Предлагаемая статья посвящена изменениям климата, но мы рассматриваем её в одной связке с темой энергетики на основе ВИЭ. Причина в том, что один из стимулов развития возобновляемой энергетики в наше время — постулат о текущем потеплении климата как следствия, прежде всего, повышения содержания парниковых газов в атмосфере, вызванного сжиганием ископаемого топлива. Это даёт основание рассматривать ВИЭ как фактор снижения эмиссии парниковых газов и предотвращения глобального потепления климата. В статье рассматривается фактическая ситуация с изменениями климата и их причинами — в историческом прошлом и в наше время, приводятся данные исследований и прогнозы советских и российских учёных, показывающие существенно более сложную картину факторов изменений климата, причинно-следственных связей и сценариев развития ситуации, не позволяющие делать однозначные выводы.
Одним из стимулов развития энергетики на основе ВИЭ стала концепция глобального потепления, обусловленного деятельностью человека — прежде всего выбросами парниковых газов (газов, задерживающих тепловое излучение Земли и, таким образом, создающих «парниковый эффект», ведущий к потеплению), то есть утлекислого газа (CO2) и друтих. В свою очередь, более половины антропогенных выбросов CO2 связано с прямым сжиганием топлива на электрических и тепловых станциях, в промышленности и на транспорте [2].
В настоящее время в общественнополитических кругах и среди широкой публики считается очевидной истиной и почти не подвергается сомнению факт резкого антропогенного потепления климата, грозящего человечеству глобальной катастрофой. Для её предотвращения необходимо, как считается, сокращение хозяйственной деятельности и потребления природных богатств — прежде всего углеводородных ресурсов, вызывающего рост эмиссии CO2 и других парниковых газов.
Проблема глобального потепления становится предметом широкого обсуждения на международном уровне, причиной создания и деятельности ряда международных организаций и программ. К ним относятся, например, Международная группа по изменениям климата (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), созданная при участии Программы ООН по окружающей среде (UN Environment Programme, UNEP).
В 1992 году была принята Рамочная конвенция ООН по изменениям климата (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC). В качестве «усиленного» варианта данной конвенции в 1997 году был принят Киотский протокол (вступил в силу в 2005 году), предполагающий уже прямое ограничение государствами — участниками соглашения — выбросов парниковых газов в своих странах. Это, в свою очередь, происходит в контексте концепции «Устойчивого развития», также упоминавшейся в предыдущей статье на данную тему.
Глобальное антропогенное потепление — предмет сильного беспокойства в обществе, об этом пишется множество научно-популярных статей, снимаются фильмы [3], это мощный стимул создания и политического успеха партий «зелёных» в мире.
В свою очередь, энергетика на ВИЭ рассматривается как средство сдерживания глобального потепления, поскольку при работе ветряных, солнечных, гидро- и геотермальных станций не происходит эмиссии парниковых газов, то есть замена ископаемых источников энергии возобновляемыми приведёт к устранению основного (как нередко считается) фактора потепления климата.
Трудно найти естественно-научный вопрос, который был бы столь же политизированным, как вопрос глобального потепления второй половины XX века, продолжающегося в XXI-м. Помимо горячих сторонников взгляда на глобальное потепление как дело рук человека, существуют и не менее жёсткие оппоненты, иногда рассматривающие «зелёные» идеи лишь как планы Запада по торможению развития России и других стран.
Если же беспристрастно посмотреть на имеющиеся научные факты, действительность, как обычно бывает, далека от крайностей, высказываемых и той, и другой стороной. Итак, нам необходимо разобрать следующие вопросы: действительно ли глобальное потепление климата происходит; если да, то обусловлено ли оно в первую очередь хозяйственной деятельностью человека и, прежде всего, выбросами парниковых газов.
Климат Земли в историческом прошлом и XX-XXI веках
В начале кратко опишем, что происходит с мировым климатом в историческое время в целом, в последние несколько столетий и в последние десятилетия и годы [4]. С точки зрения общепринятой палеогеографической хронологии, вся человеческая цивилизация на данный момент умещается в рамках периода, называемого «голоценом», также рассматриваемого как «межледниковье» — промежуток между очередными ледниковыми периодами (рис. 1-2).
Трудно найти естественно-научный вопрос, который был бы столь же политизированным, как вопрос глобального потепления второй половины XX века, продолжающегося в XXI-м. Есть горячие сторонники взгляда на глобальное потепление как дело рук человека и не менее жёсткие их оппоненты
Таяние континентальных ледовых покровов последнего оледенения (валдайского, согласно российской классификации, вюрмского по западноевропейской и висконсинского по североамериканской шкале) сопровождало мощное потепление. Его пик пришёлся на период около 6000 лет назад, известный как «климатический оптимум голоцена». Тогда средняя температура земной атмосферы была примерно на 1,5-2 °C выше современной. С того периода климат обнаруживает некоторую тенденцию к охлаждению (при местами резких колебаниях в противоположные стороны в течение последних 6000 лет), что и видно на графиках. Это даёт основания предполагать, что мы движемся к новому ледниковому периоду.
Причины изменений климата — сложный и дискуссионный вопрос. Вероятно, в них задействован комплекс факторов, включающий солнечную активность, механизмы автоколебаний климата, влияние Мирового океана и другие. В любом случае, мы можем точно сказать, что в резких скачках климата несколько тысяч лет назад хозяйственная деятельность человека заведомо «не виновата», и климат вполне способен меняться и без нашего участия. Для последнего тысячелетия нашей истории мы по понятным причинам наблюдаем более детальную картину — ряд метеорологических и климатических событий уже зафиксирован в летописях, кроме того, несколько сотен лет назад начинается эпоха регулярных научных наблюдений за климатом.
В VIII-XIV веках климат был теплее современного примерно на 1 °C, это период известен как Малый климатический оптимум (обозначен как Medieval Warming на рис. 2). Именно в этот период наши предки двинулись с Днепра на северо-восток и освоили территории в междуречье Волги и Оки и верховьях Волги, а викинги высадились в Исландии, Гренландии и Северной Америке.
Далее потепление сменилось новым похолоданием с пиком примерно в XVII веке, получившим название Малого ледникового периода (Little Ice Age на рис. 2). Тогда средняя температура воздуха опускалась до уровня почти 2 °С ниже современной или примерно на 3 °С относительно предшествовавшего тёплого периода. В свою очередь, на Малый ледниковый период приходятся и мощные исторические катаклизмы. По Руси прокатилась Великая Смута, совпавшая по времени с резкими похолоданиями — в первые годы XVII века были случаи снижения температур ниже нуля и замерзания рек в июле-августе (!), соответственно, погибал и урожай.
Колонизация викингами Гренландии и Северной Америки прекратилась, и их поселения погибли, а в самой Европе разгорелись катастрофические религиозные войны, связанные с Реформацией.
Новое сильное потепление, продолжающееся и в наши дни, отсчитывается уже с XIX века (рис. 3). С конца XIX века по 1940 год температура выросла на 0,6 °С. В 1940-1960 годы последовало новое похолодание (на 0,2 °С). Заметим, что во время Великой Отечественной были суровые зимы, они хорошо запомнились. А уже с середины 1960-х годов фиксируется новое потепление, продолжающееся и в настоящее время. В целом, в течение ХХ и первого десятилетия XXI века глобальная температура воздуха выросла примерно на 1,3 °С, а с середины XX века до начала XXI — на 0,8 °С.
С одной стороны, сейчас мы находимся где-то между Малым ледниковым периодом и Малым климатическим оптимумом Средневековья, не достигнув пока температур тысячелетней давности. С другой стороны, нельзя не отметить, что с 1960-х годов рост глобальной температуры шёл весьма быстро.
Содержание СО2 в атмосфере Земли
В XX веке также быстро росли антропогенные выбросы парниковых газов, способствуя выводам о том, что в нынешнем потеплении виновна хозяйственная деятельность человека, в первую очередь энергетика и транспорт.
Действительно, содержание парниковых газов (из которых более 80 % приходится на СО2, остальные — метан СН4, двуокись азота NO2, соединения фтора) в атмосфере Земли в последние века и десятилетия росло. Содержание СО2 выросло с 280 ppm (пропромилле, или частей на миллион массы) или 0,028 %, в 1750 году до 400 ppm (0,04 %) в 2014 году [5], то есть на 43 %. В том числе мощный рост примерно с 315 ppm произошёл за последние 55 лет (рис. 4-5).
Что это значит в абсолютных величинах? Общая масса земной атмосферы составляет около 5 X 1015 тонн. Величина в 0,028 % — это 1,4 трлн тонн; 0,04 % — уже 2,0 трлн тонн. Таким образом, в среднем с середины XVIII века в атмосфере ежегодно становилось на 2 млрд тонн СО2 больше, в том числе в последние 55 лет на 7,5 млрд тонн ежегодно.
При этом, по оценкам авторитетного гентства США по охране окружающей среды (US Environmental Protection Agency, EPA), с 1900 года до нашего времени ежегодная эмиссия СО2 только от сжигания ископаемого топлива выросла с примерно 2 млрд до 30-35 млрд тонн (рис. 6). Это примерно соответствует темпам роста потребления энергоресурсов человечеством за этот период.
Природа успевает перерабатывать, как мы видим, большую часть выбрасываемого углекислого газа (прежде всего, в процессе фотосинтеза), но на полное решение этой задачи её сил уже не хватает, и концентрация углекислого газа в атмосфере растёт.
Факторы и прогнозы изменений климата
Казалось бы, картина ясна — есть корреляция между ростом энергопотребления, выбросов парниковых газов и глобальным потеплением климата, следовательно, потепление вызвано выбросами парниковых газов в результате хозяйственной деятельности человека.
Однако картина кажется однозначной, только если не принимать в расчёт, что в природе действуют не один-два, а намного больше факторов, а данная корреляция вовсе не означает причинно-следственную связь, тем более действующую именно в данном (а не каком-либо другом) направлении.
Голоса, призывавшие к более взвешенным и комплексным оценкам, исходили от советских и российских учёных, включая географов и палеогеографов, геологов, физиков, энергетиков с мировым именем, например, таких как А. А. Величко, В.М. Котляков, А .Л. Яншин, А.П. Капица, Х. И. Абдусаматов, К. С. Демирчян и др.
Наша проблема в том, что мы нередко их не слышим, особенно начиная с 1990-х годов, и недостаточно знаем об отечественных разработках, предпочитая без должного критического анализа пользоваться информацией об «открытиях британских учёных» в популярном изложении.
История Земли, включая и недавнее по естественно-историческим меркам прошлое (например, средневековый климатический оптимум), знала периоды теплее нынешнего, но при этом содержание углекислого газа в атмосфере было не выше, а ниже нынешнего, а антропогенное воздействие было заведомо на порядки меньше, чем в наше время
Отечественные специалисты предлагали, прежде всего, обратить внимание на общий тренд к похолоданию климата в голоцене (см. выше) — если смотреть в масштабе тысяч и, тем более, десятков тысяч лет, мы живём в состоянии перехода от межледниковья к очередному ледниковому периоду. Изменения климата, наблюдаемые нами в последние 100-200 лет, на этом фоне — обычные флюктуации, не выбивающиеся из общего долгосрочного тренда.
Свой вклад в подтверждение этих тезисов внесли также последние данные исследований ледяного керна с российской антарктической станции «Восток».
История Земли, включая и недавнее по естественно-историческим меркам прошлое (например, упоминавшийся выше Средневековый климатический оптимум), знала периоды теплее нынешнего, но при этом содержание углекислого газа в атмосфере было не выше, а ниже нынешнего, а антропогенное воздействие было заведомо на порядки меньше, чем в наше время.
В свою очередь, похолодание 19401960 годов проходило на фоне предшествовавшего и продолжающегося активного роста хозяйственной деятельности человека.
Сам факт потепления, наблюдающегося с XIX века, и некоторое его ускорение примерно с 1960-х до начала 2000-х годов, никто не отрицает — это объективные данные наблюдений. Точно так же возможна антропогенная и углеродная составляющая в потеплении.
Однако другие данные позволяют предположить и наличие других, более мощных факторов изменения климата, несколько иных зависимостей, и, более того, прогнозировать смену потепления похолоданием в ближайшие десятилетия.
В частности, смену тренда с потепления на похолодание в ближайшие годы предполагает астрофизик, руководитель сектора космических исследований Пулковской астрономической обсерватории РАН Х. И. Абдусаматов. В своей статье «Солнце определяет климат» [6] он обращает внимание, в частности, на достаточно чёткую корреляцию между изменениями глобальной температуры и колебаниями солнечной активности.
Опираясь на данные исследований активности Солнца, результаты гидрометеорологических и океанологических наблюдений, Х. И. Абдусаматов делает вывод, что пик потепления уже пройден, и грядёт новое похолодание, связанное с очередным 200-летним циклом изменения солнечной постоянной [7].
Периоды потеплений действительно коррелируют с периодами роста солнечной активности, и наоборот (рис. 7), это общеизвестный научный факт. Минимум её совпадал в том числе и с Малым ледниковым периодом XIV-XVIII веков, а очередной максимум (пик которого уже пройден) приходится на наше время.
Кроме того, обнаруживается и корреляция между солнечной активностью и содержанием CO2 в атмосфере. В 2009-2011 годах Абдусаматов называл условную дату начала нового похолодания — примерно 2013-2015 год. Проверить истинность или ложность прогноза в текущем режиме в подобных случаях практически невозможно — более понятной ситуация станет спустя ещё несколько лет.
Однако ослабление потепления начиная с 2000-х годов (рис. 3) уже фиксируется. Более того, детальные наблюдения позволяют обнаружить даже прекращение потепления в северных и низких широтах (рис. 8). При этом содержание CO2 в атмосфере в этот период продолжало расти стабильными темпами (рис. 4-5), а антропогенная эмиссия даже несколько усилилась (рис. 6). Другие наблюдения также свидетельствуют о неоднозначности ситуации с изменениями климата.
Сейчас внимание обращают, прежде всего, на таяние арктических льдов. В свою очередь, академик В. М. Котляков, директор Института географии РАН, обращает внимание на параллельно идущий процесс нарастания ледникового покрова в восточном секторе Антарктиды [8], а также рост количества осадков в Евразии в последние годы, что также может рассматриваться в качестве предвестника нового похолодания.
По данным исследований активности Солнца и результатам гидрометеорологических и океанологических наблюдений Х. И. Абдусаматов делает вывод, что пик потепления уже пройден, и грядёт новое похолодание, связанное с очередным 200-летним циклом изменения солнечной постоянной
Член-корреспондент РАН А. П. Капица (1931-2011), заведующий кафедрой рационального природопользования Географического факультета МГУ, утверждал, что при связывании потепления с содержанием СО2 в атмосфере путаются причины и следствия: «Есть два очень интересных источника сведений о прошлом Земли: бурение скважин в Антарктиде и Гренландии. Скважины уходят в толщу льда на глубину в несколько тысяч метров. Берутся образцы керна, в этом керне находятся пузырьки воздуха тех эпох, когда откладывался снег, а в пузырьках — состав атмосферы. Современными тончайшими методами мы устанавливаем количество углекислого газа и других газов, количество кислорода, температуру, при которой выпадал снег, и целый ряд других характеристик. Хорошо прослежены все классические ледниковые периоды, периоды потепления и соответствующее им количество углекислого газа в атмосфере. И вот оказалось, что углекислый газ не предшествует потеплению, а идёт после потепления, что вполне объяснимо — 90 % углекислого газа растворено в Мировом океане, и процесс изъятия углекислого газа из воды бесконечен. Если вы нагреете океан хоть на полградуса, то он сразу выбрасывает массу углекислого газа в воздух, что и зарегистрировано в скважинах. Наоборот, в случае похолодания океаны с лёгкостью поглощают углекислый газ» [9].
Свою интересную модель, связанную с концентрацией CO2 в атмосфере Земли, предлагает энергетик, академик Российской академии наук К. С. Демирчян — согласно ей, содержание углекислого газа коррелирует с численностью населения Земли: «Независимо от времени — безразлично, это 1750 год, когда только дрова сжигали, или, например, 1980-й — количество углекислого газа в атмосфере стабильно растёт на 15 ppm при увеличении численности населения на один миллиард человек. Это закон» [10].
Если принять данную гипотезу, то замедление роста численности населения должно привести и к снижению темпов роста эмиссии и содержания углекислого газа в воздухе. Следует отметить, что этот процесс тоже идёт. Об этом писал, в частности, академик С. П. Капица (1928-2012) в работе «Парадоксы роста» [11], где он использовал данные демографов и применил собственную математическую модель динамики численности человечества в целом, обозначая текущий период человеческой истории как глобальный «демографический переход».
Демографический вывод работы в том, что пик роста населения Земли уже пройден (табл. 1), при этом пик абсолютного прироста населения пришёлся на 1980-2000 годы (то есть 874 млн человек за 10 лет), а относительный, в процентах, ещё в 1950-1960 годах (составивший в среднем 2,2 % за год).
Последние оценки лишь подтверждают сделанные выводы — за период с 2010 по 2015 годы население Земли выросло на 300 млн человек (примерно с 7,0 до 7,3 млрд), что соответствует темпам роста 0,8-0,9 % в год. Таким образом, прирост численности населения Земли замедляется не только в относительном, но и абсолютном выражении, и в ближайшие несколько десятилетий может остановиться.
Соответственно, если рассматривать связку: «рост численности населения ^ повышение содержания углекислого газа в воздухе ^ потепление климата», то оснований для катастрофических ожиданий также нет.
В целом, С. П. Капица социальные (культурные, ментальные) риски на нынешнем этапе истории человечества считает более весомыми, чем природные или техногенные: «Именно факторы культуры и сознания, выраженные в коллективном взаимодействии, определяют как развитие человечества, так и наступивший кризис. Более того, этот глобальный кризис завершится менее чем через сто лет и в силу своей стремительности представляется много тревожнее угроз, связанных с энергией, экологией или изменением климата. Исчерпание топлива, будь то газ или нефть, и смена технологии в энергетике происходит постепенно, как и наблюдаемое сегодня широкое распространение ядерной или альтернативной энергетики. Также постепенно происходят ожидаемые изменения климата, в отличие от уже начавшейся реакции человечества на глобальный демографический переход, в первую очередь, в области социально-экономической».
Возвращаясь к углекислому газу и изменениям климата, по оценкам К. С. Демирчяна, к 2100 году средняя температура Земли за счёт антропогенного фактора может вырасти ещё на 0,35 °С при росте количества углекислого газа в атмосфере до 440-450 ppm.
Сходные прогнозы приводит член-корреспондент РАН В. В. Клименко [12], заведующий Научно-исследовательской лаборатории глобальных проблем энергетики МЭИ. По его оценкам, опасаться катастрофических выбросов парниковых газов не стоит — в ближайшие 20-30 лет вероятен их рост ещё на 20-25 % в год, затем последует стабилизация, а рост глобальной температуры к концу XXI века составит 1,3-1,6 °С относительно уровня середины ХХ века или примерно на 0,50,8 °С относительно современных значений. Разумеется, данные оценки основаны на продолжении текущих тенденций и идут вразрез с приведёнными выше прогнозами смены потепления похолоданием в ближайшие десятилетия.
Последствия изменений климата и ВИЭ
Неизбежен вопрос, насколько опасно дальнейшее повышение температуры и концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Сразу заметим, что российские учёные в данном случае не склонны к «алармизму».
Прежде всего, не следует ожидать катастрофического подъёма уровня Мирового океана из-за таяния арктических и антарктических льдов, о чём также нередко говорят. Примерно 90 °% всех ледовых и снежных покровов Земли (общим объёмом 23 млн км3) приходится на Антарктиду. Полное таяние антарктических льдов привело бы к подъёму уровня Мирового океана на 50-60 м, но вероятность такого события можно считать равной нулю, учитывая высокую стабильность антарктического ледника, и даже его некоторый рост (см. выше). Некоторый подъём уровня Мирового океана — на величины от нескольких до нескольких десятков сантиметров — возможен, и это действительно способно создать ряд проблем в прибрежных районах.
В целом же, нет ничего, имеющего однозначно положительный или однозначно отрицательный эффект. К положительным эффектам роста содержания углекислого газа можно отнести улучшение условий для растений, в том числе для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, поскольку CO2 для них — источник питания, соединение, усваиваемое при фотосинтезе. Сам по себе CO2 не относится к токсичным веществам, и наблюдаемый рост его концентрации не представляет прямой угрозы для здоровья человека.
Гипотетическое похолодание в будущем может означать повышение спроса на энергию и рост цен на энергоносители, что станет позитивным и для энергии на основе возобновляемых источников энергии
Заметим также, что чрезмерный акцент на потеплении и росте содержания CO2 в атмосфере невольно отодвигает на второй план ряд насущных проблем экологического характера на местных уровнях — проблемы загрязнения воздуха, воды и грунта в городах и промышленных центрах, дефицита качественной воды и продовольствия в ряде регионов. Между тем, именно от этих проблем множество людей на Земле (в том числе и в России) страдает непосредственно в данный момент.
Позитивные следствия потепления климата также достаточно понятны — ряд территорий с суровыми природными условиями, благодаря их смягчению, становится доступнее для хозяйственного освоения. В частности, сокращение ледовых покровов в Арктике облегчает использование Северного морского пути в качестве транспортной артерии.
Негативные последствия потепления, помимо подъёма Мирового океана, тоже неизбежны. Некоторые территории, напротив, становятся слишком жаркими и сухими. Кроме того, любые изменения климата, особенно достаточно быстрые, способны привести к локальным или региональным явлениям катастрофического характера.
Здесь можно провести аналогию с явлениями из других областей, не менее актуальных для людей и хозяйства, в том числе в нашей стране в данный момент. «Хорошо» или «плохо» повышение или понижение курса национальной валюты?
Любой экономист скажет вам, что общего и однозначного ответа на этот вопрос нет, и движение в любом направлении имеет целый ряд как позитивных, так и негативных сторон. В полной мере это относится и к потеплению либо похолоданию климата на Земле. То же самое можно сказать и о перспективах энергетики на возобновляемых источниках в данном контексте.
С одной стороны, если окажется, что прогнозы потепления климата не оправданы или связывание изменений климата с колебаниями количества CO2 в атмосфере не обосновано, возобновляемая энергетика может потерять один из стимулов развития. С другой стороны, гипотетическое похолодание в будущем может означать повышение спроса на энергию и рост цен на энергоносители, что станет позитивным и для энергии на основе ВИЭ. Кроме того, возобновляемая энергетика тесно связана с региональными природными условиями, и любое их изменение окажет то или иное влияние на природный потенциал возобновляемых источников, что должно быть темой отдельного анализа.
