Глобальное потепление и антропогенные выбросы СО2

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Г. Н. Злотин, д-р техн. наук ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ВЫБРОСЫ СО2
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: tig@vstu. ru)
Приведен анализ возможных причин изменения климата Земли, в том числе «парникового» эффекта. Отмечена роль автомобильных двигателей в антропогенных выбросах в атмосферу Земли диоксида углерода. Рассмотрены возможности выполнения перспективных норм, ограничивающих выбросы диоксида углерода двигателями автомобилей.
Ключевые слова: глобальное потепление, «парниковый» эффект, выбросы диоксида углерода.
The analysis of the possible reasons of climate change of the Earth, including & quot-hotbed"- effect, is resulted. The role of automobile engines in anthropogenous emissions CO2 in atmosphere of the Earth is noted. Possibilities of performance of the perspective norms limiting emissions CO2 by engines of cars are considered.
Keywords: global warming, hotbed effect, emission of carbon dioxide.
К числу наиболее актуальных глобальных Qin больше, то средняя температура Земли
экологических проблем относится потепление должна постепенно повышаться. Если указан-
климата Земли. Изменение климата связывают ные потоки теплоты равны, то должно иметь
с различием между теплотой Qin, поступаю- место стабильное тепловое состояние Земли —
щей на поверхность Земли, и теплотой Qout, среднее многолетнее значение температуры
отдаваемой в пространство вселенной. Если Д°лжн° сохраняться гостаджьш.
Нарушение баланса между притоком и оттоком теплоты может быть следствием изменения как количества отводимой теплоты, так и количества подводимой. В настоящее время распространено предположение, что причиной потепления климата Земли является сокращение количества отводимой теплоты. Тем не менее, для общности картины представляется целесообразным рассмотреть оба потока теплоты: Огп и ОаШ.
Начнем с анализа потока получаемой теплоты Qin. Он складывается из трех основных
составляющих: теплоты Qsr, приносимой солнечной радиацией- теплоты Qr от естественной радиоактивности внутри Земли- теплоты Qant антропогенной природы, то есть обусловленной деятельностью человека:
^п=^г+^+^Ш. (!)
Попробуем, опираясь на данные литературы, количественно оценить эти составляющие.
Самый мощный тепловой поток приходит на Землю вследствие излучения Солнца. Поскольку излучающая поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К, постольку основная часть излучения осуществляется лучами коротковолновой части спектра. Для этих лучей атмосфера Земли практически прозрачна, т. е. вся энергия излучения Солнца, поступающая на внешнюю поверхность атмосферы Земли, достигает ее поверхности. По литературным данным [1] в расчете на каждый квадратный метр внешней поверхности атмосферы поступает в среднем поток энергии мощностью 1,4 кВт. Если принять радиус Земли округленно 6 106 м, то поверхность Земли составит 4,5−1014 м2. Учитывая последнее, легко подсчитать, что Земля в среднем получает от Солнца тепловой поток мощностью
Qsr = 6,3 • 108 ГВт.
Вследствие ядерных процессов, протекающих внутри Земли, на каждый квадратный метр ее поверхности поступает в среднем поток теплоты мощностью 0,0628 Вт [1]. Учитывая указанную выше поверхность Земли, получим тепловой поток, поступающий на эту поверхность вследствие внутренних ядерных процессов,
Qr = 2,86 • 104 ГВт.
При определении потока теплоты Qant, выделяемой в атмосферу в результате процессов, связанных с деятельностью человека, исходим из того, что в соответствии со вторым законом
термодинамики, все энергетические затраты, производимые человеком, преобразуются в конце концов в теплоту.
Мировая статистика утверждает [1,2], что в 2000 г. человечество должно было потребить всех видов энергии, включая атомную, в количестве, эквивалентном 18 000 млн. т условного топлива. Аналитики предполагают, что к 2020 г. эта цифра возрастет до 30 000 млн. т. Таким образом, прогнозируется ежегодный рост энергопотребления, эквивалентный 600 млн. т условного топлива. Строго говоря, при оценке величины Qant необходимо из общих затрат энергии исключить ту, которая получена за счет энергии ветра или солнечного излучения и учитывается потоком теплоты солнечного излучения, поступающего на Землю. Вместе с тем, доля энергии, полученной от ветрогенера-торов и солнечных батарей, очень мала и не может заметно повлиять на результаты проводимого анализа. Исходя из сказанного выше и учитывая теплоту сгорания условного топлива, равную 29,3 МДж/кг, можно подсчитать, что в 2008 г. человечество выбросило в атмосферу Земли поток теплоты мощностью Qant = = 2,12 • 104 ГВт.
В соответствии с равенством (1) мощность потока теплоты, поступающего на Землю, составляет Qin = 6,3005 • 108 ГВт. Сопоставление этой величины с величиной потока Qsr, получаемой Землей от Солнца, позволяет констатировать, что Qsr ~ 0,9999 Qln, т. е. Qsr ~ Qin. Таким образом, полученная Землей теплота практически целиком определяется энергией, поступающей на Землю от Солнца. К сожалению, величина Qsr не остается постоянной, что может вызывать соответствующие изменения климата Земли. Так, известны 11-летние изменения активности Солнца. С периодом 21 тыс. лет величина Qsr меняется из-за изменения направления главной оси орбиты Земли- с периодом около 40 тыс. лет величина Qsr меняется из-за изменения наклона земной оси. Серьезные изменения климата Земли происходят вследствие выбросов в атмосферу огромных объемов вулканического пепла и пыли при катастрофических извержениях вулканов. Вероятно, имеет смысл организовать мониторинг значений Qsr и проверить степень влияния изменений этой величины на климат Земли. Современное состояние науки позволяет сделать это.
Обратимся теперь к теплоте Qout, отводимой от Земли в пространство Вселенной. Теплота от Земли отводится только в результате излучения с ее поверхности. Прежде чем уйти в мировое пространство, это излучение должно пройти через слой земной атмосферы. При температуре поверхности Земли (около 300 К) максимум энергии ее излучения приходится на длинноволновую часть спектра. Энергия лучей этой части спектра активно поглощается такими газами атмосферы как СО2, Н2О и др., образующимися, в основном, при сжигании углеводородных топлив. Эти газы, поглощая часть энергии, излучаемой поверхностью Земли, в конце концов возвращают ее Земле, создавая так называемый «парниковый» эффект. Считается, что именно «парниковый» эфффект приводит к наблюдаемому в настоящее время потеплению климата Земли, причем основную ответственность за создание этого эффекта несет диоксид углерода СО2, концентрация которого в атмосфере все время увеличивается вследствие непрерывно возрастающего количества сжигаемого топлива, содержащего углерод. В среднем сжигание 1 кг такого топлива приводит к образованию 3 кг СО2.
В природе существует два естественных поглотителя СО2 — растительность Земли и воды Мирового океана. Приходится констатировать, что возможности этих поглотителей человечество сокращает: вырубаются леса, все больше загрязняется нефтепродуктами поверхность Мирового океана.
В современном мире основным потребителем углеводородных топлив являются автомобили, которые по этой причине оказываются основным источником выброса в атмосферу не только токсичных веществ, но и СО2.
Учитывая современные предположения о причинах потепления климата и защищая экологию Земли, страны Евросоюза наряду со стандартами на допустимые выбросы токсичных веществ выпустили директивы, касающиеся ограничения выбросов СО2 с отработавшими газами автомобилей. Этими директивами предусматривается сокращение выбросов СО2 автомобилями в истекшем 2008 г. до 140 г/км, а к 2012 г. — до 120 г/км. В 2015 г. эти выбросы не должны превышать 90 г/км. Отметим, что автомобили массой около 1350 кг, которые в основном продаются в странах Евросоюза и в России, выбрасывали в 2007 г. СО2 в количест-
ве 180 г/км, что соответствовало расходу бензина 7,5 л на 100 км и КПД двигателя 23%.
Видно, что директивы Евросоюза предусматривают сокращение в период 2008—2015 гг. выбросов СО2 с отработавшими газами двигателей почти в 1,6 раза. Это должно быть достигнуто за счет сокращения расхода топлива, которое, в свою очередь, потребует совершенствования ДВС, повышения их КПД.
Выяснение возможностей выполнения этих директив, проведенное, в частности, специалистами АвтоВАЗа [3], показало, что для снижения эмиссии СО2 до 140, 120, 90 г/км требуется увеличить средний КПД двигателя соответственно до 29, 34, 46%. Достижение КПД, равного 34%, проблематично для автомобилей рассматриваемого класса даже при обеспечении работы на бедных смесях. Достижение КПД автомобильного двигателя, равного 46%, при современном уровне техники невозможно. Последнее утверждение тем более обоснованно, так как жесткие ограничения по токсичности требуют работы с трехкомпонентными нейтрализаторами, снижающими КПД двигателя примерно на 2%. Вместе с тем, результаты выполненных расчетов указывают на то, что переход к автомобилям особо малого класса (массой 800 кг и менее) позволяет снизить расход топлива до 3,5 л/100 км, а эмиссию СО — до 84 г/км. Эти же расчеты показали, что выполнение директив по выбросам СО2 облегчается при замене бензина альтернативным топливом: сжиженным углеводородным газом (снижение эмиссии СО2 со 180 г/км на бензине до 150 г/км) и синтез-газом (снижение эмиссии СО2 до 135 г/км). Еще один путь снижения выбросов СО2 заключается в использовании в качестве основного моторного топлива или добавок к основному углеводородному топливу водорода. Исследования, в том числе проведенные нами в ВолгГТУ, показывают, что в двигателях, работающих на бензине с добавками водорода, появляется возможность существенного обеднения топливовоздушной смеси и повышения за счет этого КПД до 34%. Вместе с тем, процессы воспламенения и сгорания газовых топлив, в первую очередь метана и водорода, обладают рядом особенностей, и для создания высокоэффективных автомобильных двигателей, работающих на указанных видах топлива, необходимы дальнейшие исследования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Девинс, Д. Энергия: пер. с англ / Д. Девинс. — М: Энергоатомиздат, 1985. — 360 с.
2. Энергетика мира: переводы докладов XI конгресса МИРЭК / Под ред. П. С. Непорожнего. — М: Энергоатом-
издат, 1982. — 186 с.
3. Сорокин, А. И. Эффективность использования альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания / А. И. Сорокин, Г. К. Мирзоев // Химия в интересах устойчивого развития, 2005. — № 6.- С. 805−808.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой