2.2. Сжигание топлива и парниковый эффект

История цивилизации тесно связана со сжиганием топлива, начиная от использования огня и кончая современными системами выработки электричества и тепла. Основным химическим элементом твёрдого органического топлива, который участвует в процессе горения, является углерод (жидкого и газообразного – углеводороды). В результате сжигания ископаемых видов топлива, таких как уголь, и ряда иных (древесина, солома и др.) образуется углекислый газ (СО 2) по интегральной реакции углерода с кислородом:

С + О 2 = СО 2 + энергия.

Рост концентрации СО 2 и некоторых других газов в атмосфере может привести к существенному потеплению климата, названному парниковым эффектом. В энциклопедиях его определяют так: «Парниковый эффект (оранжерейный) в атмосферах планет – нагрев внутренних слоев атмосферы (Земли, Венеры и др. планет), обусловленный прозрач7 ностью атмосферы для основной части излучения Солнца». Этот термин вошел в научный обиход в конце ХХ века, а в последние годы парниковый эффект стал широко известен как опасное явление, угрожающее всей планете.

Под образным выражением «парниковый эффект» подразумевается вполне конкретное явление. Наша Земля находится в тепловом равновесии: она излучает в космическое пространство энергию со скоростью, равной скорости поглощения энергии, поступающей от Солнца. Земная атмосфера получает определенное количество солнечного излучения (ультрафиолетовые лучи). Около 30% этого излучения сразу отражается в космическое пространство облаками, атмосферной пылью, молекулами воздуха и кое-где поверхностью Земли (участки, покрытые снегом и льдом). Все вместе это называется «альбедо» (лат. albedo – белизна) – число, показывающее, какую часть солнечного света отражает данная поверхность.

Остальное количество солнечного излучения поглощается поверхностью океанов и материков и в меньшей степени водяным паром, аэрозолями, озоном и облаками. Поглощенная ими энергия излучается обратно в космос в виде инфракрасного излучения. При этом часть излучения, исходящего от поверхности Земли (в инфракрасной области спектра излучения), на обратном пути в космос поглощается облаками и содержащимися в атмосфере трехатомными газами (СО 2, SO 2, NO 2, О 3 и др.), которые характеризуются селективной поглощательной способностью именно в инфракрасной области излучения.

Повторное поглощение инфракрасного излучения (реабсорбция) и обусловливает парниковый эффект. Трехатомные газы, называемые «парниковыми газами», генерируют поток инфракрасной энергии, часть которой возвращается к поверхности Земли, а затем снова отражается в атмосферу и т. д.

Температура у поверхности Земли определяется количеством инфракрасной энергии, образующейся вышеописанным способом. Согласно имеющимся оценкам, естественный парниковый эффект создается приростом температуры Земли на 30°С. Это значит, что при исключении естественного парникового эффекта средняя температура составляла бы не +15°С, а –15°С. И, наоборот, если объем одного из компонентов атмосферы, вызывающий обращение инфракрасной энергии, увеличится, то должно возрасти действие парникового эффекта и может произойти возрастание температуры земной поверхности.

Считается, что к 2030 г. можно ожидать удвоения содержания углекислого газа по сравнению с началом промышленной эры. Это может привести к повышению средней температуры Земли на 2–3°С в умеренных широтах и до 10°С на полюсах.

В результате такого потепления и связанного с ним таяния льдов может повыситься (на 5-6 м и более) уровень вод Мирового океана с последующим поглощением огромных территорий суши. При этом будет нарушен режим дождей, количество осадков в умеренных и холодных климатических зонах резко увеличится. Коренным образом изменится аграрная карта мира, нарушится пищевая цепь и т. д.

Действие парникового эффекта определяется не только содержанием углекислоты в атмосфере, но и другими отмеченными выше факторами. При анализе «парниковой модели» следует учитывать более сложный механизм становления климатических условий нашей планеты, особенно определяющую роль Солнца – источника практически всей тепловой энергии Земли. В разные периоды времени Земля получает от Солнца различное количество энергии, определяемое тремя циклами продолжительностью в 20, 40 и 100 тысяч лет. К этим глобальным циклам следует добавить локальные: одиннадцатии двадцатидвухлетние.

Наряду с парниковым эффектом, который может вызвать потепление климата Земли, возможен и альтернативный эффект, связанный с нарушением теплового баланса атмосферы Земли в сторону понижения температуры. Этот эффект возможен при попадании мельчайших твердых частиц в виде несгоревшего углерода, частиц золы в верхние слои атмосферы, находящиеся за тропопаузой, где отсутствуют заметные перемещения масс воздуха. В этом случае мельчайшие твердые частицы в результате их накопления образуют слой с пониженной оптической прозрачностью. Данный слой выполняет функции своеобразного экрана, от которого отражается часть лучистой энергии Солнца, вследствие чего в низших слоях атмосферы создаются условия, способствующие снижению среднегодовой температуры.

Имеется предположение, что возникновение этого экранного слоя во многом определяется высотой дымовых труб, которая может достигать 300 м. Поэтому энергетики в свое время отказались от проектирования и строительства сверхвысоких дымовых труб (до 1 км).

Ежегодно в процессе сжигания органического топлива расходуется около 10 млрд. т кислорода, превращаемого в эквивалентные количества СО2. За последние 20 лет ХХ века концентрация СО 2 в атмосфере выросла на 15%. Молекулы СО 2 хорошо пропускают коротковолновое солнечное излучение, но поглощают излучение в длинноволновом спектре частот, что является естественным регулятором температуры поверхности Земли. Снижение концентрации СО 2 приводит к уменьшению среднегодовой температуры планеты: при полном отсутствии СО 2 в атмосфере вся поверхность Земли покрылась бы льдом, а среднегодовая температура не превышала бы – 10°С.

В течение миллионов лет существовало природное равновесие содержания СО 2 в атмосфере, которое сегодня нарушено довольно существенно, в первую очередь техногенной деятельностью человечества. Окислительно-восстановительные реакции горения органического топлива по меньшей мере до середины следующего столетия останутся основой быстро развивающейся энергетики мира. За это время содержание СО2 в атмосфере может возрасти еще в несколько раз. Как следствие, в обозримом будущем следует ожидать потепления климата Земли.

В 1861 году английский физик Джон Тиндаль (1820–1893) первым указал, что поскольку атмосферная углекислота наряду с водяным паром поглощает длинноволновое излучение в атмосфере, то изменения концентрации углекислоты могут привести к колебаниям климата. В дальнейшем вопрос о влиянии атмосферной углекислоты на климат привлек внимание шведского ученого Сванте Августа Аррениуса (1859–1927) – лауреата Нобелевской премии 1903 года. В работах Аррениуса было исследовано поглощение радиационных потоков в атмосфере и предложена численная модель для определения температуры у земной поверхности в зависимости от свойств атмосферы. Используя эту модель, Аррениус установил, что увеличение концентрации углекислого газа в 2,5–3 раза повышает температуру воздуха на 8–9°С, а уменьшение количества углекислоты на 38–45% снижает температуру на 4–5°С. Его расчеты несколько завысили влияние изменения концентрации СО 2 на изменение температуры воздуха, но в целом заключения его оказались справедливыми.

Однако существует и иная точка зрения. С начала ХХ в. до 40-х годов (согласно данным гидрометеорологических наблюдений) среднегодовая температура Земли повысилась примерно на 0,7°С, а площадь арктических льдов уменьшилась на 10%. Объясняли это увеличением концентрации СО 2 в атмосфере, ростом производства и потребления энергии, однако за последние 30 лет ХХ в., несмотря на рост содержания СО 2 в два раза и продолжающееся увеличение производства и потребления энергии, температура Земли не повысилась, а снизилась. Считают, что в рассуждениях о парниковом эффекте не принимается во внимание значение аэрозолей – мельчайших твердых частиц и капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в приземном слое, тропосфере и стратосфере.

В 2007 году был опубликован последний (четвертый) оценочный отчёт Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). В нём говорится, что за период с 1906 по 2005 гг. средняя температура Земли поднялась на 0,74°С. Исследования показывают, что чувствительность равновесного климата к удвоению концентрации СО2 находится в пределах 2,0 – 4,5°C, но наиболее вероятной считается чувствительность 3°C.

Причиной парникового эффекта является ряд различных газов, содержащихся в атмосфере Земли. Самую важную роль при создании парникового эффекта играют испарения воды; на втором месте стоит CO2. Затем следуют метан (CH4), закись азота (N2O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПГУ), гексафторид серы (SF6).

На содержание водяного пара (Н₂О) в атмосфере хозяйственная деятельность человека не оказывает заметного прямого влияния вследствие его большого количества: в глобальной атмосфере содержится около 1% водяного пара по объему. Его распределение по земному шару сильно зависит от температуры воздуха, которая в свою очередь определяет влагоемкость атмосферы. Время жизни водяного пара в атмосфере достаточно мало и составляет примерно 10 суток. Однако водяной пар может вносить значительный косвенный вклад в усиление парникового эффекта вследствие сильной положительной обратной связи: увеличение температуры воздуха вызывает повышение влагосодержания атмосферы, которое в свою очередь вызывает усиление парникового эффекта и тем самым способствует дальнейшему повышению температуры воздуха. Влияние водяного пара может также проявляться через увеличение облачности и изменение количества осадков.

Диоксид углерода (СО₂) является наиболее важным из перечисленных выше парниковых газов по влиянию на климат.

В четвертом оценочном докладе МГЭИК отмечается беспрецедентное по скорости увеличение концентрации СО 2 в атмосфере за последние 250 лет. Согласно данным ледниковых кернов в Антарктике, концентрация СО 2 в атмосфере в ледниковые периоды составляла ∼190 ppm  (миллионных долей), а в межледниковые периоды ∼ 280 ppm. В течение последних 10000 лет она изменялась не более чем на 20 ppm, причем эти изменения были обусловлены естественными причинами. После 1750 г. концентрация СО 2 увеличилась на 35% и в настоящий момент составляет примерно 385 ppm.

Таблица 2.4 Оценки глобальных естественных и антропогенных источников метана за последние 20 лет

Метан (СН4) является вторым по значимости парниковым газом после СО 2. Его концентрация увеличилась в 2,5 раза по сравнению с концентрацией в доиндустриальный период и составила в 2005 г. 1774 ppb (млрд. – 1). В отличие от СО 2 метан – химически активный газ. Антропогенные источники ответственны за 55–60% его общей эмиссии в атмосферу (табл. 2.4).

Закись азота (N 2 O). Содержание этого газа в атмосфере увеличилось на 18% к 2005 г. по сравнению с его содержанием в доиндустриальный период (270 ppb) и составило 319 ppb. Скорость увеличения составляла 0,8 ppb в год в течение нескольких десятков лет. N 2 O принадлежит важная роль в химии атмосферы, поскольку этот газ является источником NО 2, разрушающего стратосферный озон.

Парниковые газы техногенного происхождения. К газам техногенного происхождения относятся галогенсодержащие газы метанового и этанового рядов, а также гексафторид серы SF 6, отличающиеся очень большим «временем жизни» и высоким парниковым потенциалом, что, несмотря на их малые концентрации в атмосфере, приводит к достаточно большому суммарному вкладу в парниковый эффект. Большинство из них вошли в состав антропогенных выбросов в атмосферу только в ХХ веке, поскольку стали использоваться в качестве хладагентов в холодильниках, в аэрозольных распылителях в качестве растворителей, а также при производстве пластмасс.

Структура выбросов парниковых газов показана на диаграмме (рис. 2.5).

Выбросы парниковых газов в значительной степени определяются потреблением энергоресурсов, в первую очередь ископаемого топлива. Украина относится к странам с наиболее энергоемкой экономикой. Вклад Украины в парниковый эффект можно характеризовать следующими показателями: страна потребляет 150 млн. т у.т. в год, выбрасывает ∼ 400 млн.т СО 2 э в год, растительность поглощает 145 млн. т СО 2 э в год. Молекула СО 2 может сохраняться в неизменном состоянии в атмосфере Земли в течение 120 лет.

Украина последовательно выступает за предотвращение глобального изменения климата и приняла на себя обязательства в рамках ряда международных соглашений. Европейскую энергетическую хартию Украина подписала в 1991 г., Рамочную конвенцию ООН по изменению климата – в 1992 г., Киотский протокол к ней подписала в 1999 г. и ратифицировала 4 февраля 2004 года. Для достижения указанных целей Украина использует оба доступных ей механизма Киотского протокола – как международную торговлю квотами на выбросы с последующим «озеленением» полученных средств, так и механизм совместного осуществления, позволяющий реально снизить выбросы на территории Украины.

Потенциал энергосбережения для Украины составляет около 60 млн. т у.т. в год при необходимых капитальных вложениях 2,5 млрд. дол. США в год и около 10 млрд. дол. США в год на Программу энергосбережения в целом.

Энергетика является крупнейшим источником выброса СО 2 в атмосферу. Пути снижения выброса углекислого газа в атмосферу состоят

в увеличении доли атомных электростанций, повышении к.п.д. выработки электроэнергии на тепловых электростанциях (новые котлы, турбины, сжигание угля в циркулирующем кипящем слое, по возможности увеличение доли природного газа и т.д.), использовании нетрадиционных источников энергии, улавливании СО 2 в продуктах сгорания.

Рис. 2.5. Структура выбросов парниковых газов