Метод Будыко

Представление об океанических льдах как о главной причине холода, царящего в Арктике, было подробно разработано советским учёным Михаилом Ивановичем Будыко и легло в основу его концепции изменения полярного климата, опубликованной в 1962 году.

М. И. Будыко, один из самых авторитетных климатологов XX века (с 1992 года – академик РАН), запатентовал свою идею и оказался единственным до настоящего времени климатологом, имеющим патент на технологию изменения климата^[27].

Сущность проекта М. И. Будыко состояла в уничтожении главного, по мнению учёного, источника холода в Арктике – пакового льда. Для этого Михаил Иванович предлагал распылить над Арктикой сажу. Последующее быстрое потемнение поверхности льда и снега приводило к резкому увеличению количества поглощённой солнечной радиации и значительно ускоряло таяние морских льдов. Необходимое количество сажи предполагалось собрать за несколько лет из отходов резиновой промышленности. М. И. Будыко считал, что после освобождения Арктики от плавающих льдов льдообразование в последующие сезоны стало бы невозможным: открытая поверхность воды поглощает гораздо больше солнечной энергии, чем поверхность льда или снега. Иными словами, Будыко показал, что образование нового ледяного покрова потребует более серьёзных изменений в тепловом балансе поверхности, чем его таяние^[28].

Михаил Иванович Будыко

МИХАИЛ ИВАНОВИЧ БУДЫКО (20.01.1920–10.12.2001) – выдающийся советский учёный-геофизик. С 1964 года – член-корреспондент АН СССР, с 1992 года – академик РАН.

Почётный член Географического общества России, почётный член Американского метеорологического общества. Лауреат Ленинской премии (1958). Автор трудов по физической климатологии, биоклиматологии, актинометрии. Создатель (совместно с А. А. Григорьевым) периодического закона географической зональности. Основные исследования М. И. Будыко сосредоточены в области изучения теплового баланса земной поверхности и прогнозирования климата будущего. Награждён орденами Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, «Знак Почёта», «За заслуги перед Отечеством» II степени; медалями.

Кроме того, М. И. Будыко предлагал покрыть поверхность воды в арктических морях, свободных ото льдов, мономолекулярной плёнкой, так как это могло существенно повлиять на термический режим воды и воздуха в Арктике за счёт снижения расхода радиационного тепла на испарение. М. И. Будыко полагал, что будет эффективным совместное применение мономолекулярной плёнки и рассеивания облаков, а также культивирование особых водорослей, живущих на льду^[29]. Это должно было привести (как и покрытие льда порошками с сажей) к ускорению таяния ледяных полей. Данный проект, как и остальные амбициозные и затратные проекты изменения полярного климата, реализован не был. Однако исследования М. И. Будыко внесли огромный вклад в разработку энергобалансовых моделей климата, известных в наши дни как модели Будыко – Селлерса^[30].

Изменить направление устья Оби

Чтобы улучшить условия судоходства по Северному морскому пути, создавали проекты преобразования природы – только не в глобальном, а в локальном масштабе. Среди документов Госплана СССР 30-х годов ХХ века, сохранившихся в Российском государственном архиве экономики, обнаружились предварительные проекты по изменению направления устья реки Оби. Это записки инженера путей сообщения К. А. Беляева «О реконструкции Северного морского пути» (1933)^[31] и сотрудника речного отдела Государственного гидрологического института К. А. Козловского «О схеме Байкало-Карского водного пути» (1934)^[32].

Рассуждая о наиболее проблемных в плане мореплавания участках Северного морского пути, К. А. Беляев выделяет три из них: 1) Карские проливы^[33] и обход полуострова Ямал; 2) обход полуострова Таймыр; 3) обход Чукотского полуострова. Все три участка автор предлагает обходить речными трассами путём прорытия каналов. Наиболее неожиданным выглядит способ улучшения условий судоходства в Карском море. К. А. Беляев предположил, что «если бы в Байдарацкую губу Карского моря впадал какой-либо мощный водный поток, то климатические условия, а следовательно, и условия судоходства изменились бы коренным образом: во-первых, постоянное направленное течение потока изменило бы течение в Карское море и оттеснило бы льды Байдарацкой губы к северу; во-вторых, приток тёплых вод повысил бы температуру воды в заливе – под влиянием чего, а также под механическим воздействием водных масс таяние и разрушение льда пошло бы значительно энергичнее»^[34].

Достичь этого, по мнению К. А. Беляева, можно было, направив водный поток реки Оби не в Обскую губу, а через полуостров Ямал в Байдарацкую губу. Для этого автор предлагал три варианта технических мероприятий.

По первому варианту «на реке Оби между устьем её левобережного протока – реки Щучьей – и островом Яри сооружается плотина, и тем самым течение реки Оби направляется вверх по долине реки Щучья до водораздельного участка между реками Щучья и Байдаратой, на водоразделе сооружается канал, заканчивающийся со стороны Байдарацкого склона также плотиной. При обеих плотинах сооружаются морские судоходные шлюзы и гидростанции». По второму варианту «плотина намечается на самой Обской губе, непосредственно ниже впадения в неё Тазовской губы, и пропуск Оби в Байдарацкую губу по системе озёр Ярро-то и речке Юрибей». По третьему варианту предполагается «…сооружение плотины ещё севернее по Обской губе, ниже впадения в неё реки Зелёной, и переброс Оби по системе рек и озёр: Зелёной, Ямбу-то, Ней-то, Мутной»^[35].

Изменение направления устья Оби, по мнению Беляева, привело бы к тому, что:

1) Район быстро бы очищался от льда вплоть до Маточкина Шара.

2) Карские проливы были бы свободны для плавания.

3) Период навигации удлинился бы на два месяца и начинался бы на месяц раньше и кончался на месяц позже теперешнего, то есть пропускная способность увеличилась бы в два раза.

Кроме того, по двум последним вариантам подпирающими мелководную Тазовскую губу создаётся возможность осуществить водный путь по рекам Таз, Русская и Турухан в реку Енисей. Автор отмечал, что, «имея полную возможность маневрировать при посредстве водоспуска у двух полтин, мы в любой момент можем направить тёплые массы воды в нужном, вызывающем в данный момент опасения, направлении»^[36].

В записке К. А. Козловского от 1933 года содержатся сходные идеи, которые автор называет «Усть-Обской проблемой». Автор подсчитал, что река Обь в течение навигации подаёт за Северный полярный круг не менее 5 х 1015 бол. кал.^[37] «положительного» тепла, которое в состоянии расплавить не менее 68 км³ льда. Козловский предполагал организовать сброс порядка 200 км³ обской воды в Байдарацкую губу по Транс-Ямальскому самотечному каналу в течение июня – июля, что привело бы к увеличению продолжительности навигации и сокращению пути от устья Оби до Баренцева моря.

При этом автор «Усть-Обскую проблему» решал в увязке со строительством Обь-Енисейского самотечного канала, рассчитанного на сброс воды с нижнего бьефа предполагаемой Нижне-Енисейской ГЭС. Кроме того, поступающую из Енисея в Обь воду, по мнению автора, можно было бы ещё использовать для дополнительного питания намечающейся на Нижней Оби в районе Нарыкары-Чемаши гидроэлектростанции. В зависимости от параметров перечисленных выше гидротехнических сооружений необходимо было проектировать соответствующую плотину в Обской губе.

Схема отклонения реки Оби в Байдарацкую губу Карского моря

Наука и техника. 1936. № 12. С. 8

Одним из материалов для строительства плотины Козловский видел лёд: «Существуют проекты двигателей, работающих на разности температур. На севере зимой мы имеем значительные разности температур между водой и воздухом (25–30 гр). Почему бы не использовать эту энергию для постройки ледяных плотин? Отнимая от воды тепло, можно заставить образовываться донный лёд, а получаемую при этом энергию использовать для накачивания воды на поверхность льда и образования наледей. Сооружённая таким образом плотина может быть использована для создания грандиозного подпора и сброса тёплых вод Оби через Ямальский водораздел. В дальнейшем тёплые воды Оби должны растопить и размыть, может быть, с помощью землесосов и гидромониторов, более глубокое русло. После этого надобность в плотине может уже отпасть, и она должна быть растоплена»^[38].

Технические возможности реализации проектов не соответствовали масштабам замысла. Кроме того, первоначальная задача состояла именно в улучшении судоходных условий, что проще достигалось за счёт совершенствования ледоколов и создания устойчивой системы мореплавания по трассе СМП.

Арктическая энергетика

Энергообеспечение всегда было одной из самых серьёзных проблем в Арктике. Электроэнергия, необходимая для освещения и обогрева жилищ, а также для работы механизмов, должна была доставляться на большие расстояния (что влекло за собой проблему сооружения линий электропередачи в тяжёлых условиях мерзлоты и бездорожья) либо вырабатываться на месте с помощью относительно маломощных генераторов.

Ещё в 1930-х годах появились разные варианты развития полярной энергетики. Наиболее экзотично выглядела идея получения электричества за счёт таяния льда, позаимствованная у западных инженеров. Более реалистичными казались приливные и ветряные электростанции, однако конкретные технические решения по монтажу ветроустановок были неосуществимыми на практике. Предлагались варианты установки генераторов на дирижабли и огромные стальные конструкции – своеобразные «паруса».

Гораздо практичнее выглядели проекты арктических атомных и гидроэлектростанций. В послевоенное время подвижные АЭС на шасси тяжёлых гусеничных машин дошли до стадии опытных образцов. Разрабатывалась и грандиозная программа арктического гидростроительства, однако технические и экологические проблемы вынудили отказаться от её реализации.

Энергия из холода

В 1920-х годах появился проект французских инженеров Г. Клода и П. Бушеро по получению энергии из тепла тропических пустынь или вод. Затем другой француз, Баржо, предложил получать энергию, используя разницу температур полярных морей и воздуха арктических областей. Если из-подо льда откачать воду и дать ей замёрзнуть, то полученная теплота могла бы нагреть до испарения летучую жидкость, что, в свою очередь, привело бы в действие турбину. Отработанный газ затем в холодильниках снова преобразовывался бы в жидкость. Идеи Баржо подробно были описаны в обзоре журнала «Наука и техника» (1930), а затем в книге В. Н. Лебедева «Арктика» и в статьях Г. Гюнтера и А. Пана^[39].

Наиболее подходящей жидкостью для получения энергии из холода, по мнению Баржо, являлся жидкий углеводород бутан, точка кипения которого при нормальном атмосферном давлении – 17° ниже нуля.

Французский учёный разработал и модель котла, в котором вода при 0° смешивается с жидким бутаном. Пары бутана устремляются через отводную трубу в турбину, которую они и приводят в движение. Турбина, в свою очередь, приводит в движение динамо-машину. Для питания энергией в течение круглых суток электростанции мощностью в 30 тыс. л. с., по расчётам Баржо, понадобилось бы солёное озеро величиной в 1 км², промёрзшее на глубину 15 см. Учёный шёл дальше и предлагал построить замкнутый круговой канал, обоими концами сообщающийся с турбиной. Канал также мог бы быть проведён в толще ледяного покрова на озере, реке или море, где будет построена турбина.

Полученная таким способом энергия оказалась бы довольно дешёвой. Это было особенно важно для Арктического региона, где топлива очень мало, а его добыча сопряжена с колоссальными трудностями. Советские инженеры считали, что идеи французского учёного будут реализованы не в Канаде, как полагал Баржо, а «у нас в СССР»^[40].

Схема устройства полярной электростанции по Баржо

(приведена по статье А. Пана)

Из-подо  льда  по  трубам,  защищённым  теплоизолирующим  материалом,  подаётся внутрь котельного помещения к котлам подлёдная вода. В этих котлах-испарителях – жидкий холодный бутан. Вода впрыскивается, и под действием её тепла (а она теплее бутана, хотя имеет всего температуру в 2°) бутан начинает кипеть. Пары его отводятся по  трубопроводу  в  турбину,  а  вода,  у  которой  холодный  бутан  отнимает  тепло, замерзает и в виде ледяной крупы падает на дно испарителей, откуда непрерывно выгребается (бутан с водой не смешивается). Пары бутана проходят через турбину и приводят её во вращение, поэтому динамо даёт ток. Далее пары бутана попадают в конденсатор – холодильник, куда непрерывно подаются куски замёрзшего ледяного рассола с температурой –22°. Охлаждаясь, пары бутана сжимаются, а «солёный лёд» нагревается  и  тает.  Жидкий  бутан  возвращается  по  трубам  обратно  в  испаритель. Растаявший ледяной рассол выпускается наружу в бассейны и там снова замерзает под действием низкой температуры окружающего воздуха.