Естественные ограничения на глобальную энергетическую систему (стр. 1 из 2)
.
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].