Евгений Борисенков - Климат и деятельность человека
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.
Влияние антропогенного роста CO2 на климатЭта проблема в настоящее время — одна из центральных и наиболее важных при оценке естественного цикла CO2 в системе океан—атмосфера—биосфера в условиях антропогенного воздействия.
В результате сжигания топлива в атмосферу ежегодно поступает около 5 млрд. т углерода. Чтобы изменить эту ситуацию, потребовалось бы коренным образом перестроить технологию использования энергетических мощностей и источников топлива, что, вероятно, трудно осуществить быстро и легко, поскольку проблема эта глобальная и связана со всей структурой мировой экономики. На углеродном цикле, помимо сжигания топлива, сказывается и воздействие человека на биосферу и океан. Все это серьезно усложняет проблему. К тому же еще не ясно, приведет ли увеличение CO2 к неблагоприятным последствиям для человека.
Как говорилось, общие запасы топлива оцениваются около 1,3·1013 т условного топлива (около (5—8)·1012 т чистого С). При сжигании угля, нефти и газа на 1012 Дж в атмосферу выделяется соответственно 87, 71 и 51 т CO2.
Фактические данные указывают, что с начала индустриального развития общества, с 1860 по 1975 г. концентрация CO2 увеличилась с 290 до 333 ppm, что в пересчете на углерод с 617,2 до 702,4 Гт[6]. При коэффициенте перехода от C к CO2 3,664 это соответствует увеличению содержания CO2 в атмосфере с 2440 до 2574 Гт (в дальнейшем мы будем оговаривать цифры, относящиеся к C или CO2).
Всего за индустриальный период в атмосферу поступило свыше 240 Гт C (около 95 Гт за счет вырубки и сжигания лесов и 146 Гт непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива). В то же время увеличение C в атмосфере оценивается в среднем порядка 85,2 Гт. Другими словами, менее половины CO2, поступившего в атмосферу за счет сжигания топлива, оставалось в атмосфере. Оставшаяся часть поглощалась океаном и биосферой. Более подробно эта картина иллюстрируется табл. 11. Если в 1960 г. годовой выброс C за счет сжигания ископаемого топлива составил, по данным различных авторов, 2,61—2,67 Гт/год, то в 1975 г. уже 4,8—5,0 Гт/год. В 1960 г. на долю угля, нефти и газа соответственно приходилось 56,2; 31,4 и 10,8% поступающего в атмосферу C. В 1975 г. соотношение между этими источниками было иным и составило 37,7; 44,1; 16,2 %[7]. Однако приведенную динамику ни в коем случае нельзя экстраполировать на будущее, так как со временем особенно в конце текущего и в следующем столетии, роль угля вновь возрастет.
Таблица 11. Сопоставление между индустриальными выбросами CO2 и его действительным увеличением в атмосфере
Годы Индустриальный выброс CO2, ppm Увеличение CO2 в атмосфере Мауна-Лоа (Гавайские острова) Южный полюс Количество CO2, остающееся в атмосфере, % ст. Мауна-Лоа ст. Южный полюс 1960 1,25 0,89 0,72 71 58 1961 1,24 0,68 0,65 55 52 1962 1,30 0,86 0,61 66 47 1963 1,37 0,46 0,61 34 45 1964 1,46 0,60 0,62 41 42 1965 1,52 0,62 0,67 41 44 1966 1,59 0,67 0,74 42 47 1967 1,63 0,78 0,84 48 52 1968 1,73 0,88 0,98 51 57 1969 1,82 1,89 1,13 104 62 1970 1,96 1,32 1,32 67 67 1971 2,02 1,04 — 51 —Среднее 54% ± 15%
