Естественные ограничения на глобальную энергетическую систему
Другие рефераты
Рассмотрим какие существуют естественные ограничения на полное производство
энергии Мы не будем обсуждать природные ресурсы, а обратимся к
экологическим последствиям, которые как теперь стало ясно, могут проявиться
гораздо раньше, чем будут выработаны ископаемые энергоресурсы
Энергетический баланс Земли
Очевидно, что вся произведенная энергия раньше или позже выделится в виде
тепла на поверхности Земли, которое в принципе может повлиять на климат
Сравнение производимой человеком энергии с полной энергией Солнечного
излучения, падающего на Землю, приведено в Таблице 3. Пока еще энергия,
производимая человеком, меньше чем 10-4 от Солнечной энергии, достигающей
поверхности Земли, и составляет всего лишь несколько процентов от ее
периодических изменений, которые, как считают, могут быть ответственны за
периодические климатические изменения, происходившие в истории Земли. Таким
образом, антропогенное производство энергии, добавляющее лишь 0 01% к
Солнечной энергии, слишком мало, чтобы оказать прямое влияние на климат.
Более опасным может оказаться изменение химического состава атмосферы,
которое может привести к изменению углеродного цикла и, в частности, к
изменению глобального теплового баланса за счет парникового эффекта.
Таблица 3. Сравнение производимой человеком энергии с Солнечной энергией
[1,3]
|Полное производство энергии (1994) |1,2*1013В|
| |т |
|Солнечная постоянная |1370 |
| |Вт/м2 |
|Солнечная энергия, падающая на Землю |1,8*1017 |
| |Вт |
|Солнечная энергия, достигающая поверхности Земли |1,3*1017 |
| |Вт |
|Амплитуда изменения Солнечного излучения в 11 летнем|0 1% |
|цикле | |
|Изменение инсоляции при периодических изменениях |3% |
|Земной орбиты (период 20-40 тысяч лет) Механизм | |
|Миланковича для объяснения ледниковых периодов [1, | |
|10] | |
Как было показано выше, большая часть энергии (86%) производится
человечеством за счет сжигания ископаемых топлив, или иначе говоря за счет
использования химической реакции (С + О2 = СO2+ 94 ккал/моль. Побочным
продуктом, которой является углекислый газ, СO2, и, таким образом,
практически весь углерод, сжигаемый при производстве энергии, выбрасывается
в атмосферу в форме углекислого газа. Тем самым человек при производстве
энергии напрямую вмешивается в один из фундаментальных циклов, на котором
построена жизнь на Земле - углеродный цикл. Выбросы углекислого газа на
уровне современной энергетики уже приводят к сдвигам в естественном
углеродном цикле и, начиная с некоторого уровня, могут вызвать необратимые
изменения в Биосфере. Парниковый эффект от углекислого газа производимого
при производстве энергии был предсказан более ста лет назад С. Аррениусом.
В то время это были чисто теоретические предположения, и было не ясно,
будет ли весь выброшенный углекислый газ поглощаться мировым Океаном. Сто
лет спустя мы знаем гораздо больше о балансе углекислого газа в атмосфере.
Баланс углекислого газа в атмосфере.
Количество углерода содержащегося в атмосфере в виде углекислого газа, его
количество в мировом Океане, и потоки производимые различными естественными
и антропогенными источниками показаны на Рисунке 4. Каждый год зеленые
растения поглощают из атмосферы примерно 100 Гигатонн (1 Гигатонна=109
тонн) углерода в процессе фотосинтеза и роста [II]. (Это соответствует
средней продуктивности 20 ц/Га зеленой массы на 10% Земной поверхности).
Примерно такое же количество углерода выбрасывается каждый год обратно в
атмосферу при потреблении зеленых растений вторичными потребителями, их
химическом разложении, лесными пожарами и другими естественными причинами.
Полное количество углерода в биомассе, включая почвы, составляет по оценкам
около 2200 Гт, что соответствует среднему времени жизни биомассы около 20
лет (близко ко времени жизни дерева). Пищевая цепь сообщества человек
-свинья - зерно добавляет в сбалансированный круговорот углерода всего 1 Гт
в год. Планктон и другие океанские растения, живущие на глубине до ста
метров, куда проникает солнечный свет и где возможна реакция фотосинтеза,
обмениваются с атмосферой примерно тем же количеством углерода, 90 Гт в
год, что и наземные растения [12]. Океан содержит огромное количество
углерода, 40000 Гт, в виде углекислого газа, растворенного в воде на
большой глубине, но обмен между поверхностью и глубокими слоями очень
медленный. Такой обмен имеет характерное время 500-1000 лет [I] и при
нынешней концентрации углекислого газа в атмосфере по современным оценкам
обеспечивает откачку около 2 Гт углерода в год.
[pic]
Рисунок 4. Углеродный цикл в Биосфере [1,12], Потоки отмеченные стрелками
приведены в Гигатоннах углерода в год. Около двух Гт из 5.5 Гт выброшенных
при сжигании полезных ископаемых поглощается мировым Океаном.
Дополнительная откачка в размере 0,2 Гт производится наземными растениями
(включая эффект от вырубки тропических лесов). 3.3 Гт добавляется каждый
год в атмосферу.
Геологические источники углекислого газа не велики. Например, источник СO2
от вулканической активности и эрозии геологических структур поставляет в
атмосферу только 0.1 Гт углерода в год, что гораздо меньше, чем биогенные
потоки.
Рисунок 4 приводит к интересным и неожиданным заключениям. Во первых,
видно, что зеленые растения суши и моря в состоянии "съесть" весь
углекислый газ из атмосферы примерно за 4 года. Это означает, что атом
углерода в форме молекулы СO2 живет в атмосфере в среднем четыре года, до
того момента, когда молекула будет поглощена зеленым растением при
фотосинтезе.
Следующие 20 лет углерод проведет в составе органической материи и при ее
распаде снова вернется в атмосферу. Таким образом, полный круговорот
углерода происходит примерно за 25 лет. Например, углерод из дерева,
которое умерло 100 лет назад, был использован растениями и животными уже
четыре раза. Во вторых, количество углерода в атмосфере в несколько раз
меньше, чем количество углерода в биомассе. Все это означает, что
атмосферный углекислый газ находится в состоянии настоящего динамического
равновесия с живой природой и оценки влияния человеческой активности на
баланс углерода должны это учитывать. Парниковый эффект это лишь часть
возможного воздействия и вполне вероятно, что существуют и другие аспекты,
о которых мы еще не знаем.
Влияние энергетической системы на углеродный цикл
Из рисунка 4 видно, что количество углерода, выбрасываемого в атмосферу при
сжигании ископаемых топлив, 5.5 Гт, существенно превышает то, что дают все
естественные геологические источники. Очевидно, что у биосферы, как у
системы существующей миллиарды лет, должна быть естественная система
управления, поддерживающая, в частности, и содержание углекислого газа в
атмосфере на постоянном уровне. Действительно, около 2 из 5.5
"дополнительных" к естественному циклу Гигатонн углерода поглощается
океанами. Леса и другие растения могли бы поглощать еще 1.8 Гт, но
систематические вырубки тропических лесов возвращают обратно 1.6 Гт , так
что результирующий эффект от наземной растительности остается на уровне 0.2
Гт в год. Таким образом, индустриальные выбросы углекислого газа
существенно превышают естественные способности биосферы регулировать
содержание углекислого газа в атмосфере, и его концентрация непрерывно
растет. Это видно на рисунке 5, на котором показаны результаты измерения
содержания углекислого газа в атмосфере в течение последних 1000 лет [1].
Регулярные измерения в атмосфере ведутся на Гавайских островах, начиная с
1958 г. Более ранние точки были получены по содержанию углекислого газа в
пузырьках воздуха во льдах Антарктиды. Видна четкая корреляция между
началом регулярного использования полезных ископаемых в начале 18 века и
содержанием углекислого газа в атмосфере. Нынешний рост содержания
углекислого газа в атмосфере хорошо согласуется с оценками источников и
стоков, приведенными выше. Измерения также показывают, что за последние 200
лет концентрация углекислого газа возросла на 30% от естественного,
прединдустриального уровня.
[pic]
Рисунок 5. Зависимость концентрации углекислого газа в Земной атмосфере от
времени в течение последней 1000 лет [1]. Измерения по пузырькам воздуха
во льдах Антарктики и прямые измерения на Гавайских островах. 1 ppm= 10-6
объема.
Таким образом, океаны и наземные растения могут поглотить лишь 40% выбросов
углекислого газа производимого при сжигании нефти, угля и природного газа,
а 60% выбросов накапливаются в атмосфере
Теперь можно попытаться оценить, каково будет содержание углекислого газа в
атмосфере к 2050 г, предполагая, что, как и сейчас, ископаемые
энергоресурсы останутся основным источником энергии, а ее производство
удвоится по сравнению с нынешним уровнем. В этом случае мировая
энергетическая система выбросит к 2050 году в атмосферу 400 Гт углерода и
увеличит его содержание с 750 до 1000 Гт. Эта простая оценка хорошо
совпадает с прогнозами, сделанными на основе
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
