В. Арутюнов - Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики
После появления первичной базальтовой коры и последующего остывания поверхности ниже температуры кипения воды образовалась гидросфера планеты, а основным компонентом атмосферы стал углекислый газ. Оценки показывают, что парциальное давление углекислого газа в древнейшем геологическом периоде развития земли – архее – превышало его современное значение на четыре порядка и достигало от 4 до 4,5 атм. В результате деятельности биосферы Земли основная масса выделившегося углекислого газа была преобразована в твердые карбонатные породы и органический углерод. Сейчас в виде карбонатов в земной коре связано около 3,91 1023 г СО2. Кроме того, в коре содержится еще около 1,95 1022 г органического углерода. С этим углеродом было связано приблизительно 5,2 1022 г О2, поэтому можно полагать, что всего из мантии было дегазировано примерно 4,6 1023 г СО2. Сейчас в атмосфере содержится около 2,45 1018 г СО2, а 1,4 1020 г углекислого газа растворено в океане.
Выделяющийся из диоксида углерода в результате деятельности живых организмов свободный кислород не мог накапливаться в больших количествах в атмосфере, пока на земной поверхности имелись в огромном количестве неокисленные породы. При накоплении в коре органического углерода, первоначально входившего в состав дегазированного СО2, было выделено приблизительно 5,2 1022 г О2. На начальном этапе почти весь освобождающийся кислород связывался преимущественно с железом и серой. Сейчас в земной коре содержится примерно 6,9 1023 г Fe2О3 и 2,83 1022 г SO3. Это значит, что на окисление двухвалентного железа до трехвалентного ушло около 6,9 1022 г О2, а на окисление сульфатной серы потребовалось 1,7 1022 г О2. В современной атмосфере содержится 1,2 1021 г кислорода, поэтому общая масса О2 в земной коре и атмосфере – приблизительно 8,7 1022 г. Разница в 3,5 1022 г могла поступить за счет диссоциации воды жестким солнечным УФ излучением и других химических реакций.
В настоящее время Земля обладает атмосферой, общая масса которой равна 5,15 1021 г, т. е. составляет одну миллионную часть ее общей массы. Среднее давление атмосферы на уровне моря 1,0132 бар (760 мм рт. ст.), плотность ~1,3 10-3 г/см3, состав сухого воздуха, % об.: азот – 78,08, кислород – 20,95, Ar – 0,93 %, СО2 – 0,03 %. Находящийся в атмосфере 40Ar образовался в основном в результате радиоактивного распада 40К.
Средняя температура на поверхности, являющаяся наиболее важным климатическим параметром, определяется тепловым балансом нашей планеты, который складывается из баланса поступающей на поверхность энергии солнечного излучения и энергии, отдаваемой нагретой поверхностью Земли в космос в виде инфракрасного (теплового) излучения. Поскольку средняя температура поверхности Земли на протяжении длительного периода остается практически постоянной, это свидетельствует о тепловом балансе, при котором потоки поступающей на земную поверхность энергии и энергии, отдаваемой ею в космическое пространство, с высокой точностью одинаковы.
В свою очередь эти потоки определяются свойствами атмосферы нашей планеты. Составляющие земную атмосферу газы легко пропускают основную часть солнечного излучения, спектральная температура которого совпадает с температурой поверхности Солнца (~6000 К) и лежит в видимом диапазоне длин волн. Примерно 30 % солнечного излучения отражается обратно в космос самой атмосферой Земли, что в значительной степени определяет коэффициент отражения солнечного излучения (альбедо) нашей планеты как небесного тела, на 83 % определяемое отражением самой атмосферы и лишь на 17 % отражением поверхности Земли. Излучение, прошедшее сквозь атмосферу, частично поглощается земной поверхностью, в т. ч. зелеными растениями, и приводит к ее нагреву (рис. 64).
Рис. 64. Распределение потоков поглощаемой и излучаемой энергии в атмосфере и на поверхности Земли. Черные стрелки – поток солнечного излучения, белые – теплового излучения Земли (Горшков, 1995)
Для сохранения постоянной температуры, т. е. поддержания теплового баланса, наша планета должна излучать столько же энергии, сколько она получает в виде поглощенного солнечного излучения. Тепловое излучение Земли определяется температурой ее поверхности (~300 К) и лежит в инфракрасной области спектра. Так как энергия испускаемых фотонов пропорциональна температуре нагретой поверхности, в среднем на каждый поглощенный фотон солнечного излучения земной поверхностью испускается ≈20 тепловых фотонов, каждый из которых имеет в 20 раз меньшую энергию. Именно этот процесс деградации высокопотенциальной энергии солнечного излучения в низкопотенциальное равновесное тепловое излучение Земли является источником всех упорядоченных процессов, протекающих в биосфере. Если бы Земля получала такое же количество энергии в виде равновесного теплового излучения, жизнь на ней никогда бы не смогла возникнуть (Арутюнов, Стрекова, 2006).
Для инфракрасного излучения нагретой земной поверхности, посредством которого Земля отдает в космос избыток энергии, составляющие ее атмосферу газы значительно менее прозрачны, чем для солнечного излучения. Они поглощают заметную часть этого излучения (рис. 64), нагреваясь сами и дополнительно нагревая поверхность планеты. Благодаря присутствию в атмосфере газов, поглощающих инфракрасное излучение нагретой Земли и создающих на ее поверхности эффект парника (парниковых газов), средняя температура земной поверхности повышается на ~33°С, достигая примерно 290 К, что и создает необходимые условия для существующего на Земле многообразия жизненных форм, включая человека и созданную им цивилизацию.
5.2. Проблема парниковых газов
Критическая зависимость условий жизни на планете и мировой цивилизации от климата делает анализ причин и прогнозирование долговременных климатических изменений важнейшей цивилизационной задачей. Среди прочих естественных и антропогенных факторов, влияющих на климат, рост концентрации парниковых газов в атмосфере, прежде всего диоксида углерода и метана, рассматривается как одна из наиболее серьезных причин изменений, наблюдаемых в последние десятилетия.
Главным источником растущей обеспокоенности возможностью серьезного изменения климата в результате антропогенной деятельности являются такие бесспорно существующие и взаимно коррелирующие явления, наблюдаемые на протяжении последних 100–150 лет, как:
• увеличение антропогенной эмиссии парниковых газов, прежде всего СО2 и СН4;
• рост концентрации этих газов в атмосфере;
• повышение средней температуры земной поверхности примерно на 0,6–0,8°С за последнее столетие.
В общественном сознании достаточно прочно утвердилось представление о точно такой же последовательности в цепочке причинно-следственных связей, что побуждает общество разрабатывать меры, направленные на сокращение антропогенной эмиссии этих газов. «Эмоциональной» основой этого взгляда является уже утвердившееся в массовом сознании понимание того, что, по выражению В.И. Вернадского, человек стал «основной геологообразующей силой планеты», и антропогенная деятельность вполне способна влиять на изменение ее климата. Основным же научным аргументом в пользу такой интерпретации является именно рост атмосферной концентрации парниковых газов, в т. ч. диоксида углерода до более 360 ppm и метана до 1,7 ppm к концу XX столетия (рис. 65).
Поэтому научная общественность, несмотря на отсутствие однозначных данных о вкладе антропогенной деятельности в рост парникового эффекта и изменение климата, в целом поддерживает меры политического и экономического характера, направленные на уменьшение выброса парниковых газов.
К принятию таких мер подталкивают и объективные данные о нарастающей неустойчивости глобальных атмосферных процессов, косвенно свидетельствующие о повышении вероятности бифуркационной перестройки климата.
Рис. 65. Изменение концентрации парниковых газов и глобальной температуры за последние 160 тыс. лет (Сорохтин, Ушаков, 1991)
Однако пока нет строгих научных доказательств существования причинно-следственной связи между этими явлениями в том порядке, как они перечислены выше. Глобальные модели, на которых основаны современные прогнозы, содержат большие неточности в определении базовых параметров, прежде всего естественных истоков и стоков парниковых газов в атмосфере, которые, пока еще, как правило, значительно превышают антропогенные потоки. Эти модели также отражают наше пока еще слабое понимание сложных нелинейных геологических, химических и биологических процессов с участием парниковых газов в литосфере, почве, гидросфере и атмосфере. Поэтому разброс в прогнозах очень велик, а сами они отражают скорее тенденции, чем конкретные значения прогнозируемых параметров. Будущие объемы антропогенных выбросов газов с парниковым эффектом являются следствием процессов в очень сложных динамических системах, включающих такие определяющие факторы, как демографическое развитие, социально-экономическое развитие и технологические изменения, дальнейшее развитие которых весьма неопределенно.
