Решение проблемы депонирования углерода на государственном и межгосударственном уровнях

Глава 3. Способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере

3.1 Глобальное потепление климата и протокол Киото

Климат Земли становится все мягче. Границы сплошных морских льдов смещаются все дальше и дальше на север. Спутниковые фотографии со всей неопровержимостью показывают, что покров арктических льдов с 1970 по 2002 год сократился примерно на 25%. Физические причины глобальных изменений климата изучаются давно. Сегодня его основной движущей силой принято считать так называемый парниковый эффект, который создают парниковые газы. Главную опасность составляет углекислый газ. По мнению ряда ученых, глобальное потепление климата связано именно с ростом объема его выбросов. Количество парниковых газов в воздухе стало заметно расти после начала промышленной революции в Европе, около 1750 года.

С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года. Его основной целью объявлено сокращение развитыми странами к 2008-2012 годам суммарных выбросов в атмосферу углекислого газа на 5,2% по сравнению с выбросами 1990 года.

На развивающиеся страны Протокол вообще не возлагает никаких обязательств, кроме пожеланий перейти по возможности на использование энергосберегающих технологий. По договоренности Протокол вступает в действие после ратификации его странами, вместе выбрасывающими в атмосферу не менее 55% углекислого газа. Его ратифицировали 120 стран (включая Европейский союз, Японию, Китай и Индию), производящих примерно 44% углекислоты. На долю России приходится 17% мировых выбросов, и поэтому для судьбы Киотского протокола ее позиция оказалась решающей. После нескольких лет колебаний Россия высказалась в пользу его ратификации. С 16 февраля 2005 года Киотский протокол вступает в действие. По Киотскому протоколу на 2008-2012 гг. России установлен допустимый уровень ежегодного выброса парниковых газов, соответствующий уровню 1990 г. (у стран ЕС в целом - 92%, у Японии - 94%). Это дает полную уверенность в том, что разрешенный уровень мы не превысим: сейчас выбросы примерно на 25% ниже.

Международная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) Рамочной конференции ООН рассмотрела в 2000 году примерно 40 основных сценариев развития цивилизации до 2100 года, главным образом с точки зрения потребления ископаемого топлива и соответствующего ему роста содержания в атмосфере СО₂ и других парниковых газов, а также прироста средней глобальной температуры и повышения уровня моря. Рассматривались сценарии как связанные с самым интенсивным использованием ископаемого топлива, так и учитывающие возможный переход на новые альтернативные (солнечная, термоядерная, ветровая и т.д.) источники энергии. Один из сценариев - «работаем как обычно» (BAU - business as usual)- сохранял основные экономические и демографические закономерности развития цивилизации неизменными. Удивительно, но, согласно сценарию BAU, прогнозируемые изменения к 2100 году оказались не такими значительными: рост среднегодовой температуры от 2 до 4,5 °С; подъем уровня моря от 0,3 до 0,5 м. Однако и эти, на первый взгляд не столь радикальные, перемены ведут к неисчислимым экологическим, экономическим, социальным и политическим последствиям.

Попытаемся взглянуть на ожидаемые последствия потепления климата для нашей страны. На первое место, пожалуй, выйдут последствия, связанные с отступлением вечной мерзлоты. Вечная мерзлота в высоких широтах - своего рода строительный материал, на котором воздвигнуты несущие части домов и сооружений. Из нее фактически «сложены» стенки подземных хранилищ, в которых покоятся отходы промышленной деятельности. Зона многолетней мерзлоты охватывает огромную часть территории России. Отступление мерзлоты будет сопровождаться разрушением домов и промышленных сооружений. Значительные изменения прочности зданий уже произошли в Якутске, а к 2030 году масштабы разрушений могут стать катастрофическими, если не принять срочных защитных мер. Поэтому специалистам необходимо оценить сроки и масштабы ожидаемых изменений для всех городов и поселков в зоне вечной мерзлоты и немедленно приступить к необходимым работам. В опасности окажутся и многие технические сооружения: нефтяные вышки, тысячекилометровые нефте- и газопроводы. Новые же крупномасштабные сооружения, например нефтепровод к мурманским морским терминалам, уже придется проектировать с учетом условий меняющейся климатической ситуации.

Не меньшими, а возможно и более значительными, неприятностями грозит разрушение стенок подземных хранилищ. Десятки лет на северных территориях шла добыча полезных ископаемых - нефти, газа, металлов. Огромные количества сырой нефти «потерялись» при авариях и протечках на нефтепроводах, но не распределились в почве, а остались в земле, скованные вечной мерзлотой. При таянии мерзлоты новые биоценозы могут быть отравлены нефтью. Образно такие ситуации принято называть «химическими временными бомбами», имея в виду отсроченный характер вредного воздействия. Временные бомбы могут иметь и «металлическую» природу: в отходах и отвалах горнодобывающих производств на многолетней мерзлоте содержатся огромные количества вредных для всего живого тяжелых металлов. На Севере уже пришлось столкнуться с проблемой, когда в поверхностные воды стали попадать размытые в оттепель сельскохозяйственные удобрения и ядохимикаты.

Очевидно, что проблема воздействия выбросов парниковых газов на состояние окружающей среды требует активного поиска возможных путей ее решения. И единственный механизм борьбы с глобальным потеплением, предложенный к настоящему времени, - это Киотский протокол. Приведет ли выполнение его положений к исчезновению или хотя бы к отсрочке угрозы? Предположим, что снижение выбросов СО₂ пойдет в полном соответствии с протокольным графиком. В 2005-2010 годах мировая экономика будет продолжать развиваться и требовать новых затрат энергии, в том числе и в виде ископаемого топлива. Рост энергозатрат, скорее всего, будет отставать от роста экономики в целом, в связи с уменьшением энергоемкости производств. Выброс СО₂ на единицу произведенной энергии также будет снижаться. Тем не менее оценки показывают, что страны Западной Европы для выполнения Киотского протокола к 2010 году должны уменьшить выбросы СО₂ по сравнению с ожидаемыми на 28%. Поэтому развитым странам придется вкладывать все больше и больше средств, чтобы сохранить неизменным уровень промышленных выбросов. Экономисты подсчитали, что необходимые затраты на осуществление мероприятий по Киотскому протоколу в 2010 году будут варьировать от 100 до 400 миллиардов долларов, в зависимости от сценария.

В том же положении окажется и весь остальной мир. Сохранение уровня выбросов СО₂ на 5,2% ниже уровня 1990 года потребует к 2050 году снижения выбросов по сравнению с ожидаемыми на 50%, что обойдется экономике примерно в триллион долларов в год и составит примерно 2% ВВП, а к 2100 году- 4% ВВП ежегодно.

Какую отсрочку по сравнению со сценарием «работаем как обычно» мы получим после выполнения Киотского протокола? Ответ парадоксальный: рост температуры по сравнению с ожидаемым повышением на 2-5 єС в мировом масштабе к 2100 году снизится на 0,15 єС, то есть потепление будет отсрочено лишь на шесть лет. Кроме того, к расходам на выполнение Киотского протокола добавятся еще и затраты на те самые последствия потепления, которые все равно наступят, пусть и на шесть лет позже. Тогда для чего нужен и нужен ли вообще Киотский протокол?

Киотский протокол необходим, как первое совместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды. Киотский протокол обязывает переходить на энергосберегающие технологии и требует от развитых стран передачи этих технологий развивающимся странам. Но совершенно очевидно, что в будущем потребуется регулярный пересмотр Протокола.

Таким образом, за сроки, соизмеримые с продолжительностью человеческой жизни, глобальное потепление вряд ли удастся предотвратить, если только не появятся новые кардинальные подходы.

3.2 Способы сокращения парниковых газов в атмосфере

Из вышесказанного становится ясно, что понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей, решение которой необходимо для устойчивого развития человеческой цивилизации. Поэтому уже сейчас возникает необходимость разработки теоретических подходов и экологических программ, обеспечивающих снижение выбросов парниковых газов в атмосферу.

Мировая практика наработала возможные пути решения этой проблемы.

1. Традиционные направления:

· развитие технологий, обеспечивающих снижение удельного расхода первичных энергоносителей на единицу производимой чистой энергии;

· развитие энергосберегающих технологий при передаче энергии и использовании энергетических агрегатов.

2. Нетрадиционные направления:

· развитие технологий утилизации диоксида углерода путем химических преобразований для получения продуктов органической химии;

· развитие технологий поглощения («связывания») СО₂ с использованием различного вида адсорбентов.

3. Альтернативные направления:

· диверсификация топливно-энергетического баланса заинтересованных стран;

· увеличение доли гидроэнергии, энергии ветра, биомасс и других нетрадиционных источников.

Однако помимо перечисленных технических, технологических и организационных мероприятий по сокращению поступления парниковых газов в атмосферу, существуют и принципиально новые подходы.

1. Идея консервации вырабатываемых парниковых газов в подземных хранилищах.

Суть идеи состоит в том, что по мере исчерпания запасов минерального сырья мы сможем эффективно использовать подземное пространство для решения экологических задач.

В результате проведенных исследовательских работ был сделан вывод о возможности использования в качестве хранилищ диоксида углерода следующие основные типы подземных объектов:

ь отработанные нефтяные и газовые месторождения;

ь природные ловушки, обладающие необходимыми коллекторными и экранирующими свойствами;

ь подземные выработки ряда отработанных месторождений полезных ископаемых;

ь выявленные, но не использованные резервные хранилища природного газа.

Рассматриваемая идея консервации углекислого газа в подземном пространстве обладает определенным количеством важных экологических, технологических и экономических преимуществ.

Наиболее значимые из них следующие.

Во-первых, появляется возможность сократить поступление диоксида углерода в атмосферу, независимо от изменения объемов его выработки, что особенно ценно в условиях роста промышленного производства и потребления энергии.

Во-вторых, снижается риск неблагоприятных экологических последствий производства диоксида углерода, так как его консервация в подземных резервуарах не сопряжена с какими бы то ни было отрицательными последствиями для окружающей среды, в частности - для подземных вод.

В-третьих, это вторичное использование инженерных и горно-технических сооружений, практически не требующее привлечения дополнительных инвестиций.

На сегодняшний день Российская Федерация располагает большим количеством подземных объектов, которые могут быть использованы в качестве резервуаров для хранения углекислого газа. Этот потенциал открывает широкие возможности для поиска и реализации наиболее эффективных решений.

Самый большой экономический эффект может быть получен при использовании в качестве указанных резервуаров отработанных месторождений природного газа, а также выявленных в процессе нефтегазоразведочных работ непродуктивных геологических объектов, обладающих необходимыми экранирующими свойствами.

Таким образом, по мере истощения минерально-сырьевой базы страны программа консервации диоксида углерода может стать альтернативным направлением комплексного использования недр и поддержать в стратегической готовности устойчивое развитие горной промышленности России.

2. Углерод, изъятый из атмосферы, можно хранить в почве.

Для того чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере, ученые предлагают растительные остатки, образующиеся как отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, не сжигать, а превращать в древесный уголь, который затем можно вносить в почву. Будучи весьма устойчивым, он будет сохраняться там столетиями. Смысл этой операции в том, чтобы углерод, изъятый из атмосферы в ходе фотосинтеза, надолго вывести из обычного круговорота.

Сжигание ископаемого топлива неизбежно ведет к увеличению содержания в атмосфере углекислого газа (CO₂), а это в свою очередь чревато дальнейшим развитием глобального потепления и подъемом уровня Мирового океана.

Всё чаще появляются работы, в которых говорится о необходимости крупномасштабного связывания углерода атмосферы (CO₂) и о выводе его из глобального круговорота на время, измеряемое, по крайней мере, столетиями и тысячелетиями.

Экологи ищут простые способы связывания углерода атмосферы и по возможности долгого удержания его в форме, которая бы за счет природных процессов не превращалась снова в CO₂. Выращивание лесов и вообще восстановление естественного растительного покрова, безусловно, способствует изъятию углекислого газа из атмосферы и накоплению углерода в тканях растений и в органическом веществе почвы. Однако как только леса и другие растительные сообщества достигают своей зрелости, поглощение CO₂ в ходе фотосинтеза уравновешивается выделением этого газа в результате дыхания -- как самих растений, так и, главное, организмов-редуцентов (грибов и бактерий), осуществляющих разложение отмерших растительных остатков. Соответственно, чтобы препятствовать возврату CO₂ в атмосферу, необходимо сделать углерод органического вещества недоступным для редуцентов. Образовавшееся органическое вещество растений подвергают нагреванию в условиях дефицита кислорода (процессу пиролиза) и получают древесный уголь. Содержание углерода в древесном угле примерно в два раза выше, чем непосредственно в массе растительных остатков, но бактерии и грибы не могут использовать его для своих нужд. Поэтому, будучи внесенным в почву, древесный уголь может там сохраняться довольно долго -- столетия, а возможно, и тысячелетия (по крайней мере, такого возраста естественно образовавшийся древесный уголь известен).

Возможностям подобной формы захоронения углерода посвящена недавно появившаяся в журнале Science статья Йоханнеса Лемана (Johannes Lehmann) с Факультета зернового хозяйства и земледелия Корнельского университета (Итака, США). Схема предлагаемой технологии показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема обычного круговорота углерода в природной экосистеме (слева) и включающая переработку растительных остатков в ходе пиролиза (справа)

В ходе обычного круговорота веществ в природных экосистемах углерод CO₂ связывается в процессе фотосинтеза, после чего примерно половина его расходуется на дыхание самих растений, а половина в виде органического вещества растительных остатков попадает на поверхность почвы, где разлагается грибами и бактериями до простых компонентов. Весь CO₂, выделившийся при дыхании как растений, так и редуцентов, возвращается в атмосферу. Можно, конечно, растительные остатки собрать и пустить на переработку, получив из него «биотопливо». Это, в общем, неплохо, так как экономится ископаемое топливо, но по отношению к углероду, находящемуся в атмосфере в виде СО₂, данная технология нейтральна: при сжигании биотоплива весь CO₂, когда-то связанный в ходе фотосинтеза, снова возвращается в атмосферу.

Гораздо лучше, по мнению автора статьи, технология превращения растительных остатков в древесный уголь (что также показано на схеме), особенно если газы, выделяющиеся в процессе пиролиза, уловлены и использованы как биотопливо. Образовавшийся древесный уголь вносится в почву, например, в смеси с навозом или минеральными удобрениями.

На основе проведенных расчетов Леман полагает, что технология связывания атмосферного углерода в древесном угле может быть широко использована в трех случаях. Во-первых, это пиролиз остатков деревьев при промышленной заготовке леса. Во-вторых, пиролиз быстро растущей растительности на заброшенных сельскохозяйственных угодьях. В-третьих, пиролиз остатков сельскохозяйственных культур.

Во всех случаях подразумевается, что древесный уголь вносится в почву, а не сжигается. Очевидно, что стратегия связывания углерода в древесном угле оправдана только там, где есть в большом количестве запасы дешевой биомассы. Внедрение данного метода в практику определяется тем, насколько выгоднее будет сохранять древесный уголь в почве по сравнению с его сжиганием.

С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года. Его целью является сокращение развитыми странами к 2008-2012 годам суммарных выбросов в атмосферу углекислого газа на 5,2% по сравнению с выбросами 1990 года.

Киотский протокол - первое совместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды. Киотский протокол обязывает переходить на энергосберегающие технологии и требует от развитых стран передачи этих технологий развивающимся странам.

Понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей. Поэтому возникает необходимость разработки теоретических подходов и экологических программ, обеспечивающих снижение выбросов парниковых газов в атмосферу, которые включают традиционные, нетрадиционные и альтернативные направления.

Конечно, не менее важно применение принципиально новых подходов к уменьшению концентрации углекислого газа в атмосфере. Например, идея консервации вырабатываемых парниковых газов в подземных хранилищах. Суть которой состоит в том, что по мере исчерпания запасов минерального сырья мы сможем эффективно использовать подземное пространство для решения экологических задач. Или, чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере, ученые предлагают растительные остатки, образующиеся как отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, не сжигать, а превращать в древесный уголь, который затем можно вносить в почву.

Заключение

В процессе выполнения данной работы мы проработали 35 научных источников.

Мы определили, что биогеохимическая машина Земли представлена циклами элементов, связанных между собой. Это углерод, кислород, азот, кальций, магний, фосфор, сера, кремний, железо. И главенствующим является цикл органического углерода. В истории Земли основным источником СО₂ является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. В ходе жизнедеятельности организмов (в процессе дыхания) и при вулканических извержениях углерод возвращается в атмосферу и гидросферу. Определенное количество его отлагается в литосфере и педосфере и расходуется на углекислотное выветривание алюмосиликатов и образование различных углеродистых соединений. Извлеченный из атмосферы углерод, и захороненный даже в виде карбонатов, не говоря уже о захороненной органике, извлекается из нее все же не навсегда. По прошествии некоторого, часто очень значительного времени (до сотен миллионов лет и более), он возвращается обратно в атмосферу и участвует в дальнейшем круговороте.

Нами рассмотрены биогеохимические круговороты углерода, которые протекают в пространстве и времени.

По длительности (периодичности) и пространственному развитию можно выделить относительно короткие (часы - тысячи лет) биогеохимические круговороты (малый и ландшафтный биогеохимические циклы углерода) и биогеохимический цикл, соизмеримый с геологической историей (большой биогеохимический цикл углерода).

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера. Основное связующее звено в круговороте этого элемента - атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижной форме - в виде оксида углерода (IV).

Мы определили, что в атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х10² Гт углерода. Но небольшим содержание СО₂ в атмосфере было далеко не всегда - так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа.

В работе описаны содержащиеся в атмосфере газы (водяные пары, углекислый газ, метан и некоторые другие), которые поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. В результате происходит разогрев атмосферы, который называют «парниковым эффектом». Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО₂) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере и катализирует парниковый эффект.

Но существует мнение, что насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта. Однако удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере.

Также прослежена эволюция содержания углекислого газа в геологические эпохи: накопление СО₂ в межледниковые периоды, интенсивное извлечение из атмосферы, минимальное содержание и наступление оледенений, замедление захоронения СО₂ и снова накопление. Интересно, что по данным ледниковых кернов, при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО₂ и температура меняются синхронно, то при обратном переходе концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура. Эта альтернативная точка зрения может стать научной базой для решения данной проблемы.

Возможно, на данном этапе происходит тепловое загрязнение. То есть выделение большого количества тепла человеком повышает глобальную температуру атмосферы, тем самым, увеличивая концентрацию свободного углерода за счет выделения его из океана.

Нами выявлено, что количество парниковых газов в воздухе стало заметно расти после начала промышленной революции в Европе, около 1750 года. С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года.

Проанализировав аспекты Киотского протокола, мы пришли к выводу, что он необходим, как первое совместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды.

Мы считаем, что понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей, решение которой необходимо для устойчивого развития человеческой цивилизации. Нами рассмотрены возможные пути решения этой проблемы (традиционные, нетрадиционные и альтернативные направления и принципиально новые подходы), наработанные мировой практикой.

углерод атмосфера биосферный химический

Литература

1. Антонов Б.И., Пронин И.С., Пронин С.И. О Киотском протоколе и не только о нем Приложение к журн. "Безопасность жизнедеятельности". - 2005. - N 2. - С.12-24.

2. Арефьев В.Н., Каменоградский Н.Е., Кашин Ф.В. Углекислый газ в континентальной атмосфере // Метеорол. и гидрол. - 1995. - N 4. - С.87-96.

3. Богданкевич О.В. Лекции по экологии. - М.2002.

4. Борисенков Е.П. Климат и его изменения. - М.: Знание.- 1976.-64с.

5. Борисенков Е.П., Кондратьев К.Я. Круговорот углерода и климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988

6. Будыко М.И. Глобальная экология. - М.: Мысль, 1977.

7. Будыко М.И., Ефимова Н.А., Лугина К.М. Современное потепление // Метеорол. и гидрол. - 1993. - N 7. - С.29-34.

8. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем.- Л.: Гидрометеоиздат, 1980

9. Будыко М.И. Проблема углекислого газа. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1997. - 60с.

10. Валяев Б.М., "Углеводородная дегазация Земли и генезис нефтегазовых месторождений" // "Геология нефти и газа", № 9, 1997 г.

11. Величко А.А. Потепление климата - взгляд в будущее // Наука в России. 2002. - N 3. - С.43-52.

12. Вернадский В.И. Биосфера. - М.: Мысль, 1967.

13. Виноградова М.Г. Космические истоки абиогенного углерода и его производных // Известия РГО. 2006. -Т.138, вып.4. - С.30-36.

14. Воробьев В.Н., Саруханян Э.И., Смирнов Н.П. "Глобальное потепление" миф или реальность? // Проблемы теоретической и прикладной экологии: Сб. науч. тр. - СПб.: РГГМУ, 2005. - С.10-26. - Библиогр.: 31 назв.

15. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Потепление неотвратимо? // Земля и Вселенная. - 2003. - N 3. - С.21-30.

16. Гурни Кевин. Глобальное потепление и парниковый эффект // Энергетика и безопасность. - 1998. - N 5. - С.3-4, 10-12.

17. Демирчян К.К., Демирчян К.С., Кондратьев К.Я. Темп роста концентрации СО₂ и уточнение его прогнозных оценок // Изв. АН. Энергетика. - 2001. - N 1. - С.3-25.

18. Демирчян К.С., Кондратьев К.Я. Глобальный круговорот углерода и климат // Известия РГО. 2004. - Т.136, вып.1. - С.16-2.

Размещено на Allbest.ru