Как выглядит механизм изменения климата? С чем связано формирование озоновых дыр в Антарктиде? Почему геотермальная энергия – наиболее перспективный вид энергии для будущей энергетики? Об этом в интервью для ассоциации «Глобальная энергия» рассказал лауреат одноименной премии Сергей Алексеенко, академик РАН, научный руководитель Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения (ИТ СО) РАН.

– Сергей Владимирович, у неспециалиста, который узнает об изменении климата из новостных сообщений, может сложиться впечатление, что двадцать лет назад климатологи говорили преимущественно об угрозе разрушения озонового слоя, а теперь – о долговременных последствиях выбросов парниковых газов. Насколько верно такое представление?

– Да, с 80-х годов прошлого века обсуждали больше проблему разрушения озонового слоя, а в последние годы – глобальное потепление, казалось бы, забыв про озон. Но проблема никуда не исчезла, и одной из главных причин разрушения озонового слоя является антропогенная эмиссия фреонов – галогенсодержащих производных насыщенных углеродов, которые широко применяются в качестве хладагентов. Хотя есть и природные источники галогенсодержащих газов, такие как вулканы. Принципиально важно отметить, что механизмы изменения климата и разрушения озонового очень сильно взаимосвязаны.

– Могли бы вы тогда объяснить, в чем заключается механизм глобального потепления?

– Можно выделить пять основных физических факторов, которые влияют на изменение климата: парниковый эффект, тропосферные аэрозоли (которые играют на снижение температуры), солнечная активность, параметры орбиты Земли и, наконец, вулканическая деятельность. Воздействие данных факторов является неодинаковым во времени, то есть, необходимо учитывать временной масштаб. Например, циклы Миланковича, ответственные за колебания потока солнечной энергии, достигающего Земли, имеют период от 23 тыс. лет (прецессия земной оси) до 96 тыс. лет (колебания эксцентриситета орбиты Земли). Это важный фактор на масштабах в несколько десятков тысяч лет, что видно на примере ледяных кернов, извлеченных еще в советское время на антарктической станции «Восток». Однако этот фактор практически полностью нивелируется на горизонте одного столетия.

Невозможно объяснить изменение климата без учета так называемых обратных связей, что наиболее сложно для понимания и описания. Приведем наиболее важный пример проявления обратных связей, который демонстрирует, как малое количество антропогенных выбросов СО₂ дает сильный эффект потепления. Исходим из того, что вся Земная система находится в равновесии (в том числе, по большим выбросам СО₂ в природе). Если происходят малые выбросы СО₂ за счет деятельности человека, это приводит к очень небольшому повышению температуры за счет парникового эффекта. Но небольшой рост температуры дает резкое увеличение влажности из-за экспоненциальной связи между влажностью и температурой. Тогда сразу в парниковый эффект начинает вносить большой вклад водяной пар, который является сильнейшим парниковым газом. То есть выбросы CO₂ играют роль своего рода спускового крючка процессов, которые приводят к глобальному потеплению. Конечно, количественный результат можно получить только на основе полных климатических моделей земной системы с учетом всех возможных факторов, что представляет собой неимоверно сложную задачу. Непрерывная антропогенная эмиссия углекислого газа (и других, менее значимых парниковых газов) приводит к дисбалансу углерода на Земле. Ежегодно в атмосфере остается 5 млрд тонн углерода, которые невозможно быстро поглотить с помощью земной растительности или мирового океана. Так, углекислый газ в глубинных слоях океана связывается в карбонат кальция, однако этот процесс занимает сотни и даже тысячи лет, то есть, опять включается временной масштаб.

Для оценки потепления необходимо определить баланс энергии. На Землю в среднем поступает солнечная энергия мощностью 341 ватт (Вт) на квадратный метр. За счет парникового эффекта в космос возвращается немного меньше энергии. И дисбаланс составляет величину всего лишь 2,72 Вт/м². Это и есть причина глобального потепления, выраженная в цифрах.

– А как выглядит процесс разрушения озонового слоя?

– Существует много реакций разрушения озона. До влияния человека все в природе находилось в равновесии. Однако антропогенные выбросы фреонов и других галогенсодержащих веществ в атмосферу нарушили равновесие, что начало приводить к разрушению озонового слоя. Эти процессы происходят в несколько стадий. Благодаря долгому времени жизни фреоны накапливаются в тропосфере, затем с помощью атмосферных вихрей попадают в стратосферу, где они сначала аккумулируются в виде так называемых коллекторных газов типа HCl (малореакционных соединений). Затем коллекторные газы разными способами превращаются в наиболее реакционные газы типа ClО, которые участвуют в реакциях разрушения озона под воздействием ультрафиолета. Непосредственно только хлор и бром взаимодействуют с озоном. Реакция озона с хлором приводит к разрушению озона и образованию оксида хлора, который под воздействием ультрафиолета превращается опять в хлор и кислород. То есть эта реакция носит каталитический характер. При этом один атом хлора может разрушить миллионы молекул озона.

– Почему озоновые дыры наблюдаются в Антарктиде?

– Всё дело в так называемых полярных облаках, которые образуются из воды, азотной и серной кислот при температуре ниже минус 78 градусов Цельсия. В отличие от Арктики, такая температура держится в Антарктиде по полгода благодаря очень устойчивому полярному вихрю, который играет роль барьера, предотвращая перемешивание воздушных масс. На частицах полярных облаков происходят гетерогенные реакции, которые приводят к интенсивному образованию оксида хлора. Весной под воздействием солнца из оксида хлора образуется хлор, который разрушает озоновый слой. В Арктике же из-за наличия близко расположенных больших территорий суши возникают атмосферные возмущения, не позволяющие сформировать устойчивый полярный вихрь и, соответственно, долговременную зону низких температур.

– Как можно предотвратить разрушение озонового слоя?

– Это уже хорошо понятно – за счет отказа от использования озоноразрушающих фреонов и других промышленных галогенсодержащих газов. Но при этом возникает несколько других проблем. В качестве альтернативы начали активно использовать озонобезопасные фреоны, преимущественно гидрофторуглероды типа фреона 134а, который сейчас массово применяется в холодильниках. Но как озоноразрушающие, так и озонобезопасные фреоны являются сильными парниковыми газами. Поэтому в ближайшем будущем они тоже будут запрещены к использованию.

Другая проблема состоит в том, что, как уже отмечено, существует сильная взаимосвязь между изменением климата и разрушением озонового слоя. Озоноразрушающие вещества и их заменители являются парниковыми газами. Озон также является парниковым газом. В свою очередь, на озон большое влияние оказывает изменение климата. Содержание озона сильно зависит от будущих выбросов углекислого газа, метана и закиси азота.

Возникает трудноразрешимая ситуация. Много выбросов CO₂ – общий озон быстро восстановится (в 2030 г.). Мало выбросов CO₂ – общий озон вообще не восстановится к 2100 г.! Поэтому борьба с изменением климата, де-факто, ставит перед выбором между сокращением парниковых газов и восстановлением озонового слоя.

– Какие выводы из этого следуют для мировой энергетики?

– С точки зрения проблемы изменения климата необходимо переходить к низкоуглеродной энергетике, но с поправкой – учитывать экономические возможности стран и региональные особенности. А подходы известны. Прежде всего, повышение эффективности энергетических установок и развитие технологий, позволяющих использовать ископаемое топливо без выбросов CO₂, в том числе цикла Аллама и других технологий с секвестированием диоксида углерода. При этом нужен баланс между ископаемыми и возобновляемыми источниками энергии, особенно с учетом потребностей стран с холодным климатом в генерации тепловой энергии. Особенно это касается России. Солнце и ветер здесь проблемы не решают. В этом отношении наибольший интерес представляет геотермальные электростанции, которые вырабатывают как электричество, так и тепло (собственно, это и есть первичная энергия). Но главное в том, что геотермальная энергия, с переходом в будущем на использование петротермального тепла, это неиссякаемый и самый экологически чистый источник энергии! Конечно же, не обойтись без атомной энергетики. И не стоит забывать об энергосбережении, потенциал которого в России оценивается в фантастическую цифру 40 %.

Что касается озонового слоя, который к тому же связан с климатом, то здесь выводы такие. Поскольку практически все основные рабочие тела (типа фреонов) в тепловых машинах являются либо озоноразрушающими, либо парниковыми (или то и другое), то существует принципиальная проблема выбора рабочих веществ для холодильной техники, тепловых насосов, органического цикла Ренкина. По этой причине, на переходный период рассматриваются такие озонобезопасные фреоны (но обладающие парниковым эффектом) как R134a, R245fa, а в будущем – фреоны (?) нового поколения без парникового эффекта.

Наиболее подходящими рабочими телами (неводного типа) с точки зрения озонобезопасности и парникового эффекта являются давно известные природные агенты: углеводороды типа пропана и изобутана; углекислый газ; аммиак. У каждого свои особенности, в частности, токсичность и горючесть. Аммиак выглядит особо перспективным, поскольку освоен в глобальных масштабах, кроме того, это лучший способ хранения водорода, и он является эффективным топливом для топливных элементов.

Источник: Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН.