О необходимости разработки экологической повестки России
Александр Шохов
Кандидат философских наук, Ph.D.,
эксперт Сретенского клуба
Статья была опубликована в издании Сретенского клуба «Социально-экономический бюллетень 2021», страницы 86-94.
Скачать бюллетень: https://www.shokhov.com/bulletin-2021.pdf
Здесь публикуется расширенный вариант этой статьи с уточнёнными расчётами и оценками. Эта публикация будет продолжать редактироваться и дополняться, поскольку исследование далеко от завершения.
О необходимости разработки экологической повестки России
Климатическая повестка в ближайшие годы станет основной темой и инструментом внешней политики США. Величина углеродного следа, которая рассчитывается в тоннах в абсолютных величинах или в пересчёте на душу населения, становится одним из показателей, характеризующих переговорную силу того или иного государства. «План Байдена о революции чистой энергиии и экологической справедливости» (The Biden Plan for a Clean Energy Revolution and Environmental Justice, источник https://joebiden.com/climate-plan/) однозначно говорит о серьёзном намерении США использовать экологическую повестку во внешней политике. Для России это означает следование в русле навязанного ей со стороны дискурса. Разработка собственной экологической повестки выглядит актуальной внешнеполитической задачей Российского государства.
Аргументы президента США, на первый взгляд, просты и понятны, их можно найти во множестве публикаций и официальных документов ООН (в частности https://news.un.org/ru/story/2021/08/1407862):
- Главная причина потепления атмосферы — парниковый эффект,
- Главная причина парникового эффекта — выбросы парниковых газов в ходе человеческой деятельности.
- Те страны, которые снижают выбросы парниковых газов, делают благое дело для всего человечества, поскольку способствуют остановке нагрева атмосферы и спасают нашу планету от экологической катастрофы.
- Необходимо построить экономику с нулевым выбросом парниковых газов не позднее, чем в 2050-му году, иначе планета начнёт нагреваться слишком сильно, а это угрожает самому существованию человечества.
Что же не так в этих тезисах? На первый взгляд, они выглядят слишком уж простыми и линейными, несмотря на очевидные возможные альтернативы.
Учёный, привыкший подвергать сомнению каждое утверждение, мог бы спросить:
- Насколько твёрдо установлено, что причиной глобального потепления является именно парниковый эффект?
- Действительно ли выбросы парниковых газов человечеством играют настолько весомую роль в общем продуцировании парниковых газов всей планетой?
- Может ли быть так, что страны, снижающие свой «углеродный след», нагревают атмосферу каким-то другим образом, например, потребляя энергию, выработанную как с использованием углеводородных, так и с помощью «зелёных» источников? В таком случае, декарбонизация экономики — это всего лишь борьба за изменение способа нагревания нижних слоёв атмосферы, но не за то, чтобы атмосфера у поверхности планеты перестала нагреваться.
- Существуют ли другие способы охладить нижние слои атмосферы нашей планеты, кроме сокращения выбросов парниковых газов?
- Может ли быть так, что все усилия человечества, направленные на декарбонизацию экономики, не могут принести желаемого результата, и, если всерьёз решать проблему, нужно делать что-то совершенно иное?
Глобальное потепление — это факт
Сам факт глобального потепления мало у кого вызывает сомнения. Очевидное таяние ледников, слишком раннее освобождение от льда Северного Морского пути, таяние вечной мерзлоты и другие природные явления показывают, что среднегодовая температура нижних слоёв атмосферы действительно растёт. Причины глобального потепления при этом рассматриваются самые разные.
Рисунок 1. Многочисленные независимые показатели изменения глобального климата. Каждая линия представляет независимо определенную оценку изменения элемента климата
Источник https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2020/05/WGI_AR5_FAQ_RU.pdf, страница 124
Роль парниковых газов в парниковом эффекте
Причина, которая сегодня рассматривается в качестве основной — выбросы человечеством парниковых газов в результате экономической деятельности — вызывает множество сомнений. Ведь широко известно, что основным парниковым газом является вовсе не CO2, а водяной пар. Благодаря чему возникает парниковый эффект?
Атмосферные газы (водяной пар, углекислый газ, метан, закись азота и др.) задерживают часть длинноволнового излучения от поверхности Земли и рассеивают его в разные стороны, в результате чего происходит нагревание атмосферы. Интересно отметить, что если бы парниковых газов в атмосфере не было вообще, то приповерхностная температура воздуха была бы на 33-39°С меньше, т.е. климат Земли был бы практически непригоден для существования человеческой цивилизации.
Рисунок 2. Вклад атмосферных компонент в парниковый эффект (ВА — влагосодержание атмосферы)
Как можно видеть в последней строке приведённой таблицы, среднее значение вклада различных атмосферных компонент в парниковый эффект составляет следующие величины: влагосодержание атмосферы и облачность — примерно 75%, CO2 — примерно 20%.
Среднее значение в таблице рассчитывалось по трём климатическим моделям, это связно с тем, что разные парниковые газы имеют общие полосы спектра поглощения инфракрасного излучения, поэтому при математическом моделировании, чтобы выделить вклад каждого атмосферного газа, учёным приходится использовать различные методы, — в каждой приведённой в таблице климатической модели этот набор методов различен.
Средние величины, отображённые в таблице, могут означать, что стремление перейти на водородное топливо, активно декларируемое Европейским Союзом (источник https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/hydrogen_strategy.pdf), может иметь некоторый смысл, но совершенно не из-за углекислого газа. Результатом сгорания водорода является водяной пар, который, как было показано выше, играет в парниковом эффекте в 3,75 раз большую роль, чем CO2. При сжигании углеводородов, кроме углекислого газа, также образуется водяной пар.
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
2H2 + O2 = 2H2O
По химическим уравнениям видно, что количество молей водяного пара равно количеству молей сожжённого водорода, и в 2 раза больше, чем количество молей СН4. Учитывая, что 1 кг водорода выделяет примерно в 2,7 раза больше энергии при сжигании (119,83 МДж/кг), чем 1 кг природного газа (45 МДж/кг) [Источник http://thermalinfo.ru/eto-interesno/udelnaya-teplota-sgoraniya-topliva-i-goryuchih-materialov], некоторое уменьшение количества выброшенного в атмосферу водяного пара в пересчёте на джоуль энергии при внедрении водородных двигателей получить можно.
Из приведённых выше уравнений следует, что при сжигании 1 кг CH4 образуется 140 молей водяного пара = 2,52 кг воды, а при сжигании 1 кг водорода образуется 180 молей водяного пара = 3,24 кг воды.
Поскольку энергии при сжигании водорода выделяется в 2,66 раза больше, а воды образуется в 1,29 раз больше, чем при сжигании того же количества CH4, то при подсчёте количества водяного пара на джоуль получаемой энергии водородные двигатели дают преимущество примерно в 2,06 раза.
Высокая летучесть, горючесть и взрывоопасность водорода, а также его способность окислять и разрушать металлы позволяют сделать вывод о том, что водородные двигатели должны проектироваться таким образом, чтобы водород внутри них образовывался небольшими порциями (например, засчёт химической диссоциации молекул воды) и сразу же сжигался, — только в этом случае можно гарантировать безопасность и надёжность водородных двигателей. Учитывая высокую летучесть водорода и его способность проникать сквозь стенки стальных баллонов и труб при высоком давлении, а также высокую пожароопасность любых транспортных мощностей по перевозке (трубопередаче) чистого водорода, необходимо строить технологию использования водорода сразу по месту его производства, чтобы исключить транспортирование пожароопасного груза.
Тепловые отходы человечества
Идея оценить тепловые отходы человечества принадлежит эксперту Сретенского клуба кандидату физико-математических наук Н.В.Белотелову, она была высказана им в личной беседе.
Прогноз потребления энергии показывает, что суммарное потребление энергии человечеством растёт и продолжит расти в дальнейшем. Этот суммарный результат год от года будет только увеличиваться, несмотря на возможное изменение долей источников энергии внутри каждого столбца.
Рисунок 3. Первичное потребление энергии по источникам (в эскаджоулях, 1 эскаджоуль = 1018 Джоуль).
Источник https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/energy-outlook/bp-energy-outlook-2020.pdf, страница 65. Rapid — это сценарий быстрого перехода к возобновляемым видам энергии, Net Zero — это сценарий полного обнуления углеродных выбросов, Business-as-usual — это инерционный сценарий.
Другие возможные причины глобального потепления
Усиление солнечной активности называют ещё одной возможной причиной глобального потепления. (Источник https://www.sibran.ru/upload/iblock/8a9/8a943e81473beb827c21ade3aa581efd.pdf).
Идея о том, что метан, производимый в пищеварительной системе крупного и мелкого рогатого скота, оказывают значительное влияние на парниковый эффект и глобальное потепление, также получила значительное распространение в последние годы. (Источник https://climate.nasa.gov/faq/33/which-is-a-bigger-methane-source-cow-belching-or-cow-flatulence/)
Есть веские основания считать, что льды в Антарктиде и Гренландии тают снизу из-за повышенной вулканической активности, которая развивается подо льдом. (Источник https://mirpristrasten.mirtesen.ru/blog/43257005589/Prichina-tayaniya-Antarktidyi-i-Grenlandii-podlednikovyie-vulkan)
Какова доля человечества в производстве СO2?
Таблица 1. Выделение CO2 в атмосферу Земли (приблизительные оценки из разных источников)
В год в атмосферу выбрасывается | Тонн CO2 | Доля, % |
СO2 в результате гниения органики | 220 000 000 000 | 33,6% |
СO2 выделяет океан | 330 000 000 000 | 50,3% |
СO2 дают лесные пожары | 50 000 000 000 | 7,6% |
СO2 дают вулканы | 200 000 000 | 0,0% |
СO2 в результате человеческой деятельности | 55 300 000 000 | 8,4% |
Общее количество СO2 выбрасывается в атмосферу в год | 655 500 000 000 | 100,0% |
Источник собственные расчёты
Общее количество СO2 в атмосфере земли приблизительно составляет 2,12 триллионов тонн. В мировом океане растворено 132 триллиона тонн СO2 (в 62 раза больше, чем в атмосфере Земли). Доля СO2 в атмосфере Земли сейчас составляет 0,041%.
Из числа выделенного в атмосферу СO2 около 646,8 млрд. тонн ежегодно поглощается микроорганизмами и растениями, в том числе связывается в известковых отложениях океанов. Это означает, что СO2 накапливается в атмосфере Земли со скоростью 8,672 млрд. тонн ежегодно. В свою очередь, это означает, что доля содержания СO2 в атмосфере Земли должна ежегодно увеличиваться на 0,00016% (16 ppm), то есть на 0,00082% (82 ppm) каждые пять лет, что подтверждается наблюдениями.
Рисунок 4. Доля СO2 в атмосфере Земли
Уменьшение содержания СO2 в атмосфере Земли — безусловно важная задача, потому что нельзя допустить высокого содержания углекислого газа в атмосфере — люди и животные попросту не смогут быть здоровы, если в воздухе будет более 0,15% углекислого газа. Если ежегодно 8,672 млрд. тонн СO2 будут накапливаться в атмосфере Земли, то опасный уровень СO2 будет достигнут примерно через 665 лет.
Очевидно, задача состоит не только в том, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа, но и в том, чтобы увеличить поглощение за счёт растений и микроорганизмов, которые эффективно поглощают СO2.
Здесь необходимо отметить ещё один нюанс: заученный со школьных лет тезис о том, что деревья поглощают углекислый газ из атмосферы планеты и выделяют кислород благодаря процессу фотосинтеза, не совсем верен. Физиолог растений Рубин Е.Л. в книге «Физиология растений» пишет: «Углекислый газ является важнейшим материальным субстратом фотосинтеза. Обычное содержание С02 в воздухе колеблется от 0,02% до 0,03%. При нормальном давлении и нуле градусов это составляет 0,589 мг. СO2 в 1 л. воздуха. Поскольку из 1 л. ассимилированной С02 образуется 0,682 г. глюкозы, то для образования 1 г. глюкозы нужно затратить количество С02, содержащееся в 2500 л. воздуха. Для образования же килограмма сахара растению необходимо переработать около 2,5 млн. л. (2500 кубометров), полностью освободив последний от содержащего в нем углекислого газа». Отметим, что сегодня количество углекислого газа в атмосфере составляет уже не 0,02%-0,03%, как в приведённой цитате из книги 1954 года, а 0,04%. Кроме того, стопроцентного усвоения С02 из воздуха происходить просто не может, а это значит, что через леса должно проходить намного большее количество воздуха, чем это можно наблюдать фактически. Если механизм фотосинтеза всё-таки работает именно так, как написано в школьных учебниках, то возникает ещё один важный вопрос: как уловленный листьями углекислый газ попадает из листьев в ствол и корни? Ведь пасока, как в этом легко убедиться, движется по дереву от корней к листьям за счёт так называемого «корневого давления».
Разумно предположить, что необходимый для синтеза целлюлозы С02 поступает в дерево не от листьев, а от корней, то есть дерево преимущественно поглощает С02, возникающий в почве. Кроме того, конечно же дерево дышит, потребляя кислород и выделяя углекислый газ. Этим объясняется то, что баланс выделения и потребления кислорода лесами очень близок к нулю. Сказанное означает, что вовсе не деревья помогут нам решить проблему накопления CO2 в атмосфере планеты. В этом деле лучше полагаться на микроводоросли и растения, которые эффективно поглощают именно атмосферный углекислый газ.
Как охладить нижние слои атмосферы за счёт верхних?
В нашей Вселенной нет дефицита холода. Охладить нижние слои атмосферы можно с помощью достаточно масштабных технических устройств (тепловых насосов или трубопроводов большого диаметра с принудительной вентиляцией), обеспечив теплообмен или воздухообмен между нижними и верхними слоями атмосферы. На высоте пяти километров среднегодовая температура воздуха составляет минус 17,47 градусов Цельсия, в то время как среднегодовая температура у поверхности Земли составляет около 15 градусов Цельсия. Влажность воздуха на высоте 5 км в 10-12 раз меньше, чем у поверхности Земли. На земном шаре более 200 гор, превышающих 5 км в высоту, которые можно использовать как опору для сооружения единой системы кондиционирования планеты. Любопытно, что средств, которые сегодня планируется выделить на декарбонизацию экономики, достаточно для сооружения такой системы. Декарбонизация, даже в случае её полного успеха, не приведёт к охлаждению климата. Как было показано выше, доля человечества в выбросах СO2 в атмосферу 8,4%, а учитывая, что вклад СO2 в парниковый эффект составляет около 20%, это означает, что роль человеческой деятельности в парниковом эффекте можно оценить как 1,68%. Даже если человечество сможет уменьшить выбросы углекислого газа до нуля, глобальное потепление уменьшится всего лишь на 2%.
Единая система кондиционирования планеты может существенно влиять на тепло, воздухо- и влагообмен между верхними и нижними слоями атмосферы, что приведёт к уменьшению испарения с поверхности океанов, морей и внутренних водоёмов, а значит, существенно уменьшит парниковый эффект (значимость водяного пара в парниковом эффекте, как показано выше, составляет около 75%).
Кроме того, если охладить нижние слои атмосферы, то поверхность океанов и морей также начнёт остывать, что приведёт к замедлению газообмена между океаном и атмосферой (как было упомянуто ранее, в мировом океане растворено в 62 раза больше СO2, чем в атмосфере), а значит, создадутся условия, при которых углекислый газ в атмосфере Земли перестанет накапливаться прежними темпами.
Стоит отметить, что в декарбонизации экономики нет ничего плохого: если человечество, выбрасывающее сегодня в атмосферу 55 млрд. тонн углекислого газа в год, начнёт выбрасывать 46 млрд. тонн, то накопление СO2 в атмосфере прекратится, и его содержание в воздухе начнёт уменьшаться. Ошибкой было связывать выбросы углекислого газа, происходящие в результате человеческой деятельности, с увеличением парникового эффекта, тут люди играют минимальную роль. Но человечество может остановить накопление углекислого газа в атмосфере Земли, уменьшив выбросы СO2, увеличив поглощение СO2 из атмосферы или создав условия, при которых меньше СO2 попадает из мирового океана в атмосферу. Это можно сделать:
- за счёт декарбонизации экономики,
- за счёт разведения водорослей, способных поглощать углекислый газ из атмосферы,
- за счёт охлаждения нижних слоёв атмосферы с помощью тепло- и/или газообмена с верхними слоями, что приведёт к уменьшению количества водяного пара в атмосфере и к замедлению газообмена между атмосферой и мировым океаном,
- за счёт создания новых двигателей и приборов, которые будут потреблять меньше энергии, а значит, начнут выделять меньше тепловых отходов, что также будет способствовать уменьшению газообмена между мировым океаном и атмосферой.
Экономика зелёной энергетики полна абсурда, поскольку окупаемость «зелёных» энергетических мощностей в условиях фактического исчезновения «зелёного тарифа» (кратно превышающего обычный) становится весьма большой проблемой, а полная себестоимость производства «зелёных» энергетических мощностей вместе с полной себестоимостью их эксплуатации и хранения сгенерированной энергии наглядно показывают экономическую нежизнеспособность «зелёной» энергетики в её сегодняшнем (преимущественно ветро-солнечном) варианте. Это не означает, что нет других, более жизнеспособных вариантов реализации проекта «зелёная энергетика».