Сочинение: Естественные ограничения на глобальную энергетическую систему

.

Рассмотрим какиесуществуют естественные ограничения наполное производство энергии Мы не будемобсуждать природные ресурсы, а обратимся к экологическим последствиям,которые как теперь сталоясно, могут проявитьсягораздо раньше,чем будутвыработаны ископаемые энергоресурсы

Энергетический баланс Земли

Очевидно, что вся произведенная энергияраньше илипозже выделится в видетепла на поверхности Земли,которое в принципе может повлиять на климатСравнение производимой человеком энергии с полнойэнергией Солнечного излучения, падающего наЗемлю, приведено в Таблице 3. Пока еще энергия, производимая человеком, меньше чем 10-4 от Солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, исоставляет всего лишьнесколько процентов от ее периодическихизменений, которые,как считают,могут быть ответственны за периодические климатическиеизменения, происходившие в истории Земли. Таким образом, антропогенное производство энергии, добавляющее лишь 0 01% кСолнечной энергии, слишком мало,чтобы оказать прямое влияние наклимат. Более опасным может оказаться изменение химического состава атмосферы,которое может привести кизменению углеродного цикла и,в частности, к изменению глобального теплового баланса за счетпарникового эффекта.

Таблица 3. Сравнение производимой человеком энергии с Солнечной энергией [1,3]

Как былопоказано выше,большая часть энергии (86%)производится человечеством за счет сжигания ископаемыхтоплив, илииначе говоря засчет использования химической реакции (С + О 2= СO 2 + 94 ккал/моль. Побочным продуктом, которой является углекислый газ,СO 2, и, таким образом, практически весь углерод,сжигаемый припроизводстве энергии, выбрасывается в атмосферу в формеуглекислого газа.Тем самым человек припроизводстве энергиинапрямую вмешивается в один из фундаментальных циклов,на котором построенажизнь на Земле — углеродный цикл. Выбросы углекислого газана уровне современной энергетики ужеприводят к сдвигам в естественномуглеродном цикле и,начиная с некоторого уровня, могут вызвать необратимые изменения в Биосфере. Парниковый эффект от углекислого газапроизводимого при производстве энергиибыл предсказан более ста лет назадС. Аррениусом. В то время это были чисто теоретическиепредположения, и было не ясно, будет ливесь выброшенный углекислыйгаз поглощаться мировымОкеаном. Сто летспустя мы знаемгораздо больше о балансе углекислого газа в атмосфере.

Баланс углекислого газа в атмосфере.

Количество углеродасодержащегося в атмосфере в виде углекислого газа,его количество в мировомОкеане, и потоки производимые различнымиестественными и антропогенными источниками показаны на Рисунке 4. Каждыйгод зеленые растения поглощают из атмосферы примерно 100Гигатонн (1 Гигатонна=109 тонн) углерода в процессефотосинтеза и роста [II].(Это соответствует средней продуктивности 20ц/Га зеленой массы на 10%Земной поверхности). Примерно такое же количество углерода выбрасывается каждый год обратно в атмосферу при потреблении зеленых растенийвторичными потребителями, иххимическом разложении, лесными пожарами и другими естественными причинами.Полное количествоуглерода в биомассе, включая почвы, составляетпо оценкам около 2200Гт, что соответствует среднемувремени жизни биомассы около 20 лет (близко ко времени жизни дерева).Пищевая цепь сообщества человек -свинья — зерно добавляет в сбалансированныйкруговорот углерода всего 1 Гт в год. Планктон и другиеокеанские растения, живущие на глубине до ста метров, куда проникаетсолнечный свети где возможна реакцияфотосинтеза, обмениваются с атмосферойпримерно темже количеством углерода, 90Гт в год,что и наземныерастения [12].Океан содержитогромное количество углерода, 40000Гт, в виде углекислого газа, растворенного в воде на большой глубине, но обмен между поверхностью и глубокими слоями очень медленный. Такой обмен имеетхарактерное время 500-1000лет [I]и при нынешней концентрации углекислого газа в атмосферепо современным оценкам обеспечиваетоткачку около 2Гт углерода в год.

Рисунок 4. Углеродный цикл в Биосфере [1,12], Потоки отмеченные стрелками приведены в Гигатоннахуглерода в год. Околодвух Гт из 5.5Гт выброшенных при сжигании полезных ископаемых поглощается мировым Океаном. Дополнительная откачка в размере0,2 Гт производится наземными растениями (включая эффект от вырубки тропическихлесов). 3.3 Гт добавляется каждый год в атмосферу.

Геологические источники углекислого газа не велики. Например, источник СO 2 от вулканической активности и эрозии геологических структурпоставляет в атмосферутолько 0.1 Гт углеродав год, что гораздо меньше,чем биогенныепотоки.

Рисунок 4 приводит к интересным и неожиданным заключениям. Во первых,видно, что зеленые растения суши и моря всостоянии «съесть» весьуглекислый газиз атмосферы примерноза 4 года. Это означает, что атом углерода в форме молекулыСO 2 живет в атмосфере в среднемчетыре года, до того момента, когда молекула будетпоглощена зеленым растением при фотосинтезе.

Следующие 20 летуглерод проведет всоставе органической материи и при ее распаде снова вернется в атмосферу.Таким образом, полный круговорот углеродапроисходит примерно за 25 лет.Например, углеродиз дерева, которое умерло 100лет назад,был использован растениями и животными уже четыре раза. Во вторых, количество углеродав атмосфере в несколько раз меньше, чем количество углерода в биомассе.Все это означает,что атмосферный углекислыйгаз находится в состоянии настоящего динамического равновесия с живой природой и оценки влияния человеческой активности набаланс углерода должны это учитывать.Парниковый эффект это лишьчасть возможного воздействия и вполневероятно, что существуют и другие аспекты, о которых мы еще незнаем.

Влияние энергетическойсистемы на углеродный цикл

Из рисунка 4 видно,что количество углерода,выбрасываемого в атмосферу присжигании ископаемых топлив, 5.5 Гт, существенно превышает то,что дают все естественныегеологические источники. Очевидно, что у биосферы, как у системы существующей миллиарды лет, должнабыть естественная системауправления, поддерживающая, в частности, и содержание углекислого газав атмосфере на постоянном уровне. Действительно, около 2из 5.5 «дополнительных» к естественномуциклу Гигатонн углерода поглощаетсяокеанами. Леса и другиерастения могли бы поглощать еще 1.8 Гт, но систематическиевырубки тропических лесов возвращают обратно 1.6 Гт, так что результирующийэффект от наземной растительностиостается на уровне 0.2 Гтв год. Таким образом, индустриальныевыбросы углекислого газа существенно превышаютестественные способности биосферы регулировать содержаниеуглекислого газа ватмосфере, и его концентрация непрерывно растет. Это видно на рисунке 5,на котором показаны результаты измерениясодержания углекислого газа в атмосфере в течение последних 1000 лет [1]. Регулярные измерения в атмосфере ведутся наГавайских островах, начиная с 1958 г. Более ранние точки были получены по содержаниюуглекислого газа впузырьках воздуха во льдах Антарктиды. Видна четкая корреляция междуначалом регулярного использования полезных ископаемых в начале 18века и содержаниемуглекислого газа в атмосфере.Нынешний рост содержания углекислого газа в атмосферехорошо согласуется с оценками источников и стоков, приведенными выше. Измерения также показывают,что за последние 200лет концентрация углекислого газа возросла на 30% отестественного, 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

Теперьможно попытаться оценить, каково будетсодержание углекислого газа в атмосфере к 2050 г,предполагая, что, как и сейчас, ископаемые энергоресурсы останутсяосновным источником энергии, а ее производство удвоится по сравнению с нынешним уровнем.В этом случае мировая энергетическая системавыбросит к 2050году в атмосферу 400Гт углерода и увеличит его содержание с 750 до 1000Гт. Эта простая оценка хорошо совпадает спрогнозами, сделаннымина основе гораздо более сложных моделей [1],которые также предсказывают почти удвоение концентрацииСO 2 к 2050г по сравнению с естественным, прединдустриальным уровнем в так называемом случае «всепо-прежнему» [1,12]. Еслипредположить, что нынешняяскорость поглощенияуглекислого газаокеанами — это ответ естественной системы управления на 30%-ное возрастание концентрации СO 2 в атмосфере,то максимальная скорость поглощения можетбыть не больше 6-7 Гт в год.Это сравнимо с нынешними выбросами СO 2 и меньше, чем будущие выбросы. Поэтому, нет никакихоснований считать, что естественная система управлениякаким либо образом стабилизирует содержаниеСO 2. Мы производим слишком большое возмущение. В 1957 г.основоположники изучения углеродного цикла,Р. Ревел иГ. Сюс, писали.«Человечество сейчас проводит глобальный геофизический эксперимент,равных которому не было впрошлом и никогда не будет в будущем. В течениевсего несколькихстолетий мы возвращаем в атмосферу и океаны углеродорганического происхождения накопленный в осадочных породахза сотни миллионов лет» [ 12].

Какими же могут быть последствиятакого «эксперимента» длясообщества человек — свинья -зерно?

5. Влияние роста концентрации СO 2 на климат и биосферу

Возможные последствиявыбросов углекислого и другихсопутствующих газов в атмосферу активно изучались в течении последнихнескольких десятков лет.Основное беспокойство вызывает парниковый эффект [I].Парниковый эффект играет существенную роль в энергобалансе Земли: без парникового эффектасредняя температура на поверхности Земли была быниже точки замерзания воды. Углекислый газ,водяные парыи некоторые другие газы, содержащиеся в атмосфере, поглощаютинфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли,нагреваемой солнечным светом и поддерживают среднюю температуру на уровне 10 °С.Чем больше концентрация парниковыхгазов, тембольше эффект,который можнохарактеризовать дополнительной мощностью излучения на единицуплощади эквивалентной влияниюпарникового эффекта.

Оценки показывают, что нынешнееувеличение содержания углекислогогаза на 30% эквивалентно увеличению потока энергии на 2.45 Вт/м2 [1],что составляет 0.7%Солнечной энергии, достигающей поверхности Земли.Это примерно в 70раз больше, чем прямой нагрев поверхности от сжигания энергоносителей. Климатические моделипредсказывают, что к 2050 г., если «все по-прежнему»,парниковый эффектвозрастет до 5-6 Вт/м2, составит 1.5% от Солнечной энергии и, следовательно, будетсравним с масштабом естественных изменений, приводивших в геологическом прошлом к глобальнымклиматическим 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.

100тысячелетнее уменьшение температуры сопровождалось осцилляциями с меньшей амплитудой ипериодом около 20 тысяч лет, которые приводили к периодическому росту и отступлениюледников в северном полушарии — ледниковым периодам.Последний и наиболее холодный ледниковыйпериод был 20-30тысяч лет назад.В это время граница ледникаопускалась до широты севернойФранции. На рисунке 6видна корреляция между поведениемтемпературы в северном и южном полушариях, из чего можно заключить,что 20 -100 тысячелетниеколебания температурысвязаны с глобальнымиизменениями климата.

Рисунок 6.

Палеоклиматические данные для температуры поверхности Землиобратно во времени. Наверху: оценкисредней 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 зависитот 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 Атлантическогоокеана [1].

Что же является причинойпериодических изменений температуры? Однозначного ответа пока нет.Есть лишь несколько гипотез: периодическое изменениесветимости Солнца,прохождение Солнечной системы через пылевые облака, столкновенияс астероидами, и, наконец, периодическиеизменения орбиты Землии наклона Земнойоси. Последняя теория, которая называется механизмом Миланковича, считается наиболее достоверной — эллиптичность орбиты Земли и прецессия ее оси вращения имеютосновные периоды — 100, 40и 20тысяч лет — хорошо коррелирующие с периодическимиизменениями температуры [9,10].

Большее беспокойство у человека-индустриального должнывызывать более частыеколебания температуры, с периодомвсего 1-2 тысячи лет,которые видны наболее тонкой временнойшкале 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°Спроисходили менее, чем за сто лет. На рисунке 6 можно найти события, во время которых средняя температура в месте измерения падала на 10°С, оставалась наэтом уровнеоколо

2000 лет, изатем также быстро возвращалась обратно.Имеются дополнительные данные [I], показывающие,что последнеепотепление, которое происходило около 11-12 тысяч лет назад, было очень быстрым. Тогда, средняя температура в центральнойГренландии выросла на 7° в течении нескольких десятилетий, а изменениятемпературы сопровождались еще болеебыстрой сменой распределения осадков и перестройкойциркуляции атмосферы [I].Возможно, что память поколенийхранит воспоминания об этом событии как о всемирном потопе. Что же происходило с содержанием углекислого газа во время периодическихколебаний температуры, и какимобразом этовлияло на зеленыерастения? Оказывается, что концентрация СO 2 тожесильно менялась вслед за изменением средней температуры и площадейледников. 20 тысяч лет назад, во время последнеголедникового минимума, концентрация углекислого газа была вдвое ниже,прединдустриального уровня, а затем,следуя быстрому увеличению температуры,также быстро возросла. Как выяснилось, низкое содержание углекислого газасамо по себе существенно повлияло на растительныйпокров дажев тропиках, гдепохолодание во время ледникового периода было нетак велико,как в высоких широтах. Существуети точка зрения, что увеличение концентрации углекислого газапосле потепления привело к увеличению продуктивностизеленых растений и сделало возможнымземледелие 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 СO 2 должно вызвать существенные изменения в биосфере. Сколько точно времени потребуется для того, чтобы выбросы СO 2 привели к серьезным экологическим последствиям, мы пока не знаем, но можем предположить, что в случае «все по-прежнему», это обязательно произойдет.

Загрязнение окружающейсреды уже достигло глобальных масштабов и требуетсрочных мер.

Лучшее средство здесь -создание циклических, замкнутых производств(по образцу природных процессов), гдебы отбросы полностьюотсутствовали. Но подобныеустановки требуют всетого же — энергии! Но энергия, которая в свою очередь не наносит вред окружающей среде. Поэтому надокак можно быстрее переходить наальтернативные источники энергии,т.к. они являются экологически чистыми. А значит, он будут вырабатывать энергию, которая так необходима человеку индустриальному,без вреда для окружающейсреды.