Тепловой баланс Земли. Солнечное излучение – главный и основной источник энергии для всех естественных процессов в биосфере. Коротковолновое излучение Солнца, проходя через атмосферу в основном достигает земной поверхности. Некоторая часть солнечного излучения все же поглощается и рассеивается атмосферой. Наиболее сильно поглощают газы: озон, диоксид углерода, пары воды и др., а рассеяние вызывают аэрозольные частицы и молекулами некоторых газов. Достигшее земной поверхности солнечное излучение частично поглощается, и интенсивность такого процесса во многом зависит от свойств и рельефа поверхности. Например, покрытая льдом поверхность отражает не менее 75 % падающего излучения, песок – примерно 30 %, травяной покров – 10 %, водная поверхность – до 2 %.

Нагретая падающим солнечным потоком земная поверхность суши и акватории становится источником длинноволнового теплового излучения, направленного в атмосферу, от которой исходит первичный тепловой поток – между земной поверхностью и атмосферой происходит непрерывный тепловой обмен. Превращение энергии коротковолнового солнечного излучения в энергию теплового излучения и теплообмен между земной поверхностью и атмосферой поддерживают тепловой баланс Земли. Однако при активном антропогенном воздействии на биосферу естественный тепловой баланс нарушается – уменьшается тепловой поток от земной поверхности в верхние слои атмосферы, и в результате возрастает средняя температура нижнего приземного слоя атмосферы – происходит глобальное потепление климата. Такой процесс, известный как парниковый эффект, усиливается с увеличением в атмосфере концентрации диоксида углерода, метана, диоксида азота и других газов.

Расчеты, основанные на измерениях, показывают: интенсивности солнечного излучения, поглощаемого земной поверхностью и атмосферой, соответственно равны 157 Вт/м² и 80 Вт/м². Некоторая часть тепловой энергии атмосферы рассеивается в космическое пространство.

Тепловой баланс нарушают многие антропогенные процессы, так как они сопровождаются рассеянием тепловой энергии в окружающей среде. Например, при сжигании топлива лишь небольшая часть запасенной в нем энергии идет на совершение полезной работы, скажем, при движении транспорта либо преобразуется в электрическую энергию, а остальная значительная часть энергии бесполезно рассеивается. В свою очередь, энергия для выполнения полезной работы тратится на преодоление сил трения, гравитационных и других сил и на конечной стадии преобразования переходит в тепловую энергию, нарушая тем самым тепловой баланс Земли. Все реальные процессы сопровождаются неизбежными необратимыми потерями энергии в виде тепла, рассеиваемого в окружающей среде и приводящего к нагреванию нижнего слоя атмосферы.

При некоторых видах антропогенного воздействия на биосферу поверхность Земли не нагревается, а, наоборот, охлаждается. Например, при сведении лесов и травяного покрова образуются песчаные пустыни, отражающие больше солнечной энергии, чем покрытая растительностью территория. Образовавшиеся в результате взрывов и пожаров аэрозоли и дым задерживают поток солнечной энергии, поступающей на Землю.

На тепловой баланс Земли существенно влияют очень большие потери тепла при отоплении зданий. Так, для отопления жилого дома, построенного в 1960-е годы, требовалось в среднем не менее 3700 л котельного топлива ежегодно на 100 м². Современный дом, построенный по шведскому стандарту, потребляет гораздо меньше топлива на ту же площадь – до 900 л в год. В последние годы в развитых странах Европы уже строятся дома с надежной теплоизоляцией и утилизацией тепловых отходов. Для них расход котельного топлива не превышает 160 л в год на 100 м², и это не предел. При строительстве таких домов используются современные теплоизоляционные материалы, двойное или тройное остекление окон, усовершенствованная система вентиляции, что позволяет существенно сократить тепловые потери и тем самым сберечь природные ресурсы и уменьшить загрязнение окружающей среды. В некоторых домах тепловой режим регулирует компьютерная техника, и поэтому неслучайно подобные дома в последнее время называют умными.

Тепловой баланс нарушают тепловые отходы, сбрасываемые в атмосферу, реки и водохранилища топливно-энергетическими комплексами и промышленными предприятиями.

Тепловые отходы. Неиспользованная тепловая энергия, рассеиваемая в окружающей среде при производстве электроэнергии и тепла, при химических превращениях, называется тепловыми отходами. На территориях с высокой концентрацией промышленных объектов и с высокой плотностью населения тепловые отходы приводят к ощутимому повышению средней температуры – примерно на 2 °С. Например, в Рурском районе Германии, где сосредоточено множество промышленных предприятий, плотность рассеиваемой техногенной энергии сравнительно высока – до 32 Вт/м², что составляет около 20 % энергии солнечного изучения, поступающей на поверхность Земли. Для сравнения: в Японии, где внедрены энергосберегающие технологии, такой показатель не превышает 2 Вт/м² при относительно высокой плотности промышленных предприятий и населения. Приведенные сравнительные цифры свидетельствуют о больших потенциальных возможностях сохранения и эффективного потребления тепла.

Огромные тепловые отходы производят тепловые электростанции – они составляют примерно 2/3 энергии, запасенной в сжигаемом органическом топливе. При их работе в окружающую среду выбрасываются не только тепловые отходы, но и продуктами сгорания топлива. Нарушают тепловой баланс и атомные электростанции.

Для поддержания рабочего теплового режима электростанции обычно используется проточная вода для охлаждения. Объем потребляемой для такой цели воды огромен. Ежегодно все электростанции, производящие не только энергию, тепло и пар, потребляют почти половину объема всей используемой пресной воды в быту и на промышленных предприятиях. Для обеспечения теплового режима электростанции взятая из ближайшего водоема вода пропускается через агрегаты охлаждения, а затем нагретая вода сливается в тот же водоем. Если сравнительно большой объем нагретой воды сбрасывается в одно и то же озеро или реку с медленным течением, существенно повышается температура воды – она неизбежно подвергается тепловому загрязнению.

С повышением температуры воды снижается концентрация растворенного в ней кислорода, что неблагоприятно влияет на развитие живых организмов водных экосистем. Если температура воды в водоеме поднимается выше 28 °С, что вполне возможно в летний период, когда она подогревается солнечным излучением, то такая вода не пригодна для охлаждения. Из поверхности нагретой воды выделяется большое количество паров, что влечет за собой повышение влажности воздуха, перераспределение воздушных потоков и, как следствие, изменение микроклимата. Из-за нарушения циркуляции воздушных масс при чрезмерном тепловом загрязнении в промышленных районах заметно увеличивается концентрация вредных веществ в атмосфере.

Для предотвращения перегревания воды в водоемах и реках на современных крупных электростанциях неиспользованное отработанное тепло пропускается через охлаждающие башни, называемые градирнями (рис. 7.7). Различают два их вида – мокрые и сухие.

В мокрых градирнях охлаждаемая вода отдает одну часть своего тепла в атмосферу при испарении, а другую часть – водоему, куда она сбрасывается. На современных тепловых и атомных электростанциях применяются мокрые градирни, хотя они и не лишены недостатков. Во-первых, при испарении теряется сравнительно большой объем воды. Во-вторых, над мокрыми градирнями образуется огромное облако водяного пара, повисающее над близлежащей территорией и загрязняющее атмосферу. Кроме того, строительство и эксплуатация мокрых градирен обходится сравнительно дорого.

В сухих градирнях осуществляется замкнутый цикл охлаждения восходящим воздушным потоком, при котором в атмосферу выбрасывается не водяной пар, а нагретый воздух. Сухие градирни применяются преимущественно на небольших электростанциях (мощностью до 300 МВт). Для крупных тепловых электростанций целесообразно использовать комбинированный способ охлаждения с применением мокрых и сухих градирен. С точки зрения сбережения природных ресурсов и уменьшения антропогенного воздействия на биосферу строительство крупных электростанций нельзя считать экономически выгодным и экологически обоснованным. Другими словами, более целесообразна децентрализация производства электрической и тепловой энергии.

Предотвращение тепловых загрязнений. Тепловые загрязнения усиливают глобальное потепление, вызываемое парниковым эффектом. Тепловые отходы – это рассеянное тепло при отоплении зданий, при выработке и потреблении электроэнергии, при сжигании топлива транспортом и при любом преобразовании энергии. Потери тепла – это неизбежный необратимый процесс, и полностью предотвратить его невозможно – такой вывод следует из фундаментальных законов термодинамики. Однако вполне возможно существенно сократить такие потери. Причем сократить на всех стадиях преобразования энергии, ее производства и потребления. Например, строящиеся современные дома с надежной теплоизоляцией, с автоматическим регулированием потребления тепла и электроэнергии и с максимальным использованием энергии Солнца могут обходиться почти без внешнего источника энергии. При этом окружающая среда гораздо меньше подвергается тепловому загрязнению, и сберегаются природные и энергетические ресурсы.

Тепловые потери можно в несколько раз сократить в результате модернизации физически устаревших тепловых электростанций путем внедрения парогазовых установок, коэффициент полезного действия которых примерно в два раза выше, чем у большинства эксплуатируемых электростанций, построенных во второй половине прошлого века. При такой модернизации более полно и эффективно используется внутренняя энергия, запасенная в топливе, и, следовательно, экономится ископаемые ресурсы.

Тепловое загрязнение окружающей среды можно заметно снизить, если нагретую воду, прошедшую через систему охлаждения электростанций, использовать для отопления теплиц, опреснения морской воды, таяния снега и некоторых технологических процессов, потребляющих низкотемпературное тепло. Так, отработанная на тепловых электростанциях вода, пропускаемая через оросительную систему, продлевает вегетативный период культурных растений и увеличивает их урожайность. Таким же способом подогретая, но не перегретая вода в искусственных водоемах ускоряет рост и размножение промысловых видов рыб и ракообразных. Например, в Японии отработанная теплая вода сливается в специальные лагуны, где выращиваются устрицы.

Модернизация не только тепловых электростанций, но и всех промышленных предприятий – прямой путь сокращения тепловых отходов. Если на всех технологических стадиях производства той или иной продукции уменьшить потребление энергии на единицу выпускаемой продукции, то, сэкономив энергию, можно сберечь природные ресурсы, оздоровляя при этом окружающую среду.

Разработка и повсеместное внедрение малоотходных технологий, поиск эффективных источников энергии, повсеместная утилизация и переработка бытовых и промышленных отходов, модернизация транспортных средств, экономия энергии и сохранения тепла в быту и на производстве – всё это в той или иной мере, прямо или косвенно предотвращает тепловое загрязнение биосферы и приближает человека к живой природе.

         Библиографические ссылки

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 13-е изд. М.: Директ-Медиа, 2018.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.

Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн., 2-е изд., М.: Директ-Медиа, 2017.      

Карпенков С.Х. Экология. Практикум, 2-е изд. М.: Директ-Медиа, 2022.

Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.

Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий.          4-е изд. М.: Директ-Медиа, 2021.

Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник.  М.: Высшая школа, 2004.

Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.     

Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.

Карпенков С.Х. Русский богатырь на троне. М.: ООО «Традиция», 2019.

Карпенков С.Х. Стратегия спасения. Из бездны большевизма к великой

России. М.: ООО «Традиция», 2018.

Карпенков С.Х. К истории одного преступления // Уничтоженные как класс. М.: ООО «Традиция», 2020. С. 3 – 65.

Карпенков Степан Харланович

Русская Стратегия