От глобального потепления спасет закопаемое топливо

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

Последние новости: Экология, Энергетика, Алексей Гиляров

9 февраля Колонии муравьев, состоящие из особей с разным типом поведения, оказываются более успешными

2 февраля Флора тропических лесов — против гипотезы нейтральности

27 января Изменение ветров, дующих над Южным океаном, пошло на пользу альбатросам

11 января Для фитопланктона не действует закон Кляйбера

28 декабря Одну треть рыбных запасов оставить птицам — новый закон в экологии

21 декабря Стойкость органического вещества почвы объясняется не столько его строением, сколько условиями, в которых оно пребывает

16 декабря «Живые ископаемые» саговники оказались вовсе не такими старыми

9 декабря Посткопуляционные, презиготические барьеры мешают близкородственным видам сверчков скрещиваться

30 ноября Рис и рыба: что обеспечивает успешность комплексных рисоводческих агроценозов?

22 ноября Рост численности людей на Земле регулировался как положительными, так и отрицательными обратными связями

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):