„Който не знае едно нещо, знае друго.“

Съвременната методология за разработка на климатичните пособия се основава на два неявни постулата за свойствата на измерваните скаларни характеристики на атмосферата и на океана: на постулата за адиативност и на постулата на независимост на физическите величини, представляващи измерени характеристики на атмосферата и на океана (например, температурата и солеността на водата). Приемането на тези постулати води до възможност за разчет на климатичните параметри за всяка характеристика по отделно, независимо от другите. Например, в климатичните атласи се привеждат отделни карти за средната температура на водата и отделни карти за солеността на водата. Доколко логически е обосновано прилагането на тези постулати? В публикацията се показва, че физическите закони противоречат на тези постулати.

Използването на тези не явни постулати свидетелстват за това, че методологията на климатичните пособия съвършено не отчита физическите качества на измерените „скаларни” характеристики: температура, соленост, влажност. Разделът физика, изучаващ тези характеристики, се нарича термодинамика. Там се изследват физическите величини, характеризиращи микроскопическите състояния на телата. Особеност на термодинамиката се явява възможността да се изведат цял ред съотношения между термодинамичните величини, които имат място независимо от това, към какви конкретни тела тези величини се отнасят. При това обикновено пренебрегват флуктуацията, считайки че термодинамичните величини се изменят само при изменение на макроскопичното състояние на телата.

Да разгледаме верността на постулата за адиативност. Измерваните в хидрометеорологията „скаларни” характеристики се явяват физически величини. Това означава. че правилата за получените значения на тези характеристики се определя от физиката, а не от математиката. Как се определя възможността за получаване на термодинамичните характеристики в физиката? Термодинамичните величини биват два сорта: екстензивни и интензивни. Екстензивните термодинамични величини се явяват еднородни функции на маса от компоненти, когато е възможно да се пренебрегнат някои усложняващи работата обстоятелства. Тези усложняващи обстоятелства засягат важния въпрос за адиативността на термодинамичните величини. Под адиативност се разбира свойството, заключаващо се в това, че някоя величина за системата като цяло е равна на сумата на аналогичните величини, отнасящи се към отделни части на системата. Например, под адиативност на обем вода се подразбира обем на две чаши вода, налети в съд, побиращ тези две чаши вода. Обема, енергията, ентропията се явяват адиативни величини, те могат да бъдат считани еднородни функции на масата от компоненти. Напротив, интензивните физически величини не се явяват адиативни, тоест не се сумират при събиране на частите на системата. Към интензивните се отнасят, например, температурата, солеността, влажността. Действително, ако изсипем две чаши вода с 20ºС в един съд, тогава температурата на водата в съда не става 40ºС, температурата на сместа както по-рано ще е 20ºС.

В физиката за определяне на температурата на смеси от няколко обема течност или газ се прилага закона на Рихман – сумата на топло съдържанието на компонентите до топло обмена е равно на крайното топло съдържание на системата:

t_o = c₁ρ₁ν₁t₁ +c₂ρ₂ν₂t₂ +…/ c₁ρ₁ν₁ +c₂ρ₂ν₂ +… (1)

където c_i– относителна влажност, ρ_i – плътност, t _i– начална температура, i – во тяло, t_о– резултатната температура на сместа.

От формула (1) не може да се получи формула за средно аритметичното значение, използвано в климатичните разчети, даже ако се счита, че при сумирането на температурите са взети равни обеми, тъй като остава принципното различие в значенията на относителната топлоемкост и плътност при различните измервания. Относителната топлоемкост и плътността зависят и от температурата, и от налягането, при които се извършват измерванията.

Съществуването на екстензивните характеристики в термодинамиката е вярно само за идеалните газ и течност. За реалните газове и течности термодинамиката определя, че всички термодинамични характеристики са интензивни, и, следователно, в реални условия всички те не са адиативни.

По този начин, постулатът адиативност, приет в методиката за построяване на климатичните пособия, е лъжлив. Събирането на аритметичните значения на температурата, или солеността, или влажността – това означава да се пренебрегнат законите на термодинамиката, означава да се извърши логическа грешка. Да се получи коректен резултат, извършвайки логическа грешка е невъзможно!

Да разгледаме постулатът независимост. Неговата лъжливост се определя от това, че термодинамичните характеристики са свързани между себе си с твърда зависимост, която се нарича уравнение за състоянието.

В термодинамиката е установено, че когато някое тяло се нагрява или охлажда, то, освен температурата, непременно трябва да се изменят всички останали физически величини, характеризиращи състоянието на тялото. Това свойство води към теоремата за съществуването на уравнение на състоянието, тоест към утвърждаването, че за всяко тяло винаги съществува някоя функция на зависимост между температурата и всички останали характеристики, определящи състоянието на тялото.

Ще приведем примери за уравнение на състоянието за морската вода и атмосферата.

Водата, в това число и морската, се явява свиваема течност, тоест нейната плътност се изменя. Зависимостта на плътността или относителния обем от определящи фактори се изразява от уравнението на състоянието. В океанологията в качеството на такива фактори се приемат най-просто измерваната температура, солеността и налягането, тоест ρ = (T, S, P), използват се различни уравнения на състоянието, получени по полу емпирически път, например Кнудсен (1901 г.), Екман (1908 г.). От 1980 г. започва постепенното използване на международното уравнение на състоянието на морската вода, наречено уравнение УС-80. Тези уравнения са много големи, имат по няколко десетки числови параметри, и поради това тук не се разглеждат. За пример ще приведем едно от най-простите уравнения, така нареченото уравнение на състоянието на Мамаев, представляващо опростен вариант на уравнението на Кнудсен:

ρ = 0,01[2815,2-7,35T-0,469T²+(80,2-0,2T)(S-35)]=4,6.10^-7P. (2)

където (Т) в ºС, соленост (S) в ‰, налягане (Р) в Па.

В метеорологията уравнението на състоянието за влажността на въздуха има вида:

ρ = Р/R_CT_B. (3)

където Р – атмосферно налягане, R_C – относителна газова постоянна на сухия въздух, T_B – виртуална температура, T_B = Т(1=0,608q), където q – относителна влажност на въздуха.

За нас е важна не конкретната формула, а това, че всички уравнения на състоянието са нелинейни. Това обстоятелство изключва възможността да се изчислява средното значение на характеристиките независимо една от друга (даже ако характеристиките да се считат адиативни). Нека съществуват няколко измервания в различни моменти във времето в някаква точка на набор от характеристики: температура, соленост, налягане за морската вода или температурата, влажността, налягане на атмосферата в точка в момента на измерване. Не бива да се „разсипват” тези набори на отделни съставляващи и да се събират отделни множества на температурата, множество на солеността и т.н. Това забранява нелинейността на уравнението на състоянието. Ще изчислим за всеки отделен набор от характеристики по уравнението на състояние на плътността. Средното аритметично значение на всички плътности ще обозначим с ρ_о. За морската вода ще имаме . Ако сега изчислим средното аритметично значение на аргументите на уравнението на състояние, а по тези средни значения се изчисли плътността (както се прави при създаването на традиционните климатични пособия), тогава ще получим величината ρ^’. За морската вода ще имаме . Значенията на ρ^’ и ρ_о не са равни едно с друго, тъй като уравнението на състоянието е нелинейно.

Ще приведем числов пример. За аналогия на нелинейно уравнение за състоянието може да послужи математическата зависимост между величината на радиуса на кръг r и неговата площ s:

s = π r². (4)

Ще предположим, че имаме три кръга, радиуса и площта, на които са приведени в таблица.

Значение на радиусите и съответната площ на трите кръга.

№	r	S
1	1	3,14
2	2	12,56
3	3	28,27

Ако се счита, че площта на кръга не зависи от неговия радиус, тогава може да се изчисли средното значение на радиуса и средната площ на кръговете независимо един от друг. Ще получим средно значение на радиуса, равно на 2 (r’ = 2), а средното значение на площта, равно на 14,66 (s’ =14,66). Но тези две значения не удовлетворяват израза (4). При радиус, равен на 2, площта на кръга е равна на 12,56 (s_о = 12,56). Двойката r’ = 2, s’ =14,66 не съответстват на никой кръг, кръг с такъв радиус не може да има такава площ.

Точно такава е ситуацията, която се наблюдава в климатичните пособия, разработени на принципа за независимост. Например, средното значение на температурата и солеността, усреднени по отделно, не съответстват на каквото и да е състояние на морската вода в природата, тъй като тези средни значения са получени без отчитане на уравнението на състоянието.

Постулатът за независимост на термодинамичните параметри е лъжлив в следствие на нелинейност на уравнението на състоянието.

Зависимостта на термодинамични характеристики може да се илюстрира с примера за разпределение на водните маси в океана.

Водната маса – това е някаква, сравнително голям обем вода, формираща се в определен район на Световния океан – огнище, източник на тази маса, – обладаваща в течение на дълго време почти постоянно и непрекъснато разпределение на физически, химически и биологични характеристики, съставляващи единен комплекс, и разпространяващи се като едно цяло.

Графиките на зависимостта на солеността от температурата, които е прието да се наричат TS – диаграми, се използват за оконтуряване на водните маси, за определянето на географското им разпределение, за взаимното им премесване и, косвено, преместване на водата по дълбочината на океана. Значимостта на TS – диаграмите се обяснява със следното. В океанологията е прието да се счита, че водата приема своите свойства, такива като соленост и температура, само на повърхността или в слоя на смесване. Нагряване, охлаждане, падането на валежи и изпарение – всички те внасят своя принос. След това, когато водата се спуска в дълбочина в слой на смесване, нейната температура и соленост могат да се изменят само в хода на смесването с прилежащите водни маси. Следователно, водата, формирана в определен регион, обладаваща специфична температура и свързаната с нея соленост, при което даденото отношение се изменя в хода на преместването на водата към дълбините на океана е доста незначително.

По този начин, температурата и солеността не бива да се считат независими променливи. Например, температурата и солеността на водата на различни дълбочини под Гълфстрийм еднозначно са взаимно свързани (рис. 1, в дясно), което указва, че техния произход е от един и същи район на формиране, даже ако на отделните графики на температурата и солеността, като функция от дълбочината, не се проследява никаква взаимна свързаност (рис. 1, в ляво).

Рис. 1. Температура и соленост, измерени на хидрологичните станции на двете страни на Гълфстрийм.

В ляво: температура и соленост, представени като функция на дълбочината. В дясно: същите тези данни, но солеността изразена във вид функция на температурата (TS – диаграма). Зависимостта между температурата и солеността на дълбочини, превишаващи долната граница на слоя на смесване е еднозначна. Дълбочината избирателно е указана близо до някои точки от графиката. Станция 61: 36º40,03’ с.ш., 70º59,59’ з.д., 23 август 1982 г. Станция 64: 37º39,93 с.ш., 71º00,00’ з.д., 24 август 1983 г.

Ще добавим, че използването на указаните по-горе постулати неявно предполагат, че са възможни всякакви съчетания на температурата и солеността в интервалите на диапазоните на изменчивост на температурата и солеността. Но това не е така. Реално наблюдаваните съчетания на температурата и солеността се срещат само в достатъчно тесни области, и тези области са свои за всеки океан. (Рис. 2)

Рис. 2. Тримерна TS – диаграма за Тихия, Индийския и Атлантическия океани. Височина на пропорционалния обем на водните маси.

И така и двата постулата, приети в традиционните методи за построяване на климатичните пособия, се явяват лъжливи. Този факт изисква разработването на нови принципи за създаването на климатични пособия, удовлетворяващи законите на физиката.

В заключение следва да се кажат няколко думи за самият Рихман (рис. 3).

Рис.3. Рихман Георг Вилхелм.

Георг Вилхелм Рихман (22.07.1711 – 6.08.1753) – руски физик, академик (1741 г.), роден в Пернове. Завършил академичен университет при Петербургската АН. От 1741 г. е професор в катедрата по физика в Петербургската АН и от 1744 г. е завеждащ физическия кабинет на Академията. Преподавал е също в Академическия университет. Работата на Рихман се отнася за топлината и електричеството. В калолиметрията Рихман е усъвършенствал метода на смесване на Тейлор и е обобщил формулата на Крафт, давайки през 1747-1748 г. формула за температурата на смеси на всякакъв брой течности. Изследвал влиянието на различните фактори на процеса на топло обмен, изучавал изпарението на течностите, конструирал редица метеорологични и термометрични прибори. Изобретил през 1745 г. първия електрически измерителен прибор (електрически указател) и широко го е използвал в своите изследвания на електричеството. Експериментално изучавал електризацията и електропроводимост на телата, открил през 1748-1751 г. явлението електрическа индукция. През 1752-1753 г. е изследвал атмосферното електричество, построил у дома си „машина за гръмотевици”. Г. В. Рихман загива по време на провеждане на опит от удар на мълния.