Об энергетическом балансе атмосферы Земли

 

Известно, что энергетический баланс Земли  осуществляется через атмосферу путем тепломассопереноса энергии, постоянно поступающей от Солнца в Космос. Физика этого стабильного процесса, создающего на поверхности Земли нормальные условия для биосферы весьма сложна и в общем виде описывается неравенством Гиббса [1]:

Это состояние термодинамически неустойчиво,  так как полная энергия определяется цикличными процессами термоядерных реакций Солнца, флуктуации гравитационного и электромагнитного полей Земли и внутренними изменениями термической и химической энергии.

Составление энергетического баланса  атмосферы Земли, являющегося определяющим звеном системы, по этому неравенству затруднено ввиду нестабильности во времени всех составляющих.

Поэтому, в связи с наблюдаемым потеплением атмосферы, был проведен упрощенный тепловой баланс в отрезок времени до 2100 года.

При расчете баланса было принято:

1. Полная энергия атмосферы определяется постоянной величиной солнечного излучения (q = 1,2 кВт/м²) на освещаемую поверхность атмосферы (Н = 30 км):

 

D_а =12772000 м.

2. Термическая энергия атмосферы, связанная с тепломассопереносом  нагретого земной поверхностью  воздуха  (в среднем 15 ⁰С)  на высоте Н= 30 – 50 км снижается до ( – 25 – 46 ⁰С):

 

3. Потенциальная энергия сжатия циркуляционных потоков охлажденного воздуха, обеспечивающая движение потоков (ветер):

4. Энергия отраженного атмосферой солнечного излучения в среднем:

5. Энергия теплового Планковского излучения атмосферы на высоте Н [2]:

Принято, что химическая энергия при циркуляции атмосферы остается неизменной 

Р_х = 0 или с учетом поддержания озонового слоя несоизмеримо малой.

Тогда уравнение теплового баланса атмосферы примет вид:

или полная энергия циркуляции (тепломассообмен) атмосферы составит:

При известном среденегодовом потенциале ветра Земли и атмосферы   [3]:

Максимальная тепловая энергия  в циркуляционных поясах Земли ориентировочно определяется как:

.

Эта циркуляция охватывает весь земной шар широтными кольцами по 0⁰,30⁰ ,60⁰ и 90⁰ в Северном и Южном полушарии  [4] (рисунок 1).     

        

Причем в поясах 0⁰ и 60⁰ поток восходящий, а поясах 30⁰ и 90⁰ – нисходящий.

Наиболее проблемными в настоящее время являются пояса 30⁰ Северной и Южной широты, где нисходящие потоки встречаются с восходящими, тепловыми антропогенными потоками тепла от городов, промышленности и транспорта. Противотоки воздуха создают в поясах встречные зоны инверсии, снижающие   приток на поверхность Земли холодного воздуха, что приводит к потеплению обширных территорий суши и моря (шириной пояса до 6650 км) и перегреву атмосферы.

Поэтому, несмотря на относительно небольшое антропогенное тепловое загрязнение атмосферы продуктами горения  кВт в 2000 г. или около 3 – 6  %  от тепловой энергии циркуляции атмосферы, а в зонах инверсии до 50 – 60 %)   наблюдается потепление всей атмосферы даже на фоне глобального похолодания планеты Земля.

Если сохранится установленный темп потепления, то по-видимому, до 2025 г. произойдет необратимый перегрев  с полным нарушением термодинамической системы циркуляции атмосферы и встанет проблема выживания человечества [5].

Прав был  Р. Гейм, сказав: «Причины малы, а последствия высоки. Достаточно одного щелчка, чтобы нарушить равновесие в природе» (Путешествие натуралиста вокруг света).

По-видимому, пояса циркуляции атмосферы сформировались в процессе длительной эволюции Земли и предназначены только для поддержания равновесной температуры и климата Земли при поступлении т о л ь к о солнечного излучения.  Поэтому надежды на широкое применение термоядерной и других видов энергии,  мягко говоря, необоснованы.

Единственным путем сохранения управляемого равновесия атмосферы, по мнению автора, является широкое использование солнечной энергии и ее производных – ветра, волн, теплоты атмосферы. Так как  даже приливная, водородная и биоэнергия могут оказаться недопустимыми по условиям циркуляции атмосферы, не говоря о нефти, угле, природном газе и других ископаемых топливах, которые могут использоваться  только в 0⁰ и 60⁰ широтах Земли,  весьма ограничено.

Возможности солнечной энергетики даже при среднем  КПД перспективных наземных преобразователей  0,3 – 0,5 ( ) в 20 раз больше ожидаемого максимального полезного энергопотребления в 2025 г. (10¹² кВт).

Уже сегодня разработаны аванпроекты  тепловых преобразователей для городов

 (до 10⁶ кВт), пленочных фотогенераторов с КПД до 0,5, сезонных теплоаккумуляторов большой емкости (, экодомов и экопоселений автономного энергоснабжения, греющих трубопроводных магистралей для переработки нефти и нагрева воды и др.

Успеет ли человечество реализовать эти решения до 2025 г., что потребует больших затрат (до 60 % ВВП развитых стран), или будет надеяться на нереальное чудо термоядерной энергетики – вопрос совести и инициативы каждого жителя Земли.

 

 

Литература

1. Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. Машиностроение. М. 1972. 670 с.
2. Низовкин В. М. Аэросолнечные электростанции, транспорт и города. ДСП. АН ССР 1979. 255 с.
3. Более чем достаточно? Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира. Энергоатомиздат. М. 1984. 216 с.
4. Дж.Вайсберг. Погода на земле. Метеорология. Гидрометиздат. Л. 1980. 247 с.
5. Низовкин В. М. Альтернативная глобальная энергетика и управление климатом Земли. Рукопись. Алматы. 2002. 120 с.