Естественные ограничения на глобальную энергетическую систему
Рассмотрим какие существуют естественные ограничения на полное производство энергии Мы не будем обсуждать природные ресурсы, а обратимся к экологическим последствиям, которые как теперь стало ясно, могут проявиться гораздо раньше, чем будут выработаны ископаемые энергоресурсы
Энергетический баланс Земли
Очевидно, что вся произведенная энергия раньше или позже выделится в виде тепла на поверхности Земли, которое в принципе может повлиять на климат Сравнение производимой человеком энергии с полной энергией Солнечного излучения, падающего на Землю, приведено в Таблице 3. Пока еще энергия, производимая человеком, меньше чем 10-4 от Солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, и составляет всего лишь несколько процентов от ее периодических изменений, которые, как считают, могут быть ответственны за периодические климатические изменения, происходившие в истории Земли. Таким образом, антропогенное производство энергии, добавляющее лишь 0 01% к Солнечной энергии, слишком мало, чтобы оказать прямое влияние на климат. Более опасным может оказаться изменение химического состава атмосферы, которое может привести к изменению углеродного цикла и, в частности, к изменению глобального теплового баланса за счет парникового эффекта.
Таблица 3. Сравнение производимой человеком энергии с Солнечной энергией [1,3]
Полное производство энергии (1994)
1,2*1013Вт
Солнечная постоянная
1370 Вт/м2
Солнечная энергия, падающая на Землю
1,8*1017 Вт
Солнечная энергия, достигающая поверхности Земли
1,3*1017 Вт
Амплитуда изменения Солнечного излучения в 11 летнем цикле
0 1%
Изменение инсоляции при периодических изменениях Земной орбиты (период 20-40 тысяч лет) Механизм Миланковича для объяснения ледниковых периодов [1, 10]
3%
Как было показано выше, большая часть энергии (86%) производится человечеством за счет сжигания ископаемых топлив, или иначе говоря за счет использования химической реакции (С + О2 = СO2+ 94 ккал/моль. Побочным продуктом, которой является углекислый газ, СO2, и, таким образом, практически весь углерод, сжигаемый при производстве энергии, выбрасывается в атмосферу в форме углекислого газа. Тем самым человек при производстве энергии напрямую вмешивается в один из фундаментальных циклов, на котором построена жизнь на Земле - углеродный цикл. Выбросы углекислого газа на уровне современной энергетики уже приводят к сдвигам в естественном углеродном цикле и, начиная с некоторого уровня, могут вызвать необратимые изменения в Биосфере. Парниковый эффект от углекислого газа производимого при производстве энергии был предсказан более ста лет назад С. Аррениусом. В то время это были чисто теоретические предположения, и было не ясно, будет ли весь выброшенный углекислый газ поглощаться мировым Океаном. Сто лет спустя мы знаем гораздо больше о балансе углекислого газа в атмосфере.
Баланс углекислого газа в атмосфере.
Количество углерода содержащегося в атмосфере в виде углекислого газа, его количество в мировом Океане, и потоки производимые различными естественными и антропогенными источниками показаны на Рисунке 4. Каждый год зеленые растения поглощают из атмосферы примерно 100 Гигатонн (1 Гигатонна=109 тонн) углерода в процессе фотосинтеза и роста [II]. (Это соответствует средней продуктивности 20 ц/Га зеленой массы на 10% Земной поверхности). Примерно такое же количество углерода выбрасывается каждый год обратно в атмосферу при потреблении зеленых растений вторичными потребителями, их химическом разложении, лесными пожарами и другими естественными причинами. Полное количество углерода в биомассе, включая почвы, составляет по оценкам около 2200 Гт, что соответствует среднему времени жизни биомассы около 20 лет (близко ко времени жизни дерева). Пищевая цепь сообщества человек -свинья - зерно добавляет в сбалансированный круговорот углерода всего 1 Гт в год. Планктон и другие океанские растения, живущие на глубине до ста метров, куда проникает солнечный свет и где возможна реакция фотосинтеза, обмениваются с атмосферой примерно тем же количеством углерода, 90 Гт в год, что и наземные растения [12]. Океан содержит огромное количество углерода, 40000 Гт, в виде углекислого газа, растворенного в воде на большой глубине, но обмен между поверхностью и глубокими слоями очень медленный. Такой обмен имеет характерное время 500-1000 лет [I] и при нынешней концентрации углекислого газа в атмосфере по современным оценкам обеспечивает откачку около 2 Гт углерода в год.
Рисунок 4. Углеродный цикл в Биосфере [1,12], Потоки отмеченные стрелками приведены в Гигатоннах углерода в год. Около двух Гт из 5.5 Гт выброшенных при сжигании полезных ископаемых поглощается мировым Океаном. Дополнительная откачка в размере 0,2 Гт производится наземными растениями (включая эффект от вырубки тропических лесов). 3.3 Гт добавляется каждый год в атмосферу.
Геологические источники углекислого газа не велики. Например, источник СO2 от вулканической активности и эрозии геологических структур поставляет в атмосферу только 0.1 Гт углерода в год, что гораздо меньше, чем биогенные потоки.
Рисунок 4 приводит к интересным и неожиданным заключениям. Во первых, видно, что зеленые растения суши и моря в состоянии "съесть" весь углекислый газ из атмосферы примерно за 4 года. Это означает, что атом углерода в форме молекулы СO2 живет в атмосфере в среднем четыре года, до того момента, когда молекула будет поглощена зеленым растением при фотосинтезе.
Следующие 20 лет углерод проведет в составе органической материи и при ее распаде снова вернется в атмосферу. Таким образом, полный круговорот углерода происходит примерно за 25 лет. Например, углерод из дерева, которое умерло 100 лет назад, был использован растениями и животными уже четыре раза. Во вторых, количество углерода в атмосфере в несколько раз меньше, чем количество углерода в биомассе. Все это означает, что атмосферный углекислый газ находится в состоянии настоящего динамического равновесия с живой природой и оценки влияния человеческой активности на баланс углерода должны это учитывать. Парниковый эффект это лишь часть возможного воздействия и вполне вероятно, что существуют и другие аспекты, о которых мы еще не знаем.
Влияние энергетической системы на углеродный цикл
Из рисунка 4 видно, что количество углерода, выбрасываемого в атмосферу при сжигании ископаемых топлив, 5.5 Гт, существенно превышает то, что дают все естественные геологические источники. Очевидно, что у биосферы, как у системы существующей миллиарды лет, должна быть естественная система управления, поддерживающая, в частности, и содержание углекислого газа в атмосфере на постоянном уровне. Действительно, около 2 из 5.5 "дополнительных" к естественному циклу Гигатонн углерода поглощается океанами. Леса и другие растения могли бы поглощать еще 1.8 Гт, но систематические вырубки тропических лесов возвращают обратно 1.6 Гт , так что результирующий эффект от наземной растительности остается на уровне 0.2 Гт в год. Таким образом, индустриальные выбросы углекислого газа существенно превышают естественные способности биосферы регулировать содержание углекислого газа в атмосфере, и его концентрация непрерывно растет. Это видно на рисунке 5, на котором показаны результаты измерения содержания углекислого газа в атмосфере в течение последних 1000 лет [1]. Регулярные измерения в атмосфере ведутся на Гавайских островах, начиная с 1958 г. Более ранние точки были получены по содержанию углекислого газа в пузырьках воздуха во льдах Антарктиды. Видна четкая корреляция между началом регулярного использования полезных ископаемых в начале 18 века и содержанием углекислого газа в атмосфере. Нынешний рост содержания углекислого газа в атмосфере хорошо согласуется с оценками источников и стоков, приведенными выше. Измерения также показывают, что за последние 200 лет концентрация углекислого газа возросла на 30% от естественного, прединдустриального уровня.
Рисунок 5. Зависимость концентрации углекислого газа в Земной атмосфере от времени в течение последней 1000 лет [1]. Измерения по пузырькам воздуха во льдах Антарктики и прямые измерения на Гавайских островах. 1 ppm= 10-6 объема.
Таким образом, океаны и наземные растения могут поглотить лишь 40% выбросов углекислого газа производимого при сжигании нефти, угля и природного газа, а 60% выбросов накапливаются в атмосфере
Теперь можно попытаться оценить, каково будет содержание углекислого газа в атмосфере к 2050 г, предполагая, что, как и сейчас, ископаемые энергоресурсы останутся основным источником энергии, а ее производство удвоится по сравнению с нынешним уровнем. В этом случае мировая энергетическая система выбросит к 2050 году в атмосферу 400 Гт углерода и увеличит его содержание с 750 до 1000 Гт. Эта простая оценка хорошо совпадает с прогнозами, сделанными на основе гораздо более сложных моделей [1], которые также предсказывают почти удвоение концентрации СO2 к 2050 г по сравнению с естественным, прединдустриальным уровнем в так называемом случае "все по-прежнему" [1,12]. Если предположить, что нынешняя скорость поглощения углекислого газа океанами - это ответ естественной системы управления на 30%-ное возрастание концентрации СO2 в атмосфере, то максимальная скорость поглощения может быть не больше 6-7 Гт в год. Это сравнимо с нынешними выбросами СO2 и меньше, чем будущие выбросы. Поэтому, нет никаких оснований считать, что естественная система управления каким либо образом стабилизирует содержание СO2. Мы производим слишком большое возмущение. В 1957 г. основоположники изучения углеродного цикла, Р. Ревел и Г. Сюс, писали. "Человечество сейчас проводит глобальный геофизический эксперимент, равных которому не было в прошлом и никогда не будет в будущем. В течение всего нескольких столетий мы возвращаем в атмосферу и океаны углерод органического происхождения накопленный в осадочных породах за сотни миллионов лет" [ 12].
Какими же могут быть последствия такого "эксперимента" для сообщества человек - свинья -зерно?
5. Влияние роста концентрации СO2 на климат и биосферу
Возможные последствия выбросов углекислого и других сопутствующих газов в атмосферу активно изучались в течении последних нескольких десятков лет. Основное беспокойство вызывает парниковый эффект [I]. Парниковый эффект играет существенную роль в энергобалансе Земли: без парникового эффекта средняя температура на поверхности Земли была бы ниже точки замерзания воды. Углекислый газ, водяные пары и некоторые другие газы, содержащиеся в атмосфере, поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом и поддерживают среднюю температуру на уровне 10 °С. Чем больше концентрация парниковых газов, тем больше эффект, который можно характеризовать дополнительной мощностью излучения на единицу площади эквивалентной влиянию парникового эффекта.
Оценки показывают, что нынешнее увеличение содержания углекислого газа на 30% эквивалентно увеличению потока энергии на 2.45 Вт/м2 [1], что составляет 0.7% Солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Это примерно в 70 раз больше, чем прямой нагрев поверхности от сжигания энергоносителей. Климатические модели предсказывают, что к 2050 г., если "все по-прежнему", парниковый эффект возрастет до 5-6 Вт/м2 , составит 1.5% от Солнечной энергии и, следовательно, будет сравним с масштабом естественных изменений, приводивших в геологическом прошлом к глобальным климатическим изменениям.
Последние 5 млн. лет климатической истории характеризовались возрастающей изменчивостью климата. Это видно из рисунка 6, на котором показаны временные зависимости средней температуры на разных временных шкалах. Постепенное охлаждение Земли, происходившее в течении последних 60 млн лег, около 5 млн лет назад сменилось режимом, характеризующимся регулярными периодическими колебаниями температуры с периодом около 120 тысяч лет Амплитуда таких "пилообразных" колебаний 5-10 °С Каждый цикл начинался с относительно быстрого потепления и последующего теплого периода, длящегося 10-20 тысяч лет. Следующие
100 тысяч лет температура постепенно уменьшалась, достигала своего минимума и затем снова быстро возрастала.
100 тысячелетнее уменьшение температуры сопровождалось осцилляциями с меньшей амплитудой и периодом около 20 тысяч лет, которые приводили к периодическому росту и отступлению ледников в северном полушарии - ледниковым периодам. Последний и наиболее холодный ледниковый период был 20-30 тысяч лет назад. В это время граница ледника опускалась до широты северной Франции. На рисунке 6 видна корреляция между поведением температуры в северном и южном полушариях, из чего можно заключить, что 20 -100 тысячелетние колебания температуры связаны с глобальными изменениями климата.
Рисунок 6.
Палеоклиматические данные для температуры поверхности Земли обратно во времени. Наверху: оценки средней температуры на шкале 60 млн. лет (из [3]). В середине:
разница между относительным содержанием изотопа кислорода О18/О16 в СаСОз в осадках ив морской воде, которая зависит от температуры [13]. Внизу:
изменение температуры, оценённое по изменению изотопного состава льда в Гренландии и Антарктиде, и оценённое по изменению изотопного состава льда в Гренландии и Антарктиде, и оценённое по органическим осадкам на Севере Атлантического океана [1].
Что же является причиной периодических изменений температуры? Однозначного ответа пока нет. Есть лишь несколько гипотез: периодическое изменение светимости Солнца, прохождение Солнечной системы через пылевые облака, столкновения с астероидами, и, наконец, периодические изменения орбиты Земли и наклона Земной оси. Последняя теория, которая называется механизмом Миланковича, считается наиболее достоверной - эллиптичность орбиты Земли и прецессия ее оси вращения имеют основные периоды - 100, 40 и 20 тысяч лет - хорошо коррелирующие с периодическими изменениями температуры [9,10].
Большее беспокойство у человека-индустриального должны вызывать более частые колебания температуры, с периодом всего 1-2 тысячи лет, которые видны на более тонкой временной шкале на рисунке 6. Удивительное свойство этих осцилляций - наличие резких фронтов, напоминающих фазовые переходы. Если это не "шум" в измерениях, то некоторые изменения температуры с амплитудой 10°С происходили менее, чем за сто лет. На рисунке 6 можно найти события, во время которых средняя температура в месте измерения падала на 10°С, оставалась на этом уровне около
2000 лет, и затем также быстро возвращалась обратно. Имеются дополнительные данные [I], показывающие, что последнее потепление, которое происходило около 11-12 тысяч лет назад, было очень быстрым. Тогда, средняя температура в центральной Гренландии выросла на 7° в течении нескольких десятилетий, а изменения температуры сопровождались еще более быстрой сменой распределения осадков и перестройкой циркуляции атмосферы [I]. Возможно, что память поколений хранит воспоминания об этом событии как о всемирном потопе. Что же происходило с содержанием углекислого газа во время периодических колебаний температуры, и каким образом это влияло на зеленые растения? Оказывается, что концентрация СO2 тоже сильно менялась вслед за изменением средней температуры и площадей ледников. 20 тысяч лет назад, во время последнего ледникового минимума, концентрация углекислого газа была вдвое ниже, прединдустриального уровня, а затем, следуя быстрому увеличению температуры, также быстро возросла. Как выяснилось, низкое содержание углекислого газа само по себе существенно повлияло на растительный покров даже в тропиках, где похолодание во время ледникового периода было не так велико, как в высоких широтах. Существует и точка зрения, что увеличение концентрации углекислого газа после потепления привело к увеличению продуктивности зеленых растений и сделало возможным земледелие и, как следствие, нынешнее развитие цивилизаций.
Таким образом, в относительно недавнем прошлом на Земле происходили быстрые климатические изменения с характерным масштабом времени, сравнимым со временем жизни одного поколения. Такие климатические изменения должны рассматриваться как глобальные катастрофы, способные оказать серьезнейшие воздействия на инфраструктуру современного общества. Судя по прошлым 120 тысячам лет климатической истории, мы находимся сейчас в конце теплого периода и в дальнейшем температура должна начать постепенно уменьшаться. Повторится ли этот естественный цикл или же влияние человека уже слишком велико и нас ожидает резкое потепление с полным таянием полярных льдов и очередным "всемирным потопом"? Даже в том случае, если климатические воздействия выбросов окажутся меньше, чем мы сейчас предполагаем, удвоение концентрации СO2 должно вызвать существенные изменения в биосфере. Сколько точно времени потребуется для того, чтобы выбросы СO2 привели к серьезным экологическим последствиям, мы пока не знаем, но можем предположить, что в случае "все по-прежнему", это обязательно произойдет.
Загрязнение окружающей среды уже достигло глобальных масштабов и требует срочных мер.
Лучшее средство здесь - создание циклических, замкнутых производств (по образцу природных процессов), где бы отбросы полностью отсутствовали. Но подобные установки требуют все того же - энергии! Но энергия, которая в свою очередь не наносит вред окружающей среде. Поэтому надо как можно быстрее переходить на альтернативные источники энергии, т.к. они являются экологически чистыми. А значит, он будут вырабатывать энергию, которая так необходима человеку индустриальному, без вреда для окружающей среды.