Кубанский государственный технологический университет

От глобального потепления спасет закопаемое топливо

04-05-2012
Рецепт «углеродного пирога» от Уоллеса Брокера: кусок съел — кусок закопай глубоко под землю (фото с сайта hilarynelson.com)

Задав предельный допустимый уровень концентрации СО2 в атмосфере, мы определяем тем самым размер общего «углеродного пирога», который надо разделить между всеми странами пропорционально численности населения. Можно быстро «съесть» свой кусок (как это и происходит в развитых странах), но можно этот процесс замедлить и даже остановить совсем, если компенсировать «съедаемое» связыванием атмосферного СО2 и выведением его из круговорота. К такому решению проблемы призывает всемирно известный ученый Уоллес Брокер. В недавно опубликованной статье в Science он подчеркивает, что введение ограничений на выбросы углекислого газа (а именно на это направлен Киотский протокол) не остановит рост его концентрации в атмосфере, а только замедлит. Необходимо срочно заняться проблемой крупномасштабного выведения СО2 из атмосферы.

Содержание углекислого газа в атмосфере растет очень быстрыми темпами, вызывая серьезное беспокойство не только среди ученых, но и в широких слоях общества. Ведь параллельно с увеличением концентрации СО2 происходит глобальное потепление, тревожные, но абсолютно достоверные признаки которого — таяние ледников Гренландии и уменьшение толщины льда Северного Ледовитого океана. С начала промышленной революции по настоящий день концентрация СО2 в воздухе возросла на 36% — с 280 ppm (parts per million — частей на миллион) до 380 ppm (иначе говоря, с 0,028% до 0,038%).

Рост содержания углекислого газа в атмосфере с конца 1950-х годов по 2002 год по данным Обсерватории Мауна-Лоа (Mauna Loa Observatory) на Гавайях. Отдельные точки — среднемесячные значения. Хорошо видны ежегодные сезонные колебания, связанные с фотосинтезом наземной растительности Северного полушария (СО2 накапливается в атмосфере за зимний сезон, а летом активно связывается). Четко прослеживается и общая тенденция неуклонного возрастания содержания СО2. Синий цвет — данные Океанографического института Скриппса (Scripps Institution of Oceanography, SIO), красный — Национальной администрации по океанам и атмосфере (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA). Рис. с сайта www.noaanews.noaa.gov

На самом деле содержание углекислого газа не отличалось постоянством и в прошлые эпохи, задолго до влияния человека. Из данных анализа пузырьков воздуха, запечатанных во льду Антарктиды, нам известно, что за последние полмиллиона лет было несколько значительных подъемов и спадов в концентрации атмосферного СО2. Крупные колебания были связаны в основном с изменениями орбиты Земли, с так называемыми циклами Миланковича, но такого высокого значения, как нынешнее, еще не наблюдалось, да и рост был не столь быстрым. Параллели с современностью можно найти только в гораздо более далеком прошлом — в конце палеозоя, 300 миллионов лет назад, когда концентрация углекислого газа возросла (но не столь быстро) в 10 раз и достигла той величины, которую мы ожидаем к моменту, когда на Земле будет сожжено всё ископаемое топливо.

Недавно свой взгляд на проблему возможного контроля над ростом содержания СО2 в атмосфере высказал известный американский океанолог и климатолог Уоллес Брокер (Wallace S. Broecker), чье имя теперь прочно ассоциируется с «петлей» или «конвейером Брокера» (Broecker's Conveyor Belt) — круговоротом океанических течений, приносящим тепло в Северную Атлантику и чутко реагирующим на наступление глобального похолодания или потепления. В небольшой статье, опубликованной в последнем номере Science, Брокер обратил внимание на обстоятельство, вообще-то для ученых давно очевидное, но не очень-то ими афишируемое. Речь идет о том, что сокращение выбросов СО2, образующегося в результате сжигания ископаемого топлива, само по себе не решает проблему взятия под контроль содержания этого газа в атмосфере. Достижение опасного уровня и превышение его просто сдвигаются на несколько более поздние сроки, но вовсе не отменяются. Вместо этого Брокер предлагает новый подход, логика которого очень проста.

Рост содержания СО2 в атмосфере (ppm, левая шкала) и эмиссии углерода, поступающего при сжигании ископаемого топлива (миллионы тонн, правая шкала) с середина XIX века до конца XX века. Рис. с сайта www.mongabay.org

Сейчас на каждые 4 Гт (Гт = гигатонн = 109 тонн) углерода, сожженного в виде ископаемого топлива, в атмосфере доля СО2 повышается на 1 ppm (0,0001%). Если мы все договоримся о допустимом верхнем пределе содержания СО2 в атмосфере, то тем самым определим размер доступного всему человечеству «углеродного пирога» (подчеркнем, что речь идет не о запасах топлива в недрах земли, а о том количестве углекислого газа, которое поступит в атмосферу). Так, к примеру, если принять, что уровень СО2, характерный для периода до начала промышленной революции (260 ppm), можно превысить в два раза, то верхний предел будет равен 560 ppm. Поскольку современный уровень — это 380 ppm (правда, некоторые авторы всё еще считают, что 360 ppm, но будем следовать цифрам, приведенным Брокером), то размер глобального «углеродного пирога») составит при принятых допущениях: 4 Гт × (560 – 380) = 720 Гт. Если в качестве допустимого верхнего уровня содержания СО2 выбрать значение в 450 ppm, то размер «пирога» будет меньше — всего 280 Гт.

После того, как размер «пирога» установлен, нужно определиться с размерами кусков, которые достанутся разным странам. Самое справедливое — разделить пропорционально численности населения. В этом случае на долю богатых стран в сумме достанется около 20%, что при общем объеме «пирога» в 720 Гт составит 150 Гт углерода. Поскольку богатые страны в настоящее время потребляют в сумме около 6 Гт углерода в год в виде ископаемого топлива, то свою долю «пирога» они потратят очень быстро — за 25 лет. Будучи ограничены столь жесткими требованиями, богатые страны будут стремиться уменьшить эмиссию СО2, а также купить дополнительную часть «пирога» у развивающихся стран, расходующих меньше топлива. Однако меры экономии и расширения возможностей использования других источников энергии не спасут положения, не приведут к установлению контроля за изменениями содержания СО2 в атмосфере.

Гипотетический сценарий использования богатыми странами их куска «углеродного пирога» объемом 150 Гт углерода. По ординате отложено годовое потребление топлива (в Гт углерода в год), по абсциссе — годы вперед, начиная с 2007 года. Со временем объем допустимой эмиссии СО2 при сжигании ископаемого топлива будет быстро уменьшаться (коричневатое поле в нижней левой части диаграммы). Соответственно, чтобы сохранить свой кусок на будущее, необходимо всё большее количество СО2 изымать из атмосферы и выводить из круговорота (зеленое поле в правой части диаграммы). Рис. из обсуждаемой статьи в Science. Photo credit: PHOTOS.COM

Единственное возможное решение — связывание атмосферного СО2 и вывод его из круговорота (захоронение). Чисто технические аспекты подобного процесса сейчас интенсивно разрабатываются (см. Carbon capture and storage): это и закачка углекислого газа в скважины или на большие глубины океана, и связывание его в процессе химических реакций, например при взаимодействии с гидроксидом натрия (едким натром). Но всё упирается в стоимость соответствующих мероприятий. Если при этом цена энергии, получаемой при сжигании ископаемого топлива, возрастет на 10–30%, то решение считается вполне приемлемым. Если больше, надо искать других путей.

P.S. У читателя может возникнуть вопрос — а нельзя ли использовать биологический механизм связывания углекислого газа атмосферы? Ведь фотосинтез и является тем процессом, в ходе которого потребляется СО2 и вода, а образуется органическое вещество и кислород. Ответ простой — да, можно, но только если образующееся органическое вещество будет выведено из круговорота (например, погребено в очень глубоких траншеях, куда не будет доступа кислорода и где не разовьются грибы и бактерии, разлагающие мертвую органику). Если же образовавшееся органическое вещество останется на поверхности земли, то оно в конце концов отомрет и станет пищей грибам и бактериям. В процессе их дыхания будет потреблен когда-то выделившийся кислород, и выделится строго пропорциональное ему количество углекислого газа.

Источник: Wallace S. Broecker. CO2 Arithmetic // Science. 2007. V. 315. P. 1371.

См. также: 1) Гренландия всё быстрее теряет свой лед, «Элементы», 26.09.2006. 2) 300 миллионов лет назад углекислого газа в атмосфере было гораздо больше, чем сейчас, «Элементы», 12.01.2007. 3) Колебания метана в атмосфере: человек или природа — кто кого, «Элементы», 06.10.2006. 4) Таянье ледников Гренландии может привести к глобальному похолоданию, радио «Свобода», 03.08.2006.

Алексей Гиляров

‹‹