В мировом топливно-энергетическом балансе заметную роль играет органическое топливо (главным образом, уголь и природный газ). При сжигании этого топлива в воздушное пространство попадают химические вещества, оказывающие экологическое влияние на биосферу, в том числе — двуокись углерода (СO2), или углекислый газ, повышение концентрации которого в атмосфере вызывает глобальные изменения климата Земли в связи с так называемым «парниковым эффектом».
Парниковые газы и парниковый эффект
Сущность парникового эффекта состоит в том, что насыщенный углекислотой воздух, хорошо пропуская солнечную радиацию, задерживает тепловое излучение земного шара. В результате температура воздушной оболочки планеты повышается.
Парниковый эффект — это процесс, в котором газы вызывают поглощение и излучение инфракрасного излучения и, таким образом, нагрев нижних слоев атмосферы и поверхности Земли.
Явление парникового эффекта было впервые описано Джозефом Фурье в 1824 году, более подробно описано в 1860 году Джоном Тиндалем. Впервые количественно он был количественно определен Сванте Аррениусом в 1896 году, когда он заявил, что удвоение концентрации CO2 повысит температуру поверхности на 4 °C.
Промышленная революция нарушила естественный углеродный цикл, поскольку она начала поставлять в атмосферу большое количество углекислого газа и других парниковых газов.
Углерод, который хранился в резервуарах ископаемого углерода под землей (и, следовательно, вне углеродного цикла) много миллионов лет назад, очень быстро рециркулируется в выбросы углекислого газа. Около 2/3 антропогенных выбросов CO2 с 1750 года приходится на сжигание ископаемого топлива и около 1/3 - на изменение землепользования.
Концентрации других природных парниковых газов также увеличились с 1750 года: метана с 700 до 1800 частей на миллиард, закиси азота с 270 до 320 частей на миллиард и тропосферного озона с 25 до 34 частей на миллиард. Фреоны также попали в воздух, хотя их концентрации на несколько порядков ниже, они оказывают сильное относительное влияние.
С 1961 по 1990 год наблюдалось постепенное уменьшение количества солнечного света, падающего на поверхность земли, явление, известное как глобальное затемнение, обычно приписываемое аэрозолям от сжигания ископаемого топлива и биотоплива. Тропосферные аэрозоли остаются в атмосфере всего около недели, в то время как стратосферные аэрозоли могут оставаться в атмосфере в течение нескольких лет.
Наблюдаемые изменения температуры
Многие независимо созданные наборы данных подтверждают, что в период с 1880 по 2012 год средняя глобальная температура поверхности (поверхности и океана) увеличилась на 1,0 (0,8–1,2) °C. Между 1906 и 2005 годами средняя температура поверхности Земли увеличилась на 0,74 ± 0,18 °C. Скорость потепления почти удвоилась во второй половине этого периода (0,13 ± 0,03 °C за десятилетие по сравнению с 0,07 ± 0,02 °C за десятилетие).
Хотя средства массовой информации часто называют повышение средней температуры атмосферы мерой глобального потепления, большая часть дополнительной энергии, накопленной в климатической системе с 1970 года, аккумулировалась в океанах.
Двадцать из двадцати одного самого теплого года за последние 150 лет были зарегистрированы с 2000 года. Семь самых теплых лет приходились на последние семь лет (последние данные за 2020 год). Самыми теплыми годами в истории измерений были 2016 и 2020 годы с той же рекордной температурой.
Хотя рекордные годы вызывают значительный общественный интерес, отдельные годы менее значимы для глобального потепления, чем общая тенденция.
Айсберг у города Ферриленд, Ньюфаундленд и Лабрадор
Поскольку Солнце является основным источником энергии Земли, изменения падающего солнечного света напрямую влияют на климатическую систему.
Интенсивность солнечной радиации измеряется напрямую со спутников, а косвенные измерения доступны с начала 17 века. Эти записи не показывают тенденции к увеличению количества солнечной энергии, попадающей на Землю, поэтому Солнце не может нести ответственность за фактическое потепление.
Еще одним доказательством того, что глобальное потепление не вызвано Солнцем, является изменение температуры в разных слоях атмосферы Земли.
Согласно основным физическим принципам, парниковый эффект вызывает нагревание нижней атмосферы (тропосферы), но в то же время охлаждение верхней атмосферы (стратосферы). Если флуктуации солнечной активности были ответственны за наблюдаемое потепление, можно было бы ожидать потепления как тропосферы, так и стратосферы, но это не так.
Глобальное потепление
Расчеты с использованием климатических моделей показали, что к 2030 г. средняя глобальная температура воздуха у земной поверхности может повыситься не менее чем на 1 °С, к 2050 г. — на 1,5 °С, а к 2100 г. — на 2 °С. При этом потепление в высоких широтах окажется в несколько раз больше, чем в низких.
Кроме того, повышение температуры будет сопровождаться увеличением интенсивности гидрологического цикла. Так, при росте средней глобальной температуры воздуха на 3 °С средние скорости испарения и выпадения осадков возрастут на 6—7 %.
Водяной пар, так же как и углекислый газ, является важным фактором, управляющим температурой атмосферы. Повышение температуры в приземном слое увеличит влажность воздуха, что, соответственно, приведет к усилению парникового эффекта. В связи с этим температура у поверхности Земли будет расти значительно быстрее.
Средняя приземная температура по сравнению с температурой климата доиндустриального периода может увеличиться к 2050 году на 5 °С.
Очевидно, что увеличивая концентрацию СО2 в атмосфере, мы серьезно рискуем нарушить устойчивость климата. Возможные последствия изменение режима осадков и испарений, отступление снеговой линии, таяние ледников, нестабильность ледяного покрова, изменение циркуляции между атмосферой и океаном.
Наиболее серьезным проявлением глобального потепления является повышение температуры океанов, поскольку они захватывают около 93% увеличения тепловой энергии климатической системы Земли, создаваемой антропогенными парниковыми газами.
Конечно, интенсивная антропогенная деятельность (урбанизация, сокращение лесных массивов и др.) может привести к увеличению способности Земли отражать электромагнитные излучения и, в результате, к снижению парникового эффекта и его последствий. Но даже если прирост средних температур окажется на 1 — 2 °С ниже расчетного, все равно это такое изменение условий существования, к которому человечеству трудно приспособиться.
К тому же изменения будут носить долгосрочный характер, так как однажды достигнутый уровень концентрации СО2 в атмосфере останется высоким по крайней мере на протяжении нескольких столетий.
Приведенный прогноз можно отнести к числу наиболее реалистичных на сегодняшнем уровне знаний. В то же время, необходимо отметить, что до сих пор нет исчерпывающих сведений о природном цикле углерода.
Поэтому исключительную роль приобретают исследования газообмена между атмосферой и океаном. Ведь океан — основной естественный источник углерода, а также хранилище излишков индустриального СО2. Однако именно роль океана как поглотителя СО2 из атмосферы пока еще не окончательно выяснена.
Все перечисленные эффекты и оценка их последствий показывают, что энергетика при планируемых темпах ее развития становится серьезным климатообразующим фактором
Естественный парниковый эффект Земли имеет решающее значение для поддержания жизни. Человеческая деятельность, особенно сжигание ископаемого топлива и вырубка лесов, усиливает парниковый эффект и вызывает глобальное потепление.
В августе 2021 года в Шестом оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата говорилось: «Совершенно очевидно, что влияние человека согрело атмосферу, океан и сушу. Произошли обширные и быстрые изменения в атмосфере, океане, криосфере и биосфере».
Наибольшее антропогенное воздействие вызвано выбросами парниковых газов, таких как двуокись углерода, метан и закись азота. Из-за доминирующей роли деятельности человека это иногда называют «антропогенным глобальным потеплением» или «антропогенным изменением климата».
Эти выводы приняты академиями наук всех крупных промышленно развитых стран и не оспариваются никакими государственными или международными научными организациями.
Возможные реакции общества на глобальное потепление включают смягчение последствий изменения климата за счет сокращения выбросов парниковых газов и адаптацию к глобальному потеплению путем создания систем, устойчивых к его последствиям, например, путем строительства плотин в ответ на повышение уровня моря.
Смягчение последствий изменения климата
Почти все страны мира являются участниками Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Конечной целью Конвенции является стабилизация атмосферных концентраций парниковых газов на уровне, который предотвратил бы опасное вмешательство человека в климатическую систему.
Прежде всего необходимо обеспечить такое развитие энергетики, при котором изменения климата не выйдут за пределы допустимых (определяемых климатологами). Для реализации этого решения придется рассредоточить энергетические мощности, размещать их в наименее «чувствительных» климатических районах, разрабатывать новую технологию и создавать системы улавливания СО2.
Примеры смягчения последствий включают также переход к источникам энергии с низким содержанием углерода, таким как возобновляемые источники энергии, а также расширение лесов и других поглотителей для удаления большего количества углекислого газа из атмосферы. Энергоэффективность также может играть важную роль.
Ветряная электростанция Shepherds Flat Wind Farm - это ветряная электростанция мощностью 845 МВт в американском штате Орегон
В основе большинства предложений лежит сокращение выбросов парниковых газов за счет сокращения потерь энергии и перехода на низкоуглеродные источники энергии.
Поскольку затраты на сокращение выбросов парниковых газов в энергетическом секторе кажутся ниже, чем в других секторах, таких как транспортный сектор, энергетический сектор может обеспечить наибольшее пропорциональное сокращение выбросов углерода в рамках экономически эффективной климатической политики.
Другие часто обсуждаемые средства включают накопление энергии, повышение экономии топлива в автомобилях (что включает использование гибридных электромобилей), зарядку гибридных автомобилей и электромобилей низкоуглеродной электроэнергией.
Многие энергетические технологии могут способствовать смягчению последствий изменения климата. Они включают возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, энергия приливов, энергия океана, геотермальная энергия и энергия ветра.
Альтернативные источники энергии
Опасения по поводу глобального потепления и необходимость сокращения выбросов углекислого газа являются движущей силой растущего роста отрасли возобновляемых источников энергии.
Использование возобновляемых источников энергии растет намного быстрее, чем можно было ожидать.
Глобальное потепление и другие экологические и экономические проблемы побудили многие страны стремиться к стопроцентному использованию возобновляемых источников энергии в энергобалансе к 2030 году. Препятствия на пути реализации плана использования возобновляемых источников энергии считаются «прежде всего социальными и политическими, а не технологическими или экономическими».
На национальном уровне возобновляемые источники энергии уже составляют более 20% от общего объема энергоснабжения как минимум в 30 странах мира.
Некоторые страны с благоприятными географическими и геологическими условиями и подходящим климатом уже получают большую часть своей электроэнергии из возобновляемых источников энергии, таких как геотермальная энергия в Исландии (100%) и гидроэлектростанции в Бразилии (85%), Австрии (62%), Новой Зеландии (65%) и Швеции (54%).
При этом ветровая энергия составляет значительную долю электроэнергии в некоторых регионах: например, 14% в американском штате Айова, 40% в северном немецком штате Шлезвиг-Гольштейн и 20% в Дании.
Во всем мире полностью установленный солнечный водонагреватель нагревает горячую воду для более чем 70 миллионов домашних хозяйств.
Альтернативные источники энергии
Энергоэффективность и экономия энергии
Энергоэффективность является целью сокращения количества энергии, необходимой для производства продуктов и услуг. Например, теплоизоляция дома позволяет использовать меньше энергии для нагрева и охлаждения для достижения и поддержания комфортной температуры.
Установка светодиодных ламп или естественных световых люков снижает количество энергии, необходимое для достижения того же уровня освещения, по сравнению с использованием традиционной лампочки. Светодиодные лампы потребляют в десять раз меньше энергии, чем обычные лампы накаливания, и служат в 25 раз дольше.
Энергоэффективность оказалась рентабельной стратегией построения экономики без необходимости увеличения энергопотребления.
Например, в штате Калифорния в середине 1970-х годов начали внедрять меры по повышению энергоэффективности, включая строительные стандарты и стандарты для электроприборов со строгими требованиями к эффективности. В последующие годы потребление энергии в Калифорнии на душу населения оставалось примерно таким же, в то время как потребление энергии в США удвоилось.
Энергосбережение - это более широкое понятие, чем энергоэффективность, поскольку оно включает использование меньшего количества энергии для оказания меньших энергетических услуг, например, посредством изменения поведения, а также включая энергоэффективность.
Примерами экономии без повышения эффективности являются отопление помещений до более низкой температуры зимой, отказ от использования электрического кондиционера в жару, меньшее количество поездок (на машине) или работа в менее освещенном помещении.
Как и в случае с другими определениями, грань между энергоэффективностью и энергосбережением может быть размыта, но обе концепции важны для окружающей среды и экономики. Это особенно актуально, когда действия направлены на экономию ископаемого топлива.
Снижение потребления энергии считается ключевым решением для сокращения выбросов парниковых газов. По данным Международного энергетического агентства, повышение энергоэффективности зданий, промышленных процессов и транспорта может снизить глобальный спрос на энергию на одну треть к 2050 году и помочь контролировать глобальные выбросы парниковых газов.