Газета "Своими Именами" №28 от 09.07.2013

Газета Своими Именами (запрещенная Дуэль)

Земля обладает сплошным спектром излучения. Тем не менее предположим, что максимум её излучения приходится на диапазон длин волн от 2,4 до 16,5 мк, в котором расположены полосы поглощения CO₂, а излучение в этом диапазоне составляет половину всего излучения Земли.

Полосы поглощения CO₂ составляют менее 0,4 этого диапазона. Примем средний коэффициент поглощения CO₂ равным 0,5.

В том же диапазоне от 2,4 до 16,5 мк поглощает тепло и водяной пар, причем полосы поглощения H2O в основном перекрывают полосы поглощения CO₂. Учитывая, что концентрация водяных паров в атмосфере примерно на порядок больше концентрации CO₂, логично предположить, что в полосах поглощения CO₂ основную часть излучения поглощает водяной пар. Допустим всё же, что на долю CO₂ остается 0,2 излучения.

Углекислый газ не только поглощает земное излучение, но и сам излучает тепло на Землю. Разница между отданным и полученным тепловыми потоками называется результирующим тепловым потоком. Результирующий тепловой поток пропорционален разности четвертых степеней абсолютных температур (излучение газов несколько отклоняется от закона Стефана-Больцмана, но для упрощения рассуждений эти отклонения не будем учитывать).

Предположим, что средняя температура CO₂ в атмосфере на 15°C ниже температуры поверхности Земли. Тогда в соответствующем диапазоне длин волн поглощённое CO₂ и H₂O тепло составит 0,2 земного излучения.

Все наши расчёты нужно отнести к относительному приросту за сто лет содержания CO₂ в атмосфере, равному 0,3. После перемножения коэффициентов получим относительную величину уменьшения излучения Земли в космос за счет 30% увеличения содержания CO₂ в атмосфере:

0,5x0,4x0,5x0,2x0,2x0,3 = 0,0012.

Как мы видим, эта величина на порядок меньше требуемого 1%, т.е. 30%-й прирост содержания CO₂ в атмосфере не способен обеспечить даже сохранение повышенной на 0,7°C температуры Земли.

Интересно, а что произойдёт с температурой Земли, если содержание CO₂ в атмосфере увеличится не на 30%, а, скажем, в 100 раз? Увеличение концентрации CO₂ приведёт к увеличению оптической толщины среды, но в наших рассуждениях мы эту величину, чтобы не загромождать изложение большим количеством формул, не учитывали, приняв соответствующий коэффициент равным единице. Увеличение содержания CO₂ в 100 раз приведёт к тому, что концентрация CO₂ превысит концентрацию H₂O в 10 раз. Тогда коэффициент, учитывающий долю CO₂ в суммарном поглощении CO₂ и H₂O, увеличится с 0,2 до 0,9. В вышеприведённом расчёте мы оценивали влияние повышения содержания CO₂ на 30%, а сейчас оценим влияние всего объёма CO₂, поэтому коэффициент 0,3 увеличится до 1. Остальные коэффициенты останутся без изменения. После коррекции коэффициентов получим относительную величину уменьшения излучения Земли в случае увеличения концентрации CO₂ в 100 раз:

0,5x0,4x0,5x0.9x0,2 = 0,018. При таком уменьшении земного излучения температура планеты сможет увеличиться не более, чем на 1,2°C.

Наши выкладки ясно показывают, что углекислый газ необходимо срочно реабилитировать: он не только неповинен в приписываемых ему «преступлениях», но и не смог бы их совершить даже при всем своём «желании».

Промышленные выбросы углекислого газа

Ежегодно человечество сжигает примерно 12 млрд. тонн условного топлива. Зная, что теплотворная способность условного топлива составляет 7000 ккал/кг, а углерода 7830 ккал/кг, и приняв, что энергия топлива в среднем обеспечивается на 0,9 углеродом и на 0,1 – водородом, вычислим массу углерода, ежегодно выбрасываемого в атмосферу промышленностью:

12x109x0,9x7000/7830 = 9,7 млрд. тонн.

Согласно Википедии, в атмосфере Земли постоянно находится 500 млрд. тонн углерода, т.е. суммарные промышленные выбросы углерода за год составляют менее двух процентов от его содержания в атмосфере. Кроме промышленных предприятий углерод в атмосферу поставляют также вулканы и животные, в том числе люди.

Попробуем оценить вклад людей в снабжение атмосферы углеродом. Выше мы определили, что человечество потребляет ежегодно на питание 5·1015 ккал. Такая энергия может быть получена при сжигании 0,64 млрд. тонн углерода. После его «сжигания» в человеческом организме углерод в составе углекислого газа выдыхается в атмосферу. По нашей оценке, животный мир в целом потребляет на питание, как минимум, в 10 раз больше углерода, чем человечество, а значит, выбрасывает в атмосферу более 6,4 млрд. тонн углерода.

Но растительный мир потребляет значительно больше углекислого газа, чем его выделяют животные. Выше мы оценили, что потребление углерода флорой Земли более, чем в 500 раз превосходит потребности человеческих организмов, т.е. составляет ежегодно, как минимум, 320 млрд. тонн. Эта величина близка к содержанию углерода в атмосфере. Конечно, флора существует не только на суше, но и в океане, а там CO₂ больше, чем в атмосфере. Но в любом случае потребление флорой значительно превышает его поставки фауной. Почему же содержание CO₂ в атмосфере не уменьшается?

Процесс фотосинтеза в растениях может быть схематично представлен уравнением: 6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂. В результате фотосинтеза из атмосферы, почвы и океана растения извлекают углекислый газ и воду, а отдают в окружающую среду только две трети содержащегося в CO₂ и H₂O кислорода. Часть запасенных растениями элементов поглощается животными, а оставшаяся часть в течение сотен миллионов лет проходит несколько стадий обуглероживания: растительные остатки – торф – бурые угли – каменные угли – антрацит. В процессе обуглероживания из топлива выделяются водяной пар, углекислый газ и метан (CH₄). И через каких-нибудь 200-250 миллионов лет из 1 кг древесины мы получим 370 г антрацита, состоящего в основном из углерода.

Таким образом, углеродный цикл (CO₂ – растения – животные – CO₂) оказывается незамкнутым, т.к. углерод из него непрерывно выводится. Следовательно, в геологическом масштабе времени содержание CO₂ в природе уменьшается – ведь все огромные (разведанные и неразведанные) запасы ископаемого топлива когда-то были углекислым газом. И в очень далекой перспективе жизнь на Земле прекратится из-за отсутствия углекислого газа. Жаль, что борцы с ним не доживут до этого времени (человечество прекратит свое существование гораздо раньше и совсем по другим причинам), а то они наверняка поучаствовали бы в установлении квот не на выбросы, а на потребление углекислого газа.

А в нашем мелком масштабе времени (по сравнению с геологическим) относительно постоянное содержание в атмосфере поддерживается выделяющимися в процессах обуглероживания CO₂ и CH₄ (который затем сгорает в атмосфере с образованием CO₂). Чем моложе органические остатки, тем ближе к поверхности Земли они располагаются и тем интенсивнее идет выделение летучих веществ. Но чем старше органические остатки, тем большее их количество успело накопиться в недрах Земли. В малом масштабе времени выделение CO₂ органическими остатками можно считать постоянным, а колебания содержания CO2 в атмосфере в ту или иную сторону будут определяться в основном поглощением CO2 флорой Земли. Конечно, промышленные выбросы CO₂ тоже могут иметь какое-то значение, но не очень сильное. Например, уменьшение площади лесов на 1% может привести примерно к такому же повышению концентрации CO₂ в атмосфере, как и увеличение нынешних промышленных выбросов CO₂ в два раза.