноменологическим, непосредственно связанным с этими структурами.[ ...]
Эиергобалансовые модели климата используются для определения температуры поверхности в зависимости от широты, а структура атмосферы выражена в виде функции от этой единственной величины. Основными физическими элементами моделей являются тепловой баланс земной поверхности и горизонтальная диффузия тепла. Известно, что атмосфера нагревается в низких и охлаждается в высоких широтах за счет разности между поглощаемой солнечной и уходящей длинноволновой радиацией. Такое неравномерное распределение энергии приводит в действие земную тепловую машину, а именно, порождает ветры в атмосфере и течения в океане.[ ...]
Энергия ветра - одно из наиболее древних используемых источников энергии. Она широко применялась для привода мельниц и водоподъемных устройств в глубокой древности в Египте и на Ближнем Востоке. Затем энергия ветра стала использоваться для перемещения судов, лодок, улавливаться парусами. В Европе ветряные мельницы появились в XII в. Паровые машины заставили забыть на длительное время ветряные установки. Кроме того, низкие единичные мощности агрегатов, настоящая зависимость их работы от погодных условий, а также возможность преобразовывать энергию ветра только в ее механическую форму ограничили широкое использование этого природного источника. Энергия ветра в конечном итоге - результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты. Различия плотностей нагретого и холодного воздуха - причина активных изменений воздушных масс. Первоначальным источником энергии ветра, является энергия солнечного излучения, которая переходит в одну из своих форм - энергию воздушных течений.[ ...]
Разумеется, устойчивость режима, или склонность его к тем или иным колебаниям, служат дополнительными климатологическими характеристиками района. Разумеется также, что во всех тепловых процессах, протекающих в атмосфере, громадную роль играет водяной пар. Однако на тех этапах анализа работы «машин», которые предложены вниманию читателя в настоящей части, придется отвлечься от учета колебаний влажности воздуха со всеми вытекающими отсюда последствиями. Есть основания думать, что последствия эти не отразятся на главных количественных характеристиках изучаемых систем, не выведут их из пределов возможной точности самого анализа.[ ...]
Внедрение теплосберегающих технологий позволяет значительно снизить количество оксидов серы, азота, канцерогенной сажи, аммиака, диоксинов, солей металлов, наносящих ущерб здоровью населения. Переход нижегородских предприятий на энергосберегающие технологии с использованием аппарата «Фисоник» обеспечивает экономию энергоносителей в системах промышленного и гражданского теплоснабжения порядка 10—30% годовых затрат на производство тепла в денежном эквиваленте. Аппарат «Фисоник» — это тепловая машина, использующая энергию пара для нагрева и перекачивания жидкости без применения дополнительных источников энергии. Тепловые насосы как теплоисточники обеспечивают экономию на каждую произведенную гигакалорию тепла до 300 кг угля, или 80 кг мазута, или 60 м3 газа. Если источником тепла для радиаторов являются сточные воды, экономия первичных энергоресурсов составляет 87%, что дополняется исключением загрязнения атмосферы несожженным топливом.[ ...]