Онтологические основания проблемы глобального климата

Одной из основных граней опасности экологической катастрофы является проблема изменения глобального климата, способная при сохранении сегодняшних тенденций стать угрозой существованию человечества. Особое место в философском рассмотрении этой глобальной проблемы занимает анализ ее онтологических оснований, в данном случае означающий анализ климатической ситуации и хода ее обсуждения.

Климат принято определять как среднюю динамику температуры и количества осадков определенной местности в течение года. Диссертант считает такое определение недостаточно наглядным и непригодным для использования в системном анализе, поэтому в данной работе используется следующее определение:

Климат — средняя динамика тропосферных явлений определенной местности в течение года, основными показателями которых являются: солнечная радиация, циркуляция воздушных масс, температура воздуха, осадки, влажность воздуха.

Преимущества такого определения в том, что оно не вырывает температуру и осадки из биосферы и атмосферы как нечто особое и изолированное, а констатирует их детерминированность атмосферными явлениями, которые в свою очередь зависят от бесчисленного множества биотических и абиотических явлений.

В этом параграфе излагаются положения, практически не вызывающие разногласий в научном мире, которые и послужат фундаментом настоящего философского исследования.

Что же вызывает такое беспокойство мирового сообщества в связи с глобальным климатом? Прежде всего то, что климат — это та часть природы, которую человек ощущает непосредственно, с которой связано его ощущение комфорта или дискомфорта. Не менее важным является прямая зависимость климатической и продовольственной безопасности - на сегодняшний день (а радикальных изменений ждать не приходится) основная часть всего мирового сельского хозяйства существует в естественном климате и, несмотря на достижения науки и техники, сгладить негативные климатические изменения не в состоянии. К примеру, засухи уничтожают урожай в эпоху научно-технической революции практически столь же эффективно, что и в древнем Египте (вспомним хотя бы засуху 1988 года в США¹ , погубившую 40% урожая кукурузы). Таким образом, климат является фактором, от которого прямо зависит физическое существование человека: изменения климата влияют на его безопасность непосредственно, без какой-либо отсрочки и действуют очень быстро (к примеру, от перегрева человек умирает в течение нескольких часов).

И этот фактор меняется. Увы, изменения незапланированные, неуправляемые и могут привести к катастрофическим последствиям. К несчастью, уже есть примеры, подтверждающие этот тезис: вспомним наводнения в Китае, Восточной Европе, Турции и ураганы в США, вызванные усилением парникового эффекта.

Рассмотрим, чем обусловлены климатические изменения и в чем они состоят.

Все изменения среднеглобальной температуры вызываются изменениями теплового баланса атмосферы. Тепловой баланс атмосферы формируется радиационным балансом атмосферы и иными источниками тепла (в том числе геотермальными и антропогенными). Радиационный баланс зависит от активности Солнца и физико-химического состава атмосферы, некоторые компоненты которой задерживают длинноволновое излучение Земли, создавая парниковый эффект.

Таким образом, климат зависит как от естественных, так и антропогенных воздействий на атмосферу. Оценим (по возможности количественно) их значения и роль в изменениях глобального климата.

Явление парникового эффекта заключается в следующем.

Наличие в атмосфере газов, молекулы которых состоят из трех и более атомов (такие газы называются парниковыми) приводят к образованию т.н. парникового эффекта: прозрачные для солнечной коротковолновой радиации (0,40..0,75 мкм), они задерживают тепловое излучение земной поверхности, нагретой Солнцем (от 5 до нескольких десятков мкм).

Парниковый эффект можно определить как разность температур:

ΔT = T_s - T_r

где T_s — температура поверхности планеты
T_r = [F ↑ / σ]0,25— радиационная температура планеты
F ↑ — поток радиации, уходящей с поверхности планеты
σ — постоянная Больцмана

Согласно расчетам, в настоящее время ΔT = 33.2 К Вклад в ΔT основных парниковых газов представлен диаграммой в приложении 1.

Следует подчеркнуть, что парниковый эффект является неотъемлемой составляющей радиационного баланса Земли в течение миллионов лет, и жизнь на ней без парникового эффекта немыслима. Т.е. проблема не в наличии парникового эффекта, а в его антропогенном усилении.

Антропогенное увеличение концентрации парниковых газов приведет к повышению глобальной среднегодовой температуры на 2-4°С в течение всего лишь 50 лет. Отметим вклад в это потепление основных парниковых газов (см. Приложение 1).

Как видно из диаграммы, основную роль в усилении парникового эффекта играет увеличение концентрации углекислого газа, обусловленного четырьмя антропогенными источниками:

· сжиганием ископаемого топлива (нефтепродуктов, каменного угля и природного газа), дающего около 80% потребляемой человечеством энергии; ²

· сжиганием попутного газа;

· производством цемента;

· антропогенными изменениями биотических источников (сведение тропических лесов, распашка саванн и степей и т.д.).

Основной вклад в глобальный антропогенный выброс вносит сжигание органического топлива. На графике в Приложении 4 показан рост мирового потребления ископаемого топлива с начала технической революции ³ , а на диаграмме в Приложении 5 — удельный вес источников энергии в мировом потреблении⁴ . Суммарный выброс углекислоты при производстве цемента и сжигании попутного газа составляет не более 3% ⁵ .

Таким образом, в атмосферу ежегодно поступает, помимо естественных источников, ≈ 5,5 млрд. т СО₂ от сжигания топлива и еще ≈ 1,7 млрд. т за счет сведения и выжигания тропических лесов и окисления органического вещества почвы (гумуса). На основании расчетов в 1993 году полный антропогенный выброс составил 7.2 ГтС (в пересчете на тонны углерода)⁶ .

В таблице в Приложении 7 приводятся данные об источниках СО₂ , полученные различными исследователями.

Приведенные данные свидетельствуют, что природные выбросы СО₂ на порядок меньше антропогенных, обусловленных сжиганием углеводородного топлива.

Имеются эмпирические данные, подтверждающие усиление парникового эффекта. На сегодняшний день они спорны: изменения климата столь незаметны, что позволяют многим климатологам объявить их нормальным отклонением от среднего. Но серьезного внимания они заслуживают: согласно математическим моделям теории катастроф, практически невозможно бороться с катастрофой, когда ее признаки станут уже заметными: скорость их увеличения неограниченно возрастает по мере приближения к катастрофе.

Регулярные наблюдения за климатом ведутся уже более 100 лет. Шесть самых жарких лет за это время пришлись на 80-е годы нашего века [источник этих сведений датирован 1990 годом], что позволило Джеймсу Хансену (Институт космических исследований им. Годдарда при НАСА) заявить в 1988 году Конгрессу США, что потепление климата уже ощутимо⁷ . В 1989 году А.Стронг (Национальное управление по исследованиям атмосферы и океана) доложил: «Измерения температуры океанической поверхности, произведенные со спутников в период 1982-1988 гг., ...показывают, что океан постепенно, но заметно нагревается примерно на 0,1°С в год»⁸ . Это чрезвычайно важно, так как из-за своей колоссальной теплоемкости океаны почти не реагируют на случайные климатические флуктуации. Обнаруженная тенденция к их потеплению доказывают серьезность проблемы.

В этой связи предметом особенно пристального внимания ученых-климатологов является обмен углекислотой между атмосферой и океаном.

Количество углекислоты, растворенной в океане, на два порядка превышает ее содержание в атмосфере Земли⁹ . Анализируя математические зависимости потоков СО₂ в системе «атмосфера — океан», Н.Н.Моисеев приходит к выводу: «Если окажется, что

π > y₃ =χT^*2/(4l),

[где π — антропогенное поступление углекислоты в атмосферу
χ — коэффициент пропорциональности между способностью океана поглощать углекислоту и температурой атмосферы.
T^* — некая критическая температура атмосферы.
l — коэффициент линейной аппроксимации зависимости между температурой атмосферы и содержанием углекислоты в атмосфере
— примечание диссертанта]

то, какова бы ни была начальная концентрация СО₂ в атмосфере, механизм воздействия будет работать как насос, выкачивающий СО₂ из океана»¹⁰ . К сожалению, современная математика не располагает моделями, расчет которых указал бы нам значения π и T^*. Но очень важно помнить, что при некоторых их значениях возможно лавинообразное потепление глобального климата и увеличение концентрации углекислоты в атмосфере. Деятельность живой материи не способна будет полностью ликвидировать проявление механизма насоса.

В контексте этих закономерностей полезно проанализировать изменения климата в более широком отрезке времени, отражающем историю Земли. Такой анализ необходим для ответа на вопрос: не являются ли изменения климата, фиксируемые в наши дни, проявлением неких циклических процессов, происходящих на нашей планете?

Действительно, ледниковые эпохи обладают удивительной периодичностью. Окончание последнего ледникового периода почти на памяти человечества. А переход от максимума голоцена к малому ледниковому периоду произошел всего сотни лет назад и изменил всю историю освоения Америки: в период освоения скандинавами Гренландии последняя оправдывала свое название (Greenland - зеленая земля (англ.)) и при сохранении климатических условий той эпохи именно она сделалась бы базой колонизации Америки ¹¹ .

Естественно задаться вопросом — не находимся ли мы уже в конце затянувшегося межледниковья? И может быть, описанные выше процессы глобального потепления спасут человечество от нового оледенения?

Масштабы антропогенных воздействий на климат заставляют ответить на этот вопрос отрицательно: деятельность человека еще Вернадским была определена как наиболее мощный геологический фактор. Антропогенные выбросы СО₂ на порядок превышают выбросы земной биоты (связывание которых к тому же ежегодно уменьшаются за счет сведения человеком тропических лесов), и как показал Н.Н.Моисеев, способны вывести климатические процессы из колебательного режима в апериодический, возможно экспоненциальный.

Приведем некоторые количественные характеристики углеродного цикла (Приложение 8).

Таблица в приложении 8 иллюстрирует, что человечество обладает колоссальным потенциалом выброса углекислоты в атмосферу: каждый год оно увеличивает на 1% количество углекислого газа в атмосфере.

Среднеглобальная температура в эпоху динозавров (меловой период, от 140 до 66 млн. лет назад) была на 10-15°С выше сегодняшней. Геохимики подсчитали, что это соответствует превышению содержания СО₂ в атмосфере в 4-8 раз по сравнению с наблюдаемым в наши дни¹² .

На первый взгляд эти данные утешают и обнадеживают: была и большая концентрация углекислоты, чем сейчас, и температуры были выше нынешних — и ведь биосфера не деградировала, а, напротив, породила огромное количество видов живых существ! Но необходимо сделать три замечания.

Первое. Изменения климата произойдет так быстро, что биота просто не успеет приспособиться к новым условиям существования: повышение среднегодовой температуры на 4°С прогнозируется всего за 50 лет! Это при том, что для естественного повышения среднегодовой температуры на эту же величину требовалось не менее нескольких тысячелетий.

Второе. Энергопотребности человечества не обнаруживают тенденции к уменьшению — напротив, скорость их увеличения постоянно растет. Например, в одном только Китае планируется использование до 2025 года количества угля, достаточного для выделения в атмосферу 3 Гт углекислого газа в год, т.е. более половины современного годового антропогенного выброса СО₂ в настоящее время¹³ . А сжигание всех разведанных месторождений угля и нефти увеличит содержание углекислоты в атмосфере до 2000 Гт, что в 3 раза превышает его содержание в атмосфере в настоящее время.

Третье. К сожалению, знания человечества о системе механизмов глобального климата слабы, чтобы дать точный ответ на вопрос: при каких уровнях концентрации парниковые газы будут вызывать беспрецедентные изменения климата. Поэтому мы имеем неопределенность, связанную с возможным влиянием положительных обратных связей, повышающих среднегодовую температуру. Примером такой положительной обратной связи служит вероятный «механизм насоса», показанный Н.Н.Моисеевым и изложенный выше.

Таким образом, сохранение нынешних тенденций в мировой энергетике весьма вероятно повысит среднегодовую температуру нашей планеты до величин, превышающих когда-либо существовавшие на Земле в эпоху жизни высокоразвитых животных.

Негативные последствия глобального потепления:

Ураганы и наводнения
Планета Земля имеет весьма неоднородную поверхность, вследствие чего неодинаково отражает солнечные лучи и нагревается Солнцем. Это приводит к неоднородности температур воздуха, а значит, и атмосферного давления, что и обусловливает перемещения воздуха из области более низких температур (и более высокого давления) в область более высоких температур (и более низкого давления).

Антропогенные выбросы парниковых газов сильно увеличивают перепад температуры. Во-первых, потому, что в холодных областях (т.е. не прогреваемых Солнцем) увеличение концентрации углекислоты не повысит температуру, в то время как в нагретых Солнцем областях повысит. Во-вторых, выбросы парниковых газов в свою очередь распределяются неравномерно по поверхности Земли, причем, как правило, совпадая с сильно поглощающими солнечную энергию антропогенными ландшафтами.

Увеличение перепадов температур вызовет и усиление ветров, которые в некоторых местностях в силу рельефа и направлений течения рек будут вызывать наводнения.

Поднятие уровня мирового океана
Уровень моря может подняться в силу двух причин: термического расширения воды и таяния материковых льдов.

Термическое расширение воды за счет повышения среднегодовой температуры на 4°С составит 20-70 см¹⁴ , что способно нанести ущерб жителям прибрежных областей. Больше того — некоторые государства могут просто исчезнуть с лица земли при указанном повышении уровня мирового океана. Так, заместитель премьер-министра Голландии говорил в 1989 году президенту Бразилии, что если леса в Амазонии будут полностью сведены при продолжении существующего поступления углекислоты в атмосферу, Голландия перестанет существовать как страна из-за затопления. И это очень серьезно: две страны, имеющие рекордно высокую плотность населения — Голландия и Бангладеш — расположены на территориях, находящихся едва выше или даже ниже уровня океана.

Также надо отметить, что в отличие от этих стран, ведущих активную работу по укреплению морских побережий, есть целая группа малых государств, не имеющая для этого ни людских, ни финансовых ресурсов. Часть из них — Кирибати, Мальдивская республика, Токелау, Тувалу — расположена на коралловых островах, возвышающихся не более чем на 1 м над уровнем океана. На карте мира середины XXI века этих государств может не оказаться.

Так проявляется одна из социально-политических проблем, связанных с глобальным потеплением: перед его наиболее трагическими последствиями окажутся страны, не несущие ответственности за нарушение мирового теплового баланса — то есть страны, практически не производящие и не потребляющие энергетических ресурсов.

Таяния льдов Антарктики, а также горных ледников при указанном потеплении не ожидается. Но 4°С - не конец истории; при дальнейшем потеплении они могут начать таять, приводя к катастрофическому поднятию уровня мирового океана.

Потери плодородных почв
В обширных регионах планеты увеличение среднегодовой температуры приведет к усилению испарений влаги из почвы, что приведет к их пересыханию.

Необходимость переориентации сельскохозяйственных регионов на новые культуры.
Вообще говоря, сельское хозяйство могло бы приспособиться к новому климату. Но основная трудность здесь — в незнании, чего следует ожидать. Фермеры в США уже теряют в среднем один урожая из пяти из-за неблагоприятной погоды¹⁵ . При климатических сдвигах ее капризы станут еще более ощутимы, и потери в связи с этим урожая возрастут катастрофически.

Усиление распространения инфекционных заболеваний.
Жестокие засухи в одних регионах и наводнения и тропические бури в других приведут к разрушению среды обитания и уничтожению целых видов животных, уменьшению биоразнообразия. Для людей это обернется распространением опаснейших болезней - малярии, желтой и тропической лихорадки, менингита, лихорадки Эбола и т.д.¹⁶ .

Наиболее трагичные оценки потерь, которые могут быть вызваны отмеченными последствиями глобального потепления к середине следующего столетия, превышают 100 млн. человек и 1 триллион долларов¹⁷ . Конечно, следует критично относиться к этим цифрам, но они отражают порядок ответственности руководителей макроуровня за принятие решений, определяющих развитие национальной и мировой энергетики.

Проблема антропогенных выбросов СО₂ с технической точки зрения решаема даже сегодня: рабочая группа 2 МГЭИК (международная группа экспертов по изменению климата) при ООН составила реестр 105 технологий¹⁸ , исключающих или значительно снижающих выбросы углекислоты. Ряд их исследований показывает, что можно добиться снижения эмиссий парниковых газов на 10-30% почти бесплатно за счет энергоэффективности. Для России это особенно актуально: энергоемкость национального российского продукта в два раза (!) превышает аналогичный показатель развитых стран. Осмыслим данный факт: мы можем сократить энергопотребление вдвое и производить продукции столько же, сколько производим теперь!

Особо следует остановиться на технологии, позволяющей радикально снизить выбросы СО₂ . Такого успеха способна добиться водородная энергетика. Остановиться на ней необходимо для опровержения утверждений об отсутствии альтернатив углеводородному топливу.

Отметим преимущества водорода как топлива¹⁹ .

Неисчерпаемость.

В Мировом океане водорода содержится 1,2·10¹⁷ т., дейтерия - 2·10¹³ т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов - 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы. В то же время, по самым оптимистическим прогнозам, ресурсы углеводородного топлива будут истощены примерно через 100 с лишним лет, в то время как угля - через многие столетия. Величина запасов угля важна и в контексте водородной энергетики: ближайшей промышленной перспективой производства водорода будет получение его при газификации углей.

Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2.8 раза выше по сравнению с бензином.

Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива.

Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.

Излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.

Экологичность

При использовании водорода как топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный двигатель выбрасывает 45 токсичных веществ, в том числе и канцерогены ²⁰ ), нет опасности образования застойных зон водорода — он легко улетучивается.

Отметим и отрицательные качества водорода. Это низкие плотность и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ), описанной ниже, позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.

Имеется много технологических разработок по применению водорода как топлива в промышленности, на транспорте и в быту.

Так, в 1972 году в США на испытательном полигоне фирмы «Дженерал моторс» проводились соревнования городских транспортных средств, в которых участвовало 63 автомобиля с различными системами двигателей, в том числе на аккумуляторных батареях, аммиаке-пропане и два автомобиля на водороде. Последние заняли первое и второе места. Лучшие результаты показал конвертируемый на водород автомобиль фирмы «Фольксваген», в котором отработавшие газы были чище засасываемого в двигатель городского воздуха ²¹ .

Водород также может использоваться в авиационных и ракетных двигателях, в турбинах для получения электроэнергии.

Наиболее часто встречающееся возражение против водородной энергетики — водород якобы трудно получить и для этого нет приемлемых источников энергии (а сжигать нефть для получения водорода просто нецелесообразно), к тому же его опасно хранить и использовать из-за взрывоопасности. Необходимо показать несостоятельность этих опасных заблуждений.

Для промышленного получения водорода разработано большое количество способов, однако практически оправдали себя лишь некоторые из них. К основным методам можно отнести химический, электрохимический и физический. Опишем их содержание²² ).

Все химические способы получения водорода состоят обычно из двух ступеней: на первой образуется водяной газ (смесь водорода и окиси углерода), который во второй ступени подвергается конверсии.

Здесь особо отметим способы получения водорода путем газификации каменных и бурых углей, сжигание которых чрезвычайно вредно для окружающей среды, но, к сожалению, до сих пор распространено в России (хотя еще король Англии Эдуард I (1272-1307) издал указ, запрещающий под страхом смертной казни использовать уголь как топливо²³ ). Газификация углей позволит значительно снизить вред от использования угля и более эффективно реализовать потенциал земных запасов угля.

Для получения водорода термическим разложением газообразных углеводородов или конверсией их с водяным паром, углекислотой или кислородом используется природный или попутные газы, газы нефтепереработки и гидрирования, метан-водородная фракция пиролиза и др.

Электрохимический способ производства водорода заключается в разложении воды (водных растворов электролитов) с помощью электрического тока.

При физических методах получения происходит выделение водорода из газовых смесей (коксовый газ, отходящие побочные газы установок каталитического реформинга, метан-водородные фракции) ступенчатым охлаждением до низких температур, когда происходит сжижение компонентов газовой смеси (кроме водорода).

Теперь рассмотрим проблему хранения водорода²⁴ . В настоящее время разработаны и применяются следующие способы хранения водорода:

1. В газообразном состоянии под давлением.

2. В жидком состоянии.

3. В интерметаллических соединениях.

4. В химических соединениях.

5. Комбинированные системы хранения.

Использование того или иного способа хранения возможно лишь после определения области его применения.

Остановимся на наиболее безопасных способах хранения водорода — в интерметаллических соединениях и в химических соединениях.