Энергетика снега и дождя

Во время "хорошего" снегопада на мегаполис (подобный Москве, Петербургу, Нью-Йорку) выпадает снега приблизительно 100 миллионов тонн!
Фото Reuters

Снегопады этого года обильны и непохожи на предшествующие прошлых лет. Не только в России. В США, например, в начале января не покрыт снегом был единственный штат: Флорида. И это при том, что даже сравнительно северный (если смотреть по карте Америки) Нью-Йорк находится на широте приблизительно Рима.

Ледяные дожди, выпавшие на Москву (наряду с привычными для столицы России снегопадами), парализовавшие город, также вызывают озабоченность. При этом повсеместно предъявляются суровые претензии к властям, не расчищающим вовремя снег. Все это так. Имея сказанное в виду как данное, зададимся вопросом: а сколько снега выпадает на Москву во время хорошего снегопада (и на другие мегаполисы мира) – по порядку величины?

12 января в Нью-Йорке было сообщено, что во время снегопада (не самого крупного за предыдущие две недели и значительно меньшего, чем предсказывали синоптики) выпало 35 сантиметров снега. На Бостон – вдвое (считая по высоте) больше только за один снегопад. Подобные данные по Москве вроде не обнародовались, но естественно ожидать цифры того же порядка. Сколько же это будет по массе?

Масса одного литра (кубического дециметра) воды – один килограмм. Плотность свежевыпавшего снега, конечно, меньше. Но во сколько раз? Зависит от многих факторов: снег в отличие от воды может иметь самые разные свойства – в воздухе от снежинок до ледяных капель, на земле от рыхлого до мокрого и почти ледяного. Будем считать, что на квадратный дециметр при высоте столба снега 30 сантиметров приходится всего один килограмм выпавшего снега (заниженная оценка, что хорошо знает всякий, кому хотя бы раз пришлось расчищать от снега дорогу лопатой). Это означает, что на квадратный метр снега выпало примерно сто килограммов. Сколько это в расчете на город?

Площадь Москвы (как, кстати сказать, и Нью-Йорка) близка к 1000 квадратных километров. Площадь Санкт-Петербурга того же порядка – в некоторых справочниках приводится даже еще большая площадь города на Неве. В километре – тысяча метров, в квадратном километре квадратных метров, стало быть, миллион. Таким образом, на квадратном километре после снегопада на поверхности находится примерно 100 тыс. тонн снега. Умножим на тысячу. И, стало быть, во время «хорошего» снегопада на мегаполис (подобный Москве, Петербургу, Нью-Йорку) выпадает снега приблизительно 100 млн. (sic!) тонн!

Уяснив громадность этой цифры и поразившись ей, пойдем далее. Площадь России близка к 17 млн. квадратных километров. Большая ее часть (Сибирь, Урал, Дальний Восток, европейская часть, Заполярье) покрыта снегом так же, как и Москва, или же еще более плотно. Таким образом, полная масса снега, лежащая от Владивостока до Калининграда, примерно в 10 тыс. раз больше, чем в столице России. И, стало быть, составляет по порядку величины триллион тонн. Для сравнения: годовая добыча нефти в мире не превышает 10 млрд. тонн – в сто раз меньше.

Сказанное полезно знать и обдумать. Хотя бы для того, чтобы сравнить с тем, насколько происходящие в природе процессы превосходят то, что делает человек. Ведь для того, чтобы «произвести» такое колоссальное количество снега, – только на одно это! – в природе расходуется энергия. Какая? Оценим грубо и крайне занижено.

Для подъема одного килограмма на высоту 1000 метров (вспомним школу) требуется энергия mgh, то есть затратить 10 тыс. джоулей. Стало быть, для подъема на высоту, с которой (приблизительно) на Москву и Нью-Йорк падал снег в 100 млн. тонн весом, требуется 10 в 15 степени джоулей (или, в просторечии, миллион миллиардов).

Много это или мало? Смотря с чем сравнивать. Сравнительно с энергией солнца, достигающей поверхности Земли, цифра ничтожная. А если сравнивать с энергией, которую человек производит? Москва (как, к примеру, и Нью-Йорк) в год потребляет приблизительно 20 гигаватт электроэнергии. Такова приблизительно также и мощность крупнейших электростанций мира, подобных Саяно-Шушенской, – производимую такой суперэлектростанцией мощность (а также энергию) целиком потребляет один город, подобный Нью-Йорку или Москве.

Поскольку в сутках 86 400 секунд (приблизительно 10 в 5 степени), за сутки Москва потребляет 10 в 15 степени джоулей электроэнергии. Столько же, сколько затратила природа только на подъем воды с земной поверхности до облаков (из которых снег на Москву и выпал). Если же рассматривать Россию в целом, то только на то, чтобы вода, превратившаяся затем в снег, поднялась к облакам, нужно было бы затратить энергию, во много раз превышающую производимую за год всеми российскими электростанциями. Причем в разы! Более того, для этого требуется энергия во много раз большая, чем производят за год все электростанции мира!

Идем далее. Представим себе, что снег таял бы не «сам по себе», а в результате нагревания техническими устройствами. Сколько нефти потребовалось бы для этого? Удельная теплота плавления льда (снега) – 335 килоджоулей на килограмм – больше, чем, например, у железа. Теплотворная способность нефти, то есть энергия, выделяемая при сжигании топлива, составляет приблизительно 44 тыс. килоджоулей на килограмм. Таким образом, если бы снег таял не за счет энергии солнца, а за счет нагревания, например в печке, при сжигании одного килограмма нефти можно было бы растопить 130 килограммов снега. Следовательно, для того чтобы растопить весь снег, падающий на поверхность России зимой, всей производимой в России нефти (приблизительно 400 млн. тонн – менее одного кубического километра!) не хватит в разы: для этого потребуется вся нефть, производимая человечеством за год, да и то при совершенно невероятном условии, что вся энергия со 100% КПД пойдет на превращение воды из твердого состояния в жидкое.

После этих цифр-прикидок кажется неудивительным факт, что грозовая туча может содержать несколько сот тысяч тонн паров воды, которые выливаются на землю в виде дождя. В сравнении с сотнями миллионов тонн выпавшего на Москву снега сотни тысяч тонн кажутся величиной маленькой, но не само по себе это количество. Если бы мы не сделали приведенных выше расчетов, факт, что в грозовой туче содержатся сотни тысяч тонн влаги, которая падает на землю в виде осадков (способных потушить, в частности, лесной пожар), казался бы невероятно преувеличенным. А между тем это реальная цифра, которую рекомендуем запомнить!

Сравним. Противопожарный самолет или вертолет может нести приблизительно 20, от силы 50 тонн воды. Мизерность человеческих возможностей по сравнению с возможностями природы, к примеру при тушении лесных пожаров, очевидна. Природа с легкостью поддерживает равновесие (гомеостазис), в то время как человеку в случае нарушения баланса это удается с большим трудом, если удается вообще.

Из сказанного видно, с какой осторожностью человечество должно относиться к балансу с природой. Разрушить который просто, а восстановить трудно. А во многих случаях невозможно.

Какие же выводы следует сделать из сказанного? Их несколько.

Первый. Необходимо понять, насколько производимые человеком энергии (и многое другое) мизерны по сравнению с тем, что происходит в природе. И относиться к происходящему в природе вокруг нас без нас, как бы само по себе, с почтением. Уважением. И восхищением.

Второй. Нарушать баланс в природе крайне опасно. Если роте солдат предложить порвать трос, удерживающий подвесной мост, они не смогут этого сделать. Однако если солдаты пройдут по мосту в ногу и попадут в резонанс, мост разрушится. Мы не знаем «резонансных частот» в природе. Поэтому человечеству надо быть исключительно осмотрительным: как бы даже сравнительно небольшим воздействием не повлиять необратимо на то, что потом будет невозможно исправить.

В любом случае ясно, что резонансов в природе не отменял никто. Малое воздействие может иметь необратимые последствия, которые колоссальны и которые затем крайне трудно, а также не только дорого, а попросту невозможно исправить. Природа не обязательно похожа на телевизор, который, вызвав мастера и заплатив определенную сумму, можно починить и наслаждаться изображением далее. Или на пляж, на котором после того, как пройдет буря, снова можно загорать и купаться. Есть подозрение, что Земля, на которую воздействует человек, скорее похожа на вазу, разбив которую вдребезги, не соберешь и через миллион лет.

И последнее. Есть подозрение, что прикидки, приведенные выше, наскучили подавляющему большинству читателей – от школьников до пенсионеров и от министров до менеджеров. И что они, пропустив содержание, от заголовка сразу перешли к выводам, то есть к данным строкам. Если так, то жаль.

Раздел «оценки по порядку величины» – в том числе буквально на приведенных выше примерах, поскольку они полезны и познавательны, – необходимо ввести в программы школ для изучения всеми. Умение делать оценки по порядку величины должно стать частью обучения в школе и вузе и частью мировоззрения среднего гражданина. Это не менее важное умение, чем способность переводить рубли в евро. Хотелось бы думать, что сказанное в данной заметке вызовет у среднестатистического читателя хотя бы микроскопический интерес.

Москва–Санкт-Петербург–Нью-Йорк–Тель-Авив