Книга: Климат и деятельность человека

Влияние топливно-энергетического комплекса на климат

Несомненно, развитие основных отраслей экономики в значительной мере будет обусловлено развитием топливно-энергетического комплекса, функционирование которого, с одной стороны, зависит от климатических условий, а с другой — влияет на окружающую среду и климат. Существует по крайней мере несколько видов воздействия топливно-энергетического комплекса на климат.

Прежде всего это выбросы в атмосферу аэрозолей, из которых наибольшее значение имеют сажа и продукты сгорания в виде соединений серы. Второй вид — поступление в атмосферу радиационно-активных малых газовых компонентов в результате сжигания химического топлива. Сюда относятся углекислый газ и окислы азота, влияющие на углеродный и азотный циклы в системе атмосфера—океан—биосфера—почвы суши. Следующий вид — воздействие на подстилающую поверхность.

Наиболее важным видом воздействия топливно-энергетического комплекса на погоду и климат некоторые авторы считают влияние тепловых выбросов непосредственно в атмосферу и океаны. При любых оценках влияния топливно-энергетического комплекса на погоду и климат важно иметь правильное представление о тенденциях развития топливно-энергетической базы в мире.

На рис. 18 приведен график, иллюстрирующий суммарное потребление энергии в мире. В среднем оно составляет 2% в год. Эта цифра принципиально важна для оценки тенденций будущего роста энергетических мощностей, поскольку некоторые исследователи явно завышают процент до 4, а то и до 6.

Основным источником топлива в настоящее время является каменный уголь. По данным международного Института системного анализа на 1974 г. мировые запасы угля всех сортов, от антрацита с теплотворной способностью 8000 ккал/кг до бедных углей с теплотворной способностью 3500 ккал/кг или менее, составили 1,0754?10¹³ т, что эквивалентно запасам 8,4?10¹¹ т угля с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.

Академики В. А. Кириллин и М. А. Стырикович общие запасы условного топлива, включая нефть и газ, оценивают в 1,29?10¹³ т. Считается, что на 80% условное топливо состоит из каменного угля.

Рис. 18. Рост производства энергии в мире по данным энергетического проекта международного Института системного анализа.

1 — средний рост потребления энергии; 2 — фактический

Рис. 19. Характеристика предполагаемого роста различных источников топлива в мире

В 1975 г. по материалам Академии наук США запасы энергетических ресурсов исчислялись так: жидкая нефть, натуральный газ и уголь соответственно 10,55?10²¹, 7,60?10²¹, 276,2?10²¹ Дж (в сумме 294,35?10²¹ Дж), т. е. на долю угля, нефти и газа приходится соответственно 94,2, 3,5 и 2,3% общей суммы.

Все это позволяет сделать следующие выводы:

основными продуктами сжигания топлива в будущем будут продукты сжигания угля;

добыча топлива и его сжигание будут осуществляться в нескольких крупных регионах мира и неравномерно распределятся на поверхности Земли. Эти два обстоятельства крайне важны при оценке воздействия топливно-энергетического комплекса на климат.

Наиболее вероятное годовое потребление энергии в мире в 1985, 2000 и 2025 гг. эксперты оценивают соответственно 329?10¹⁸, 567?10¹⁸ и 1238?10¹⁸ Дж.

Более детальный анализ указывает на следующую динамику развития топливно-энергетического комплекса. Если потребление дерева в качестве источника топлива в начале XIX в. составляло 90%, то теперь оно снизилось до 10%. Удельный же вес угля сейчас близок к 50%, а нефти и газа — к 30%. На долю гидроэнергетики падает не более 10—12%.

Ожидаемое распределение источников энергии приведено на рис. 19. Очевидно, что вклад нефти и газа в ближайшие 30—50 лет будет существенным. В результате возрастет роль угля, возобновляемых источников энергии (Солнце, ветер, геотермальное тепло и др.). Роль гидроэнергетики, по-видимому, останется на прежнем уровне.

С этих позиций, а также с позиций учета предполагаемого роста населения и потребления энергии на душу населения следует оценить тенденции роста энергетических мощностей в мире и возможные климатические изменения, вызываемые этим ростом.

В настоящее время по уровню потребления энергии можно выделить три группы стран (табл. 10).

Как видим, в большинстве стран — низкий уровень потребления энергии. Но именно в них наиболее интенсивно растет население. В связи с этим проблема обеспечения продовольствием, водой, сырьем, промышленными и другими товарами будет зависеть от состояния топливно-энергетической базы.

Уже сейчас можно попытаться оценить влияние энергетических нагрузок на климат, считая, что большая часть произведенной энергии перейдет в тепло и будет выброшена либо целиком в атмосферу, либо частично в атмосферу, а частично в воды суши и океана.

Некоторые исследователи утверждают, что в ближайшие десятилетия будет достигнут тепловой барьер и климат резко потеплеет. Чтобы заметно повысить среднюю температуру атмосферы, и то в региональном масштабе, нужно затратить энергию не менее 300—500 ТВт. При этом тепловая нагрузка в среднем по полушарию составит не более 0,1 Вт/м² по сравнению с энергией в 350 Вт/м², приходящей на верхнюю границу атмосферы от Солнца. Если же равномерно распределить тепловую нагрузку в 100 ТВт по земному шару, то в среднем она составит всего 0,02 Вт/м², а при реальных тепловых нагрузках — тысячные доли. Из уравнения теплового баланса для сферы вытекает, что этот вклад пренебрежимо мал и практически не повлияет на среднюю глобальную температуру.

Таблица 10. Среднее потребление энергии в мире (на 1970 г.)

Хорошо известно, что уже сейчас тепловые нагрузки концентрируются крайне неравномерно. Так, в Манхеттене (США) средние тепловые нагрузки достигли 150 Вт/м². В таких городах, как Будапешт и др., они составляют порядка 30—40 Вт/м². Это приводит к образованию островов тепла. Температура воздуха в центре на 3—4°, а в холодное полугодие на 5—6° С выше, чем в окружающих районах. Однако имеются уже целые районы, например территория Японии, Рурский регион, Восток США и др., где тепловые нагрузки составляют 5—6 Вт/м² на площади, размеры которой сопоставимы с масштабами синоптических возмущений.

При анализе климатообразующих факторов мы подчеркивали, что если для подогрева атмосферы необходимы колоссальные источники энергии в десятки и сотни ватт на квадратный метр над всей поверхностью планеты, то для генерации кинетической энергии и воздействия таким путем на динамический режим атмосферы (на ее циркуляцию) достаточно энергии в 2—3 Вт/м² на ограниченной территории, сопоставимой по площади с масштабами синоптических возмущений. В результате средняя глобальная температура не изменится, но может произойти перераспределение энергии вследствие изменения режима общей циркуляции атмосферы. Как уже говорилось, развитие энергетической базы идет именно по пути концентрации источников тепловых выбросов в ограниченных регионах.

Первые численные эксперименты с целью оценки влияния тепловых выбросов на погоду и климат были выполнены Д. Вашингтоном в США на базе модели общей циркуляции атмосферы Национального центра атмосферных исследований в Боулдери (Колорадо). Первоначально Д. Вашингтон равномерно распределил тепловую нагрузку, оценив ее в 24 Вт/м², по территории всей суши и районов, покрытых льдом[5]. При этом средняя глобальная поверхностная температура повысилась на 1—2°, а в районе Канады и некоторых других районах высоких широт даже на 8° С.

В дальнейших экспериментах, выполненных в разных странах, в том числе и в СССР, источники тепла распределялись в конкретных регионах. Например, общий выход энергии в 300 ТВт на площади около 400 тыс. км² в двух районах, к юго-западу от Ирландии и в районе Японии, изменил режим погоды на всей сфере. Средняя тепловая нагрузка при этом на указанной площади составляла 375 Вт/м². При уменьшении этой нагрузки вдвое (суммарная 150 ТВт) климатический эффект был меньше, но и он оказался существенным.

В численных экспериментах автора с моделью общей циркуляции ГГО тепловая нагрузка принималась на площади порядка 10⁶ км² в районе Востока США в центре равной 300 Вт/м² с уменьшением к границам района до нуля. Средняя тепловая нагрузка для всего района при этом равнялась 100—150 Вт/м², а общая нагрузка порядка 125 ТВт. Результаты моделирования режима погоды за 50 сут., в течение которых удерживался заданный источник тепла, позволили сформулировать следующие выводы.

1. В районе тепловых выбросов появился мощный и непрерывно существующий остров тепла с температурой в центре на 12° С выше, чем за пределами района.

2. Изменение режима погоды при наличии тепловых выбросов по сравнению с ее режимом без теплового воздействия было весьма существенным в ряде районов Евроазиатского и других континентов, другими словами, эффекты воздействия через полтора месяца распространились практически по всему северному полушарию.

3. В тропической зоне сформировались новые области интенсивных ливневых осадков, которых не было в контрольном численном эксперименте без воздействия источников тепла.

4. Средняя глобальная температура за счет непосредственного теплового выброса при принятом источнике в 125 ТВт не должна была повыситься. Тем не менее по данным расчетов она несколько повысилась, что связано с увеличением тепличного эффекта, вызванного повышением содержания водяного пара. Это указывает на возможность появления вторичных эффектов и важность их учета.

Однако во всех этих экспериментах антропогенные тепловые выбросы завышались минимум на порядок. Принимаемые в моделях тепловые нагрузки могут быть достигнуты не ранее середины или конца следующего столетия. При возможных тепловых выбросах в ближайшее десятилетие, по-видимому, никаких глобальных изменений не произойдет, но региональные и локальные эффекты будут ощутимы. Наиболее реальным в перспективе представляется не потепление климата, а изменение циркуляционного режима атмосферы и увеличение повторяемости климатических аномалий.

Для оценки влияния развивающегося топливно-энергетического комплекса на подстилающую поверхность следует проанализировать характер добычи топлива.

В настоящее время уголь добывается вблизи поверхности, хотя данный способ не соответствует прогнозным оценкам запасов этого источника топлива.

При добыче 1 млн. т угля при глубине залегания пластов 1—2 м разрушается около 5 км² земель, а при глубине залегания 12 м — в 6—8 раз меньше. При глубине разработки 45—100 м на каждый миллион тонн угля разрушается всего около 0,1 км² земли. Подсчитано, что в США на 1965 г. открытые разработки занимали 124 тыс. км² плюс 1300 км², занятые под подъездные пути. При вероятном увеличении доли глубинных разработок угля со временем, очевидно, будет разрушаться меньше земель, чем сейчас.

Таким образом, развитие топливно-энергетического комплекса, по-видимому, будет связано с изъятием из обращения значительных площадей, изменением альбедо и свойств шероховатости нескольких сотен тысяч квадратных километров земель. Этот эффект следует рассматривать с учетом других путей антропогенного воздействия на подстилающую поверхность.

Вполне вероятно, что опасность загрязнения атмосферы существенно активизирует использование энергии Солнца и ветра. В настоящее время вся энергия, производимая в мире, составляет менее 1% генерируемой в атмосфере кинетической энергии и менее 1/10 000 части энергии, поступающей в атмосферу от Солнца. Если предположить, что в будущем 25% общего количества энергии будет производиться за счет Солнца, то при общем производстве энергии, скажем, в 100 ТВт доля солнечной энергии составит 25 ТВт, т. е. в 4 раза меньше поступающей к нам от Солнца. И тем не менее изъятие такого количества энергии из естественного цикла превращения энергии в атмосфере при определенных условиях может сказаться на климате, скорее всего в региональном масштабе. Этот вопрос необходимо исследовать с помощью методов математического моделирования.

Такова в общих чертах современная научная оценка возможных воздействий топливно-энергетического комплекса на погоду и климат.