5.1. Тепловой баланс планеты

Одним из главных аргументов в пользу более широкого использования альтернативных источников энергии является утверждение о значительно меньшем негативном влиянии на окружающую среду и, главное, климат нашей планеты. Но прежде чем обсуждать влияние современной энергетики на климат, необходимо кратко рассмотреть факторы, определяющие его основные параметры. В наибольшей степени климат, т. е. условия на земной поверхности, определяются атмосферой и гидросферой Земли. В свою очередь, формирование атмосферы и гидросферы тесно связано с процессом дегазации земных недр, который продолжается и в настоящее время, хотя и намного менее интенсивно, чем в предыдущие геологические эпохи. Дегазация является следствием дифференциации под действием силы тяжести земного вещества и выделением гравитационной энергии в недрах планеты. Интенсивность этого процесса достигла максимума примерно 3 млрд лет назад и с тех пор непрерывно снижается. Первичная атмосфера Земли состояла в основном из паров воды, СО2, а также таких газов, как H2S, CO, H2, N2, CH4, NH3, HF, HCl, Ar, то есть была по своему химическому составу восстановительной.

После появления первичной базальтовой коры и последующего остывания поверхности ниже температуры кипения воды образовалась гидросфера планеты, а основным компонентом атмосферы стал углекислый газ. Оценки показывают, что парциальное давление углекислого газа в древнейшем геологическом периоде развития земли – архее – превышало его современное значение на четыре порядка и достигало от 4 до 4,5 атм. В результате деятельности биосферы Земли основная масса выделившегося углекислого газа была преобразована в твердые карбонатные породы и органический углерод. Сейчас в виде карбонатов в земной коре связано около 3,91 1023 г СО2. Кроме того, в коре содержится еще около 1,95 1022 г органического углерода. С этим углеродом было связано приблизительно 5,2 1022 г О2, поэтому можно полагать, что всего из мантии было дегазировано примерно 4,6 1023 г СО2. Сейчас в атмосфере содержится около 2,45 1018 г СО2, а 1,4 1020 г углекислого газа растворено в океане.

Выделяющийся из диоксида углерода в результате деятельности живых организмов свободный кислород не мог накапливаться в больших количествах в атмосфере, пока на земной поверхности имелись в огромном количестве неокисленные породы. При накоплении в коре органического углерода, первоначально входившего в состав дегазированного СО2, было выделено приблизительно 5,2 1022 г О2. На начальном этапе почти весь освобождающийся кислород связывался преимущественно с железом и серой. Сейчас в земной коре содержится примерно 6,9 1023 г Fe2О3 и 2,83 1022 г SO3. Это значит, что на окисление двухвалентного железа до трехвалентного ушло около 6,9 1022 г О2, а на окисление сульфатной серы потребовалось 1,7 1022 г О2. В современной атмосфере содержится 1,2 1021 г кислорода, поэтому общая масса О2 в земной коре и атмосфере – приблизительно 8,7 1022 г. Разница в 3,5 1022 г могла поступить за счет диссоциации воды жестким солнечным УФ излучением и других химических реакций.

В настоящее время Земля обладает атмосферой, общая масса которой равна 5,15 1021 г, т. е. составляет одну миллионную часть ее общей массы. Среднее давление атмосферы на уровне моря 1,0132 бар (760 мм рт. ст.), плотность ~1,3 10-3 г/см3, состав сухого воздуха, % об.: азот – 78,08, кислород – 20,95, Ar – 0,93 %, СО2 – 0,03 %. Находящийся в атмосфере 40Ar образовался в основном в результате радиоактивного распада 40К.

Средняя температура на поверхности, являющаяся наиболее важным климатическим параметром, определяется тепловым балансом нашей планеты, который складывается из баланса поступающей на поверхность энергии солнечного излучения и энергии, отдаваемой нагретой поверхностью Земли в космос в виде инфракрасного (теплового) излучения. Поскольку средняя температура поверхности Земли на протяжении длительного периода остается практически постоянной, это свидетельствует о тепловом балансе, при котором потоки поступающей на земную поверхность энергии и энергии, отдаваемой ею в космическое пространство, с высокой точностью одинаковы.

В свою очередь эти потоки определяются свойствами атмосферы нашей планеты. Составляющие земную атмосферу газы легко пропускают основную часть солнечного излучения, спектральная температура которого совпадает с температурой поверхности Солнца (~6000 К) и лежит в видимом диапазоне длин волн. Примерно 30 % солнечного излучения отражается обратно в космос самой атмосферой Земли, что в значительной степени определяет коэффициент отражения солнечного излучения (альбедо) нашей планеты как небесного тела, на 83 % определяемое отражением самой атмосферы и лишь на 17 % отражением поверхности Земли. Излучение, прошедшее сквозь атмосферу, частично поглощается земной поверхностью, в т. ч. зелеными растениями, и приводит к ее нагреву (рис. 64).

Рис. 64. Распределение потоков поглощаемой и излучаемой энергии в атмосфере и на поверхности Земли. Черные стрелки – поток солнечного излучения, белые – теплового излучения Земли (Горшков, 1995)

Для сохранения постоянной температуры, т. е. поддержания теплового баланса, наша планета должна излучать столько же энергии, сколько она получает в виде поглощенного солнечного излучения. Тепловое излучение Земли определяется температурой ее поверхности (~300 К) и лежит в инфракрасной области спектра. Так как энергия испускаемых фотонов пропорциональна температуре нагретой поверхности, в среднем на каждый поглощенный фотон солнечного излучения земной поверхностью испускается ≈20 тепловых фотонов, каждый из которых имеет в 20 раз меньшую энергию. Именно этот процесс деградации высокопотенциальной энергии солнечного излучения в низкопотенциальное равновесное тепловое излучение Земли является источником всех упорядоченных процессов, протекающих в биосфере. Если бы Земля получала такое же количество энергии в виде равновесного теплового излучения, жизнь на ней никогда бы не смогла возникнуть (Арутюнов, Стрекова, 2006).

Для инфракрасного излучения нагретой земной поверхности, посредством которого Земля отдает в космос избыток энергии, составляющие ее атмосферу газы значительно менее прозрачны, чем для солнечного излучения. Они поглощают заметную часть этого излучения (рис. 64), нагреваясь сами и дополнительно нагревая поверхность планеты. Благодаря присутствию в атмосфере газов, поглощающих инфракрасное излучение нагретой Земли и создающих на ее поверхности эффект парника (парниковых газов), средняя температура земной поверхности повышается на ~33°С, достигая примерно 290 К, что и создает необходимые условия для существующего на Земле многообразия жизненных форм, включая человека и созданную им цивилизацию.

 

5.2. Проблема парниковых газов

Критическая зависимость условий жизни на планете и мировой цивилизации от климата делает анализ причин и прогнозирование долговременных климатических изменений важнейшей цивилизационной задачей. Среди прочих естественных и антропогенных факторов, влияющих на климат, рост концентрации парниковых газов в атмосфере, прежде всего диоксида углерода и метана, рассматривается как одна из наиболее серьезных причин изменений, наблюдаемых в последние десятилетия.

Главным источником растущей обеспокоенности возможностью серьезного изменения климата в результате антропогенной деятельности являются такие бесспорно существующие и взаимно коррелирующие явления, наблюдаемые на протяжении последних 100–150 лет, как:

• увеличение антропогенной эмиссии парниковых газов, прежде всего СО2 и СН4;

• рост концентрации этих газов в атмосфере;

• повышение средней температуры земной поверхности примерно на 0,6–0,8°С за последнее столетие.

В общественном сознании достаточно прочно утвердилось представление о точно такой же последовательности в цепочке причинно-следственных связей, что побуждает общество разрабатывать меры, направленные на сокращение антропогенной эмиссии этих газов. «Эмоциональной» основой этого взгляда является уже утвердившееся в массовом сознании понимание того, что, по выражению В.И. Вернадского, человек стал «основной геологообразующей силой планеты», и антропогенная деятельность вполне способна влиять на изменение ее климата. Основным же научным аргументом в пользу такой интерпретации является именно рост атмосферной концентрации парниковых газов, в т. ч. диоксида углерода до более 360 ppm и метана до 1,7 ppm к концу XX столетия (рис. 65).

Поэтому научная общественность, несмотря на отсутствие однозначных данных о вкладе антропогенной деятельности в рост парникового эффекта и изменение климата, в целом поддерживает меры политического и экономического характера, направленные на уменьшение выброса парниковых газов.

К принятию таких мер подталкивают и объективные данные о нарастающей неустойчивости глобальных атмосферных процессов, косвенно свидетельствующие о повышении вероятности бифуркационной перестройки климата.

Рис. 65. Изменение концентрации парниковых газов и глобальной температуры за последние 160 тыс. лет (Сорохтин, Ушаков, 1991)

Однако пока нет строгих научных доказательств существования причинно-следственной связи между этими явлениями в том порядке, как они перечислены выше. Глобальные модели, на которых основаны современные прогнозы, содержат большие неточности в определении базовых параметров, прежде всего естественных истоков и стоков парниковых газов в атмосфере, которые, пока еще, как правило, значительно превышают антропогенные потоки. Эти модели также отражают наше пока еще слабое понимание сложных нелинейных геологических, химических и биологических процессов с участием парниковых газов в литосфере, почве, гидросфере и атмосфере. Поэтому разброс в прогнозах очень велик, а сами они отражают скорее тенденции, чем конкретные значения прогнозируемых параметров. Будущие объемы антропогенных выбросов газов с парниковым эффектом являются следствием процессов в очень сложных динамических системах, включающих такие определяющие факторы, как демографическое развитие, социально-экономическое развитие и технологические изменения, дальнейшее развитие которых весьма неопределенно.

В принципе, существуют вполне достаточные неантропогенные причины наблюдаемого изменения средней температуры земной поверхности, которые могут быть связаны с долговременной эволюцией или циклическими колебаниями климата, вызываемыми изменением солнечной активности, параметров земной орбиты и наклона земной оси, геологической эволюцией планеты, в т. ч. изменением скорости ее дегазации, вулканической активности, теплосодержания океанических вод и т. д., причем повышение концентрации СО2 и метана в атмосфере может быть не причиной, а прямым следствием этих явлений. Вот только некоторые возможные естественные причины наблюдаемых климатических изменений.

Основой всех климатических явлений является солнечная радиация. Ее поток, перпендикулярный к сечению Земли, составляет ~1370 Вт/м2. С учетом того, что поверхность Земли в 4 раза превышает ее сечение, а 30 % излучения отражается, средний поток солнечной энергии, перпендикулярный земной поверхности, составляет ~240 Вт/м2. Изменение этого потока даже на 0,1 % (величина, примерно соответствующая колебаниям в течение 11-летнего цикла солнечной активности) вызывает изменение потока солнечной радиации на поверхности, называемое климатическим воздействием, в ~0,24 Вт/м2, что соответствует почти 20 % от суммарного климатического воздействия диоксида углерода за последние 150 лет. Сопоставление кривых солнечной активности и среднегодовых температур за последнее столетие показывает их четкую корреляцию (Сорохтин, Ушаков, 1991). А реконструкция изменения солнечной активности и влияния этого процесса на климат показывает, что, по крайней мере, половина наблюдаемого потепления за период с 1900 года может быть объяснена этой причиной.

Положение земной оси по отношению к Солнцу также не совсем стабильно. Время от времени она довольно резко смещается назад или вперед, что оказывает соответствующее влияние на климат. Не исключено, что определенные колебания может испытывать огромный поток тепловой энергии, выделяющейся за счет продолжающейся дифференциации земного вещества, направленный от формирующегося тяжелого ядра планеты к ее поверхности (Сорохтин, Ушаков, 1991).

Решающее влияние на понимание динамики климата имеет корректная оценка изменения теплосодержания океанических вод. Это единственное место на земной поверхности, где может накапливаться энергия теплового дисбаланса. Данные показывают, что теплосодержание океана с середины 1950-х по середину 1990-х увеличилось на 2х1023 Дж. Наиболее простое объяснение этого – происходящие изменения в атмосферных процессах и их влияние на тепловой баланс.

Моделирование климатических явлений показало, что огромное влияние на климат оказывает характер океанических течений. Именно этой причиной может быть объяснен более теплый климат некоторых предшествовавших геологических эпох. Наиболее близкая аналогия возможных климатических изменений может быть получена из анализа климата эпохи Плиоцена, отстоящей от нашего времени примерно на 3 млн лет (период от 5 до 1,8 млн лет назад). Тогда средняя температура поверхности превышала современную более чем на 1°С. Именно в этот период появились прямые предки человека и начались циклические оледенения в Северном полушарии. Сравнение с климатическими условиями этой эпохи удобно также тем, что конфигурация земной поверхности практически соответствовала современной, а большинство видов растений и животных соответствовало современным видам. Хотя достоверно неизвестно, что именно явилось причиной потепления в плиоцене, ему также соответствовал высокий уровень парниковых газов, превышающий современный, по крайней мере, на 100 ppm. Однако моделирование климата плиоцена, проведенное специалистами NASA, не подтвердило гипотезу о том, что потепление было вызвано повышением концентрации СО2. Оказалось, что необходимо четырехкратное повышение концентрации диоксида углерода для объяснения произошедших климатических изменений. В то же время примерно 30 %-ное изменение в меридиональном тепловом потоке, переносимом океаническими течениями, было достаточным для того, чтобы объяснить наблюдаемую климатическую картину. Конечно, могли существовать и другие неизвестные нам факторы, влиявшие на температуру и концентрацию диоксида углерода в эту эпоху.

Наблюдаемые изменения концентраций парниковых газов в плиоцене и в современную эпоху могут являться не причиной, а прямым следствием температурных изменений, вызванных одной из перечисленных выше причин. Например, даже небольшое повышение средней температуры поверхностного слоя океана приводит к эмиссии огромного объема диоксида углерода за счет изменения его растворимости в морской воде. Одновременно возможен резкий выброс в атмосферу гигантских количеств метана за счет теплового разложения неустойчивых газовых гидратов на морском шельфе и на суше. А сильная положительная обратная связь, реализуемая через механизм парникового эффекта, может многократно усиливать даже небольшие температурные колебания, вызванные любой из возможных причин.

У специалистов пока нет уверенности в долговременности наблюдаемой тенденции повышения температуры и невозможности смены знака температурного хода в ближайшее время, тем более что современная эпоха соответствует температурному максимуму очередного межледникового периода. Высказываются доводы в пользу большой роли в плотной земной атмосфере конвективных процессов теплопереноса, что ставит под сомнение критическую роль наблюдаемого изменения концентрации парниковых газов в росте средней температуры земной поверхности (Сорохтин, Ушаков, 1991). Необходимо также учитывать, что результаты антропогенной деятельности практически в той же степени способствуют явлениям, понижающим среднюю температуру земной поверхности. Нет строго обоснованного доказательства существенного преобладания тенденции к «положительному» вкладу антропогенной деятельности.

Наконец, глобальный климат может испытывать достаточно сильные флуктуации и без всяких внешних воздействий. Оценки на основе глобальных моделей показывают, что на протяжении столетия колебание средней температуры поверхности может достигать 0,4°С даже при фиксированном уровне солнечной радиации и постоянной концентрации парниковых газов. Эти флуктуации проявляются как следствие нелинейных процессов, характеризующих поведение атмосферы планеты. Благодаря огромной тепловой инерции океана хаотические изменения в атмосфере могут вызывать последействие, сказывающееся десятилетия спустя. И для того, чтобы дополнительные воздействия на атмосферу имели вполне определенный направленный эффект, они должны, по крайней мере, заметно превышать естественный флуктуационный «шум» системы.

К основным парниковым газам, производимым в значительных количествах современной цивилизацией, относят CO2, CH4, N2O, SF6 и фреоны. Эти газы сильно различаются не только по своей концентрации в атмосфере, но и по коэффициентам поглощения ИК излучения. Для оценки относительного влияния различных парниковых факторов на климат обычно используют величину «климатическое воздействие» (climate forcing), определяемую как усредненное изменение достигающего поверхности теплового потока (Вт/см2) за счет изменения концентрации данного парникового фактора в атмосфере. Основным среди парниковых газов и с точки зрения его влияния на изменение климата (более 60 %), и с точки зрения естественных и антропогенных потоков, и по содержанию в атмосфере, является диоксид углерода. С начала индустриальной революции его концентрация в атмосфере возросла примерно на 30 % (рис. 65) и достигла в 1997 году уровня 364 ppm. Время жизни диоксида углерода в атмосфере определяется скоростью обмена с поверхностью океана и оценивается в 10 лет, но при учете перемешивания океанских вод и поглощения диоксида углерода осадочными породами реальное время релаксации его концентрационных изменений может достигать многих десятков и даже сотен лет.

 

5.3. Эмиссия диоксида углерода как один из факторов выбора путей развития энергетики

Энергетика является не только важнейшей отраслью мировой экономики, определяющей ее состояние и перспективы развития, но и тем видом человеческой деятельности, который, наряду с сельскохозяйственным производством, оказывает наибольшее влияние на локальное и глобальное изменение окружающей нас среды, на состояние всей биосферы. Ежегодно при добыче ископаемых энергоресурсов человечество извлекает на поверхность и перемещает десятки миллиардов тонн породы, а в процессе получения энергии выбрасывает в атмосферу десятки миллиардов тонн диоксида углерода и огромное количество других химических соединений, оказывая тем самым серьезное влияние на природные условия и климат нашей планеты. Экологические проблемы, связанные с использованием ископаемых топлив, стали одной из наиболее серьезных глобальных проблем, что в немалой степени способствовало росту интереса к альтернативным источникам энергии. Однако если большинство экологически проблемных выбросов, связанных с энергетикой, имеют скорее локальный характер, то есть влияют в основном на состояние близкорасположенных территорий, то неизбежное при использовании углеродных топлив образование диоксида углерода и других парниковых газов рассматривается сейчас как одна из глобальных экологических проблем.

Диоксид углерода является важнейшим парниковым газом, содержание которого в атмосфере наряду с метаном, парами воды и другими менее важными в этом отношении компонентами определяет среднюю температуру земной поверхности. Поскольку последствия глобальных климатических изменений могут иметь катастрофические последствия вплоть до полной гибели цивилизации, а в качестве одной из основных версий о причинах наблюдаемых изменений рассматривается антропогенная эмиссия диоксида углерода, метана и ряда других газов, этой проблеме сейчас уделяется очень большое внимание. Серьезность проблемы изменения климата побудила правительства подавляющего большинства стран мира подписать в 1997 г. Киотский протокол об ограничении и частичном снижении эмиссии парниковых газов. Основной упор был сделан на сокращение эмиссии диоксида углерода, подавляющая часть которого производится мировой энергетикой при сжигании ископаемого углеродного топлива.

С тех пор было проведено и продолжает проводиться огромное количество научных исследований и технологических разработок, посвященных проблемам сокращения выбросов СО2 или их утилизации при производстве энергии. Однако простые оценки показывают практическую нереальность сбора и утилизации заметной части громадного объема диоксида углерода, эмитируемого энергетикой в атмосферу. Современная энергетика потребляет ежегодно уже более 10 млрд т (в нефтяном эквиваленте) углеродного топлива, то есть почти 10 млрд т углерода. Это приводит к ежегодному выбросу в атмосферу более 30 млрд т, или 30 трлн м3 углекислого газа. Если учесть, что подавляющая часть СО2 выбрасывается в атмосферу в составе дымовых газов тепловых электростанций, где его концентрация менее 12 %, становится ясно, что существенное воздействие на уровень его эмиссии требует ежегодной переработки значительной части громадного потока в 250 трлн м3 дымовых газов.

Это экономически нереальная задача, т. к. при современном уровне технологии стоимость извлечения и удаления тонны диоксида углерода из разбавленных дымовых газов составляет от 100 до 300 долларов, что примерно в три раза превышает стоимость топлива, сжигаемого при образовании такого количества диоксида углерода. Объем необходимых для этого затрат сопоставим с ВВП, производимым всей мировой экономикой. А для энергетического обеспечения самого процесса извлечения СО2 потребуется дополнительное количество энергетических ресурсов, вполне сопоставимое с их текущим потреблением. То есть практическая реализация технологий улавливания СО2 на самом деле приведет к значительному росту его производства и заметному увеличению скорости истощения и без того дефицитных энергоресурсов. Поэтому единственно реальным и наиболее рациональным путем смягчения антропогенного влияния на климатические изменения является снижение удельной энергоемкости мировой экономики (рис. 9) и более рациональное использование природных энергетических ресурсов.

В настоящее время только в процессах нефте– и газодобычи ежегодно в мире на нескольких тысячах месторождений выбрасывается в атмосферу или сжигается в факелах 150–170 млрд м3 углеводородных газов, что составляет примерно 4–5 % объема их мировой добычи. Причем объем факельного сжигания попутных газов не снижается, несмотря на все предпринимаемые усилия. А подавляющая часть мирового производства электроэнергии до сих пор осуществляется на установках с КПД 30–40 %, в то время как уже разработаны энергоустановки на основе парогазового цикла, позволяющие поднять этот показатель до уровня выше 60 %, переход на которые позволил бы почти вдвое сократить расход топлива.

В качестве важнейшей меры снижения эмиссии диоксида углерода в последние годы, особенно после начала масштабной добычи сланцевого газа в США, рассматривается замена угольных электростанций на газовые ТЭЦ. С экологической точки зрения природный газ является наименее проблемным из всех ископаемых источников энергии. Он не содержит тяжелых металлов и перед подачей в магистральные трубопроводы подвергается очистке от серосодержащих соединений. Но самое главное, из-за более высокой доли в молекуле метана водорода, который при сгорании превращается в воду, при выработке такого же количества энергии из природного газа в атмосферу выбрасывается в три раза меньше диоксида углерода, чем при сжигании угля (рис. 66).

Рис. 66. Удельная эмиссия диоксида углерода при получении энергии из различных источников

Однако более низкий объем загрязнений, особенно диоксида углерода, производимый альтернативными источниками энергии (рис. 66), делает их особенно привлекательными в глазах не только экологов, но и населения, особенно промышленно развитых урбанизированных стран. К сожалению, по причинам, рассмотренным нами выше, мы не можем серьезно рассчитывать на значительный вклад атомной энергетики или возобновляемых источников в мировое производство энергии, а следовательно, на снижение выбросов СО2 за счет их более широкого использования. Однако и сами вопросы о том, является ли именно энергетика и вообще антропогенная деятельность основной причиной наблюдаемых климатических процессов, и можно ли в принципе остановить эти процессы за счет экологического регулирования и перехода на альтернативные источники получения энергии, остаются открытыми. В следующей главе мы рассмотрим их более подробно.