Воздействие энергетики на биосферу и проблема антропогенного изменения климата

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИКИ НА БИОСФЕРУ И ПРОБЛЕМА АНТРОПОГЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА

Содержание

Введение

1 Биосфера Земли и антропогенное воздействие

2 Энергетика и загрязнение окружающей среды

3 Проблема антропогенного изменения климата

4 Энергетика и выбросы парниковых газов

Выводы

Использованы источники

Введение

Тема контрольной работы «Воздействие энергетики на биосферу и проблема антропогенного изменения климата» по дисциплине «Охрана окружающей среды».

В условиях технически «вооруженного» общества на человека воздействует огромное количество факторов, находящихся периодически или постоянно за пределами толерантности человеческого организма. Это шум, вибрация, температура, электромагнитные поля, примеси веществ в воздухе, воде и почве, радиация и т. д. Все эти факторы являются элементами современной экологической ниши человека. По отношению к ним устойчивость человека мала, и факторы оказываются лимитирующими -- разрушающими экологическую нишу. Теперь к этим факторам добавилось и изменение климата.

В последнее время большое значение приобрела проблема антропогенных выбросов парниковых газов (ПГ), которая за десять лет из научной стала экологической, экономической и политической проблемой. Произошло это после того, как ученые доказали прямую зависимость изменения климата от выброса ПГ. Сжигание ископаемого топлива приводит к росту концентрации ПГ в атмосфере и, как следствие, -- к потеплению.

По различным оценкам, доля Российской Федерации в глобальном объеме выбросов ПГ в настоящее время и на десятилетнюю перспективу будет составлять от 6 до 7%. В настоящее время, по данным МЭА1, доля СО2, имеющего российское происхождение, в мировых выбросах СО₂ составляет 6,4%. Несмотря на вызванное экономическим ростом некоторое увеличение объема выбросов ПГ в России, в обозримой перспективе Россия сохранит третье место в мире по выбросам ПГ -- после США и Китая. Сама доля Российской Федерации в мировых выбросах на фоне глобального экономического роста сохранится практически на неизменном уровне.

Деятельность перешла в практическую плоскость после подписания Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК) и Киотского протокола. На Третьей конференции сторон РКИК (Киото, 10 декабря 1997 г.) были установлены ограничения и квоты на снижение выбросов по шести видам ПГ, среди которых ведущее место занимает диоксид углерода (СО₂). Основная задача -- сократить выбросы углекислого газа от сжигания ископаемого топлива, а главный метод -- повышение энергоэффективности и развитие возобновляемых источников энергии.

Киотский протокол может стать первым шагом к сокращению глобальных выбросов ПГ.

Протокол предлагает механизмы гибкости, которые включают международную торговлю квотами, проекты совместного осуществления и механизмы чистого развития.

Цель работы - на основе статистических данных рассмотреть вопросы о биосфере Земли и антропогенном воздействии, энергетике и загрязнении окружающей среды, о проблеме антропогенного изменения климата и выбросах парниковых газов.

антропогенный загрязнение атмосфера энергетика климат

1 Биосфера Земли и антропогенное воздействие

Впервые понятие «биосфера» (от греч. bios -- жизнь, sphaira -- шар) было введено французским натуралистом Ж.Б. Ламарком в начале XIX в. Основы науки о биосфере были заложены в первой половине XX в. трудами нашего соотечественника академика В.И. Вернадского (1863-1945), вершиной творчества которого было учение о биосфере Земли (1926 г.). Естественное состояние биосферы обладает важной особенностью -- относительным постоянством некоторого среднего содержания составляющих ее веществ и соединений. Естественные периодические колебания концентраций компонентов (суточные, сезонные и др.) обычно не выходят за пределы нормального существования организмов.

Появление на Земле человека привело к тому, что специфическая оболочка Земли -- биосфера -- начинает преобразовываться. Поверхность земного шара, его природные оболочки подвергаются активному вмешательству и переустройству в интересах человека. Интенсивность преобразований увеличивается по мере развития человеческого общества, хозяйственной практики, новых источников энергии, роста научного знания. Новую стадию в эволюции биосферы В. И. Вернадский назвал ноосферой, «сферой разума». По мнению Вернадского, речь идет не о предстоящем уничтожении биосферы, а о преобразовании и дальнейшем развитии ее под влиянием прогрессивной антропогенной деятельности и превращении в ноосферу. Это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития.

Среди функций ноосферы -- сохранение и развитие здоровья человека, благополучия всего человечества. Однако современное состояние человеческого общества и отношение к природе заставляет задуматься о возможности перехода биосферы на эту стадию развития в обозримом будущем. Человечество, преследуя материальную прибыль от эксплуатации природы, стремительно приближается к разрушению планеты. Постоянно существующая опасность ядерных разрушений, хотя и уменьшившаяся сейчас, а также возможность необратимых климатических изменений и их последствий, представляют собой близкую угрозу. Такие компоненты современной проблематики глобальны по характеру, и даже крупные державы не справятся с ними в одиночку.

Под экосистемой понимается любое сообщество живых организмов и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое. Основные свойства экосистемы -- наличие круговорота веществ, противостояние внешним воздействиям, производство биологической продукции. Так, углерод, основная масса которого аккумулирована в карбонатных отложениях дна океанов (1,3·1016 т), в кристаллических породах (1,0·1016 т), в угле и нефти (3,4·1015 т), принимает участие в большом геологическом круговороте. Углерод является одним из наиболее важных биогенных элементов, его часто называют основой жизни в биосфере за его способность образовывать многочисленные пространственные связи с другими химическими элементами и тем самым обеспечивать огромное разнообразие органических веществ.

Относительно небольшие количества углерода содержатся в растительных тканях (5·1011) и в тканях животных (5·109 т). Этот углерод в процессе малого биотического круговорота поддерживает газовый баланс биосферы и жизнь в целом. Углерод, содержащийся в атмосфере в виде углекислого газа (23,5·1011 т), служит сырьем для фотосинтеза растений. Затем углерод с органическим веществом поступает к другим живым организмам. При дыхании растений и животных, а также при разложении мертвой органики в почве выделяется углекислый газ, в форме которого углерод и возвращается в атмосферу. Весь углекислый газ атмосферы оборачивается в процессе фотосинтеза за 300 лет. Антропогенное воздействие на цикл углерода связано со сжиганием топлива, выращиванием сельскохозяйственных растений и разведением домашних животных. Последние по своей биомассе существенно превышают биомассу диких животных и растений.

В своем развитии человеческое общество прошло через ряд различных экосистем, отличающихся друг от друга источниками энергии: экосистемы, движимые солнечной энергией (природные системы, зависящие от солнечного излучения), и движимые топливом экосистемы (современные промышленно-городские системы), а также их различные комбинации. В последние десятилетия XX в. часть мира, использующая в крупных масштабах нефть и другие горючие ископаемые, функционирует как экосистема, движимая топливом, а другая часть мира («третий мир») остается зависимой в основном от биомассы (пищи и древесины), т. е. находится на стадии экосистемы, движимой Солнцем. Это различие приводит как к серьезным экологическим проблемам, так и к экономическим и политическим конфликтам, так как энергообеспеченность общества является одним из главных условий высокого уровня развития общества. Выделяя несколько этапов взаимодействия природы и общества, исследователи акцентируют внимание на минувшем столетии -- эпохе научно-технической революции.

В настоящее время человек эксплуатирует более 55% суши, 13% речных вод.

В результате застройки, горных работ, опустынивания и засоления теряется от 50 до 70 тыс. км² земель в год. При строительных и горных работах перемещается более 4 тыс. км³ породы в год, извлекается из недр Земли более 1000 млрд. т/год различных руд, сжигается 18 млрд. т условного топлива, выплавляется более 800 млн. т различных металлов. На практике сегодня используется около 500 тыс. различных химических соединений. Из них 40 тыс. соединений обладают вредными свойствами, а 12 тыс. -- токсичны. Ежегодно рассеивается на полях свыше 500 млн. т ядохимикатов, 30% которых смывается в водоемы или задерживается в атмосфере.

Несовершенство современных технологий приводит к тому, что КПД использования сырья составляет в среднем всего 1-2%, остальная его часть идет в отходы.

Ежегодно в биосферу поступает более 30 млрд. т бытовых и промышленных отходов в газообразном, жидком и твердом состоянии. Для того чтобы обеспечить одного человека предметами существования, каждый год из Земли извлекается более 20 т сырья, которые затем рассеиваются в биосфере, радикально изменяя эволюционно сформировавшиеся биогеохимические циклы.

При таких темпах все вещество планеты вскоре может превратиться в отходы хозяйственной деятельности человека. Уже к середине 1980-х гг. общее количество бытовых отходов в мире составило около 1012 т. Эта цифра уже приближается к общей массе живых организмов и в 5 раз превышает годовое производство биомассы. Причем количество мусора удваивается раз в 6-8 лет. По этому показателю активность человечества сравнялась с активностью биосферы (несмотря на то, что биомасса человечества составляет всего 0,01% от биомассы биосферы, а используемый им поток энергии достигает десятых долей процента).

Таким образом, все современное воздействие человека на биосферу сводится к четырем главным формам:

- изменение структуры земной поверхности (распашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственных озер и морей и т. д.);

- изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (изъятие ископаемых, создание отвалов, выброс различных веществ в атмосферу и в воды);

- изменение энергетического, в частности теплового, баланса отдельных районов земного шара и всей планеты (выбросы тепла в результате сжигания топлива, ПГ и т. д.);

- изменения, вносимые в биоту3 (истребление некоторых видов, выведение новых пород животных и сортов растений, перемещение их на новые места обитания).

В отличие от естественных колебаний, антропогенное воздействие приводит к резкому, быстрому изменению среднего состояния природной среды в данном регионе. В составе природной среды появляются новые компоненты, характеризуемые термином «загрязненность».

Объектами загрязнений служат атмосфера, почва, вода, а также растения, животные, микроорганизмы. Источниками загрязнений являются промышленные предприятия, энергетика, бытовые отходы, химические вещества, вводимые человеком в экосистемы. Загрязнителем может быть любой физический объект, химическое вещество или биологический вид (микроорганизмы), концентрация которого выходит за рамки обычной. С экологической точки зрения загрязнения представляют собой комплекс помех в биогеоценозах5, воздействующих на потоки энергии, вещества и информации. Существуют два главных источника загрязнения атмосферы: естественный и искусственный (антропогенный). Естественными источниками загрязнения атмосферы служат: вулканизм, лесные пожары, пыльные бури, выветривание. Эти факторы не угрожают отрицательными последствиями экосистемам, за исключением некоторых катастрофических природных явлений. В отличие от естественных помех, ведущих к отбору наиболее приспособленных особей, антропогенные помехи ведут к массовой гибели организмов. С 1600 г. на Земле вымерло 74 вида птиц и 63 вида млекопитающих. Еще больше погибло подвидов птиц и зверей, из них не менее 80% погублено человеком. Сейчас ежедневно 140 видов живых организмов оказываются под угрозой исчезновения.

Дождевые тропические леса -- самые богатые экосистемы на планете. Занимая 8% ее площади, они дают приют почти половине живущих видов животных. Сведение этих уникальных лесов идет со скоростью 70-90 тыс. км²/год.

В свою очередь антропогенные загрязнения делятся на физические, химические, механические, биологические и микробиологические.

К физическим относят загрязнения, связанные с изменением физических параметров среды. Это тепловое, световое, шумовое, электромагнитное, радиоактивное загрязнения.

Тепловое загрязнение является результатом повышения температуры среды в связи с промышленными выбросами теплой воды, потоков дымовых газов или воздуха. Вторичное тепловое загрязнение может быть вызвано изменением химического состава атмосферы вследствие выброса ПГ (углекислого газа, метана, фтор- и хлоруглеродов).

Явления макрозагрязнения стали глобальными по масштабу и не могут быть устранены отдельными странами самостоятельно. Сейчас существуют четыре основных вида макрозагрязнения:

- выброс токсичных веществ (биологически неразрушимые химические и радиоактивные отходы). Вначале было обнаружено широкое распространение ДДТ, который был найден даже в яйцах пингвинов в Антарктике, т. е. оказалось, что молекула может проникнуть в цепочку пищевых продуктов. В дальнейшем было обнаружено множество других токсичных материалов и осознана угроза проникновения в течение нескольких десятилетий вирулентно токсичных материалов в основные водные артерии мира. До сих пор не решена проблема захоронения радиоактивных отходов, так как из-за продолжительного периода полураспада многих радиоизотопов их хранение требует очень длительного времени; (без учета выбросов парниковых газов), %.

- повышение кислотности вод в озерах и гибель лесов в результате воздействия выбросов из труб электростанций, работающих на угле, металлургических заводов и т. п. стало международной проблемой. Например, озера и леса восточной Канады страдают от дыма Питсбурга, Скандинавии -- от кислотных газов английского Мидлендса и Рура. Многое можно сделать на местном уровне путем очистки газов, выделяемых трубами, однако это трудное и дорогостоящее дело.

Рис. 1. Вклад различных отраслей промышленности в общее загрязнение атмосферы

Кроме того, механизм повышения кислотности до конца еще не изучен;

- загрязнение верхних слоев атмосферы, которое вызывается хлорфтористым углеводородом, применяемым в аэрозолях и холодильных установках. Несколько лет назад были обнаружены огромные дыры в озоновом слое над Антарктидой, одной из причин возникновения которых было использование хлорфтористого углеводорода. Существует опасение, что через эти дыры будет проникать мощное ультрафиолетовое излучение, которое может повысить риск заболеваний раком кожи и другими болезнями. На Монреальской конференции 1989 г. была достигнута общая договоренность относительно решения этой проблемы путем разработки и использования в аэрозолях веществ, безвредных для озонового слоя;

- наиболее угрожающим макрозагрязнением является антропогенное усиление парникового эффекта. Суть его заключается в том, что парниковые газы поглощают длинноволновое излучение Земли. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере приводит к глобальным изменениям климата. Часть диоксида углерода поглощается биотой, но его накопление в атмосфере в последние десятилетия намного превышает возможности живых организмов регулировать этот процесс. Со времен промышленной революции концентрация углекислого газа возросла более, чем на 25%, закиси азота - на 19% и метана - на 100%. Повышение концентрации СО² в атмосфере вызвано сжиганием ископаемого топлива, и вырубкой тропических лесов.

Рис. 1.2. Использование первичной энергии в различных странах, %.

2 Энергетика и загрязнение окружающей среды

Антропогенное загрязнение атмосферы в последние десятилетия приобрело глобальный характер. Источниками загрязнения атмосферы служат теплоэнергетика, промышленность, нефте- и газопереработка, транспорт, сельское хозяйство.

Каждый из этих источников, каждая отрасль производства связаны с выбросами тех или иных веществ. Вклад различных отраслей промышленности в общее загрязнение атмосферы приведен на рис. 1.

Современная энергетика -- крупная высокоразвитая отрасль промышленности, тесно связанная со всеми отраслями экономики. На рис. 2 приведены основные направления использования первичной энергии в ряде стран мира.

Предприятия, вырабатывающие энергию, различные потребители энергии, а также предприятия, добывающие и перерабатывающие природные ресурсы для энергетики, объединены в ТЭК, одним из результатов функционирования которого является отрицательное воздействие на биосферу. Воздействие энергетики на биосферу проявляется на всех стадиях производства энергии: при извлечении и транспортировке ресурсов, при производстве, передаче и потреблении энергии.

Например, извлечение угля связано с изменением ландшафта, с образованием шахт, карьеров, отвалов; транспорт угля -- с потерями, рассеиванием твердых частиц в почву и в атмосферу. При сжигании органического топлива образуются оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенные (например, бенз(а)пирен С₂ОН₁₂), и другие вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии. Передача электроэнергии приводит к образованию мощных электромагнитных полей вблизи линий электропередачи. Работа энергетических установок неизбежно связана с выбросами тепловой энергии.

Кроме того, из пользования изымаются большие площади земель, особенно при сооружении гидроэлектростанций.

Воздействие тепловых электростанций ТЭС на окружающую среду зависит от используемого топлива. При сжигании твердых видов топлива в атмосферу поступают летучая зола, частицы несгоревшего топлива, сернистый и серный ангидриды, окислы азота, фтористые соединения. В золе содержатся разные токсичные соединения -- мышьяк, двуокись кремния, оксид кальция и другие. Использование жидких видов топлива (мазутов) исключает из отходов производства только лишь золу. При этом отпадает проблема золоотвалов, которые занимают значительные территории и являются источником постоянных загрязнений атмосферы в районе станции. При сжигании природного газа существенным загрязнителем являются окислы азота, но в среднем они на 20% ниже, чем при сжигании твердых видов топлива. Это объясняется не только свойствами самого топлива, но и особенностями его сжигания. Таким образом, экологический ущерб от вредных воздействий ТЭС на окружающую среду в случае использования газа будет минимальным в сравнении с другими видами топлива.

Сопоставление усредненных показателей по загрязнению атмосферы продуктами сгорания ТЭС при работе на различных видах топлива представлено на рис. 3.

Из-за высокого уровня развития промышленности 93% всех газовых выбросов сосредоточено в Северном полушарии Земли. Основная часть продуктов сгорания всех видов топлива (90%) выбрасывается на площади около 3% от поверхности планеты -- в Европе, Японии и Северной Америке. Из газообразных веществ в наибольших количествах выбрасывается углекислый газ и угарный газ, которые образуются при сгорании топлива (угля, нефти, газа, автомобильного топлива и др.). Самые токсичные соединения, выбрасываемые в атмосферу, -- диоксид серы и оксиды азота.

Рис. 3. Усредненные показатели загрязнения атмосферы тепловыми электростанциями (без учета выбросов парниковых газов), г/(кВт./ч)

Ежегодный мировой выброс этих газов составляет более 255 млн. т. Если бы один из самых токсичных оксидов -- сернистый ангидрид -- не перерабатывали высшие растения, то за 20 лет все высшие животные погибли бы. Источниками диоксида серы и оксидов азота являются угольные ТЭЦ, промышленные предприятия, автотранспорт. В воздухе эти газы реагируют с парами воды, образуя серную и азотную кислоту. В результате в отдельных регионах выпадают осадки, кислотность которых в 10-1000 раз превышает нормальную. Кислотным считается дождь, имеющий рН менее 5,6.

Загрязнение атмосферного воздуха имеет серьезные последствия. Создается угроза здоровью человека, нормальному функционированию экосистем. Для нормального функционирования и устойчивости экосистем и биосферы в целом не следует превышать определенные нагрузки на них. В связи с этим необходимо вести поиск наиболее чувствительных звеньев в экосистемах, найти показатели, соответствующие наиболее сильнодействующим факторам, а также источники такого воздействия. Эти мероприятия входят в систему экологического мониторинга, под которым понимают единую систему средств и методов непрерывного наблюдения за состоянием окружающей среды и систему прогнозирования результатов антропогенного воздействия на нее. В задачи мониторинга входит наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз состояния окружающей среды, выявление факторов и источников антропогенного воздействия, обоснование решений по рациональному использованию природных ресурсов, регулирование процесса природопользования. Организация мониторинга должна решать как локальные задачи наблюдения за состоянием отдельных экосистем, так и задачи планетарного порядка, т. е. предусматривать систему глобального мониторинга.

Электроэнергетика. Электроэнергетика лидирует по суммарным выбросам загрязняющих веществ в атмосферу. Ее доля в суммарных выбросах загрязняющих веществ промышленности от стационарных источников достигла в 2003 г. 21,7%. В 2005 г. выбросы загрязнителей составили 5,37 млн. т, что ниже уровня 1990 г. на 2,3 млн. т. В 1999 г. выбросы загрязнителей составили 3,9 млн. т, что ниже уровня 1998 г. на 56 тыс. т Сохранение устойчивой тенденции сокращения выбросов обусловлено увеличением до 64% доли природного газа в структуре топливно_энергетического баланса (ТЭБ). Кроме того, повышается экологическая культура эксплуатации тепловых станций, осуществляется внедрение на ТЭС технологий, направленных на повышение эффективности действующих золоулавливающих установок. В целях обеспечения нормативной базы по снижению воздействия на атмосферу от энергетических установок разработан и введен в действие ГОСТ Р 50831-95 «Установки котельных. Техническое оборудование. Общие требования», в котором установлены нормативы удельных выбросов для вновь вводимых котельных установок, соответствующие мировым стандартам.

Крупными источниками загрязнения окружающей среды являются нефтегазовые месторождения и магистральные трубопроводы. Загрязнение почвы, грунтовых и поверхностных вод нефтью и ее компонентами, высокоминерализованными пластовыми и сточными водами, шлаками происходит также на стадии подготовки нефтегазового сырья к переработке. При этом в атмосферу поступает значительное количество компонентов нефти, нефтяной газ и продукты его сгорания.

Нефтедобывающая промышленность. Основными загрязняющими компонентами при строительстве и эксплуатации магистральных нефтепроводов являются нефть и ее пары, сточные воды и продукты сгорания. Объемы выбросов загрязнителей в атмосферу сократились за период 1990-2005 г.г. в 1,8 раза, однако их доля в выбросах промышленности достаточно велика, в 2005 г. она составила примерно 8% от выбросов стационарными объектами промышленности. Основными загрязнителями в нефтедобывающей промышленности являются углеводороды -- 48%, оксид углерода -- 44% и твердые вещества -- 4,4%. Рост доли нефтедобычи в выбросах промышленности обусловлен в значительной степени сжиганием в факелах добываемого попутного газа. В настоящее время в целом по отрасли в факелах сжигается около 20% всего добываемого попутного газа, на отдельных месторождениях ОАО «Томскнефть», «ВНК», ОАО «НК «Юкос» этот показатель достигает 70%, что связано со значительным объемом ресурсов попутного газа и удаленностью месторождений от потребителей. Эффективным решением проблемы утилизации попутного газа является его использование на малогабаритных газогенераторных электростанциях, что позволит обеспечить потребности промыслов в электроэнергии и снизить эмиссию ПГ. Для улучшения экологической ситуации в нефтедобыче требуется ремонт и замена устаревшего оборудования нефтедобывающих предприятий, внутрипромысловых трубопроводов, с использованием труб с повышенными антикоррозийными свойствами. На наш взгляд, решение этой проблемы требует разработки и принятия соответствующей законодательной базы, а также Федеральной программы утилизации попутного нефтяного газа на объектах ТЭК, потери которого еще очень велики, особенно на вновь вводимых месторождениях.

Газовая промышленность. Объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников за 1990-2003 гг. сократились более чем в 3 раза (без учета выбросов метана). Следует отметить, что, несмотря на проводимую работу по снижению загрязнения атмосферного воздуха, выбросы загрязняющих веществ по газовой промышленности составили в 2003 г. Более 590 тыс. т. Основной причиной являются аварии на магистральных газопроводах, происходящие вследствие старения оборудования и отсутствия средств на капитальный ремонт. Увеличение нагрузки на окружающую среду обусловлено преимущественно ростом выбросов метана, с учетом которого выбросы загрязняющих веществ в 2005 г. составили 1,83 млн. т Эмиссия метана и углекислого газа в газовой отрасли происходит на всех стадиях технологического процесса. Доминирующее влияние оказывает газотранспортная система, на долю которой приходится 70% всех выбросов [7].

В настоящее время на российских объектах газовой промышленности реализуется международный «Проект снижения выбросов парниковых газов при производстве и потреблении метана в России». Прогнозируется, что реализация предусмотренных мер позволит снизить потери природного газа на 3 млрд. м³. По экспертной оценке, доля потерь газа из распределительных газопроводов ОАО «Газпром» по всей технологической цепочке движения газа к потребителям составляет 25-29% от суммарной эмиссии метана по отрасли в целом [18]. По отдельным этапам она составляет: добыча газа и переработка -- 16-19% и 5-7%, в транспорте газа по магистральным газопроводам и хранении -- 51-60%. Доля эмиссии метана из газораспределительных сетей США (по данным исследований, выполненных американскими специалистами в 1991-1996 гг. по контракту с Федеральным агентством защиты окружающей среды) составила 24-43% [61].

Угольная промышленность. Выбросы вредных веществ в атмосферу угольной отраслью за период 1990-2005 гг. снизились в 1,5 раза. Ее доля в выбросах промышленности составляет 4,8% (2003 г.). В 2005 г. общий объем выбросов загрязнителей в атмосферный воздух составил 450 тыс. т Следует отметить тенденцию роста выбросов, обусловленную сжиганием метана в отвалах (в настоящее время горит около 60 отвалов; в последние годы ресурсы метана в шахтных забоях возросли до 400 млн. м³, в этой связи увеличилось количество взрывоопасных ситуаций и реальных аварий на угольных шахтах) [41].

По оценкам специалистов, в Кузбассе общие ресурсы метана составляют 10-13 трлн. м₃ (газовыделение углей составляет 20-25 м³ на 1 т угля), промышленные запасы метана Печорского угольного бассейна достигают 2 трлн. м³. Использование метана угольных пластов в энергетических установках позволит снизить затраты на теплоснабжение и улучшить экологическую ситуацию в жилых поселках за счет отказа от сжигания угля. По сравнению с другими энергоносителями уголь содержит наибольшее количество серы -- 0,2-7,0%, мазут -- 0,5-4,0%, дизельное топливо -- 0,3-0,9%, природный газ -- незначительную долю [81].

В условиях растущего дефицита природных ресурсов, увеличения масштабов и количества техногенных аварий и катастроф важнейшим направлением развития ТЭК России и субъектов Федерации в перспективе является повышение эффективности использования ТЭР, снижение отрицательного влияния деятельности ТЭК на окружающую природную среду в целях предотвращения экологической катастрофы и создание условий для перехода на энергосбережение. Приоритеты «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» следующие:

- энергоэффективность экономики и энергосбережение;

- совершенствование топливно-энергетического баланса страны и структуры ТЭК;

- энергетическая безопасность (устойчивость энергоснабжения, техническая и экологическая безопасность ТЭК, поддержание энергетического потенциала как фактора внешней и внутренней политики).

Энергосбережение является наиболее эффективным и приоритетным видом природоохранной деятельности в ТЭК, в связи с чем выделяются три его основных направления:

1. Экономия энергии в добыче, транспортировке, переработке ТЭР, производстве и распределении электро- и теплоэнергии. При реализации этого направления основной эффект может быть получен, например:

- в нефтедобыче -- от более полной утилизации попутного нефтяного газа, резерв составляет до 20%;

- в перерабатывающей промышленности -- увеличение глубины переработки нефти с 63 до 90% позволит сэкономить до 60 млн. т у.т./год (около 14% годового объема добычи);

- в газотранспортных системах -- от замены газотурбинных приводов на компрессорных станциях электрическими;

- в теплоснабжении -- от централизации, т. е. замены мелких котельных более эффективными крупными установками теплоснабжения;

- во всех отраслях ТЭК -- от уменьшения потерь, а также сокращения собственного потребления ТЭР, от утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

2. Экономия «конечной» энергии в сфере ее использования в народном хозяйстве. Главными источниками данного направления энергоснабжения являются:

- снижение материалоемкости и, следовательно, энергоемкости производимой продукции, сокращение ее потерь (переход к новым видам оборудования и технологиям);

- использование ВЭР, вырабатываемых в различных неэнергетических отраслях народного хозяйства;

- структурная перестройка экономики в направлении увеличения доли неэнергоемких отраслей в производстве валового внутреннего продукта (ВВП) может обеспечить 50-60% необходимого прироста энергопотребления, поскольку энергоемкость продукции промышленности, строительства и сферы услуг в 8-10 раз меньше, чем в ТЭК, и в 12-15 раз меньше, чем в металлургии.

3. Замещение расхода органического топлива альтернативными энергетическими источниками. Третье направление энергосбережения должно происходить, прежде всего, в электроэнергетике, потребляющей почти 75% всего котельно-печного топлива путем все большей выработки электрической и тепловой энергии на базе использования АЭС, ГЭС, а также использования энергетических установок на возобновляемых нетрадиционных источниках энергии (геотермальная энергия, энергия солнца, ветра, биомассы и др.) [24].

Перечисленные направления энергосбережения, сопровождаемые одновременным снижением нагрузки на окружающую среду, можно классифицировать по количеству затрат, требующихся для их реализации:

- малозатратные мероприятия, связанные с рациональным использованием топлива и энергии, позволяют сократить потребление энергоресурсов на 10-12%;

- капиталоемкие мероприятия, направленные на использование энергосберегающих технологий, оборудования, приборов учета расходуемой энергии и др.(возможно снижение потребности в энергоресурсах на 25-30%).

Реализация потенциала энергосбережения и решение экологических проблем обусловливают необходимость проведения энергоэффективной политики во всех сферах народного хозяйства, расширение использования экологически более чистых видов топлива и источников энергии, законодательное регулирование в области энергопотребления, использование экономических санкций за превышение установленных нормативов загрязнения окружающей среды.

В настоящее время основная часть вырабатываемой электрической энергии производится тепловыми электростанциями, поэтому именно ТЭС представляет собой основной объект для изучения отрицательного влияния на биосферу. Воздействие энергетики России на окружающую среду представлено на рис. 4.

Рис. 4. Воздействие энергетики на окружающую среду в России (без учета выбросов парниковых газов)

Низкий уровень использования ТЭР обусловлен недостаточным совершенством применяемых классических методов преобразования топлива в электрическую энергию, низким коэффициентом полезного действия двигателей, наличием больших потерь при транспортировке и потреблении конечной энергии. Резервы экономии ТЭР в настоящее время имеются практически во всех звеньях энергетического цикла: при добыче топлива, его транспортировке, переработке, при выработке тепловой и электрической энергии, ее передаче и использовании. Нужно навести порядок в энергохозяйстве, разрабатывать программу сокращения выбросов ПГ в атмосферу, нужно серьезно, систематично заняться энергоэкономией. Народное хозяйство России во всех отношениях только выиграет от этих мер.

Охрана окружающей среды до сих пор сводилась к лечению, а не к профилактике. Задача будущего -- не допустить, чтобы последствия загрязнения стали необратимыми. Главная проблема сегодня -- глобальное потепление. Решить ее можно только усилиями всего мирового сообщества. Здесь есть три пути:

- экономия и повышение эффективности использования энергоресурсов;

- сокращение выбросов двуокиси углерода, т. е. уменьшение использования ископаемых видов топлива;

- восстановление лесов, особенно в тропиках.

Сегодня приоритет следует отдать первому направлению, мобилизовав соответственно мотивационные рыночные механизмы и обратив внимание на препятствующие нерыночные факторы, такие как поведение и привычки миллионов людей, от которых зависит потребление энергии в домашнем хозяйстве и быту.

Целью политики в области обеспечения экологической безопасности является последовательное ограничение нагрузки ТЭК России на окружающую среду, приближение к соответствующим европейским экологическим нормам.



Рис. 5. Планетарная температура 100 миллионов лет назад, в Средние века, и прогноз до 2100 года

3 Проблема антропогенного изменения климата

Всей полноты научного обоснования, почему настолько чаще и сильнее стали аномальные явления (наводнения, засухи, резкие периоды жары и т. п.), еще нет и в ближайшие годы не будет, но уже зафиксировано серьезное вмешательство человека в природу.

Главное -- три из четырех ступеней научных знаний уже обоснованы:

- есть вызванное человеком изменение концентрации углекислого газа в атмосфере,

- есть парниковый эффект как физическое явление и его антропогенное усиление,

- есть повышение средней температуры и его могут объяснить математические модели.

С помощью моделей удается детально описывать процессы циркуляции атмосферы и океана, включая и парниковый эффект. В последние 25 лет такие модели активно развивались, и сейчас в этой области удалось достичь большого прогресса. Также кардинально изменилась компьютерная техника. В результате модели «умеют» воспроизводить динамику атмосферы и океана, образование и таяние снежного покрова и морских льдов. Таким образом, можно смоделировать средний климат или набор его наиболее вероятных состояний на тот или иной год при определенных входных параметрах. В число входных параметров включена и концентрация в атмосфере ПГ, и весь ряд естественных факторов, в частности, вулканическая деятельность. Такие модели позволяют «расщепить» естественные и антропогенные факторы. Расчеты показали, что в целом именно антропогенные факторы вносят главный вклад в изменение климата, начиная примерно с 1960 г. Если взять только естественные причины, то с 70-х гг. XX в. модельные кривые кардинально отличаются от данных наблюдений.

- Существует новое и убедительное свидетельство того, что основная часть имеющего место потепления за последние 50 лет обусловлена деятельностью человека» [96]. Глобальные климатические модели указывают на то, что увеличение концентрации СО₂ через несколько десятилетий приведет к повышению температуры поверхности Земли на 1,5-4,5 °С. Повышение концентрации других ПГ еще больше усугубит проблему.



Рис. 6. Антропогенные и естественные факторы, изменяющие радиационный баланс атмосферы и уровень научных знаний, www.ipcc.ch.

Климат на Земле никогда не был неизменным. Он подвержен колебаниям в разных временных масштабах, начиная от десятилетий до тысяч и миллионов лет. К числу наиболее заметных колебаний относится цикл порядка 100 тыс. лет: ледниковые периоды, когда климат Земли был холоднее по сравнению с настоящим, и межледниковые периоды, когда климат был теплее. По мнению ряда ученых, и сейчас мы находимся в движении от одного ледникового периода к другому, но скорость изменений очень мала -- порядка 0,02 °С за 100 лет.

За последние 10 тыс. лет средняя глобальная температура немного уменьшилась, причина тому -- активная вулканическая деятельность и ряд других естественных причин. Однако в XX в. она резко повысилась. С начала промышленной революции изменение климата происходит резко ускоренными темпами (по порядку величины в 1000 раз быстрее, чем движение к ледниковому периоду) и в результате деятельности человека, выбрасывающего в атмосферу ПГ при сжигании ископаемого топлива, а также уничтожившего большую часть лесов планеты.

По сравнению с доиндустриальной эпохой, с 1750 г., концентрация СО₂ в атмосфере выросла на треть: с 280 до 375 млн., причем основной рост пришелся на последние десятилетия ХХ в. Точность измерения концентрации СО₂ достаточно велика - 4%. Концентрация метана растет еще быстрее. К 2000 г. рост составил 151±25%. Тренд еще одного парникового газа -- закиси азота -- равен 17±5%.

Такой концентрации в последние сотни тысяч лет не было. По мнению большинства ученых, этого не было и в последние 20 млн. лет.

Еще в 1827 г. французский ученый Фурье дал теоретическое обоснование парникового эффекта: атмосфера пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает отраженную Землей длинноволновую тепловую энергию. В конце XIX в. шведский ученый Аррениус пришел к выводу, что из-за сжигания угля изменяется концентрация СО₂ в атмосфере, и это приводит к потеплению климата.

В 1957 г. проводился Международный геофизический год, и наблюдения показали, что идет значительный рост концентрации СО₂ в атмосфере. Российский ученый Михаил Будыко сделал первые численные расчеты и предсказал сильные изменения климата.

Парниковый эффект вызывается водяным паром, углекислым газом, метаном, закисью азота и рядом других менее значительных газов. Парниковый эффект был всегда, как только у Земли появилась атмосфера. Средняя температура у поверхности Земли равна 14°С, без парникового эффекта было бы -19 °С или на 33 °С ниже.

Потепления или похолодания на 2°С за последние несколько тысяч лет не было ни разу. Естественная изменчивость не превышала 1,5 °С. В теплый средневековый период (примерно 1000 лет назад, именно тогда было открыта Гренландия, названная викингами Зеленой землей) было существенно теплее, чем сейчас. Наиболее вероятно, что это было вызвано колебаниями орбиты Земли. Важно подчеркнуть, что тогда не было предпосылок дальнейшего усиления эффекта изменения климата. Атмосферные концентрации ПГ (таких как СО₂ и СН₄) оставались постоянными в течение всей доиндустриальной эры -- нескольких тысяч лет до 1850-х гг., после чего начался резкий рост концентрации СО₂. Изменения температуры в течение этого периода происходили вследствие естественных факторов, таких как вариации солнечной радиации и колебания орбиты Земли, вулканических выбросов.

Сейчас наблюдается антропогенное усиление парникового эффекта. При этом концентрация самого распространенного парникового газа Земли -- водяного пара -- не меняется. Теоретически можно представить влияние человека на водяной пар, например, при сильном изменении процессов испарения на большой территории. Однако это может случиться только в отдаленной перспективе. На потоки тепла большое влияние также может оказывать антропогенное изменение подстилающей поверхности, изменение альбедо из-за сведения лесов, таяния снежного покрова и т. п.

Тревогу вызывает не наблюдаемое сейчас изменение температуры, а антропогенное изменение химического состава атмосферы. Парниковый эффект хорошо изучен. Рост в атмосфере ПГ, прежде всего СО₂ и метана, по расчетам ученых, может привести к гораздо более сильному, чем сейчас, потеплению климата. Изменение температуры -- лишь сигнал, который подтверждает опасения. Проблема -- в беспрецедентном росте концентрации СО2, какого раньше никогда не наблюдалось в природе. Причина этого роста, -- прежде всего антропогенные выбросы СО₂ в атмосферу при сжигании ископаемого топлива.

Как было указано выше, поведение температуры в течение второй половины XX в. не может быть объяснено, если наряду с естественными факторами не включать антропогенные выбросы ПГ. Если эта тенденция сохранится, то прогнозируется дальнейшее изменение климата, причем неравномерное по земному шару.

«Отклик климатической системы на изменение содержания СО₂ -- это медленное и запаздывающее во времени увеличение глобальной средней температуры. Полученные изменения температуры в течение последних 140 лет обусловлены не только антропогенными выбросами, но и естественными факторами -- такими как изменения солнечной радиации, колебания орбиты, вулканические извержения и т. п. Но вклад каждого фактора, кроме СО2, в 10-100 раз меньше. Таким образом, главное влияние -- это антропогенный выброс СО₂ в атмосферу. Оценка вклада различных факторов в прогрев атмосферы показывает, что имеется комбинация разнонаправленных факторов, каждый из которых значительно слабее, чем результат роста концентрации в атмосфере ПГ, оцениваемый как прогрев на 2,2-2,7 Вт/м²» [50].

Неантропогенные выбросы углекислого газа всегда имели место. Однако биота с ними справлялась, она всегда поглощала избыточное количество углекислоты.

Рост концентрации наблюдался в периоды перестройки биоты, что было по причинам, которые -- в те времена -- не исчерпывали ее адаптационного потенциала применительно к изменениям такого рода. Но сейчас мы с полной очевидностью видим, что биота не справляется с этим ростом нагрузки. Выбросы углекислого газа для современной ослабленной биоты избыточны и непосильны. Нельзя отрицать наличия природообусловленных источников СO₂, никто из специалистов не говорит о том, что антропогенные выбросы имеют тот же порядок, что и природные. Но мы не должны забывать о том, что биота выступает регулятором состояния окружающей среды, а для того чтобы сломать регулятор, на него не нужно обрушивать массу, сопоставимую с массой системы, которую он регулирует. На него не нужно обрушивать поток энергии, сопоставимый с тем, который он регулирует. Регулятор всегда меньше по массе, по габаритам, по энергии, чем регулируемая система.

Естественные факторы -- такие как извержения вулканов, -- были, есть и будут важными для объяснения изменения климата. В результате извержений в атмосферу выбрасываются значительные объемы аэрозолей -- взвешенных частиц. Они разносятся тропосферными и стратосферными ветрами и не пропускают часть приходящей солнечной радиации. Однако эти изменения не являются долгосрочными, частицы относительно быстро оседают вниз. Так, крупное извержение вулкана Санторини в Средиземном море около 1600 г. до н. э., которое, вероятно, привело к падению Минойской империи, значительно охладило атмосферу, что видно по кольцам годового прироста деревьев. Извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. снизило среднюю глобальную температуру на 3 °С. В последующий год и в Европе, и в Северной Америке лета «не было», но за несколько лет все исправилось. Извержение вулкана Катмай (Аляска) в 1912 г., выбросившего 20 км³ пепла, вызвало уменьшение притока солнечной радиации на 10-20% и понижение среднегодовой температуры в Северном полушарии на 0,5 °С. В результате извержения вулкана Пенатубо в 1991 г. на Филиппинах на высоту 35 км было заброшено 20 млн. т диоксида серы и столько пепла, что средний уровень солнечной радиации снизился на 2,5 Вт/м2, что соответствует глобальному охлаждению по меньшей мере на 0,5-0,7 °С. Однако даже несмотря на это последнее десятилетие XX в. стало самым теплым за весь период наблюдений.

В 2002 г. мы видели беспрецедентные по масштабам наводнения в Западной и Южной Европе, на Кавказе, засуху в центральных областях России, лесные пожары и т. п. В 2003 г. -- рекордную жару в Европе, пересохшие реки, огромные экономические потери. Впервые за всю историю гидрологических наблюдений река Лена столь обмелела, что северный завоз крайне осложнился. Это сильно ударило по г. Ленску -- главной базе северного завоза, сильно пострадавшему от невиданного наводнения 2001 г. При этом цифры экономии на топливе из-за нескольких прошедших теплых зим в России выглядят благополучно только потому, что при калькуляции полностью проигнорированы факты замерзания крупных городов и даже регионов, в частности Приморского края. Тщательный анализ показывает, что ожидаемые выигрыши от потепления очень невелики, они с лихвой перекрываются гораздо более негативными и сильными вторичными эффектами.

Еще одним следствием глобального потепления будет подъем уровня моря, в нынешнем веке предположительно на 1 м, что приведет к затоплению районов, находящихся ниже уровня моря, и возможному затоплению обширных территорий в период штормов. Он будет повышаться постепенно, поэтому есть время предпринять соответствующие меры. Интересен факт, что за последние 100 лет средний уровень поднялся на 10-20 см, а средняя температура поверхности океана выросла на 0,5 °С.

Перестройка климата, которая произойдет вследствие потепления, может сильно ударить по России. Даже притом, что это холодная страна. На территории России в целом за ХХ в. потепление составило около 1 °С. За последние 50 лет скорость потепления увеличилась до 2,7 °С/100 лет, а после 1970 г. тренд составил уже около 4 °С/100 лет. Потепление ярко выражено зимой и весной и почти не наблюдается осенью. В Западной Сибири и Якутии за последние 30 лет рост зимних температур составил 2-3 °С, а на европейской территории страны гораздо меньше -- до 1 °С. В западных районах осенние температуры даже снизились.

К сожалению, потепление не будет мягким и плавным повышением средней температуры, что, вероятно, было бы неплохо для большей части территории России. Оно выразится в более неустойчивой погоде с большим числом аномальных явлений (жары, засух, сильных осадков и снегопадов, наводнений и т. п.). В центральной части страны в ближайшие десятилетия климат станет более «прибалтийским». В целом температура повысится на 2-5 °С.

Само собой разумеется, мы много потеряем при таянии мерзлоты, потому что там, где твердо и где можно сейчас пробурить скважины и провести трубопровод, сделать это нынешними технологиями будет невозможно. Там будут топкие болота. Поплывет вся северная инфраструктура, которая стоит на мерзлоте. А это -- основные нефть и газ Российской Федерации. Участятся и усилятся стихийные бедствия, связанные с водой.

Практически все климатологи мира и все климатологические модели приходят к выводу, что выпадение осадков будет гораздо более неравномерным, чем сейчас. Будут периоды сильных дождей, после чего будет наступать засушливый период. Это плохо для российского сельского хозяйства. Поэтому нужно считать не градусы, на которые станет теплее, а потери, которые из-за этого произойдут.

Они будут очень велики. В принципе, каждый человек, каждое животное, каждое растение лучше всего себя чувствует в тех условиях, к которым оно адаптировано изначально. Изменение этих условий не принесет положительного эффекта.

Возрастающие колебания климатической системы -- именно это будет наносить все больший и больший ущерб. Чтобы снизить силу катастрофических явлений через 50-100 лет, надо уже сегодня начинать снижать выбросы СО2, метана и других ПГ.

Изменение климата заставляет всерьез задуматься о побочных последствиях.

Сложность проблемы порождает и мифы, причем очень устойчивые. На многих форумах и в солидных газетах не раз звучали фразы, что Россия -- мировой донор кислорода, и нужен не Киотский протокол, а совсем другое соглашение о квотах и торговле кислородом. На первый взгляд, все понятно: Россия будет продавать квоты развитым странам. Еще в школе нас учили, что «леса -- легкие планеты».

А леса в России занимают огромную территорию. Раз в атмосфере намного больше СО₂, то меньше О₂. Отсюда вывод: нужно действовать, так как скоро будет нечем дышать… К счастью, это совершенно неверно.

По содержанию в атмосфере кислород намного превосходит другие газы: СО₂, озон, метан, оксиды серы и азота. Так как концентрации этих газов невелики, то антропогенное воздействие очень сильно сказывается на их изменении. Это и приводит к экологическим проблемам: «кислые дожди», усиление парникового эффекта, глобальное потепление, истощение озонового слоя и т. д. Эти проблемы не являются надуманными, и от их решения действительно зависит как существование человечества, так и функционирование биосферы.

И Россия, и промышленные страны западного мира, и бурно развивающиеся Китай и страны Юго-Восточной Азии используют в настоящее время не собственные кислородные ресурсы и не ресурсы других стран, а тот кислород, который был накоплен в атмосфере за время развития биосферы. Основным фактором этого накопления являлось захоронение органического углерода в осадочных породах литосферы. Возвращение этого углерода в атмосферу в массовых количествах невозможно, поскольку в ископаемом топливе содержится лишь 0,08% от общих запасов органического углерода литосферы. Поэтому кислородный ресурс атмосферы может в настоящее время рассматриваться как неисчерпаемый. Даже теоретическая возможность, связанная с полным сжиганием ископаемого топлива, не приведет к заметному снижению запаса атмосферного кислорода и каким-либо негативным экологическим последствиям. Другие серьезные возможности изменения человечеством запаса кислорода в атмосфере в настоящее время просто отсутствуют.

Антропогенное изменение климата -- относительно краткосрочный эффект.

В масштабе десятков тысяч и, тем более, миллионов лет оно незначительно, причем даже худшие сценарии не угрожают выживанию человека как биологического вида. Однако в ближайшие столетия изменение климата может оказать сильное негативное влияние на жизнь людей. Есть немало драматических примеров.