БИО-АЛЬТЕРНАТИВА

Главная » Аналитика » Сравнительный анализ экологической и экономической устойчивости » Количественный анализ бюджета энергии цивилизации и биосферы

Количественный анализ бюджета энергии цивилизации и биосферы

Количественный анализ бюджета энергии цивилизации и биосферы:
Глобальные возобновимые и невозобновимые энергоресурсы и устойчивость окружающей среды

Autors_BR

1. Введение.

Так же, как человек не может жить без пищи, цивилизация не может существовать без соответствующего энергопотребления. Современная цивилизация существует, в основном, за счет ископаемого топлива (нефти, угля и газа). Сжигание ископаемого топлива приводит к накоплению в атмосфере углекислого газа. Помимо накопления атмосферного CO2, за последнее столетие произошли другие глобальные процессы, чье определяющее влияние на устойчивость климата и окружающей среды не принимается во внимание (Gorshkov et al. 2004; Li et al. 2008). В традиционном подходе не учитывается, что окружающая среда находится под контролем глобальной биоты, мощность которой на порядки величины превосходит мощность современной цивилизации (Gorshkov et al., 2000; 2004). За последнее столетие площадь разрушенной в ходе хозяйственной деятельности человека биоты достигла 60% площади суши (World Resources, 1988). Именно этот игнорируемый по своей значимости факт, а не прямое антропогенное загрязнение планеты, является первопричиной происходящих глобальных изменений.
Восстановление устойчивости окружающей среды может быть достигнуто только через сокращение воздействия человечества на биосферу, что невозможно без сокращения глобального энергопотребления.

2. Энергетический бюджет биосферы

Основные потоки энергии, существующие в биосфере, оценены в Табл. П1.

G&M-EnergyBalance

2.1. Энергия солнечного и теплового излучения
Все основные физические и биологические процессы на поверхности Земли поддерживаются потоком солнечного излучения. За пределами атмосферы Земли поток солнечного излучения имеет мощность 1.7⋅10ˆ5 ТВт (1 ТВт ≡ 10ˆ12 Вт ≡ 10ˆ12 Дж ⋅ ˆс−1). Упорядоченные концентрированные потоки геотермальной энергии (гейзеры, вулканы, землетрясения) в миллион раз слабее (Табл. П1) и в глобальном масштабе не оказывают заметного влияния на природные и биологические процессы. Мощности приливных процессов, связанных с вращением Земли вокруг своей оси, более чем в двести тысяч раз слабее потока солнечного излучения (Табл. П1) и также не существенны в глобальных масштабах.
Часть потока солнечного излучения, 30%, отражается планетой в космос, главным образом, облачным покровом атмосферы.
Остающиеся 1.2⋅10ˆ5 ТВт мощности солнечного излучения поглощаются земной поверхностью и атмосферой и переходят в тепловое излучение Земли, уходящее в космос. Тепловое излучение, уходящее в космос, соответствует температуре –18 °С. Около 30% потока солнечного излучения поглощается атмосферой, в основном, облачностью, почти столько же, сколько отражается в космос. До земной поверхности, таким образом, доходит 8⋅104 ТВт мощности солнечного излучения. И именно эта мощность поддерживает все упорядоченные физические и биологические процессы на земной поверхности, включая процессы цивилизации.
Поток теплового излучения земной поверхности в атмосферу составляет 2⋅10ˆ5 ТВт, т.е. на 40% превышает поток поглощенного Землей солнечного излучения. Эта разница возникает за счет так называемого парникового эффекта атмосферы. Атмосфера (а точнее, ее определенные, так называемые парниковые, составляющие, в основном, водяной пар, облачность и CO2) выполняет роль шубы, заворачивающей 40% теплового излучения земной поверхности обратно на земную поверхность, что приводит к увеличению температуры земной поверхности от −18 °C до 15 °С.
Разность температур земной поверхности и верхнего радиационного слоя — испускающих тепловое излучение в космос полос поглощения парниковых веществ атмосферы — равна 33 °С.
Она не связана и не совпадает с разностью температуры воздуха у поверхности и в верхних слоях атмосферы. Падение температуры воздуха с высотой, определяемое существованием отрицательного вертикального градиента температуры воздуха, как всем известно из данных полетов на самолетах, в два-три раза больше и не имеет отношения к парниковому эффекту (Makarieva, Gorshkov, 2007).
(Парниковый эффект может существовать и при нулевом вертикальном градиенте температуры воздуха.) Величина парникового эффекта определяется тем, какую часть спектра теплового излучения захватывают полосы поглощения парниковых
веществ. Полосы поглощения теплового излучения водяного пара и облачности перекрывают весь тепловой спектр и практически полностью определяют величину парникового эффекта. Полоса поглощения СО2 захватывает в атмосфере лишь 19% теплового спектра. Поэтому увеличение концентрации СО2 в атмосфере незначительно влияет на температуру земной поверхности, т.е. на парниковый эффект, но может лишь уменьшать температуру воздуха в верхних слоях атмосферы (Makarieva, Gorshkov, 2007). Испускание теплового излучения в космос при этом должно, по-прежнему, определяться полосами поглощения водяного пара и облачности и соответствовать разности температур земной поверхности и верхнего
радиационного слоя, равной 33 °С. Этот факт игнорируется во многих научных исследованиях (Makarieva et al. 2004) и приводит к неправильной оценке влияния увеличения концентрации СО2 на температуру земной поверхности и климат Земли в средствах массовой информации и политике.

2.2 Оценка мощности термохалинной циркуляции
2.3 Оценка мощности атмосферной циркуляции
2.4 Оценка гидромощности и мощности осмотического перехода реки-море

П3. Энергопотребление цивилизации и проблемы окружающей среды

Прямое мировое энергопотребление в 2005 году составило 15 ТВт = 1.5⋅10ˆ13 Вт, Табл. П2.
Прямое энергопотребление распределяется между различными источниками следующим образом: невозобновляемые энергоресурсы: 40% нефть, 30% уголь, 20 % газ, 7% атомная энергия; возобновляемые: 2% гидроэнергия, 1% другие источники, Табл. П2.

G&M-EnergyBalance-2-3

Мировое производство электроэнергии составляет 11% общего производства энергии и незначительно отклоняется от этой средней цифры в различных странах, Табл. П3. Электроэнергия производится, главным образом, на теплоэлектростанциях путем сжигания ископаемого топлива (угля, нефти, газа).
Таким образом, современная цивилизация практически полностью существует за счет сжигания ископаемого топлива, которое обеспечивает 90% современного глобального энергопотребления, Табл. П2. Основной риск использования ископаемого топлива неоправданно связывается с выбросами в атмосферу углекислого газа, что является одной из причин поисков альтернативных источников энергии.
Широко распространены две взаимоисключающие позиции по отношению к проблеме глобальных изменений климата.
Согласно первой позиции, изменения климата существуют, имеют антропогенную природу и вызваны выбросами CO2.
Согласно второй позиции, направленных климатических изменений, возможно, нет; если же они и существуют, то имеют не антропогенную природу и не связаны с выбросами CO2.
Однако CO2, как было уже объяснено, не является главным парниковым газом. Все парниковые вещества атмосферы, пары воды и облачность так же, как и СО2, находятся под контролем ненарушенной биоты Земли (Макарьева, Горшков, 2001; Makarieva, Gorshkov, 2002; 2007). Главное биотическое управление климатом происходит за счет паров воды и облачности, являющихся основными парниковыми веществами атмосферы Земли.
Именно нарушение естественных экосистем биоты, главным образом вырубка лесов, а не прирост атмосферной концентрации СО2, является причиной всех наблюдаемых аномалий и изменений климата Земли.
Поэтому ни одна из двух распространенных позиций не соответствует действительности: изменения климата существуют, имеют антропогенную природу, но НЕ имеют своей причиной накопление CO2 в атмосфере.

Вторая проблема использования ископаемого топлива как основного источника энергии для цивилизации состоит в его неизбежной исчерпаемости. Легко доступные запасы нефти, газа и урана при современном потреблении истощатся в пределах нескольких ближайших десятилетий, угля − в пределах столетия. Угроза истощения ресурсов ископаемого топлива (без анализа устойчивости окружающей среды и климата) создает иллюзию необходимости поиска альтернативных источников энергии. Эта необходимость представляется столь очевидной, что не подвергается логическому анализу. Между тем, из рассмотрения глобального механизма биотической регуляции следует принципиально иная стратегия
решения энергетических проблем цивилизации. Оценим количественно степень антропогенного разрушения глобального механизма биотической регуляции. Полная мощность глобальной биоты составляет порядка 100 ТВт, из которых на биоту суши приходится около двух третей. Человечество разрушило естественные экосистемы на шестидесяти процентах территории суши, уменьшив, таким образом, глобальную регуляторную биотическую мощность на величину порядка 40 ТВт. В эту величину входят около 6 ТВт мощности первичной продуктивности биоты, потребляемых человечеством в виде пищи для людей и домашних животных и древесины, Табл. П1. Остальная мощность относится к нарушенным экосистемам, неспособным к биотической регуляции.
Величина в 40 ТВт, характеризующая антропогенное дестабилизирующее воздействие на глобальную окружающую среду, определяется масштабами антропогенной деятельности, которая поддерживается прямым энергопотреблением цивилизации, равным 15 ТВт, Табл. П1. Поэтому независимо от того, сопровождается ли прямое энергопотребление загрязнением окружающей среды (например, выбросами CO2) или нет, при сохранении его неизменной абсолютной величины и, следовательно, масштаба антропогенной деятельности человека на планете дестабилизирующее воздействие человека на климат останется также неизменным. Величина 40 ТВт более чем в два раза превышает величину прямого энергопотребления цивилизации. Устойчивости окружающей среды можно достигнуть только путем восстановления управления окружающей средой естественными экосистемами Земли, что возможно при сокращении энергетического воздействия на нее, по крайней мере, на порядок величины (Gorshkov et al., 2000).

В настоящее время широко обсуждается повышение эффективности использования энергии как один из способов решения энергетических проблем и проблем окружающей среды. Разрушение биосферы и механизма биотической регуляции окружающей среды определяется полезной мощностью энергопотребления Pu, характеризующей упорядоченные процессы цивилизации, т.е. масштаб деятельности человека на планете. Эффективность преобразования энергии ε определяется как отношение полезной мощности Pu к полной мощности энергопотребления Pt, ε ≡ Pu / Pt . Увеличение эффективности ε при фиксированной Pt означает увеличение Pu (полезной мощности) воздействия на окружающую среду и,
следовательно, увеличение разрушения биосферы и устойчивости окружающей среды. Увеличение эффективности ε при фиксированном Pu позволяет уменьшить Pt, т.е. замедлить истощение ресурсов и
загрязнение окружающей среды, но не разрушение механизма биотической регуляции окружающей среды, которое определяется величиной Pu! Сокращение разрушения биотической регуляции окружающей среды можно достигнуть только сокращением величины полезной мощности Pu, независимо от эффективности ε. Поэтому широко обсуждаемая проблема повышения эффективности использования энергии ε не имеет отношения к сохранению устойчивости окружающей среды и климата.

Увеличение мощности энергопотребления цивилизации обеспечивает возможность роста численности народонаселения с максимальной скоростью, ограничиваемой лишь биологическим пределом деторождаемости женщин. Рост численности населения, в свою очередь, требует роста энергопотребления. До истощения ресурсов ископаемого топлива рост энергопотребления может происходить с любой скоростью, диктуемой ростом численности населения и экономическим ростом. Поэтому бессмысленно избавляться только от загрязнений, связанных с прямым энергопотреблением. Необходимо уменьшить саму величину энергопотребления и связанную с ней величину антропогенного давления на биосферу. Рост численности населения и стимулируемый этим рост энергопотребления может успеть полностью разрушить устойчивость климата и окружающей среды еще до истощения запасов ископаемого топлива.

Перспективы использования возобновимых источников энергии
Ветровая мощность атмосферной циркуляции на суше в двадцать раз больше современного энергопотребления, Табл. П1. Однако ветер на суше управляется лесом, закачивающим влагу с океана на сушу, компенсирующим речной сток и обеспечивающим постоянство влажности почвы и осадков (Makarieva et al., 2006; Makarieva, Gorshkov, 2007). Ветер приносит на сушу влагу, поэтому сколько-нибудь существенное замедление ветровых потоков и сколько-нибудь значительное использование ветровой мощности ветряными энергостанциями приведет к разрушению водного режима суши. В этом смысле использование мощности ветра эквивалентно вырубке лесов. Ветровые установки могут поглощать менее одного процента мощности ветра без риска нарушения водного режима суши, т.е. иметь суммарную мощность, не превышающую пяти процентов мощности современного энергопотребления. Кроме того, достижение даже этой величины наталкивается на существенные технические трудности.
Поэтому мощности ветровых установок не смогут конкурировать с мощностями существующих гидротехнических сооружений.
Термохалинная циркуляция играет важнейшую роль в поддержании устойчивости климата Земли. Использование термодинамических конструкций, основанных на разности глубинных и поверхностных температур океана, также не сможет обеспечить сравнимую с современной мощность энергопотребления без полного разрушения климата Земли.
Энергия солнечного излучения является основой всего энергетического бюджета биосферы. Естественные сообщества биоты поддерживают в атмосфере определенные концентрации парниковых веществ с относительно узкими полосами поглощения теплового излучения. Эти парниковые вещества существенно не влияют на парниковый эффект, но имеют большую оптическую толщину (произведение высоты равномерно плотной атмосферы на поперечное сечение поглощения и концентрацию парниковых веществ), см. раздел П2.1. Эти парниковые вещества создают в атмосфере отрицательный вертикальный градиент температуры воздуха, благодаря которомувозникают неравновесное состояние водяного пара в атмосфере,
восходящие потоки воздуха и ветровая циркуляция атмосферы.
Благодаря большой величине этого градиента, 3/4 энергии потока солнечного излучения переходит в энергию потоков явного и скрытого (испарение влаги) тепла, Табл. П1. На суше лесной покров обеспечивает оптимальную для жизни влажность почвы, и компенсирует речной сток в океан, закачивая необходимое для этого количество влаги с океана на сушу через атмосферу (Makarieva, Gorshkov, 2007). Все управление этой глобальной системой атмосферной циркуляции, поддерживающей водный режим суши и обеспечивающей жизнь людей на ней, определяется фотосинтезом лесных растений, 2/3 которого на суше нарушено современным энергопотреблением, Табл. П1. В процессе эволюции жизнь достигла максимальной эффективности использования солнечной энергии при генерации всех вышеперечисленных поддерживающих окружающую среду и жизнь упорядоченных процессов. Масштабное использование солнечной энергии приведет к катастрофическому нарушению всех жизнеподдерживающих процессов на планете.
Таким образом, основная угроза сохранению пригодной для жизни окружающей среды и климата Земли состоит в чрезмерной величине энергопотребления цивилизации, независимо от того, из каких источников это энергопотребление производится. Современное и, тем более, растущее энергопотребление разрушит пригодную для жизни окружающую среду и климат Земли в течение одного столетия.
В течение ближайшего столетия необходимо сократить энергопотребление на порядок величины до уровня существующих в природе возобновляемых источников энергии. Это требует детального научного обсуждения возможностей такого сокращения. При игнорировании биотической природы устойчивости окружающей среды поиски любых альтернативных источников энергии, которые позволили бы сохранить или увеличить энергопотребление цивилизации (как, например, в случае освоения термоядерной энергии), являются логическим тупиком, еще более усугубляющим положение человечества.

Источник: Сравнительный анализ экологической устойчивости биомассы биосферы
                  и экономической устойчивости товаров свободного рынка

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s

%d такие блоггеры, как: