Природні обмеження на глобальну енергетичну систему

Природні обмеження на глобальну енергетичну систему.

Рассмотрим які є природні обмеження на повне виробництво енергії Ми не обговорювати природні ресурси, а звернімося екологічними наслідками, що як тепер зрозуміли, можуть набагато швидше, чим вироблені копалини энергоресурсы Энергетический баланс Земли Очевидно, що все вироблена енергія раніше чи пізніше виділиться як тепла лежить на поверхні Землі, що у принципі може спричинити клімат Порівняння виробленої людиною енергії з повним енергією Сонячного випромінювання, падаючого на Землю, наведено в Таблиці 3. Поки що енергія, вироблена людиною, менш як 10−4 від Сонячної енергії, сягаючої Землі, і становить усього лише кілька відсотків від неї періодичних змін, які, вважають, може бути відповідальні за періодичні кліматичні зміни, які відбувалися історії Землі. Таким чином, антропогенний виробництво енергії, добавляющее лише 0 01% до Сонячної енергії, замало, щоб надати пряме впливом геть клімат. Більше небезпечним може бути зміна хімічного складу атмосфери, що може змінити вуглецевого циклу і зокрема, до зміни глобального теплового балансу з допомогою парникового эффекта.

Таблица 3. Порівняння виробленої людиною енергії із Сонячною енергією [1,3] |Повне виробництво енергії (1994) |1,2*1013В| | |т | |Сонячна стала |1370 | | |Вт/м2 | |Сонячна енергія, падаюча на Землю |1,8*1017 | | |Вт | |Сонячна енергія, досягає Землі |1,3*1017 | | |Вт | |Амплітуда зміни Сонячного випромінювання в партії 11 летнем|0 1% | |циклі | | |Зміна інсоляції при періодичних змінах |3% | |Земний орбіти (період 20−40 тисяч літ) Механізм | | |Миланковича до пояснень льодовикових періодів [1, | | |10] | |.

Як засвідчили вище, більшість енергії (86%) виробляється людством з допомогою спалювання викопних палив, чи інакше кажучи з допомогою використання хімічної реакції (З + О2 = СO2+ 94 ккал/моль. Побічним продуктом, якої є вуглекислий газ, СO2, отже, практично весь вуглець, спалюваний під час виробництва енергії, викидається у повітря у вигляді вуглекислого газу. Тим самим було людині в виробництві енергії безпосередньо втручається у одне із фундаментальних циклів, у якому побудована життя в Землі - вуглецевий цикл. Викиди вуглекислого газу на рівні сучасної енергетики вже призводять до зрушень у природній углеродном циклі і від деякого рівня, можуть викликати необоротні зміни у Біосфері. Парниковий ефект від участі вуглекислого газу виробленого під час виробництва енергії був передвіщений понад сто тому З. Аррениусом. Тоді що це суто теоретичні припущення, і це незрозуміло, було б весь викинутий вуглекислий газ поглинатися світовим Океаном. Сто років знаємо вулицю значно більше баланс вуглекислого газу атмосфере.

Баланс вуглекислого газу атмосфере.

Количество вуглецю що міститься у атмосфері як вуглекислого газу, його кількість у світовій Океані, і потоки вироблені різними природними і антропогенними джерелами показані на Малюнку 4. Щороку зелені рослини поглинають з атмосфери приблизно 100 м Гігатонн (1 Гигатонна=109 тонн) вуглецю у процесі фотосинтезу і зростання [II]. (Це відповідає середньої продуктивності 20 ц/Га зеленої маси на 10% Земний поверхні). Приблизно така сама кількість вуглецю викидається щороку знову на атмосферу за місячного споживання зелених рослин вторинними споживачами, їх хімічному розкладанні, лісовими пожежами й іншими природними причинами. Повне кількість вуглецю в біомасу, включаючи грунту, становить за оцінками близько 2200 Гт, що він відповідає середньому часу життя біомаси близько 20 років (близько вчасно життя дерева). Харчова ланцюг співтовариства людинасвиня — зерно додає в збалансований круговорот вуглецю всього 1 Гт на рік. Планктон та інші океанські рослини, живуть на глибині до ста метрів, куди проникає сонячне світло і можлива реакція фотосинтезу, обмінюються з атмосферою приблизно тим самим кількістю вуглецю, 90 Гт в рік, як і наземні рослини [12]. Океан містить дуже багато вуглецю, 40 000 Гт, як вуглекислого газу, розчиненої у питній воді на великий глибині, але обмін між поверхнею і глибокими верствами дуже повільний. Такий обмін має характерне час 500−1000 років [I] і за нинішньої концентрації вуглекислого газу атмосфері по сучасним оцінкам забезпечує відкачування близько двох Гт вуглецю в год.

[pic].

Малюнок 4. Вуглецевий цикл в Біосфері [1,12], Потоки відзначені стрілками наведені у Гигатоннах вуглецю на рік. Близько двох Гт з 5.5 Гт викинутих під час спалювання з корисними копалинами поглинається світовим Океаном. Додаткова відкачка у вигляді 0,2 Гт виробляється наземними рослинами (включаючи ефект від участі вирубки тропічних лісів). 3.3 Гт додається щороку в атмосферу.

Геологические джерела вуглекислого газу не великі. Наприклад, джерело СO2 від вулканічної активності і ерозії геологічних структур поставляє його до атмосферу лише 0.1 Гт вуглецю на рік, що менше, ніж біогенні потоки.

Рисунок 4 призводить до цікавим і несподіваним висновкам. По-перше, видно, що зелені рослини суші та моря може «з'їсти «весь вуглекислий газ з атмосфери приблизно за 4 року. Це означає, що атом вуглецю у вигляді молекули СO2 живе у атмосфері загалом чотири роки, до моменту, коли молекула буде поглинута зеленим рослиною при фотосинтезе.

Следующие 20 років вуглець проведе у складі органічної матерію та у її розпаді знову повернеться атмосферу. Отже, повний круговорот вуглецю відбувається приблизно за 25 років. Наприклад, вуглець дерев’янний, яке померло 100 років тому вони, використали рослинами і тваринами вже в чотири рази. По-друге, кількість вуглецю у атмосфері у кілька разів менше, ніж кількість вуглецю в біомасу. Усе це означає, що атмосферне вуглекислий газ перебуває у стані справжнього динамічного рівноваги з живою природою, і оцінки людської активності на баланс вуглецю маємо це враховувати. Парниковий ефект це лише деякі з можливого вп ливу і цілком імовірно, що є й інші питання, ми ще знаем.

Влияние енергетичної системи на вуглецевий цикл Из малюнка 4 видно, що його вуглецю, выбрасываемого у повітря при спалюванні викопних палив, 5.5 Гт, значно перевищує те, що дають всі природні геологічні джерела. Вочевидь, що з біосфери, як в системи існуючої мільярди, мусить бути природна система управління, підтримує, зокрема, і змістом вуглекислого газу атмосфері постійному рівні. Справді, близько двох з 5.5 «додаткових «до природного циклу Гігатонн вуглецю поглинається океанами. Ліси й інші рослини міг би поглинати ще 1.8 Гт, але систематичні вирубки тропічних лісів повертають назад 1.6 Гт, так що результуючий ефект від участі наземної рослинності залишається лише на рівні 0.2 Гт на рік. Отже, індустріальні викиди вуглекислого газу істотно перевищують природні здібності біосфери регулювати зміст вуглекислого газу атмосфері, та її концентрація безупинно зростає. Це малюнку 5, у якому показані результати виміру змісту вуглекислого газу атмосфері впродовж останніх 1000 років [1]. Регулярні виміру перетворилася на атмосфері ведуться на Гавайських островах, починаючи з 1958 р. Більше ранні крапки було отримані за змістом вуглекислого газу пухирцях повітря в кригах Антарктиди. Видно чітка кореляція між початком регулярного використання з корисними копалинами на початку 18 століття і змістом вуглекислого газу атмосфері. Нинішнє зростання змісту вуглекислого газу атмосфері добре цілком узгоджується з оцінками джерел постачання та стоків, наведеними вище. Виміри також показують, що впродовж останніх 200 років концентрація вуглекислого газу зріс на 30% від природного, прединдустриального рівня. [pic].

Малюнок 5. Залежність концентрації вуглекислого газу Земний атмосфері від часу, протягом останньої 1000 років [1]. Вимірювання по пухирцям повітря в кригах Антарктики і прямі виміру на Гавайських островах. 1 ppm= 10−6 объема.

Таким чином, океани і наземні рослини можуть поглинути лише 40% викидів вуглекислого газу виробленого під час спалювання нафти, вугілля й газу, а 60% викидів накопичуються в атмосфере Теперь можна спробувати оцінити, якою буде зміст вуглекислого газу атмосфері до 2050 р, припускаючи, що, як і він, копалини енергоресурси залишаться є основним джерелом енергії, та її виробництво подвоїться проти нинішнім рівнем. І тут світова енергетична система викине до 2050 року у атмосферу 400 Гт вуглецю і збільшить його зміст із 750 до 1000 Гт. Ця проста оцінка добре збігаються з прогнозами, зробленими з урахуванням набагато складніших моделей [1], які теж прогнозують майже подвоєння концентрації СO2 до 2050 р проти природним, прединдустриальным рівнем, у так званому разі «усе залишатиметься по-старому «[1,12]. Якщо припустити, нинішня швидкість поглинання вуглекислого газу океанами — це відповідь природною системи управління на 30%-ное зростання концентрації СO2 у атмосфері, то максимальна швидкість поглинання може бути більше 6−7 Гт на рік. Це можна з нинішніми викидами СO2 і від, ніж майбутні викиди. Тому, немає підстав вважати, що природна систему управління яким або чином стабілізує зміст СO2. Ми виробляємо дуже велике обурення. У 1957 р. основоположники вивчення вуглецевого циклу, Р. Ревів і Р. Сюс, писали. «Людство зараз проводить глобальний геофізичний експеримент, рівних якому був у минуле і ніколи в майбутньому. Протягом усього кількох сторіч ми повертаємо у повітря і океани вуглець органічного походження накопичений в осадових породах сотнями мільйонів років «[ 12].

Какими ж може бути наслідки такої «експерименту «для співтовариства людина — свинязерно?

5. Вплив зростання концентрації СO2 на клімат і биосферу Возможные наслідки викидів вуглекислого та інших супутніх газів у атмосферу активно вивчалися протягом останніх кілька десятків років. Основне занепокоєння парниковий ефект [I]. Парниковий ефект грає істотну роль енергобалансі Землі: без парникового ефекту середня температура лежить на поверхні Землі було б нижче точки замерзання води. Вуглекислий газ, водяну пару та інших гази, які у атмосфері, поглинають інфрачервоне теплове випромінювання із поверхні Землі, нагреваемой сонячним світлом і підтримують середньої температури лише на рівні 10 °З. Чим більший концентрація парникових газів, тим більше коштів ефект, який можна характеризувати додаткової потужністю випромінювання на одиницю виміру площі еквівалентній впливу парникового ефекту. Оцінки показують, що нинішній збільшення змісту вуглекислого газу на 30% еквівалентно збільшення потоку енергії на 2.45 Вт/м2 [1], що становить 0.7% Сонячної енергії, сягаючої Землі. Це приблизно 70 разів більше, ніж прямий нагрівання поверхні від спалювання енергоносіїв. Кліматичні моделі прогнозують, що 2050 р., якщо «усе залишатиметься по-старому », парниковий ефект зросте до 5−6 Вт/м2, становитиме 1.5% від Сонячної енергії і, отже, буде порівняти з масштабом природних змін, що призводило в геологічному минулому до глобальних кліматичним изменениям.

Последние 5 млн. років кліматичної історії характеризувалися зростаючій мінливістю клімату. Це з малюнка 6, у якому показані тимчасові залежності середньої температури різними тимчасових шкалах. Поступове охолодження Землі, те що протягом останніх 60 млн ліг, майже п’ять млн років тому я змінилося режимом, характеризующимся регулярними періодичними коливаннями температури з періодом близько 120 тисяч літ Амплітуда таких «пилообразных «коливань 5−10 °З Кожен цикл починався з щодо швидкого потепління і наступного теплого періоду, що триває 10−20 тисячі років. Следующие.

100 тисячі років температура поступово зменшувалася, досягала свого і потім знову швидко возрастала.

100 тисячолітнє зменшення температури супроводжувалося осцилляциями з не меншою амплітудою і періодом близько 20 тисячі років, які призводили до періодичному ростові, і відступу льодовиків на північ півкулі - льодовиковим періодам. Останній і найбільш холодний льодовиковий період був 20- 30 років тому. Саме тоді кордон льодовика опускалася до широти північної Франції. На малюнку 6 видно кореляція між поведінкою температури на північ і південному півкулях, із чого можна зрозуміти, що 20 -100 тисячолітні коливання температури пов’язані глобальні змінами климата.

[pic].

Рисунок 6. Палеокліматичні дані для температури Землі назад у часу. Нагорі: оцінки середньої температури на шкалою 60 млн. років (з [3]). У: відмінність між відносним змістом ізотопу кисню О18/О16 в СаСОз в опадах верб морській воді, яка від температури [13]. Унизу: зміна температури, оцінене зі зміни ізотопного складу льоду в Гренландії і Антарктиді, і оцінене зі зміни ізотопного складу льоду в Гренландії і Антарктиді, і оцінене по органічним опадам Півночі в Атлантичному океані [1]. Що ж є причиною періодичних змін температури? Однозначно відповісти ми маємо. Є лише кілька гіпотез: періодичне зміна світності Сонця, проходження Сонячної системи через пилові хмари, сутички з астероїдами, і, нарешті, періодичні зміни орбіти Землі та нахилу Земний осі. Остання теорія, що називається механізмом Миланковича, її вважають найбільш достовірної - эллиптичность орбіти Землі та прецесія її осі обертання мають основні періоди — 100, 40 і 20 тисяч літ — добре коррелирующие з періодичними змінами температури [9,10].

Більша занепокоєння в человека-индустриального мають викликати частіші коливання температури, з періодом всього 1−2 тисячі років, очевидним більш тонкої тимчасової шкалою малюнку 6. Дивовижна властивість цих осцилляций — наявність різких фронтів, нагадують фазові переходи. Якщо це «шум «в вимірах, то певні зміни температури з амплітудою 10 °C відбувалися менш, як по років. На малюнку 6 можна знайти події, під час яких середня температура на місці виміру падала на 10 °C, залишалася в таких межах около.

2000 років, і далі також швидко поверталася назад. Є додаткові дані [I], що дають, що останні потепління, яке відбувалося близько 11−12 тисяч років тому, було досить швидким. Тоді, середня температура у центральній Гренландії зросла на майже 7° протягом кількох десятиліть, а зміни температури супроводжувалися ще більше калейдоскопом розподілу осадів та перебудовою циркуляції атмосфери [I]. Можливо, що поколінь зберігає спогади про катастрофу як і справу всесвітньому потопі. Що ж відбувалося із вмістом вуглекислого газу в час періодичних коливань температури, і як це впливало зелені рослини? Виявляється, що концентрація СO2 теж дуже змінювалася за зміною середньої температури і майданів льодовиків. 20 тисяч років тому, у час останньої льодовикової мінімуму, концентрація вуглекислого газу була вдвічі нижча, прединдустриального рівня, та був, слідуючи швидкому збільшення температури, також швидко зросла. Як, низький вміст вуглекислого газу саме собою суттєво вплинула на рослинний покрив навіть у тропіках, де похолодання під час льодовикового періоду було так і велике, як і високих широтах. Є й думка, що передвиборне збільшення концентрації вуглекислого газу після потепління викликало загострення продуктивнос ті зелених рослин i прискорило землеробство як і слідство, нинішнє розвиток цивилизаций.

Таким чином, у досить недавньому минулому Землі відбувалися швидкі кліматичні зміни з дуже характерною масштабом часу, порівнянних зі часом житті однієї покоління. Такі кліматичні зміни мають розглядатися як глобальні катастрофи, які здатні натиснути надзвичайно серйозні на інфраструктуру сучасного суспільства. Судячи з минулим 120 тисячам років кліматичної історії, ми зараз у кінці теплого періоду й надалі температура має розпочати поступово зменшуватися. Повториться цей природний цикл або ж вплив людини вже занадто велика і нас очікує різке потепління які з таненням полярної криги і черговим «всесвітнім потопом »? Навіть тому разі, якщо кліматичні впливу викидів виявляться менше, ніж ми тепер припускаємо, подвоєння концентрації СO2 повинно викликати істотних змін у біосфері. Скільки точно часу знадобиться у тому, щоб викиди СO2 сприяли серйозним екологічними наслідками, ми що не знаємо, але можемо припустити, що у разі «усе залишатиметься по-старому », це обов’язково произойдет.

Загрязнение довкілля вже досягло глобальних сфер зовнішньої та вимагає термінових мер.

Найкращий засіб тут — створення циклічних, замкнутих виробництв (по зразком природних процесів), у якому покидьки повністю відсутні. Але подібні установки вимагають того самого — енергії! Але енергія, що у своє чергу не завдає шкоди навколишньому середовищі. Тому потрібно як і швидше переходити на натомість альтернативні джерела енергії, т.к. є екологічно чистими. Отже, він вироблятимуть енергію, яка настільки необхідна людині індустріального, без шкоди оточуючої среды.