CC BY
49
СЕМИНАР 10
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2000"
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 г.
© А.Е. Воробьев, Е.В. Чекушина С.С. Трусенко, 2001
УДК
А.Е. Воробьев, Е.В. Чекушина, С.С. Трусенко ОСНОВНЫЕ ПУТИ СТАБИЛИЗАЦИИ КЛИМАТА НА ПЛАНЕТЕ
С-----------------------------------------
Ж олнечная энергия, получаемая поверхностью Земли, составляет примерно 1,2х1017 Дж [1]. Ее средний приход в умеренных широтах равен 48-61 тыс. ГДж/га в год. Так, в южные степные районы России годовой приход солнечной радиации составляет 50-55 ккал/см2, а в лесолуговой зоне - 40-45 ккал/см2. Около 35 % энер-
гии отражается обратно в космос облаками, пылью и другими веществами, находящимися в атмосфере, а также собственно поверхностью Земли. Незначительная доля солнечной энергии (~0,003%) улавливается земными растениями и участвует в процессе фотосинтеза при образовании органических соединений, необходимых для жизнедеятельности живого вещества. Остальная часть (~65 %) идет на нагревание атмосферы, суши и гидросферы, испарение и обеспечение перераспределения вещества в биосфере.
В настоящее время на Земле сложился определенный тепловой баланс (табл. 1), равный нулю как алгебраическая сумма в течение длительного времени [2]. Поток солнечной радиации (Земля за 1 мин получает от Солнца 2,4-1018 кал лучистой
Таблица 1
ЗНА ЧЕНИЯ ИНСОЛЯЦИИ НА РАЗЛИЧНЫХ ШИРОТАХ
Место Широта, град Инсоляция кВт-час/м2
Наибольшая за день, лето Наибольшая за день, зима Среднегодовая
Экватор 0о 6,5 (7,5) 5,8 (6,8) 2200 (2300)
Тропики о ел" 2 7,1 (8,8) 3,4 (4,2) 1900 (2300)
Средние широты 45о 7,2 (8,5) 1,2 (1,7) 1500 (1900)
52о 7,0 (8,0) 0,5 (0,8) 1400 (1700)
Полярный круг 66,5о 6,5 (7,0) 0 (0) 1200 (1400)
Примечание: в скобках указана инсоляция с учетом рассеянной составляющей
Таблица 2
ПЛАНЕТАРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Составляющие теплового баланса Земли МДж/м2 ккал/м2
Солнечная радиация у верхней границы тропосферы 41900 1000
Отражение (при альбедо 33%) 3740 83
Усваивание тропосферой 6980 167
Поглощение воздухом тропосферы 3460 59
Поглощение земной поверхностью 4520 108
Излучение эффективное 1500 36
Радиационный отток тепла 3010 72
Затраты на испарение вод 2510 60
Теплообмен турбулентный 501 12
Излучение Земли длинноволновое (тепловое) 6980 167
энергии) и тепло земных недр (вклад последних составляет 31 кал/см2 в год) обусловили параметры исходного (естествен-ного) климата.
Интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли зависит от широты местности и расстояния прохождения лучей в атмосфере (табл. 2).
Современный климат определяется сложными взаимодействиями между атмосферой, океанами, полярными льдами, животными, растениями и осадочными породами.
Когда климатическая система находится в состоянии равновесия (как это было до промышленной революции и вызванного ею значительного увеличения выбросов антропогенных парниковых газов), поступающая солнечная радиация уравновешивается тепловым излучением Земли и ее аккумулирование различными средами (например, осадочными породами, углем, нефтью и т.д.).
В настоящее время происходит значительное изменение исходного планетарного климата в сторону глобального потепления. Этот процесс протекает, несмотря на постоянную величину солнечной энергии, поступающую к планете, и обусловлен во многом снижением альбедо большинства территорий Земли, увеличением объемов поступления в земную атмосферу парниковых газов (от техногенных источников), а также существенным ростом использования различных видов (электриче-ской, ядерной и т.д.) энергии.
В результате ученые пришли к выводу об имеющейся тенденции в повышении средней температуры биосферы (атмо- и гидросферы, а также верхней части земной коры - литосферы), примерно на 1оС за тридцать лет [3]. Кроме этого, возникшее на планете потепление (при остающихся постоянными прочих имеющихся условий) будет усиливаться под действием ряда природных процессов (например, неспособности нагревающегося Мирового океана поглощать из атмосферы повышенное количество содержащихся там парникового газа СО2).
В настоящее время выделение промышленного тепла уже составляет около 0,01 % от солнечного
тепла. Из расчетов Международной комиссии по климатическим изменениям, следует, что при сохранении существующих тенденций использования ископаемого топлива температура земной поверхности повысится на 2 оС, а при одновременной вырубке лесов средняя температура атмосферы планеты к 2100 г. поднимется на 6 оС.
В будущем энергообеспечение человеческого общества предполагается обеспечить за счет использования термоядерной энергии (но существуют проекты получения энергии и из глубокого вакуума космоса). В этом случае будет снижена острота проблемы ресурсообеспечения, т.к. тогда в качестве минерального сырья могут быть использованы горные породы с кларковым содержанием полезного компонента или морская вода. Однако при этом ожидается углубление экологического кризиса. Он будет связан с перегревом атмосферы и поверхности Земли в результате выделения энергии в термоядерных реакторах и других источниках. Подсчитано, что в случае превышения тепла 10 % от солнечной энергии (которая поглощается сушей, океанами и нижними слоями атмосферы) средняя температура поверхности нашей планеты повысится на 7 оС, что приведет к массовому таянию ледников Арктики и Антарктиды и затоплению равнин, наиболее удобных для проживания человека [4].
Установлено, что величина получения и использования энергии минеральных носителей (удваивающаяся каждые 15 лет) не должна превышать 1 % от общей мощности солнечной энергии, поступающей на Землю. Сейчас земная цивилизация производит энергии примерно 10 млрд. кВт с ежегодным приростом в пределах 3 %. Следовательно, в существующих условиях тепловой барьер может быть достигнут всего за 75 лет.
В настоящее время альбедо Земли (табл. 3) изменяется в направлении понижения отражательных свойств и в связи с этим на ее поверхности повышается температура. Существенными факторами понижения общего альбедо Земли служит по-
Таблица З
ВЕЛИЧИНА ОТРАЖАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ (АЛЬБЕДО) ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
Поверхность Альбедо Поверхность Альбедо
Снег 85-40 Лес лиственный 20
Почва светлая лес (кварцевый песок) З5 Лес еловый 10-15
Почва темная 15 Вода при высоте солнца 45о 5
Трава светлая 25 15о 20
Трава темная 20 5о 55
Таблица 4
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ, ИХ ИСТОЧНИКИ, СКОРОСТИ ПОСТУПЛЕНИЯ В АТМОСФЕРУ И ДОЛЯ ИХ ВЛИЯНИЯ НА ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ В 1980-х гг.
Газ Основные источники Современный уровень среднегодового прироста и концентрация, % Доля влияния на глобальное потепление, %
Двуокись углерода (СО2) Сжигание ископаемого топлива (77%) Вырубка лесов (33 %) 0,5% (353 ppm v) 55
Хлорфторуглероды (фреоны) и родственные газы Различные промышленные применения: охлаждающие вещества, утечка пенных растворителей 4% (280 ppt v) ХФУ-11 (484 ppt v) ХФУ-12 24
Метан (СН4) Рисовые плантации Утечка газа Жизнедеятельность животных 0,9% (1,72 ppt v) 15
Закись азота (^О) Сжигание биомассы Применение удобрений Сжигание ископаемого топлива 0,8% (10 ppb v) 6
темнение поверхности европейских и североамериканских ледников, связанное с осаждением сажи и копоти из загрязненной атмосферы, а также - потемнение снежного покрова на огромных пространствах вблизи промышленных центров (снижение их альбедо составляет 40 %) [5]. Распашка новых земель, увеличение площади пахоты (альбедо свежевспаханной почвы - 0,5 %), лесоразведение, озеленение, обводнение территорий, урбанизация, агломерирование и другие изменения поверхности Земли сопровождаются понижением альбедо и, следовательно, глобальным повышением температуры.
Развитие парникового эффекта также является серьезной нерешенной проблемой. Во-первых, ис-
ходя из ежегодного прироста С02 (равного примерно 20х1018 г) среднее ее содержание в атмосфере в ближайшее время достигнет 0,2 % (табл. 4). Во-вторых, на величину парникового эффекта влияет концентрация разнообразных газов (метана, бензо-пирена, формальдегида, сероуглерода, фторхлоруг-лерода, оксидов азота).
Таким образом, главной причиной возникновения парникового эффекта считается рост в атмосфере содержания некоторых малых газовых составляющих:
• с прямым парниковым эффектом - углекислого газа (СО2), закиси азота (^О), метана (СН4);
• с косвенным парниковым эффектом - окиси углерода (СО), оксидов азота (N0,,), хлорфторуг-
леродов (ХФУ), летучих неметановых органических соединений (ЛНОС), галонов и тропосферного озона (например, галоидозамещенные углеводороды, содержащие хлор);
• (CFCs и HCFCs) и бром, вызывают разрушение озона.
Углекислый газ (СО2) - важнейший парниковый газ. Существующий в настоящее время рост концентрации СО2 объясняется антропогенной деятельностью, в основном сжиганием топлива, изменениями в землепользовании (преобразование лугопастбищных угодий, пахотные земли и др.) и в меньшей мере - наращиванием производства цемента. Средняя скорость роста концентрации СО2 - 0,4 % в год. Современная атмосфера уже содержит на 25 % больше углекислого газа, чем было накоплено за последние 160 тысяч лет. Причем содержание СО2 непрерывно увеличивается на 0,3—0,5 % в год.
Метан (СН4) - другой парниковый газ, концентрация которого в атмосфере растет в результате антропогенной деятельности (сельское хозяйство, удаление и утилизация отходов, добыча и использование топлив). Среднее глобальное значение концентрации метана возросло на 6 % за 1984—1994 гг. Около 60—80 % существующих выбросов метана имеют антропогенную природу. Потенциал глобального потепления (ПГП), выраженный в эквиваленте СО2, за столетний период для метана равен 24,5.
Закись азота (^О) - активный парниковый газ, время существования которого в атмосфере около 120 лет, ПГП за столетний период - 320. Естественными эмиттерами ^О являются почва, моря и океаны. Основные антропогенные источники - сельское хозяйство, сжигаемая биомасса и индустриальные процессы (например, производство азотной кислоты). Современные текущие антропогенные выбросы ^О составляют от 3 до 8 т/год.
Поэтому сегодня появилась настоятельная необходимость в целенаправленном регулировании планетарного климата, которое может быть осуществлено только усилиями Мирового сообщества в целом и заключается в учете теплового баланса, широком использовании в человеческом обществе материалов с высоким альбедо, разрушении парниковых газов в атмосфере (вследствие перевода технологических
производств - где это возможно на процессы с выбросом в виде отходов определенных соединений), а также утилизацию излишнего тепла.
В корректировании температуры биосфер огромное значение имеют теплопроводность различных ее составляющих и конвекция тепла. Чтобы испарить 1 см3 морской воды нужно затратить 600 кал тепла. За 1 год с поверхности океана испаряется слой воды толщиной около 1,1 м. Отсюда легко определить потерю тепла. Так, для испарения метрового слоя воды расходуется 600 Ккал/см2 тепла. Но при конденсации водяного пара и возникновении дождя высвобождается примерно 540 калорий тепла на 1 г воды.
Имеющееся в настоящее время техногенное повышение температуры атмосферы может, однако, послужить дополнительным источником энергии для скорректированного круговорота элементов. Одновременно будет решена и проблема нивелирования техногенного теплового загрязнения биосферы, составляющего ~ 142,8-1015 кДж в год.
Для решения этих вопросов при целенаправленном регулировании планетарного климата необходимо исходить из принципиальной возможности перевода части энергии из состояния ее теплового рассеяния в окружающем пространстве в аккумулирующее (нерассеивающее) состояние, например в энергию химических реакций (что может быть достигнуто в результате образования техногенных месторождений сульфидных руд, углеводородного сырья и т.д.) [6-8].
В современной науке существуеют две противоположные точки зрения на возможности изменения климата, что объясняется как длительностью периода протекания процесса, так и сложностью и инерционностью климатической системы.
Одна из них - это периодические, естественные изменения климата на протяжении последних нескольких миллионов лет [9]. Анализ кернов ненарушенных отложений океанического дна и ледяных массивов Антарктики подтверждают теорию чередования ледниковых и межледниковых периодов, происходящих в ритме, определяемом изменениями орбиты Земли (23о45") относительно Солнца.
Поскольку прошлые межледниковые периоды продолжались около 10 тысяч лет, а текущий межледниковый период насчитывает к настоящему
времени такое же время, то предполагают наступление в ближайшее время нового ледникового периода.
Вторая точка зрения - это имеющееся глобальное потепление климата на Земле. Она основана на существующем росте температуры окружающей среды и увеличении содержания в атмосфере парниковых газов. Так, по сообщении Национального управления по проблемам океана и атмосферы США, данные, полученные на тысячах метеостанций мира, говорят о том, что наступает глобальное потепление, и что 1998 метеорологический год был самым теплым из всех регистрируемых лет. Кроме того, специалисты из NASA используют данные с сельских метеостанций и спутниковые измерения температур океана для получения более однообразно распределен-
ных данных по глобальным изменениям температур.
В своих исследованиях мы исходили из второй точки зрения, как возможного варианта. Подобный подход наблюдается в строительстве сооружений в сейсмоопасной зоне: не смотря на определенную неизвестность возможности возникновения землетрясения до окончания срока функционирования здания строители учитывают возможную бальность подземных толчков, и соответственно с ней закладывают необходимые меры безопасности. Даже если глобальное потепление только предполагается, но в действительности не произойдет, то рассмотренные нами пути стабилизации планетарного климата останутся только теоретической разработкой. В ином случае - они перейдут в прикладную область.
1. Горшков С.П. Экологогеографические основы охраны природы. - М.: МГУ, 1992. - 123 с.
2. Реймерс Н.Ф. Природопользование. - М.: Мысль, 1990. -638 с.
3. Глобальное потепление. Доклад Гринпис. - М.: МГУ, 1993. - 272 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
4. Новиков Э.А. Человек и биосфера. - Л.: Недра, 1976. - 156 с.
5. Котлов Ф.В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека. - М.: Недра. 1978. - 260 с.
6. Воробьев А.Е., Чекушина Е.В. и др. Патент 2017966 РФ, 1994.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7. Воробьев А.Е., Чекушина Е.В. и др. Патент 2053349, РФ, 1996.
8. Воробьев А.Е., Чекушина Е.В. и др. Патент 2002949 РФ, 1993.
9. Капица А.П. Миф о глобальном потеплении и озоновых дырах. - Кембридж, 1997.
Воробьев Александр Егорович - профессор, доктор технических наук. Московский государственный горный университет.
Чекушина Елена Владнмнровна - аспирантка. Московский государственный горный университет.
Трусенко Светлана Сергеевна - аспирантка. Московский государственный горный университет.
^^
