CC BY
19ПРОБЛЕМЫ
РЕГУЛИРОВАНИЯ
КЛИМАТА
ИЗМЕНЕНИЕМ РАДИАЦИОННОГО БАЛАНСА ЗЕМЛИ
Дмитрий Семёнович Стребков
nauka-ds@mail.ru
Действительный член (академик) Российской академии наук (РАН) Федеральный научный агроинже-
нерный центр ВИМ, Москва, Россия
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) образован 19 октября 2016 года на базе Всероссийского научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства (ВИМ) с присоединением к нему Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) и Всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ).
В 2017 году в состав ФНАЦ ВИМ вошли:
• «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства» (ВНИИМЖ, г. Подольск);
• «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации и информатизации агрохимического обеспечения сельского хозяйства» (ВНИМС, г. Рязань);
• «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП, г. Санкт-Петербург);
• «Рязанский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» (Рязанский НИИСХ, г. Рязань).
В настоящее время Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ является ведущим научно-исследовательским центром страны в области агроинженерной науки, машинно-технологической модернизации сельского хозяйства страны, внедрения в сельхозпроизводство новейших интеллектуальных технологий и роботизированных технических средств нового поколения.
Аннотация: Основные вызовы, угрозы и риски в XXI веке смещаются от военной и ядерной, продовольственной и энергетической безопасности к экологической безопасности, связанной с глобальным потеплением.
Шесть миллионов гектаров в год подвергаются опустыниванию с потерями в 65 миллиардов долларов в год. К настоящему времени исчезло 50% тропических лесов. Это оказывает огромное влияние на климат. Количество лесных пожаров увеличивается. В России ежегодно уничтожается 4,3 миллиона гектаров лесов, гибнут животные и растения, реки становятся мелкими, города задыхаются от смога.
Ущерб мировой экономики от глобального потепления в настоящее время составляет 300 миллиардов долларов в год и увеличивается с каждым годом. Ученые из Национального океанографического центра в Саутгемптоне (БоиЛЬатрШп), Великобритания, предсказали минимальный годовой ущерб от глобального потепления в размере 1,4 триллиона долларов. Повышение температуры на 2 градуса может стоить 3% суммарного ВВП
всех стран мира.
В Киотском протоколе и Парижском климатическом соглашении утверждается, что для сохранения климата необходимо сократить выбросы углекислого газа и других парниковых газов в атмосферу.
Исследование показало, что основной причиной глобального изменения климата является «антропогенное тепловое загрязнение», которое создается деятельностью человечества и создает предпосылки для нарушения теплового баланса планеты и перевода климата в состояние саморазогрева.
По разным оценкам, через 20-60 лет может возникнуть точка невозврата к естественному тепловому состоянию климата Земли, когда никакие материальные ресурсы человечества не смогут остановить глобальную катастрофу, связанную с таянием ледников, увеличением уровня океана на 80-100 м и переходом климата Земли в состояние, несовместимое с биологической жизнью. Необходим срочный переход на бестопливную энергетику и изменение радиационного баланса Земли путем увеличения альбедо* городов и пустынь.
Использование энергии биомассы, включающую в себя тропические и другие леса, является источником антропогенного воздействия на климат, несмотря на тот факт, что использование энергии биомассы имеет нулевой баланс для выбросов углекислого газа.
Критерием сохранения земной цивилизации, включая сохранение тропических лесов и прекращение саморазогрева климата, является изменение радиационного баланса Земли путем отражения части солнечного излучения в космическое пространство в некотором количестве, равном антропогенному тепловому загрязнению атмосферы. [1]
Полученные зависимости между площадью зеркальных отражателей и величиной антропогенного теплового загрязнения атмосферы благодаря использованию предлагаемого способа позволяют остановить глобальное потепление за 15 лет.
Расчет площади зеркальных отражателей и площади пустынь, необходимых для их размещения, необходимых для предотвращения глобального потепления, показал, что требуемая площадь составляет 0,95-1,21% площади, занимаемой африканскими пустынями.
Стоимость проекта по предотвращению самонагревания климата и сохранению тропических лесов и планетарной цивилизации составляет 1,66 триллиона долларов США с выполнением в течение 15 лет или 110,92 миллиарда долларов США в год.
Ключевые слова: саморазогрев климата, тропические и другие леса, глобальное потепление, радиационный баланс, солнечная радиация, зеркальные отражатели.
Введение
Прогноз и поиск новых источников развития — приоритетные задачи фундаментальной науки. Задача ученых - прогнозировать будущее, опираясь на предшествующий опыт и потенциальные возможности научно-технического развития. При переходе на шестой технологический уклад**ученые должны обеспечить стратегическое планирование и сформулировать основные направления глобального развития в XXI веке.
*Альбедо (от лат. albus «белый») — характеристика диффузной отражательной способности поверхности.— Прим. ред. **Термин «технологический уклад» относят к теории научно-технического прогресса. Считается, что в мире пройдены 5 технологических укладов, в настоящий момент наступает шестой. По прогнозу, преимущество шестого технологического уклада, по сравнению с предыдущим, будет состоять в резком снижении энергоемкости и материалоемкости производства, в конструировании материалов и организмов с заранее заданными свойствами. - Прим. ред.
Основные вызовы, угрозы и риски в XXI веке смещены от военной и ядерной, продовольственной и энергетической безопасности к экологической безопасности, связанной с глобальным потеплением.
Земле угрожает глобальное потепление и смена климатических зон. Заместитель Генерального секретаря Всемирной метеорологической организации Елена Манаенкова в интервью агентству РИА «Новости» в 2018 году заявила: «К 2100 году температура поднимется на 8 градусов, уровень моря на 30 метров».
Температура северной части Европы повышается наиболее быстро. Средняя температура Черного моря растет на 0,08 °С в год, Белого моря на 2,1 °С в год. В мире шесть миллионов гектаров в год подвергаются опустыниванию с потерей 65 миллиардов долларов в год ввиду вывода этих земель из хозяйственной деятельности.
К настоящему времени исчезло 50% тропических лесов. Тропический лес уничтожается со скоростью 0,7 га/мин. Это оказывает огромное влияние на климат. Количество лесных пожаров увеличивается. В Бразилии в результате пожаров за год было уничтожено 26130 км2 тропического леса*.
В России ежегодно уничтожается 4,3 миллиона гектаров лесов, гибнут животные и растения, реки становятся мелкими, города задыхаются от смога.
Ущерб мировой экономики от глобального потепления в настоящее время составляет 300 миллиардов долларов в год и увеличивается с каждым годом. Ученые из Национального океанографического центра Саутгемптона прогнозировали минимальный ущерб от глобального потепления в размере 1,4 триллиона долларов. Повышение температуры на 2 градуса может стоить 3% суммарного ВВП всех стран Мира.
Согласно Парижскому соглашению 2015 года страны договорились сократить выбросы углекислого газа в атмосферу на 33 миллиарда тонн в год с 2020 года, чтобы сохра-
* 1 км2 = 100 га. - Прим. ред.
нить уровень повышения глобальной средней температуры ниже 2 градусов и приложить усилия, чтобы ограничить повышение температуры на 1,5 градуса.
Однако Киотский протокол и Парижское соглашение об ограничении выбросов парниковых газов не имеют научной основы и не решают проблем глобального потепления, но полезны, поскольку рекомендуют переход на бестопливную возобновляемую энергетику и ограничивают выбросы углекислого газа, который при поглощении в воде снижает продуктивность морей и приводит к деградации морской биосферы.
Есть естественные отрицательные обратные связи, которые могут замедлить процессы саморазогрева климата. Глобальное потепление может привести к катастрофическому увеличению вулканической активности и уменьшению притока солнечной радиации на поверхность Земли из-за поглощения солнечной энергии в атмосфере вулканическими газами.
Таяние ледников и увеличение содержания пресной воды в океанах могут изменить направление меридианных океанских течений, например, Гольфстрима, что приведет к похолоданию в Европе. На скорость глобального потепления влияют 11-летние циклы солнечной активности.
В статье [2], опубликованной в докладе Национальной академии наук США, делается вывод, что самоусиливающиеся обратные связи могут подтолкнуть земную систему к планетарному порогу, который, если его пересечь, может сделать невозможной стабилизацию климата при промежуточных повышениях температуры и вызвать продолжительное потепление на пути к «парниковой земле», даже когда тепловые выбросы человечества уменьшаются. Пересечение порога привело бы к гораздо более высокой глобальной температуре и значительно более высокому уровню моря, чем в любое время в голоцене*. Если этот порог будет преодолен, полученная траектория, скорее всего, приведет к серьезным нарушениям в экосистемах, обществе и экономике. Коллективные действия человека необходимы для того, чтобы отвести Земную систему от потенциального порога и стабилизировать его в пригодном для обитания состоянии, подобном межледниковому. Такие действия влекут за собой управление всей биосферой, климатом и обществами Системы Земли и могут включать декарбонизацию мировой экономики, увеличение поглотителей углерода в биосфере, изменения в поведении, технологические инновации, новые механизмы управления и преобразованные социальные ценности.
Фактически, как показали научные исследования причин потепления климата [3], все газы в атмосфере Земли, молярная масса которых отличается от молярной массы азота, способствуют отводу тепла от стратосферы в космос.
Они также свидетельствуют, что основной причиной глобального изменения климата является «антропогенное тепловое загрязнение», которое создается деятельностью человечества и создает предпосылки для нарушения теплового баланса планеты и перехода климата в состояние саморазогрева.
Использование энергии биомассы, включающую в себя тропические и другие леса, также является источником антропогенного воздействия на климат, несмотря на тот факт, что использование энергии биомассы имеет нулевой баланс для выбросов углекислого газа.
Создание в будущем новых источников энергии на основе термоядерного синтеза, хо-
'Голоцен (греч. о — «целый, весь» + о — «новый») — современная эпоха четвертичного периода, сменяющая плейстоцен и начавшаяся примерно 12 тысяч лет назад, продолжающаяся в настоящее время. — Прим. ред.
лодного ядерного синтеза и водородной энергетики увеличит антропогенный вклад в изменение климата и потребует учета их вклада в дополнительное регулирование радиационного баланса Земли.
Методы сохранения земной цивилизации
Энрико Ферми сформулировал тезис, который теперь известен как парадокс Э. Ферми*: «Если существует так много разумных инопланетных цивилизаций, почему человечество не наблюдает ни за одним из своих следов»?
Объяснение парадокса Ферми состоит в том, что антропогенная энергия влияет на жизнь планеты. Прежде чем стать разумными, мыслящие существа разрушают свою среду обитания, в том числе тропические леса, они нарушают тепловой баланс планеты своей неустойчивой активностью и сжиганием топлива.
Антропогенное тепловое загрязнение атмосферы переводит климат в состояние саморазогрева, и через некоторое время, начиная со времени широкого использования топливной энергетики, климат начинает приходить к состоянию, несовместимому с продолжением жизни на этой планете. Лидеры планетарных цивилизаций начинают понимать необходимость научно обоснованного спасения климата и планеты, когда уже бывает поздно. [3]
Обсуждаются различные методы предотвращения глобального потепления путем изменения радиационного баланса Земли. В одном методе аэрозольные частицы распыляются в атмосферу, которые поглощают солнечное излучение, уменьшая таким образом его поступление на поверхность Земли. Недостатком этого способа является возможная гибель растений на Земле из-за отсутствия ультрафиолетового излучения, поглощаемого аэрозолями. [4]
Другое предложение состоит в том, чтобы удалить Землю от Солнца, изменив её орбиту, что может иметь непредсказуемые последствия для экологии и климата Земли.
Чтобы вернуть параметры климата к равновесным значениям 50 лет назад, можно организовать производство генераторов, использующих энергию окружающей среды, с ее охлаждением и переносом избыточной энергии по отношению к равновесному значению в радиационном балансе Земли в оптическом диапазоне в открытый космос. [3]
Переход на бестопливные источники энергии
Необходимым, но не достаточным условием предотвращения глобального потепления является изменение структуры энергетики с переходом на возобновляемые источники энергии без использования топлива.
Важнейшей задачей правительств и международных организаций является реструктуризация энергетики и переход на новые источники энергии, не использующие ископаемое топливо. Энергетические технологии, определяющие развитие энергетики в XXI веке и переход земной цивилизации на путь устойчивого развития, должны основываться на новых физических принципах.
Российские ученые предложили в рамках международного проекта построить в XXI веке глобальную систему использования солнечной энергии, обеспечивающую круглогодичное функционирование на протяжении многих сотен лет производства и распределения электрической энергии для каждого жителя Земли с переводом в разряд резервных всех существующих электростанций на Земле, которые использу-
*Подробно о парадоксе Ферми см. ЬирБ://ги.,м1к1реЬ1а.огд/;л'1к1/Парадокс_Ферми — Прим. ред.
ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА
ют ископаемое топливо. Для этого проекта были разработаны пять новых технологий, которые защищены 200 российскими и 50 международными патентами.
Глобальный переход к возобновляемой энергетике без использования топлива был сформулирован в [5], в которой рассматривалась мировая система использования энергии солнца с круглосуточным производством электроэнергии, равным мировому потреблению энергии. Глобальная энергетическая система состоит из трех солнечных электростанций (SPP), каждая из которых имеет длину 200-200 км, с возможным расположением в пустынях Австралии, Африки и Латинской Америки на 120° по широте и соединенные линиями электропередачи с резонансным волноводом на основе технологий Н. Теслы. Компьютерное моделирование производства электроэнергии в глобальной энергетической системе с учетом метеорологических данных в местах расположения СЭС* за весь период наблюдений показало, что производство энергии не зависит от времени года и смены дня и ночи и не требует накопления энергии. Существующие нефтегазовые, угольные и атомные электростанции могут быть остановлены и переведены в категорию резервных энергетических мощностей.
Для создания глобальной солнечной энергетической системы было предложено 6 новых технологий [5, 6]:
1. Резонансные высокочастотные методы генерации, передачи и распределения электрической энергии.
2. Бесхлорные способы получения кремния солнечного качества из кремнезема высокой чистоты.
3. Новые технологии и материалы для герметизации солнечных модулей с увеличением срока службы от 20-25 до 40-50 лет.
4. Высоковольтные двухфазные солнечно-кремниевые модули с напряжением до 1000 В вместо 12-48 В для плоских солнечных модулей.
5. Стационарная солнечная система концентраторов, без слежения за Солнцем.
6. Гибридные кровельные солнечные панели для программы «Один миллиард солнечных крыш» для распределенной национальной и мировой солнечной энергетики с коэффициентом использования солнечной энергии до 60%.
Уязвимость воздушных линий электропередачи ввиду увеличения естественных воздействий и экологических проблем, возникающих в результате их эксплуатации, являются основными факторами широкого использования в будущем кабельных подземных линий для передачи электрической энергии.
Известно, что кабельные линии переменного тока с частотой 50-60 Гц имеют максимальную протяженность 80 км, ограниченную большим емкостным сопротивлением линии. Кабельные линии постоянного тока ограничены по длине джоулевыми потерями и имеют высокую стоимость, в десять раз превышающую стоимость воздушных линий электропередачи.
В настоящее время известны принципиально новые российские технологии для построения глобальной электрической сети с использованием однопроводной или беспроводной передачи энергии, основанные на идеях и экспериментах гениального ученого Николы Тесла. Эти технологии позволяют не только решить вышеупомянутые проблемы, но и создать сверхнадежные глобальные системы электропитания. [7]
Резонансные волноводные методы передачи электроэнергии позволяют создавать однопроводные кабельные высокочастотные линии, защищенные от внешних воздействий, для электроснабжения удаленных потребителей на суше и в океане, а также
*СЭС - солнечная электростанция. - Прим. ред.
для региональном и межконтинентальной энергетической системы.
Создание кабельных линий Камчатка-Сахалин-Япония, Чукотка-Китай считается приоритетной задачей для передачи гигаваттных потоков электроэнергии с северных ветровых электростанций. Большой вклад в изучение ветрового кадастра России и районирование гигаваттных ветровых электростанций на Камчатке, Сахалине и Чукотке по заказу китайской компании внес профессор В.Г Николаев из Москвы.
Учитывая, что потребление электроэнергии в ночное время в Японии и во многих других странах в два раза меньше, чем в дневное время, необходимо разработать широтные линии Токио-Владивосток-Москва-Лиссабон, чтобы выровнять графики нагрузки в ночное и дневное время и Архангельск-Баку-Тегеран-Дели для передачи электроэнергии от экваториальных солнечных энергетических систем в северные районы и от северных ветровых электростанций в южные страны.
Резонансные методы, как предсказывал Н. Тесла, будут широко использоваться для бесконтактного и беспроводного энергоснабжения наземного, морского и воздушного транспорта, для передачи энергии в космическом пространстве, для получения воды из воздуха, освещения и электротерапии.
Модульная конструкция мировой энергетической системы позволяет увеличивать производство электроэнергии с ростом мирового потребления за счет увеличения количества энергетических модулей в каждой из трех солнечных электростанций. Мировая энергетическая система будет включать в себя национальные системы солнечной энергетики стран, участвующих в проекте, а также распределен ные энергосистемы частных независимых производителей энергии, в первую очередь домовладельцев «солнечных» крыш, участвующих в будущей международной программе «Один миллиард солнечных крыш» с общей установ-
ленной пиковой мощностью 3 ТВт.
Создание мировой энергетической системы ускорит перевод транспорта на электропривод и увеличит продуктивность морских биоресурсов за счет снижения закисле-ния морей и океанов углекислым газом. Экономическая оценка этих благоприятных последствий реализации проекта СБРБ* для экологии и экономики земной цивилизации приведет к повышению экономической привлекательности системы.
У земной цивилизации нет будущего на пути широкомасштабного использования ископаемого топлива. После топливной эры наступает эра бестопливной возобновляемой энергетики.
Двадцатый век был последним веком дешевой энергии, эра которой закончилась, и нам нужны новые энергетические технологии, чтобы обеспечить устойчивое будущее развитие. Человечество сможет объединять и концентрировать свои энергетические ресурсы и технологии для обеспечения достойных условий жизни каждому человеку и реализации крупных научно-технических проектов на Земле и в космическом пространстве.
Инициатива для предотвращения саморазогрева климата
Критерием сохранения земной цивилизации, включая сохранение тропических и других лесов и прекращение глобального потепления, является изменение радиационного баланса Земли путем отражения части солнечного излучения в космическом пространстве в количестве, равном антропогенному тепловому загрязнению атмосферы. Чтобы остановить саморазогрев климата в пустынях экваториального пояса Земли, необходимо разместить зеркальные отражатели достаточной площади. Название международного проекта «Инициатива по предотвращению саморазогрева климата» (project "Initiative for Self-Heating Climate Prevention" (ISCP)).
Достаточным условием предотвращения глобального потепления и изменения климата является изменение радиационного баланса Земли и уменьшение поступления солнечной радиации на поверхность Земли в количестве, равном антропогенному тепловому загрязнению атмосферы.
Увеличение отражения солнечного излучения от поверхности Земли может изменить радиационный баланс Земли и предотвратить глобальное потепление и изменение климата.
В результате средняя температура на Земле снизится на два градуса до уровня 1950 года, процессы самонагревания климата прекратятся, число ураганов и дней с аномально высокой температурой уменьшится.
Для достижения этой цели в пустынях экваториальной зоны Земли с наибольшей интенсивностью солнечного излучения нужно установить зеркальные отражатели площадью Бн, отражающие энергию Е, МДж/год солнечного излучения в объеме, равном антропогенному тепловому загрязнению атмосферы Еа, МДж/год в соответствии с соотношением:
Е = Еа = Es ■ SR ■ (R - а) (1 - 0), (1)
где Es - годовая сумма солнечной радиации, приходящейся на единицу площади поверхности зеркального отражателя, МДж/км2 год,
*GSPS (Global Solar Power System) - Глобальная солнечная энергетическая система. - Прим. ред.
й - коэффициент отражения зеркального отражателя, а - альбедо пустыни,
9 - коэффициент поглощения солнечного излучения в атмосфере Земли, й, а и 9 в относительных единицах.
Альбедо характеризует долю общего солнечного излучения, отраженного от поверхности Земли. Альбедо Земли составляет 0,06, что связано с низким альбедо морей и океанов; альбедо облаков - 0,24; пустыни - 0,3; городов - 0,27. [8]
Зеркальные отражатели устанавливаются в пустынях экваториальной зоны (Рис. 1) каждого континента Земли таким образом, чтобы общая площадь зеркальных отражателей на каждом из пяти континентов в соответствии с формулой (1) отражала в открытый космос энергию пропорционально антропогенному термическому загрязнению атмосферы континента, включая регионы, расположенные внутри территории экваториальной зоны, и районы, расположенные выше и ниже экваториальной зоны в пределах меридианной области континента и места расположения зеркального отражения в этой континентальной экваториальной зоне. Например, зеркальные отражатели в экваториальной области в Африке, установленные в пустыне Сахара в меридиональной области -15°..+50°, должны иметь общую площадь, достаточную для отражения солнечного излучения в открытом пространстве в количестве, равном к антропогенному тепловому загрязнению атмосферы* загрязнения от всех источников, расположенных в Африке и Европе, в районе меридианов от -15° до +50°.
Зеркальные отражатели в Австралии и Азии в диапазоне меридианов от +50° до +150° отражают солнечную радиацию, что эквивалентно антропогенному тепловому загрязнению в этой области в Азии и Австралии.
Зеркальные отражатели в экваториальной зоне в пустынях с максимальным количеством солнечной радиации наиболее эффективно увеличат альбедо Земли и вернут радиационный баланс Земли в состояние 1950 года, прежде чем он будет нарушен антропогенной активностью планетарной цивилизации. Чтобы сохранить экосистему пустынь, зеркала устанавливаются над поверхностью Земли на опорах.
Определение площади зеркальных отражателей
На рис. 1 в экваториальной зоне от 35° южной широты до 35° северной широты есть четыре континента для установки устройства и реализации способа предотвращения глобального потепления и изменения климата путем отражения части солнечного излучения в космическое пространство.
На американском континенте зеркальные отражатели могут быть установлены в четырех пустынях Северной Америки - бассейне Грейт с площадью 490 тыс. км2, Чинуауане-450 тыс. км2, Сонора - 310 тыс. км2, Мохаве - 70 тыс. км2 и ещё в двух пустынях: Южная Америка - Патагония - 670 тыс. км2, Атакама - 140 тыс. км2.
В Австралии - Великая пустыня Виктория - 650 тыс. км2, Большая Песчаная - 400 тыс. км2 и Симпсонт - 150 тыс. км2.
В Азии - пустыня Аравии - 2330 тыс. км2, Таула Макани - 270 тыс. км2, Кавир - 260 тыс. км2, сирийская - 260 тыс. км2, Тар - 200 тыс. км2, Лут - 50 тыс. км2.
В Африке - пустыня Сахара - 8600 тыс. км2, Калахари - 260 тыс. км2 и Намиб - 140 тыс. км2.
*Оценка антропогенного теплового загрязнения атмосферы дается авторами в их статье «Альтернативный подход к пониманию климатических изменений и методам предотвращения глобального потепления», опубликованной в 22-ом выпуске журнала «Энергетический вестник» [1]. - Прим. ред.
лак
ц ы £ лвдрр*
100' 20С 220' 2«С' 260" 280' 300' 32У £40'
80* 100' 120' 140' 160' 180'
Рис. 1. Экваториальная зона для размещения зеркальных отражателей.
За пределами экваториальной зоны находятся пустыня Гоби - 1300 тыс. км2, Кара-Кум-350 тыс. км2 и Кызыл-Кум - 300 тыс. км2, значительные части которых являются заповедными территориями, которые невозможно использовать для установки зеркальных отражателей.
Максимальные годовые объёмы солнечной радиации на горизонтальной поверхности наблюдаются в Северной Америке в пустыне Мохаве - 7723,4 МДж/м2 в год, в Южной Америке -Атакама - 8059,2 МДж/м2 в год, в Австралии - на Великой Песчаной- 8435,15 МДж/м2 в год, в Азия - в Аравии - 8117,6 МДж/м2 в год, в Африке - в Калахари- 9657,9 МДж/м2 в год. [9]
Площадь стационарных зеркальных отражателей определяется по формуле:
^ =
Е
№-а) (1-Э)Е
, км2 (2)
Расчет выполнен с использованием данных НАСА об общей солнечной радиации в Луксоре (Египет) на рис. 2. Рассчитанные месячные значения общей солнечной радиации для стационарных зеркал и зеркал со слежением за Солнцем представлены в таблице 1.
Для оптимального угла наклона стационарных зеркал к югу 25° годовая сумма поступающей солнечной радиации составляет 2386,1 кВт-ч/м2 в год, а для отражателей со слежением за Солнцем вокруг горизонтальной оси «север-юг» 3226,2 кВт-ч/м2год*.
2500 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200
50 60 70 80 90
Угол наклона панелей, градусы
Рис. 2. Расчёт угла наклона поверхности стационарных солнечных панелей, расположенных в окрестностях Луксора (Египет).
*1 кВт-ч = 3,6 МДж. — Прим. ред.
0
10
20
30
40
Принимая а = 0,3; й = 0,9, в уравнении (2), площадь зеркальных отражателей, которая необходима для уменьшения солнечного излучения на величину антропогенного теплового загрязнения Земли, составит для стационарных отражателей БК1 = 103,99-103 км2; для следящих отражателей БК2 = 76,91-103 км2.
Таблица 1. Расчетные месячные суммы общего солнечного излучения (кВт-ч/м2) в окрестностях Луксора (Египет).
Ориентация отражателей I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
Горизонтальная поверхность 119,3 140,7 192,7 209,4 225,4 239,6 241,5 227,3 196,4 164,1 128,8 112,5 2197,7
Стационарные зеркала, ориентированные на юг
Вертикальная поверхность 157,0 148,0 135,9 87,3 66,6 56,0 62,8 85,1 119,9 158,0 166,1 159,6 1402,4
Наклон 25° 164.4 179.9 218.8 210.2 206.9 209.8 218.2 222,8 215,3 202,9 176,7 160,1 2386,1
Зеркала со слежением
Горизонтальная ось «восток-запад» 186,4 192,5 220,1 217,2 235,0 255,9 253,8 235,1 215,2 212,8 199,1 185,6 2608,8
Горизонтальная ось «юг-север» 179,4 213,5 287,6 302,7 317,7 342,2 345,7 329,9 291,7 247,1 197,6 171,0 3226,2
Полярная ось 212,5 242,1 307,6 305,8 308,0 325,6 333,2 329,8 306,8 275,6 232,4 205,7 3385,2
Две оси 227,8 250,0 308,3 308,2 320,7 347,3 349,3 334,3 306,7 281,5 247,7 224,0 3505,9
Стационарные зеркальные отражатели
Определим площадь африканской пустыни Сахара для размещения стационарных зеркальных отражателей, необходимых для предотвращения глобального потепления и изменения климата.
При оптимальном угле наклона стационарных отражателей 25° (рис. 3) размер «а» под отражателем длиной А составляет а = А ■ соб25° = 0,92А.
Географические координаты пустынного района, используемого вблизи Луксора (Египет): 25° с.ш., 37° в.д.
Высота Солнца над горизонтом в полдень 22 декабря составит 90° - 25° - 23,75° = 41,25°. Высота отражателя Ь = А ■ б1п25° = 0,38А.
Рис. 3. Оптимальный угол наклона стационарных отражателей.
На высоте Солнца 22 декабря, 41,5°, максимальное расстояние между рядами составляет Ь = Ь ■ йд41,25 = 0,5А.
Площадь пустынной зоны для размещения стационарных отражателей с многорядным расположением будет:
Ба1 = Бг1 ■ 1,42 = 103,99 ■ 103 ■ 1,42 = 147,66 . 103 км2.
Общая площадь пустынь в Африке составляет Са1 = 12,24 • 106 км2. Доля площади пустынь для размещения стационарных зеркал составит: ДБ1 = 1,21%.
Зеркальные отражатели со слежением за Солнцем
Определим площадь африканской пустынной зоны для размещения следящих зеркальных отражателей с горизонтальной осью вращения «север-юг», необходимых для предотвращения глобального потепления и изменения климата. Работа системы слежения за отражателями начинается на высоте Солнца 25° над горизонтом (рис. 4).
Рис. 4. Оптическая схема системы слежения за отражателем.
а = А ■ соб65° = 0,52А; Ь = А ■ б1п65° = 0,38А; Ь = Ь ■ йд25° = 2,41-0,38А = 0,92А.
Расстояние между началом первого и второго отражателей составляет а + Ь = 0,52 А + 0,92 А = 1,44 А.
Площадь пустынной зоны для размещения следящих отражателей в многорядной схеме составляет Бс2 = Бг2 ■ 1,44 = 76,91-103 ■ 1,44 = 110,75 ■ 103 км2.
Доля площади африканской пустыни со следящими зеркалами составит ДБ2 = 0,905%.
В патенте Великобритании № 2438156 на «Солнечный отражатель для регулирования климата» предлагается разместить листы из хорошо отражающего материала на земле в пустыне или на поверхности моря.
Недостатками горизонтального размещения отражателей на поверхности пустыни являются потери отражающих свойств горизонтальных отражателей после первой песчаной бури, так как отражатели засыплет песком, и разрушение экосистемы пустыни за счёт вывода из хозяйственного использования обширных территорий, занятых отражателями.
Горизонтальное размещение отражателей приведёт к увеличению площади отражателей по сравнению со стационарными зеркальными отражателями, установленными под оптимальным углом 25° на 8,6% и по сравнению со следящими отражателями с осью вращения «север-юг» на 47%. Это следует из таблицы 1. Для сохранения экоси-
стемы пустыни зеркала устанавливают над поверхностью земли на опорах. Это позволяет также использовать землю под отражателями для хозяйственной деятельности.
Формулы (1) и (2) отражают причинно-следственную связь между антропогенным тепловым загрязнением атмосферы и площадью отражателей, необходимой для остановки и предотвращения глобального потепления.
Стоимость проекта по предотвращению глобального потепления
Наземные зеркальные отражатели могут быть выполнены в виде стационарных модулей и с одноосными трекерами. Для стационарных отражателей будет применена опорная конструкция ПЭГ [10]. По сравнению с обычной однопостовой системой опорная конструкция ПЭГ экономит 65% на материалах, рабочей силе и логистике.
Определим стоимость стационарных зеркальных отражателей, необходимых для предотвращения глобального потепления. Стоимость зеркальных стеклянных отражателей Ск = 12 долл./м2 и стоимость несущих конструкций С5ир = 4 долл./м2.
Удельная стоимость зеркальных отражателей, установленных на несущих конструкциях, составляет:
СМ = С + Сир = $16/м2.
Общая стоимость размещения стационарных зеркальных отражателей составит:
С = БР1 ■ СМ
С = $16 ■ 103,99 ■ 103 ■ 106 = $1,66 трлн.
При продолжительности проекта 15 лет ежегодные капитальные затраты составят 110,92 миллиарда долларов. Ежегодные потери от глобального потепления оцениваются в 300 миллиардов долларов сейчас и 1400 миллиардов долларов в будущем.
Реализация устройства в виде модулей из зеркальных отражателей, установленных в виде нескольких рядов, позволяет регулировать величину отраженного солнечного излучения пропорционально количеству антропогенного теплового загрязнения атмосферы от топливных электростанций, транспорта, заводов, ферм, установок отопления и кондиционирования, сельскохозяйственных животных и увеличения населения Земли на 2,8% в год. [9]
Полученные зависимости между площадью зеркальных отражателей и величиной антропогенного теплового загрязнения атмосферы позволяют остановить глобальное потепление за 15 лет.
Выводы
1. Исследования показали, что основной причиной глобального изменения климата является «антропогенное тепловое загрязнение», которое является результатом деятельности человечества и создает предпосылки для нарушения теплового баланса планеты и перехода климата в состояние саморазогрева.
Антропогенное тепловое загрязнение атмосферы переводит климат в состояние самонагревания, и через некоторое время, начиная со дня широкого внедрения топливной энергетики, климат меняется на состояние, несовместимое с продолжением жизни на этой планете. Лидеры планетарных цивилизаций начинают понимать необходимость научно обоснованного спасения климата и планеты, когда уже бывает поздно.
2. В Киотском протоколе и Парижском климатическом соглашении утверждается, что
для сохранения климата необходимо сократить выбросы парниковых газов в атмосфе-
ру. Фактически, как показали научные исследования причин потепления климата, все газы в атмосфере Земли, молярная масса которых отличается от молярной массы азота, способствуют отводу тепла из стратосферы в космос.
Экологическими последствиями углеродной энергетики является не только загрязнение окружающей среды, но и тот факт, что углекислый газ поглощается водами морей и океанов, повышается кислотность воды и падает продуктивность морей.
3. Извлечение энергии из биомассы также является источником антропогенного воздействия на климат, несмотря на тот факт, что использование энергии биомассы имеет нулевой баланс для выбросов диоксида углерода.
Создание в будущем новых источников энергии на основе термоядерного синтеза, холодного ядерного синтеза и водородной энергетики увеличит антропогенный вклад в изменение климата и потребует учета их вклада при дополнительном регулировании радиационного баланса Земли.
4. Критерием сохранения земной цивилизации, включая сохранение тропических лесов и прекращение саморазогрева климата, является изменение радиационного баланса Земли путем отражения части солнечной радиации в открытый космос в количестве, равном антропогенному тепловому загрязнению атмосферы.
5. Расчет площади зеркальных отражателей и площади пустынь, необходимых для их расположения, необходимых для предотвращения глобального потепления, показал, что требуемая площадь составляет 0,83-1,11% площади всех африканских пустынь.
6. Стоимость проекта 1БСР по предотвращению саморазогрева климата и сохранения планетарной цивилизации составляет 1,66 триллиона долларов США в течение 15 лет или 110,92 миллиарда долларов США в год. Ежегодные потери от глобального потепления оцениваются в 300 миллиардов долларов в настоящее время и 1,4 триллиона долларов в будущем.
Литература
1. Виноградов Ю.Е., Стребков Д.С. Альтернативный подход к пониманию климатических изменений и методам предотвращения глобального потепления. Журнал «Энергетический вестник», № 22, 2017.
2. Will Steffen et al. Trajectories of the Earth System in Anthropocene. PNAS August 9, 2018. 201810141; published ahead of print August 6, 2018. https://doi.org/10.1073/pnas.1810141115. Edited by William C. Clark, Harvard University, Cambridge, MA
3. Виноградов Ю.Е., Стребков Д.С. Научное обоснование и способы устранения причины саморазогрева климата. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2017. 84 с.
4. Stephen McNally and Huida Nelson, UK, Berkley, Phoebe Weston for Mailonline, August 08, 2018. www. Daily Mail.Co. UK.
5. Стребков Д.С. Перспективы создания глобальной солнечной энергетической системы. «Технический оппонент». М.— Изд. «Оппонент», 2018, № 1, С. 14-23.
6. Поулек В., Либра М., Стребков Д.С, Харченко В.В. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии.—2-е изд., перераб. и доп.— М.: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, ООО «САМ ПОЛИГРАФИСТ», 2018.—348 с.
7. Стребков Д.С., Некрасов А.И., Трубников В.З., Некрасов А.А. Однопроводные резонансные электроэнергетические системы для возобновляемых электросетей. Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development. 2018. Гл. 19. С. 449-474. SCOPUS. ISBN13: 9781522538677. ISBN10: 1522538674. EISBN13: 9781522538684. DOI: 10.4018/978-1-52253867-7.
8. Стребков Д.С. Физические основы солнечной энергетики. 2-е изд. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2017. 192 с.
9. Energy from the desert, Editor Kosuke Kurokawa, Published by James @ James (Sciences Publishes) Ltd, 2003, Hong Kong, 195 pp.
10. Jochen Siemer. With a Sledgehammer. Photon International, January 2018, p. 50-52.
