Цивилизация и климат
Наблюдаемые в течение последнего столетия климатические изменения стали одной из наиболее широко дискутируемых глобальных проблем. Собственно, в самом факте изменения климата нет ничего нового или неожиданного. На протяжении всего существования нашей планеты происходила и происходит ее эволюция как небесного тела, сопровождающаяся изменением условий на ее поверхности, т.е. климата. Заметные изменения климата происходили не только в геологическом масштабе времени, но и на протяжении всей истории существования цивилизации, что неопровержимо доказано данными палеоклиматических исследований и исторических хроник. Драматические изменения климата приводили к возникновению и гибели многих великих цивилизаций, поэтому данные о климатических изменениях, полученные примерно за столетний период прямых инструментальных наблюдений, казалось бы, не должны были вызывать особого удивления. Ведь за десять-пятнадцать тысяч лет с момента окончания ледникового периода средняя температура земной поверхности повысилась более чем на 10оС (рис.1), и повышение ее на 0,6-0,8оС за прошедшее столетие (рис.2), казалось бы, не должно было восприниматься столь остро.
 |
| Рис. 1. Изменение глобальной температуры и концентрации парникового газа в атмосфере Земли за последние 160 тысяч лет. |
 |
| Рис. 2. Изменение среднегодовой температуры земной поверхности. |
Озабоченность вызывает не сам факт изменения климата, а скорость этого процесса, которая кажется слишком высокой по сравнению с предыдущими эпохами, хотя возможно, это историческая аберрация, вызванная ускорением развития самой цивилизации. Наиболее серьезные опасения вызывают возможные экономические и связанные с ними социальные последствия этого процесса, которые могут затронуть все человечество. Прогнозируемые в результате возможных климатических изменений повышение уровня океана и рост температуры поверхности в течение столетия на 1-3 градуса, безусловно, окажут серьезное влияние на хозяйственную деятельность многих стран. Но главная опасность не в этом. Даже небольшое изменение средней температуры может вызвать глобальную перестройку в сложнейшей системе циркуляции потоков в атмосфере и гидросфере планеты, определяющих ее климат. При этом на отдельных территориях температурные изменения могут многократно превысить средние значения, после чего эти территории станут практически непригодными для проживания и экономической деятельности. Наиболее уязвимы в этом отношении исторические центры западноевропейской цивилизации. Уникальное сочетание климатических условий является основой экономики большинства развитых стран мира, расположенных в этом регионе. Истоки западноевропейской цивилизации базируются на тонком балансе природных явлений и, прежде всего, роли теплого течения Гольфстрим в формировании климата Западной Европы. Достаточно ясно осознавая этот факт, большинство европейцев проявляет серьезную озабоченность проблемой климата, а европейские политики занимают, как правило, наиболее жесткую и бескомпромиссную позицию на переговорах по этим вопросам.
Главным фактором влияния цивилизации на климат пока остается антропогенный вклад в механизм глобального парникового эффекта за счет дополнительной эмиссии парниковых газов в атмосферу. Поэтому озабоченные проблемой наблюдаемых климатических изменений и будущего планеты представители 160 национальных делегаций на встрече в японском городе Киото в декабре 1997 г. приняли, как известно, рамочную конвенцию по проблеме изменения климата (Киотский протокол). Было предложено не только ограничить выбросы парниковых газов, установив соответствующие национальные квоты, но и сократить объем выбросов по сравнению с уровнем 1990 года, принятого за базовую точку отсчета. Соединенные Штаты, на долю которых приходится около 38% мирового объема эмиссии парниковых газов, должны сократить к 2008-2012 гг. свои выбросы на 7%. Сокращение эмиссии другими промышленно развитыми странами к этому сроку должно составить в среднем 5%. Эмиссия парниковых газов Россией, учитывая ее экономическое положение и большую зависимость от энергетики, не должна превышать объем 1990 г.
Однако любые меры по регулированию антропогенного влияния на климат неизбежно серьезно воздействуют на мировую энергетику и экономику и потребуют беспрецедентного сотрудничества в масштабах всего мирового сообщества. Поэтому необходимо как можно тщательнее оценить вклад человечества в наблюдаемые климатические изменения, технологические и экономические возможности современной цивилизации по регулированию эмиссии парниковых газов, а также экологические и экономические последствия тех мер, которые предлагаются для решения проблемы и неизбежно потребуют огромных материальных затрат.
Естественные причины климатических изменений.
Главным источником растущей обеспокоенности являются такие бесспорно существующие и взаимно связанные явления, наблюдаемые на протяжении последних 100-150 лет, как увеличение антропогенной эмиссии парниковых газов, прежде всего СО2 и СН4, рост концентрации этих газов в атмосфере и повышение средней температуры земной поверхности примерно на 0,6-0,8оС за последнее столетие, что побуждает политическую элиту под давлением общественного мнения предпринимать (или хотя бы декларировать) меры, направленные на сокращение антропогенной эмиссии этих газов. «Эмоциональной» основой этого является уже утвердившееся в массовом сознании понимание того, что, по выражению В.И.Вернадского, человек стал «основной геологообразующей силой планеты», и антропогенная деятельность вполне способна влиять на изменение ее климата. Основным же научным аргументом в пользу такой интерпретации является именно рост атмосферной концентрации парниковых газов, в т.ч. диоксида углерода до более 360 ррm и метана до 1,7 ррm к концу ХХ столетия. Поэтому научная общественность, несмотря на отсутствие достоверных данных о вкладе антропогенной деятельности в рост парникового эффекта и изменение климата, в целом поддерживает меры политического и экономического характера, направленные на уменьшение выброса парниковых газов. К принятию таких мер подталкивают и объективные данные о нарастающей неустойчивости глобальных атмосферных процессов, косвенно свидетельствующие о повышении вероятности бифуркационной перестройки климата.
Однако пока нет строгих научных доказательств существования причинно-следственной связи между этими явлениями в том порядке, как они перечислены выше. Глобальные модели, на которых основаны современные прогнозы, содержат большие неточности в определении базовых параметров, прежде всего естественных истоков и стоков парниковых газов в атмосфере, которые пока еще, как правило, значительно превышают антропогенные потоки. Эти модели также отражают наше пока еще слабое понимание сложных нелинейных геологических, химических и биологических процессов с участием парниковых газов (ПГ) в литосфере, почве, гидросфере и атмосфере. Поэтому разброс в прогнозах очень велик, а сами они отражают скорее тенденции, чем конкретные значения прогнозируемых параметров. Это хорошо иллюстрируют результаты, полученные Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК), проанализировавшей 40 различных сценариев выбросов диоксида углерода на протяжении XXI века — разброс до 5 и более раз. Прогнозируемые объемы антропогенных выбросов газов с парниковым эффектом являются следствием процессов в очень сложных динамических системах, включающих такие определяющие факторы, как демографическое развитие, социально-экономическое развитие и технологические изменения, будущее которых весьма неопределенно.
В принципе существуют вполне достаточные не антропогенные причины наблюдаемого изменения средней температуры земной поверхности, которые могут быть связанны с долговременной эволюцией или циклическими колебаниями климата, вызываемыми изменением солнечной активности, параметров земной орбиты и наклона земной оси, геологической эволюцией планеты, в т.ч. изменением скорости ее дегазации, вулканической активности, теплосодержания океанических вод и т.д. Причем повышение концентрации СО2 и метана в атмосфере может быть не причиной, а прямым следствием этих явлений. Вот только некоторые возможные естественные причины наблюдаемых климатических изменений.
Основой всех климатических явлений является солнечная радиация. Ее поток, перпендикулярный к сечению Земли, составляет примерно 1370 Вт/м2. С учетом того, что поверхность Земли в 4 раза превышает ее сечение, а 30% излучения отражается, средний поток солнечной энергии, перпендикулярный земной поверхности, составляет около 240 Вт/м2. Изменение этого потока даже на 0,1% (величина, примерно соответствующая колебаниям в течение 11-летнего цикла солнечной активности) вызывает климатическое воздействие в 0,24 Вт/м2, что соответствует почти 20% от суммарного климатического воздействия диоксида углерода за последние 150 лет. Сопоставление кривых солнечной активности и среднегодовых температур за последнее столетие показывает их четкую корреляцию. А реконструкция изменения солнечной активности и влияния этого процесса на климат показывает, что по крайней мере половина наблюдаемого потепления за период с 1900 года может быть объяснена этой причиной.
Положение земной оси по отношению к Солнцу не совсем стабильно. Время от времени она довольно резко смещается назад или вперед, что также оказывает соответствующее влияние на климат.
Не исключено, что определенные колебания может испытывать огромный поток тепловой энергии, выделяющейся за счет продолжающейся дифференциации земного вещества, направленный от формирующегося тяжелого ядра планеты к ее поверхности.
Решающее влияние на понимание динамики климата имеет корректная оценка изменения теплосодержания океанических вод. Это единственное место на земной поверхности, где может накапливаться энергия радиационного дисбаланса. Данные показывают, что теплосодержание океана увеличилось на 2х1023 Дж с середины 1950-х по середину 1990-х. Наиболее простое объяснение этого — происходящие изменения в атмосферных процессах и их влияние на тепловой баланс.
Моделирование климатических явлений показало, что огромное влияние на климат оказывает характер океанических течений. Именно этой причиной может быть объяснен более теплый климат некоторых предшествовавших геологических эпох. Наиболее близкая аналогия возможных климатических изменений может быть получена из анализа климата эпохи плиоцена, отстоящей от нашего времени примерно на 3 млн. лет (период от 5 до 1,8 млн. лет назад). Тогда средняя температура поверхности превышала современную более чем на 1оС. Именно в этот период появились прямые предки человека и начались циклические оледенения в северном полушарии. Сравнение с климатическими условиями этой эпохи удобно также тем, что конфигурация земной поверхности практически соответствовала современной, а большинство видов растений и животных соответствовало современным видам. Хотя достоверно неизвестно, что именно явилось причиной потепления в плиоцене, ему также соответствовал высокий уровень парниковых газов, превышающий современный по крайней мере на 100 ppm. Однако моделирование климата плиоцена, проведенное специалистами NASA, не подтвердило гипотезу о том, что потепление было вызвано повышением концентрации СО2. Оказалось, что необходимо четырехкратное повышение концентрации диоксида углерода для объяснения произошедших климатических изменений. В то же время примерно 30%-ное изменение в меридиональном тепловом потоке, переносимом океаническими течениями, оказалось достаточным, чтобы объяснить климатическую картину того времени. Конечно, могли существовать и другие неизвестные факторы, влиявшие на температуру и концентрацию диоксида углероду в эту эпоху.
Наблюдаемые изменения концентраций парниковых газов в плиоцене и в современную эпоху могут являться не причиной, а прямым следствием температурных изменений, вызванных одной из перечисленных выше причин. Например, даже небольшое повышение средней температуры поверхностного слоя океана приводит к эмиссии огромного объема диоксида углерода за счет изменения его растворимости в морской воде. Одновременно возможен резкий выброс в атмосферу гигантских количеств метана за счет теплового разложения неустойчивых газовых гидратов на морском шельфе и на суше. А сильная положительная обратная связь, реализуемая через механизм парникового эффекта, может многократно усиливать даже небольшие температурные колебания, вызванные любой из возможных причин.
У специалистов пока нет уверенности в долговременности наблюдаемой тенденции повышения температуры и невозможности смены знака температурного хода в ближайшее время. Высказываются доводы в пользу большой роли в плотной земной атмосфере конвективных процессов теплопереноса, что ставит под сомнение критическую роль наблюдаемого изменения концентрации парниковых газов в росте средней температуры земной поверхности. Необходимо также учитывать, что результаты антропогенной деятельности практически в той же степени способствуют явлениям, понижающим среднюю температуру земной поверхности. Нет строго обоснованного доказательства существенного преобладания тенденции к «положительному» вкладу антропогенной деятельности.
Наконец, глобальный климат может испытывать достаточно сильные флуктуации и без всяких внешних воздействий. Оценки на основе глобальных моделей показывают, что на протяжении столетия колебание средней температуры поверхности может достигать 0,4оС даже при фиксированном уровне солнечной радиации и постоянной концентрации парниковых газов. Эти флуктуации проявляются как следствие нелинейных процессов, характеризующих поведение атмосферы планеты. Благодаря огромной тепловой инерции океана, хаотические изменения в атмосфере могут вызывать последействие, сказывающееся десятилетия спустя. И для того, чтобы дополнительные воздействия на атмосферу имели вполне определенный направленный эффект, они должны, по крайней мере, заметно превышать естественный флуктуационный «шум» системы.
Парниковый эффект и антропогенное влияние на состав атмосферы
Парниковый эффект, безусловно, один из основных факторов, влияющих на климат. Благодаря присутствию парниковых газов в атмосфере средняя температура земной поверхности повышается примерно на 33оС, достигая почти 290 К, что и создает условия для существующего на Земле многообразия жизненных форм, включая человека и созданную им цивилизацию. К основным парниковым газам, попадающим под действие Киотского протокола, относят CO2, CH4, N2O, SF6 и фреоны. Эти газы сильно различаются не только по своей концентрации в атмосфере, но и коэффициентам поглощения инфракрасного излучения (ИК). Для оценки относительного влияния различных газов на климат обычно используют величину глобального парникового потенциала или «климатическое воздействие», определяемое как усредненное изменение достигающего поверхности теплового потока (Вт/см2) за счет изменения концентрации данного газа в атмосфере.
Основным парниковым газом и с точки зрения его влияния на изменение климата (более 60%), и с точки зрения естественных и антропогенных потоков и концентрации в атмосфере, является диоксид углерода. С начала индустриальной революции его концентрация в атмосфере возросла примерно на 30% и достигла в 1997 году уровня 364 ppm (рис.1). Время жизни диоксида углерода в атмосфере определяется скоростью обмена с поверхностью океана и оценивается в 10 лет, но при учете перемешивания океанских вод и поглощения диоксида углерода осадочными породами реальное время релаксации его концентрационных изменений может достигать многих десятков и даже сотен лет.
Метан — второй по значению парниковый газ. Его вклад в антропогенный парниковый эффект оценивается в 18-19%, время жизни в атмосфере тоже примерно 10 лет, а концентрация с 1850 года более чем удвоилась и превысила 1,7 ppm (рис. 1). За этот же период концентрация закиси азота увеличилась на 15%. Фреоны являются практически полностью антропогенными соединениями, не наблюдавшимися в атмосфере до 50-х годов. В связи с их ролью в разрушении стратосферного озона, в соответствии с Монреальским протоколом, их производство резко сокращено, но из-за большого времени жизни в атмосфере (50-100 лет) их концентрация будет только постепенно сокращаться в течение всего XXI столетия.
Основным источником антропогенной эмиссии СО2 в атмосферу (примерно 6,5 млрд. т углерода в год) является энергетика. В США она ответственна за эмиссию 98% диоксида углерода, 24% метана и 18% закиси азота. Крупнейшим источником антропогенной эмиссии метана является сельское хозяйство, главным образом животноводство и рисоводство. Несмотря на значительную антропогенную эмиссию этих газов, их потоки пока еще не только много ниже естественных потоков, но и много ниже уровня неопределенности в оценке естественных. Например, современные представления о генезисе залежей природного газа в земной коре все более склоняются в пользу их абиогенного происхождения в результате захвата естественными «ловушками» лишь небольшой части мощного потока, являющего следствием продолжающейся дегазации планеты. При этом в атмосферу, по оценкам, ежегодно поступает до 2 трлн. м3 метана. Точность оценок естественных и антропогенных поступлений парниковых газов в атмосферу пока не высока, и поэтому трудно говорить о возможности строгого учета антропогенного вклада в их эмиссию.
Еще более неопределенны оценки природных биохимических процессов кругооборота метана и диоксида углерода. Метан, попадающий в атмосферу, составляет всего 0,5% от полного кругооборота углерода в природе, хотя примерно половина всего количества углеводородов органического происхождения разлагается до метана анаэробной микрофлорой. Разница обусловлена деятельностью аэробных метанпоглощающих микроорганизмов, располагающихся между анаэробными отложениями, в которых происходит образование метана, и атмосферой. Есть данные, свидетельствующие о протекании и анаэробных биохимических процессов окисления метана в отложениях на морском дне с образованием диоксида углерода. Т. е. не исключено, что в анаэробных условиях происходит неоднократное взаимопревращение этих газов. Учитывая большую разницу диоксида углерода и метана в способности вызывать парниковый эффект, это приводит к дополнительной неопределенности в климатических оценках. Большой неопределенностью характеризуются и данные о природных процессах поглощения и связывания СО2.
На климатические процессы влияет также атмосферная концентрация водяных паров и концентрация озона в стратосфере. Согласно результатам моделирования, с 1959-го по 1999 г. уменьшение концентрации озона ответственно за изменение средней температуры поверхности примерно на -0,09оС. За этот же период концентрация водяных паров, увеличившаяся в результате изменения климата и окисления возросшего количества атмосферного метана, дала вклад в увеличение температуры на +0,26оС. Таким образом, суммарный вклад этих газов составил +0,17оС, т. е. около 33% от экспериментально наблюдаемой величины. Такой возможный вклад этих газов не противоречит существующим представлениям, учитывая имеющиеся неопределенности в расчетах климатических воздействий различных источников. К 2050 году суммарный эффект этих газов может возрасти до +0,43оС, что составит 10-15% от вклада остальных парниковых газов.
Гидрологический цикл и формирование облачного покрова — один из существенных факторов, влияющих на тепловой баланс планеты. Являясь прямым следствием климатических условий, гидрологическое состояние атмосферы, в свою очередь, само оказывает сильное влияние на тепловые потоки, что приводит к серьезным неопределенностям при моделировании возможных климатических изменений.
Большое влияние на климат оказывают атмосферные аэрозоли — мелкие частицы, диспергированные в воздухе. Они охлаждают атмосферу, отражая солнечное излучение. Наибольшее внимание получили сульфатные аэрозоли, образующиеся при сжигании серосодержащих топлив. Климатическое воздействие антропогенных аэрозолей — один из главных источников неопределенности при оценке будущих климатических изменений. Обычно принято считать, что аэрозоли оказывают охлаждающее действие на поверхностную температуру из-за рассеивания ими солнечной радиации. Кроме того, аэрозоли оказывают косвенное воздействие на климат, изменяя свойства облаков. Однако помимо рассеивающих частиц, аэрозоли также могут содержать сажевые частицы, которые поглощают солнечное излучение и рассеивают его в виде теплового излучения. Хотя это явление достаточно трудно для исследования, есть данные о том, что оно может приводить к повышению поверхностной температуры, что компенсирует охлаждающее влияние остальных компонентов аэрозоля. Его влияние может оказаться сравнимым с влиянием таких традиционных парниковых газов, как метан.
Анализ ситуации и выбор стратегии
Критическая зависимость мировой экономики и условий жизни на планете от климата делает анализ причин и прогнозирование долговременных климатических изменений важнейшей задачей. Среди прочих естественных и антропогенных факторов, влияющих на климат, рост концентрации парниковых газов в атмосфере рассматривается как одна из наиболее серьезных причин наблюдаемых в последние десятилетия изменений. Однако моделирование механизма влияния парниковых газов на земной климат сопряжено с очень большими неопределенностями, часть которых имеет принципиально неустранимый характер. Даже в гипотетическом случае полного учета всех естественных и антропогенных источников парниковых газов и полного понимания механизмов их кругооборота и превращения в природе невозможно учесть неизбежные и непредсказуемые климатические флуктуации в том сложнейшем «климатическом механизме», который определяет условия на поверхности нашей планеты.
 |
| Рис. 3. Оценка воздействия на климат различных атмосферных факторов F- усредненное значение достигающего земной поверхности теплового потока при влиянии данного фактора |
На рис. 3 показаны полученные специалистами NASA на основе моделирования оценки воздействия на климат различных атмосферных факторов ( Вт/м2 ) с 1850-го по 2000 год. Хотя изменение концентрации СО2 оказывает наибольшее влияние на климат, оно не зачеркивает влияния других газов. Влияние метана составляет половину влияния углекислого газа, а негативное воздействие атмосферных аэрозолей, особенно сульфатов, а также органических аэрозолей и сажи, согласно этим оценкам, практически компенсирует эффект от СО2. Воздействие аэрозолей оценить достаточно трудно, но оно существенно. При этом, поскольку сжигание ископаемых топлив приводит к образованию как аэрозолей, так и СО2, суммарное воздействие на атмосферу процессов, приводящих к образованию диоксида углерода, много меньше, чем оцененное по одному лишь эффекту накопления этого газа в атмосфере (1,4 Вт/м2). Таким образом, если эти оценки верны, то основное воздействие на климат оказывает не повышенное содержание в атмосфере СО2, а другие парниковые газы, и именно на борьбе с их выбросами должны быть сосредоточены основные усилия.
Согласно оценкам этой же группы специалистов, за 17 лет — с 1979-го по 1996 г. — воздействие на поверхностную температуру «положительных» и «отрицательных» антропогенных факторов примерно взаимно компенсировалось, дав почти нулевой эффект. Наблюдавшееся за это время повышение температуры на 0,2оС, по расчетам, объясняется радиационным дисбалансом за счет изменений в составе атмосферы, произошедших до 1979 года. Запасенная за счет этого дисбаланса в океане тепловая энергия будет, по их мнению, приводить к «рекордным» температурам еще в течение ряда лет. Пока этот прогноз подтверждается. Во всяком случае, скорость нарастания климатического воздействия диоксида углерода и закиси азота с конца 70-х годов резко замедлилась, а метана пошла на убыль, несмотря на 30%-ное увеличение добычи углеродного топлива к концу 90-х годов. Иначе говоря, темпы изменения концентрации диоксида углерода и метана в атмосфере не коррелируют с антропогенной активностью в области добычи и использования углеводородных топлив. Кстати, радиоуглеродный анализ метана из воздушных пузырьков в пробах антарктического льда показал, что увеличение его концентрации в атмосфере началось примерно 400 лет назад, т. е. задолго до промышленной революции, и имеет, в основном, неантропогенную природу.
Согласно климатическим моделям, при отсутствии контроля за эмиссией парниковых газов к 2100 году концентрация диоксида углерода может увеличиться на 30-150% по сравнению с современным уровнем. Это может привести к увеличению средней глобальной температуры земной поверхности на 1-3,5оС к 2100 году при значительных региональных ее вариациях, что, безусловно, вызовет серьезные последствия для экосферы и хозяйственной деятельности во многих местах планеты. Однако учет в этих же моделях последствий от выполнения мер, предусмотренных Киотским протоколом, показывает их очень незначительное влияние на будущие климатические изменения. Если предположить, что условия протокола будут полностью выполнены за счет снижения эмиссии СО2, сокращение концентрации диоксида углерода в атмосфере по сравнению со сценарием, в котором вообще отсутствует регулирование эмиссии, составит к 2100 году от 20 до 80 ppm. В то же время для стабилизации его концентрации на уровне хотя бы 550 ppm необходимо сокращение минимум на 170 ppm. Во всех рассмотренных сценариях, даже при условии постоянного ежегодного снижения антропогенной эмиссии диоксида углерода на 1% после выполнения условий Киотского протокола и вплоть до 2100 года, результирующее влияние этого фактора на изменение температуры оказывается незначительным, всего 0,08 — 0,28оС.
Предусмотренная Киотским протоколом цель — достижение ведущими индустриальными странами к 2012 г. уровня эмиссии парниковых газов в 95% от уровня 1990 г. — очень тяжелая задача. И при этом нет никакой уверенности, что это окажет существенное влияние на климат XXI века. У специалистов нет твердой уверенности в том, что серьезные меры и ограничения, накладываемые Протоколом и требующие огромных расходов, действительно будут оправданы. Например, Международная комиссия по изменению климата (IPCC) в докладе 1995 г. лишь очень мягко констатировала, что «имеющаяся сумма данных […] наводит на мысль о различимом влиянии человеческой деятельности на глобальный климат» и «хотя глобальные данные наводят на мысль, […] они не могут рассматриваться как неотразимое свидетельство существования очевидной и значительной причинной связи между антропогенной деятельностью и изменением температуры земной поверхности». С тех пор не было предоставлено новых убедительных данных, способных привести к более жестким формулировкам.
Таким образом, Киотский протокол ставит цели, относительно которых невозможно сказать ни то, что они необходимы, ни то, что они будут достаточны. Во имя будущего человечества предлагается принять срочные и весьма дорогостоящие меры, которые могут оказать крайне негативное влияние на экономику и уровень жизни во всех странах на десятки лет вперед. Ведь ничто не дается бесплатно, за все приходится расплачиваться, причем не столько деньгами, сколько энергией и ресурсами. Поэтому все громче стали звучать голоса сомневающихся — первоначальный энтузиазм сменяется более трезвым и скептическим взглядом. За три года из 160 стран, подписавших «протокол о благих намерениях», его ратифицировали только тридцать, в основном островные государства Океании, для которых энергетические проблемы носят достаточно абстрактный характер. Прогресс в практической реализации предусмотренных протоколом мер и перспективы его ратификации сколько-нибудь значимыми в мировой экономике странами близки к нулю.
Согласно данным Агентства по охране окружающей среды, суммарная эмиссия основных парниковых газов в США с 1998-го по 1999 г. возросла на 0,9%, а среднегодовой уровень роста эмиссии за период с 1990 г. составил 1,2%. В пересчете на эквивалентное количество СО2 общий объем эмиссии парниковых газов в США составил в 1999 г. 6,75 млрд. т. Таким образом, США не только не приблизились к выполнению принятых по Киотскому протоколу обязательств уменьшить к 2012 году выбросы парниковых газов на 7%, но и превзошли уровень 1990 года уже на 11,6%.
На встрече в Лионе в сентябре 2000 года по разработке практических мер по реализации условий Киотского протокола 2 тысячи участников, представляющих 160 правительств и 68 организаций, не смогли достигнуть соглашений по важнейшим вопросам: как определять стоки СО2, и как засчитывать его поглощение сельскохозяйственными культурами; какой объем эмиссии развитые страны могут «приобрести» за счет выплат или вложений в другие страны; какие меры должны приниматься при нарушении условий Протокола; каков объем финансовой помощи для решения этих вопросов должен быть предоставлен развивающимся странам; может ли развитие ядерной энергетики идти в зачет мер по сокращению эмиссии и т. п. Маловероятно, чтобы индустриальные страны пошли на подписание протокола до полной проработки всех деталей. Результаты следующей встречи в ноябре 2000 года в Гааге даже на дипломатическом языке характеризуются не иначе как «полный провал»: экономисты и политики начали осознавать, во что реально обойдется экономике их стран практическая реализация условий Протокола.
Контроль за любыми «экологически проблемными» выбросами требует значительных затрат и накладывает тяжелое бремя не только на производителя, но и, прежде всего, на потребителя. Такса за выбросы углерода, применяемая некоторыми странами для сокращения выбросов СО2, составляет до 50 долл./тонну СО2, что приводит к дополнительным затратам в 3 цента/кВт.ч.
К 1990 году прямые затраты и косвенное сдерживающее влияние экологического регулирования уже оказывало сильное влияние на американскую экономику. По оценкам, в отсутствие экологического регулирования ВВП США мог быть, вероятно, на 20% выше, чем достигнутый к этому времени. К каждому доллару прямых затрат на сокращение выбросов необходимо добавить еще 3-4 долл., потерянных за счет снижения эффективности и объема производства. На самом деле, чрезмерный прессинг экологического контроля на промышленность — далеко не безобидное явление и не может основываться на философии превентивных мер. Любые дополнительные затраты энергии и ресурсов на решение экологических проблем одновременно в какой-то мере всегда усугубляют те же экологические проблемы, неизбежно приводя к дополнительной эмиссии антропогенных загрязнений в окружающую среду. Поэтому оптимальное экологическое регулирование требует серьезного обоснования как достаточности, так и необходимости принимаемых мер. В промышленных кругах, наряду с пониманием важности экологических вопросов, одновременно зреет и сопротивление огульному экологическому экстремизму, вытесняющему промышленное производство на периферию «цивилизованного» мира, что подрывает экономику собственных стран.
Но если в отношении большинства химических загрязнителей атмосферы меры по их улавливанию могут быть в значительной степени экономически оправданы при сопоставлении с ущербом, наносимым населению и окружающей среде, огромный объем антропогенной эмиссии диоксида углерода делает задачу регулирования его эмиссии путем улавливания выбросов практически нереальной. Например, ежегодные затраты экономики Соединенных Штатов в 2008-2012 гг. на выполнение условий Киотского протокола оцениваются в 77-338 миллиардов долларов (в ценах 1992 г.). Это составляет 1-3,6% от ожидаемого ВНП на этот период. Реализация необходимых мер приведет к 2010 году к снижению темпов экономического развития страны, увеличению цен на бензин на 11-53% и отпускаемой энергии — на 17-83%. Это при том, что ожидаемый к 2050 году ежегодный ущерб всей мировой экономике из-за прогнозируемого повышения температуры оценивается в 300 млрд. долл., и нет уверенности, что принимаемые меры действительно скажутся на темпах глобального потепления. Неудивительно, что идея регулировать выбросы парниковых газов, особенно СО2, так, как это делается в отношении химических загрязнителей атмосферы, вызывает все более серьезные возражения в промышленных и политических кругах, а президенты США и России открыто выражают свою оппозицию Киотскому протоколу. Видимо, настала пора оценить, насколько будут оправданы приносимые жертвы и что человечество получит в результате достижения провозглашенных целей.
Возможно ли улавливать и перерабатывать парниковые газы как остальные химические загрязнители, например диоксид серы или окислы азота? Если меры по улавливанию и переработке промышленных выбросов метана и других углеводородов могут быть не только экологически, но и экономически оправданы, то в отношении диоксида углерода, доля которого в антропогенном парниковом эффекте оценивается в 61%, они сопряжены с огромными затратами. Например, Департамент энергетики США объявил в качестве цели необходимость улавливания к 2025 г. значительной части (до 1 млрд. т/год) потенциальных выбросов СО2, выделив на исследовательские работы для этого в 2002 году сумму в 9,2 млн. долл. с перспективой ее удвоения в 2003 г. Однако стоимость улавливания тонны СО2 в настоящее время составляет от 100 до 300 долларов, что значительно превышает стоимость тонны нефти (а каждая тонна сгоревшего углеводородного топлива приводит к образованию примерно трех тонн диоксида углерода). Даже если удастся значительно снизить эти затраты, что выглядит маловероятным, они будут все равно огромны.
Нет смысла подробно останавливаться на предлагаемых методах выделения СО2 из разбавленных азотом газов электростанций, в которых его концентрация составляет всего 10-12%, и его последующей утилизации или захоронения. Этому вопросу, например, был посвящен специальный симпозиум «Улавливание, использование и сокращение выбросов СО2», проведенный в 2000 году Секцией химии горения Американского химического общества (ACS) в рамках ежегодной 220-й конференции ACS. Многие предлагаемые методы с научной и технологической точки зрения действительно интересны и оригинальны. Но все они требуют затрат энергии, сопоставимых с той энергией, которая получается в результате выделения улавливаемого СО2!
Приведем простые оценки. Среди предлагаемых методов утилизации СО2 наиболее часто обсуждаемый и технически реальный — закачка его на морское дно на глубину в несколько километров, где он будет оставаться в жидком состоянии, пока не произойдет его биологическое или химическое связывание. На проведение соответствующих лабораторных и «натурных» экспериментов уже затрачено несколько миллионов долларов. Поскольку количество выбрасываемого в атмосферу антропогенного СО2 соответствует количеству добываемого на планете углеродного топлива, а его сбор и транспортировка технически и энергетически не менее сложны, чем первичная добыча топлива, то можно с большой долей вероятности предположить, что на это потребуется не меньше средств и энергии, чем затрачивается сейчас на добычу углеводородного топлива. Поэтому топливной отрасли придется удвоить свои мощности, а цена топлива возрастет в два раза. Аналогичную оценку можно получить и другим путем. На перекачку природного газа на расстояние порядка двух тысяч километров при давлении в магистральных трубопроводах 65-75 атм в России затрачивается в среднем более 10% добываемого газа. Следовательно, для сбора СО2, его транспортировки на такое же расстояние и закачки на глубину в несколько километров (давление около 700 атм) потребуется примерно в десять раз больше энергии, т. е. опять-таки придется удвоить количество добываемого топлива. Любые технические усовершенствования с учетом кпд реальных процессов и затрат на производство и обслуживание соответствующего оборудования вряд ли кардинально улучшат эту безрадостную картину.
Расчет на глобальную роль возобновляемых или неуглеродных источников энергии, за исключением ядерной энергетики, вряд ли реален по причине низкой плотности потока энергии в этих источниках. Например, кпд преобразования солнечной энергии некоторыми сельскохозяйственными культурами достигает 5-7%. Эта величина не принципиально отличается от кпд фотохимических преобразователей (около 25%) при том, что сельскохозяйственное производство требует значительно меньших капитальных затрат. Но именно из-за низкой плотности потока первичной энергии (солнечной радиации на земной поверхности) сельскохозяйственное производство даже в наиболее развитых странах относится к наименее рентабельной (а точнее, просто убыточной) области человеческой деятельности. Кстати, часто выдвигаемый тезис об «экологической чистоте» возобновляемых источников энергии, например энергетики, основанной на сжигании растительной массы, также вызывает большие сомнения. Как правило, такие оценки не учитывают экологические выбросы, образующиеся при производстве и обслуживании огромного и быстро выходящего из строя парка механизмов, обеспечивающих выращивание и сбор соответствующего объема растительной массы, а также объем сжигаемого при этом топлива, т. е., мягко говоря, некорректны.
Поэтому стратегические усилия мирового сообщества должны быть направлены, прежде всего, на более рациональное использование энергетических ресурсов, снижение удельной энергоемкости производства и удельного расхода энергии на поддержание достойного жизненного уровня. Только благодаря предпринимаемым промышленностью усилиям США на протяжении последних лет при быстром росте ВВП удается удерживать практически стабильным уровень эмиссии парниковых газов на душу населения, что следует расценивать как наиболее весомый вклад в сдерживание темпов антропогенного воздействия на атмосферу. Выброс СО2 на 1 млн. долл. произведенного ВВП сократился в США с 330 т в 1980 году до менее чем 240 т в 1998 году. Другие ведущие промышленные страны также заметно сократили или, по крайней мере, ограничили удельный выброс парниковых газов. Великобритания закрыла малоэффективные угольные шахты, перейдя на использование нефти и газа месторождений Северного моря, Франция сделала упор на атомную энергетику, Германия повысила эффективность энергопотребления в восточной части страны. Выброс СО2 в России сократился на 33% не только за счет падения объемов производства, но и за счет массового перехода промышленности и электроэнергетики на природный газ.
Огромный вклад в глобальное сокращение эмиссии СО2 может дать использование современных технологий в энергетике. Например, комбинированные газотурбинные-паротурбинные системы с предварительной газификацией твердого топлива или тяжелых остатков нефтепереработки позволяют снизить эмиссию СО2 на 40%, а эмиссию SОx, NOx, CO и твердых частиц на 80%. С технической точки зрения, уменьшение эмиссии СО2 является результатом более эффективного использования топлива (кпд около 41%) по сравнению с типовыми электростанциями старого образца (кпд около 32%). Дальнейшее повышение эффективности до 49% может быть достигнуто за счет более современных газовых турбин.
Другим направлением может стать разработка мер по сокращению значительно меньших по объему парниковых выбросов с большим климатическим воздействием (окислы азота, тропосферный озон, сажа) и метана, имеющего самостоятельную энергетическую ценность, что может сделать его сбор и утилизацию экономически оправданными. Рентабельные малотоннажные установки могли бы вовлечь в промышленную переработку попутные и нефтезаводские газы, в большом объеме (до 4-5% от мировой добычи природного газа) выбрасываемые в атмосферу или сжигаемые в факелах при современных технологиях добычи и переработки углеводородов. Эмиссия метана может быть также существенно сокращена за счет агротехнических мероприятий, например при производстве риса — одного из основных антропогенных источников этого газа. Одновременно, видимо, необходим анализ возможных мер по адаптации мировой экономики к предстоящим климатическим изменениям, что, возможно, окажется более рациональным и реальным, чем попытка предотвратить недостаточно хорошо понимаемые глобальные климатические процессы.
В долгосрочной перспективе предпринимаемые меры по ограничению выброса парниковых газов все равно не смогут предотвратить серьезный антропогенный вклад в повышение температуры поверхности планеты-это неизбежное следствие развития цивилизации. Переход на источники энергии, не связанные с выделением парниковых газов, не остановит роста потока энергии, рассеиваемой человечеством в окружающую среду. Уже сейчас эта величина превышает 0,01% общего потока солнечной энергии на поверхность планеты. Если мы будем исходить из сценария демократического развития общества, исключающего насильственное подавление одной части населения планеты другой, то относительная стабилизация энергопотребления может наступить только после достижения всем человечеством уровня, уже достигнутого развитыми странами (около 10 кВт/чел.). Это потребует как минимум стократного роста производства энергии, т. е. человечество должно будет производить и рассеивать в окружающую среду энергию, превышающую 1% потока падающей на Землю солнечной радиации. Только одно это может привести к повышению средней температуры земной поверхности примерно на 3оС. Попытки искусственно ограничить интенсивность потоков преобразования энергии человечеством, видимо, равносильны попыткам остановить ход прогресса и могут привести к деградации общества. Настала пора, как это ни тяжело, признать, что экологическая стабилизация на Земле принципиально невозможна без снижения антропогенной нагрузки на биосферу. Поиск путей достойного решения этой задачи — величайший вызов цивилизации за всю историю ее существования.
