Мнение экспертов: Алекс Николсон и доктор Ларс Шерникау.
Введение
Во всём мире активно обсуждается глобальное потепление и считающийся опасным СО2, выделяющийся при сгорании ископаемых углеводородов. В 1988 году для изучения и документирования этой опасности была создана Межправительственная комиссия по изменению климата (МКИК). На эту тему написано большое количество статей и научных трудов, проведено множество международных встреч - и всё это для того, чтобы понять: можно ли путём достижения соответствующих соглашений смягчить последствия этой предполагаемой угрозы нашей планете.
Были поставлены цели – уменьшить выбросы СО2 в ближайшем будущем; в развитых странах вводятся программы для достижения поставленных целей. А достичь их непросто, так как развитие страны за последние двести лет во многом обуславливается открытием и постоянно растущим потреблением доступной энергии, извлекаемой из ископаемых углеводородов: угля, нефти и природного газа. Доступная энергия стала движущей силой экстенсивного развития промышленности, создала миллионы рабочих мест, стала основой благополучия огромной части населения Земли.
Нагрузка на развивающиеся страны
«Восходящих звёзд» индустриального мира будущего сейчас вынуждают выполнять нереальные задачи и тратить средства на уменьшение выбросов СО2, которые по факту крайне необходимы для развития инфраструктуры этих стран, совершенствование системы здравоохранения, снижение загрязнения воздуха, воды и почв. В то же время, чем выше уровень СО2, тем выше урожайность, что помогает прокормить растущее население Земли и поголовье животных. ВВП всех современных и развивающихся стран напрямую связан с потреблением энергии, равно как и прогнозируемая продолжительность жизни. Пока не будет найден новый, надёжный и приемлемый по стоимости источник энергии, будут востребованы именно ископаемые углеводороды. Быстрое и резкое сокращение их потребления, которого требует ряд правительств, создаст серьёзную проблему. Это негативно отразится на социальном благосостоянии огромного числа людей, занятых в энергетическом секторе, и поставит под угрозу жизни многих миллионов других.
Источники возобновляемой энергии
Развиваются и финансируются новые энергетические технологии, для выработки электрической энергии устанавливаются панели с солнечными элементами, геотермальные источники, ветровые электростанции, приливно-отливные турбины. Это хорошая тенденция, но у всех у них (кроме геотермальных источников и приливно-отливных турбин) есть основная проблема: источники энергии нестабильны и не могут использоваться для работы в с базовой нагрузкой, что является ключевым фактором стабильного энергообеспечения города или промышленного центра. Панели с солнечными элементами не вырабатывают энергию ночью, ветроэнергетические установки работают только при достаточной силе ветра и отключаются, если скорость ветра слишком высока. В этой связи основными проблемами стали накопление, хранение и перераспределение дополнительной энергии. Только приемлемая по цене и передовая технология с возможностью глобального применения обеспечит возможность широкомасштабного экономического потребления энергии солнца и ветра. Энергия ископаемых углеводородов вырабатывается из стабильных источников, она относительно дешёвая и эффективна 24 часа в сутки. Поэтому в ближайшие десятилетия без неё не обойтись никак.
Ключевые факторы, влияющие на климат
Вопрос, который мы должны задать, звучит так: уверены ли мы в том, что затратный и резкий отход от углеводородов исключительно ради снижения выбросов СО2 так срочно необходим? Каковы ключевые факторы, влияющие на климат? Разве не способствует высокий уровень СО2 росту растений, не полезен ли он для окружающей среды?
Чтобы ответить на этот вопрос, ознакомимся с историей климата Земли за последние 400 000 лет и ролью СО2. Рассмотрим именно этот период времени, а не последние 150 лет, которые, как правило, освещаются мировыми СМИ.
История мирового климата
Из данных по ледовому щиту «Восток» в Антарктике на Иллюстрации 1, видно: за прошедшие 400 000 лет истории мирового климата на Земле наблюдалось 4 ледниковых периода. Самый ранний продолжался 55 000 лет, их общая продолжительность до последнего ледникового периода составила 95 000 лет.
За все 4 межледниковых периода (кроме настоящего) Земля нагревалась, температуры достигала пиковых величин за период порядка 4 000 лет, а затем снова быстро остывала. Настоящий (последний) тёплый период длится уже около 12 000 лет, и такая продолжительность наблюдается впервые.
Итак, за последние 400 000 лет Земля прошла через продолжительные ледниковые периоды, короткие периоды потепления (последний из которых длится беспрецедентно долго). Эта цикличность схематически представлена на Иллюстрации 1(1). Нынешний тёплый период уже завершается, Земля скоро остынет, и начнётся новый ледниковый период.
Иллюстрация 1. Ледовый щит «Восток» - изменения температур за 400 000 лет
Источник ледниковых периодов и межледниковых периодов
Подобные сильные колебаний температур, скорее всего, вызваны известными и задокументированными изменениями солнечной активности, формы орбиты Земли вокруг Солнца, смещениями Земли относительно Солнца, прочими факторами, которые способствовали изменению количества и распределения солнечной энергии, поступающей на Землю, и отражающейся от поверхности Земли обратно в космос. Эти процессы описаны в циклах Миланковича.
Создаётся впечатление, что мы на 2°С отстаём от пиковых температур тёплого периода (между двумя последними ледниковыми периодами). Может ли это быть основой максимального предела повышения на 2°С, установленного МКИК и другими организациями?
Уровень углекислого газа за последние 400 000 лет
За последние 400 000 лет наблюдались следующие уровни СО2: от 180 чнм при самых низких температурах ледниковых периодов до 280 – 300 чнм в периоды потепления (например, в нынешнем). В настоящее время концентрация СО2 в атмосфере составляет примерно 400 чнм и поднимается на 2 чнм в год.
Этот уровень на 100 чнм выше уровня ранних периодов потепления (хотя намного ниже пиковых величин за несколько миллионов лет), именно это вызывает тревогу МКИК и других организаций. Озабоченность эта, впрочем, лишена оснований, так как потенциал для потепления у дополнительного объёма СО2 выше данного уровня очень ограничен. Кроме этого следует помнить, что на ранних этапах истории Земли концентрации СО2 уже достигали 6000 чнм. Уровни СО2 за последние 400 000 лет представлены на Иллюстрации 2 (2), на ней же виден диапазон значений СО2 от ледниковых до тёплых периодов.
Иллюстрация 2: Ледовый щит «Восток» - изменения концентрации СО2 за 400 000 лет
Ключевым фактором является то, что потепление, которому способствует СО2, является сильно нелинейным. По мере увеличения значения чнм, утепляющий эффект быстро снижается (3). Предлагаем ознакомиться с двумя детальными расчётами, произведёнными самым признанным специалистом по атмосфере профессором Уильямом Хэппером из Принстонского университета (4, 5).
Обоснованное предположение профессора Хэппера заключается в том, что повышение концентрации СО2 (с нынешних 400 чнм до 800 чнм) будет способствовать потеплению всего лишь на 1°С. Также он утверждает, что при удвоении этого значения потребление воды растениями сократится на 50%. И так как большей части наземных растений сейчас требуется минимум 100 грамм воды для выделения 1 грамма углевода, сокращение потребления на 50% позволит сэкономить огромное количество воды во всех уголках планеты.
По мере завершения ледникового периода, на Земле наблюдается потепление на 10°С, что видно из Иллюстрации 1(1). По большей части глобальное потепление вызвано не повышением выбросов СО2, а масштабными изменениями, которые отражаются на уровне солнечной энергии, достигающей Земли (это объясняется циклами Миланковича). Это скорее повышение температур способствует росту уровня СО2, а не наоборот. Позже, рассматривая температуры и значения СО2, мы обсудим причинно-следственные связи.
Роль СО2 в глобальном потеплении
Чтобы лучше понять роль СО2 в глобальном потеплении, нам необходимо знать об энергии и радиации следующее:
- Большая часть приходящего солнечного излучения (коротковолновая радиация) поглощается и преобразуется в тепловую энергию на поверхности или в атмосфере
- Отходящее тепловое излучение (длинноволновая радиация) от поверхности и вызывающие парниковый эффект газы несут энергию обратно в космос, способствуя остыванию Земли.
Часть приходящей солнечной энергии поглощается преимущественно водой атмосферы. Далее поглощается ещё больший объём отходящего теплового излучения – опять же главным образом водой и определённым объёмом СО2, равно как и другими остаточными газами, которые согревают атмосферу и «держат» Землю в диапазоне комфортных температур, необходимых для жизни человека. Без поглощения теплового излучения водяными парами и парниковыми газами на Земле очень жаркие дни чередовались бы крайне холодными ночами. Понятно, что жизнь стала бы невозможной.
Джон Тиндейл, открывший парниковые газы в 50-ые годы 19-го века, признал их огромную пользу для жизни на Земле:
«Водяные пары – это защитное оболочка, более необходимая для жизни растений в Англии, чем одежда для человека. Если на одну единственную летнюю ночь убрать водяные пары из атмосферы над нашей страной, любое растение, способное погибнуть от заморозков, несомненно, погибнет. Тепло наших полей и садов безвозвратно испарится в космос, и солнце взойдёт над островом, скованным железной хваткой холода».
Джон Тиндейл: «Тепло, характер движения», Лонгманнс, Грин энд Компани, Лондон 1875.
Основные факты о поглощении солнечной энергии
1. Поступающая солнечная энергия
Вот тут начинается самое интересное. Давайте изучим излучение и его поглощаемый объём: исходящая от Солнца энергия, достигающая Земли, имеет широкий диапазон волн. Величина энергии сильно варьируется в пределах волнового диапазона, что видно на Иллюстрации 3(1).
Из красного графика слева на Иллюстрации 3 видно: СО2 поглощает малую часть энергии солнечного света, поступающего в атмосферу Земли, что подтверждает утверждение МКИК о том, что СО2 не оказывает значительного влияния на поступающую солнечную радиацию. Также видно, что молекула Н2О поглощает поступающую солнечную радиацию в 4 диапазонах волн.
2. Обратно излучаемая солнечная энергия – главный источник глобального потепления
Часть солнечной энергии, которая поглощается сушей и океанами Земли, излучается обратно в атмосферу в виде теплового излучения, как показано на графике справа (синий).
Большая часть этого теплового излучения поглощается Н2О в двух широких диапазонах волн при более низких температурах на большей высоте. СО2 поглощает тепловое излучение с поверхности земли в диапазоне волн 12 – 18 микрон (красная стрелка), волны этих длин также поглощаются водой. Этот процесс хорошо известен и именуется «парниковым эффектом». По сути углекислый газ так и осуществляет «глобальное потепление».
Иллюстрация 3: поступающая и отходящая солнечная энергия
Поглощение длинноволнового излучения от нагретой поверхности и поглощение обратного рассеивания углекислым газом и водой исключают сильнейшие перепады температур между дневными и ночными периодами и повышают среднюю температуру поверхности Земли. В какой-то степени ошибочно это явление называется «парниковым эффектом», так как теплицы с их стеклянными крышами тоже пропускают солнечный свет, предотвращая при этом улетучивание тепла. Однако в реальной теплице тепло удерживается за счёт подавления конвекционных потоков тёплого воздуха. Реальные теплицы эффективны и с окнами, которые пропускают длинноволновое излучение. Парниковый эффект на Земле главным образом происходит за счёт подавления переноса передаваемого излучением тепла.
Что более важно, при нынешнем уровне СО2 400 чнм диапазоны волн, в которых СО2 поглощает солнечную энергию длинноволнового излучения, являются завершёнными. На основании этих данных делаем вывод: дальнейшее повышение СО2 не способствует сильному потеплению, так как в этом диапазоне волн (12 – 18 микрон) остаётся немного дополнительной и поглощаемой энергии.
Какие ещё источники, кроме деятельности человека, могут способствовать текущему повышению уровня СО2 так, чтобы его уровень превысил концентрации за все предыдущие межледниковые периоды? Причина может заключаться и в беспрецедентно затянувшемся нынешнем тёплом периоде и его долгосрочном воздействии на температуры океанов. Более высокие температуры приводят к уменьшению хранящегося в океанах углекислого газа. Обратите внимание: мы не оспариваем и тот факт, что уровень углекислого газа повышается ещё и в результате деятельности человека.
3. Роль океанов в глобальном потеплении
Как показано на Иллюстрации 1, в каждом из четырёх последних межледниковых периодов, температуры резко возрастали, достигали своих пиковых величин, а затем – в течение 4 000 лет опускались вниз, и начинался новый ледниковый период. Пик настоящей тёплой температуры наблюдался 12 000 лет назад. Далее температуры не менялись до настоящего времени – то есть в течение троекратно большего периода!
Примерно 10 000 лет назад на Земле жило 5 миллионов человек – охотников и собирателей, поэтому выбросы СО2, связанные с человеческим фактором, были минимальными. Затем, примерно 200 лет назад, численность населения выросла примерно до 500 миллионов, а тёплый период продолжался. Уровень потребления ископаемых углеводородов достиг значительного уровня только за последние 100 лет. Население планеты к 1900 году достигло 1 миллиарда, а сейчас – 116 лет спустя – составляет уже 7 миллиардов.
Этот растянувшийся тёплый период никак не связан с деятельностью человека, и более ясно это становится понятно из Иллюстрации 4(8), на которой представлены данные ледового щита «Восток» за последние 50 000 лет. Добавленная ниже красная кривая отражает более типичный подъём температуры и ожидаемое (на основании данных о трёх предыдущих тёплых периодах) понижение температур.
За последние три ледниковых периода тёплый период ещё не был таким долгим!
Океаны поглощают значительный объём СО2. Когда температура океанов падает, поглощается большее количество СО2, а когда температуры поднимаются, происходит обратное, и СО2 выделяется обратно в атмосферу. За текущий продолжительный тёплый период было достаточно времени, чтобы температуры океанов выросли намного больше, чем любой другой тёплый период, и это стало причиной выделения больших объёмов дополнительного углекислого газа.
Иллюстрация 4. Данные ледового щита «Восток» - 50 000 – 2500 лет назад
На Иллюстрации 5(9) показаны колебания показателей растворимости СО2 в воде при изменениях температур.
Иллюстрация 5. Колебания растворимости углекислого газа в зависимости от тем-ры
Известно, что с 1890 года температура океана поднялась на 1°С. Расчёты показывают, что подъём температуры океана на 1°С за 136 лет привёл к выбросам дополнительных 200 000 000 000 тонн СО2 ежегодно!
С 1980 года температура океана повысилась примерно на 0,6°С, и по оценкам за 36 лет ежегодно в атмосферу выделялось 640 000 000 000 тонн СО2. В настоящее время рост концентрации СО2 в атмосфере составляет 2 чнм/год, что эквивалентно увеличению выбросов на 12 000 000 000 тонн в год(11), и это равно 2% от ежегодно выделяемого океаном объёма СО2.
В результате потребления человеком ископаемых углеводородов ежегодно выделяется 40 000 000 000 тонн СО2, то есть, океаны за последние 36 лет выделяют ежегодно в 16 раз больше.
По какой-то непонятной причине это высоко значимая причинная связь (чем выше температуры, тем выше уровни СО2) никогда не обсуждается в мировых СМИ. Взаимосвязь не становится причинной связью автоматически. Очевидно, что мы должны заниматься исследованиями ключевых факторов, ставших причиной беспрецедентного увеличения (на 8 000 лет!) тёплого периода, который «дал» намного больше времени для повышения температур океанов и выделения гигантских объёмов СО2 в атмосферу.
Вопрос повышения кислотности океанских вод от углекислого газа
Большие споры вызывает вопрос повышения кислотности океанов при росте СО2, но эта проблема слишком преувеличена.
Р. Коэн и профессор Хэппер(10) отмечают:
«Если бы в атмосфере не было углекислого газа, рН океана составил бы 11,3, значение, примерно равное рН нашатырного спирта, и среда стала бы слишком едкой для большинства живых организмов.
Именно углекислый газ удерживает значения рН в океане на уровнях, приемлемых для жизни. Удвоение уровня СО2 в атмосфере с 400 чнм в настоящее время до 800 чнм позволит снизить уровень рН с 8,2 до 7,9. Данное изменение сопоставимо с нормальными колебаниями этого значения в зависимости от места и времени».
Также помните и о том, что влияние СО2 на рН в океане быстро снижается по мере его увеличения. Например, при увеличении СО2 в 4 раза, то есть до 1600 чнм, значение рН было бы 7,5 (приемлемое значение в щелочном диапазоне).
Ошибки введения налога за выбросы углерода
С целью ускорения сокращения потребления углеводородов предлагается ввести налог 40 долларов за 1 тонну выброшенного углерода. Этот вопрос серьёзно рассматривается в Вашингтоне и ряде других развитых стран. Главным образом это затронет потребление природного газа, нефти, угля, а они дают 80% всей потребляемой в США энергии. По одной из оценок цена на 1 галлон бензина в США вырастет на 36 центов.
На основании представленных здесь данных мы считаем введение такого налога большой ошибкой, так как эта мера вынудит энергетические компании закрывать прибыльные (до введения налога) электростанции и вывести цены на энергию за пределы экономически оправданного диапазона.
Также предложена технология улавливания и хранения углерода (УХУ) с целью недопущения выбросов СО2 вместе с другими отходами. Углерод предлагается транспортировать по трубопроводам и хранить на лицензированных подземных станциях. По прогнозам внедрение УХУ в два раза повысит базовую стоимость электроэнергии, полученной из угля, нефти и природного газа. Цены в этом случае будут просто неприемлемыми, и все расходы в первую очередь лягут на общественность, которая зависит от стабильных источников энергии. К тому же, как объяснялось выше, эта мера не будет нести практической пользы для управления изменением климата.
Другой ключевой момент заключается в том, что растительный мир благополучно развивается в средах с высоким уровнем СО2, и фермеры уже давно практикуют закачку СО2 в теплицы, создавая концентрации 1500 чнм и значительно повышая урожайность (см. Иллюстрацию 6).
Иллюстрация 6. Вот, что происходит с увеличением концентрации СО2
Углекислый газ является ключевым питательным элементом растительного мира, и если его уровень упадёт ниже 150 чнм, выживет небольшое количество растений и животных. Чем выше СО2, тем лучше растения справляются с засухой, так как выделяют меньше воды в процессе поглощения СО2, являющегося их основным источником пищи. Если бы концентрация СО2 в воздухе увеличилась вдвое, потребность растений в воде уменьшилась бы на 50%. Это было бы огромным благом для сельского хозяйства всего мира, особенно засушливых районов, помогло бы прокормить постоянно растущее население планеты.
Уровень СО2 в наших домах намного выше, чем снаружи, и всё равно он безопасен для дыхания. Помните о том, что СО2 является не загрязнителем воздуха, во что пытаются заставить нас поверить СМИ, а жизненно важным и основным элементом жизни на Земле: как на суше, так и в океане.
Выводы:
1 Анализ данных наглядно демонстрирует, что рост объёмов СО2 выше текущего уровня не может способствовать глобальному потеплению вследствие обратного излучения солнечной энергии.
2 СО2 благоприятно воздействует на окружающую среду, не является загрязнителем, он полезен для растительности, способствует росту биомассы, улучшает основу жизни человека на Земле.
3 Настоящий тёплый период длится на 8 000 лет дольше каждого из трёх предыдущих. То есть, океаны нагреваются гораздо дольше и выделяют большее количество СО2 в атмосферу, что в значительной степени способствует формированию нынешнего уровня СО2 в атмосфере (400 чнм).
4 Если текущее значение увеличится втрое и составит 1200 чнм, это не приведёт, как предполагается, к повышению кислотности океанских вод. Показатель рН составит 7,8, то есть, среда будет достаточно щелочной, и в ней по-прежнему смогут активно развиваться морские организмы, как и за большую часть периода геологической истории, когда уровни СО2 были в несколько раз выше нынешнего.
Предлагаемый план энергетического развития на будущее
Разумеется, срок использования ископаемых углеводородов ограничен, и технический прогресс поможет нам избавиться от зависимости от них не позднее 2200 года. Нам необходимо разработать тщательно спланированное введение новых источников энергии - жизнеспособных и доступных по цене – в экономику, экологию и социальную сферу. Нам необходимо постепенно менять нашу социальную инфраструктуру, повышать качество жизни людей, совершенствовать будущее целых городов и регионов в США и каждой стране мира. И причина заключается не в выделяемом ископаемыми углеводородами СО2, она заключается в потребности в более эффективных и экологически чистых технологиях производства энергии в течение двух ближайших столетий.
По словам профессора Хэппера (4, 5) и доктора Шерникау (6) рассмотрения требуют другие реальные проблемы, связанные с использованием углеводородов, например, загрязнение грунтовых вод, смог, образующийся в результате выбросов сажистых частиц и коррозионно-активных газов, содержащих серу, равно как и технологии безопасного хранения зольного уноса. Именно в этих направлениях следует использовать наши научные ресурсы и неординарность мышления, сделать всё, чтобы улучшить существующее положение.
Миллиарды долларов США, потраченные на уменьшение выбросов СО2, могли бы (при другом применении), реально помочь изменить ситуацию, оздоровить нашу планету и улучшить жизнь населения. Время для этого у нас есть, давайте делать это мудрее и практичнее.
Помните о том, что в течение последующих 2000 лет, а может быть и раньше, независимо от количества выделяемого СО2, на Земле, скорее всего, произойдёт резкое понижение температуры, и начнётся новый ледниковый период.
Авторы:
Алекс Николсон, магистр наук (машиностроение), магистр бизнеса, технический писатель, Бёрбэнк, Калифорния, США
Доктор Ларс Шерникау, магистр бизнеса, бакалавр наук, финансовый предприниматель и трейдер, Швейцария
Библиография:
(1) Дж. Р. Пети и соавторы: Природа 399, стр. 429-436, 1999
(2) Дж. Р. Пети и соавторы: Природа 399, стр. 429-436, 1999
(3) Профессор Айэн Праймер: “Небо и Земля: глобальное потепление, отсутствующие научные знания”, Taylor Trade Publishing 2009
(4) Профессор Уильям Хэппер: интервью (The Best Schools), http://www.thebestschools.org/special/karolyhapper-dialogue-global-warming/william-happer-interview/
(5) Профессор Уильям Хэппер: доклад о глобальном потеплении (The Best Schools),
http://www.thebestschools.org/special/karoly-happer-dialogue-globalwarming/happer-major-statement/
(6) Доктор Ларс Шерникау: “Экономика международной торговли углем”, Springer 2016
(7) Викимедия: Прозрачность атмосферы, https://commons.wikimedia.org/wiki/
Файл: Atmospheric_Transmission.png
(8) Cosmoquest.org
(9) Engineeringtoolbox.com
(10) Р. Коэн и У. Хэппер: “pH океанских вод: научные основы”, CO2 Coalition 2015
(11) Расчётная масса 2 чнм CO2 в атмосфере Земли = 12 000 000 000 тонн (A. Николсон)