11 мин
28 августа 2018 г.

Глобальное потепление

Ископаемое топливо – основной источник энергии, но оно же – причина экологических проблем. Глобальное потепление связывают с антропогенными выбросами углекислого газа. Это заставляет человечество искать альтернативные источники электроэнергии.
Автор: Laba.Media

Сегодня ископаемое топливо  – основной источник энергии для мировой экономики, но оно исчерпаемо и является одной из главных причин многих экологических проблем. Глобальное изменение климата – это в первую очередь рост среднегодовой температуры. Его связывают с антропогенными выбросами углекислого газа (СО2).Это и заставляет человечество искать альтернативные источники электроэнергии. 

В этом тесте мы поговорим о глобальном потеплении и его природных и антропогенных причинах, о традиционных и возобновляемых источниках энергии, о том, на что мы энергию тратим и можно ли ее использовать более разумно. 


 

1. Мы все слышим о происходящем сегодня глобальном изменении климата. А как менялась среднегодовая температура на Земле за последний миллион лет?

A. До последнего времени температура почти не менялась

B. Температура постепенно повышается

C. Температура периодически снижается и повышается

D. Мы не располагаем данными за такой длительный срок

 

Ответ. Температура периодически снижается и повышается. Земля пережила много глобальных потеплений и похолоданий.

Пояснение. Как показывает анализ состава ледовых кернов, полученных при глубинном бурении ледового антарктического щита, и независимых данных морских отложений, примерно каждые 100 тыс. лет наступало короткое потепление, за которым следовало длительное похолодание. Сегодня мы находимся примерно в конце короткого потепления (последние 10 тыс. лет), за которым через 5-10 тыс. лет должно последовать длительное похолодание. Ученые полагают, что глобальные изменения температуры на Земле связаны с изменениями орбиты Земли: примерно каждые  93 тыс. лет она становится то более эллипсоидной, то более круговой (т. е. меняется её эксцентриситет), а также с изменением каждые 41 тыс. лет угла наклона земной оси к плоскости орбиты и изменениями конуса вращения – каждые 26 тыс. лет. Взаимодействие показателей оказывает влияние на освещенность Земли в высоких широтах и вызывает образование ледников.   

https://elementy.ru/novosti_nauki/430572

Многолетний ход двух независимо полученных показателей, характеризующих изменения температуры за 800 тыс. лет в районе Антарктиды. По оси абсцисс – возраст отложений в тысячах лет до настоящего времени (т.е. ход времени – справа налево). Чёрная линия вверху – данные по относительному содержанию дейтерия δD в колонке льда с Европейской станции (EPICA) на куполе «С». Синяя линия внизу – данные по относительному содержанию тяжелого изотопа кислорода δ18O в донных отложениях в Южном океане (в последнем случае – инвертированная шкала). Пики на обеих линиях соответствуют потеплениям (Рис. из обсуждаемой статьи в журнале Science).


2. Парниковый эффект на Земле возникает оттого, что солнечное тепло, отразившись от земной поверхности, задерживается атмосферой. Какой газ, входящий в атмосферу, вносит самый большой вклад в парниковый эффект на Земле?

A. Водяной пар

B. Метан

C. Озон

D. Углекислый газ 

Ответ. Водяной пар

Пояснение. Именно об углекислом газе CO2 чаще всего приходится слышать в контексте обсуждения парникового эффекта. И действительно, рост содержания CO2 в атмосфере в результате сжигания ископаемого топлива – основная причина идущего сейчас глобального изменения климата. 

Однако основной вклад в парниковый эффект дает не углекислый газ, а водяной пар. Его присутствие в атмосфере поднимает среднюю температуру у поверхности Земли более чем на 30°С. Если бы не водяной пар, средняя температура на поверхности Земли составляла бы −18°C. Углекислый газ дает к этой величине прибавку еще в несколько градусов. Метан тоже дает большой удельный вклад в парниковый эффект, но ввиду малого содержания в атмосфере его общее влияние пока относительно невелико. Озон (О3) тоже вносит свой вклад в парниковый эффект, но среди всех перечисленных в вопросе он самый скромный.

Рост ежегодных выбросов СО2 в течение последних 150 лет.

 

3. Какие последствия глобального потепления для климата Западной Европы наиболее вероятны? 

A. Средняя температура воздуха повысится  

B. Средняя температура воздуха еще долго не изменится   

C. Средняя температура воздуха понизится 

D. Даже самые ближайшие последствия непредсказуемы

Ответ. Среднегодовая температура воздуха понизится 

Пояснение. В случае потепления и вызванного им таяния ледников, прежде всего покрывающих Гренландию (что уже происходит, см.: Гренландия всё быстрее теряет свой лед https://elementy.ru/news/430340), талые воды поступают в океан. Даже при небольшом повышении температуры талые воды Гренландии могут вызвать сильное опреснение поверхностного слоя океана. Это происходит как раз там, где пришедшие с юга воды опускаются вниз. Если плотность воды понизится (а это происходит при опреснении), она перестанет «тонуть» и приводить тем самым в движение так называемую петлю Брокера, частью которой и является Гольфстрим, а он и переносит теплые воды и обеспечивает мягкий климат Европы. Такие события случались в прошлом. Последний раз – 11 тыс. лет назад, когда в результате таяния мощных ледников на севере Северной Америки массы талой воды, переполнив существовавшее там очень крупное озеро Агассис (см.: Lake Agassiz), устремились через район Великих озер и реку Св. Лаврентия на восток, вызвав сильнейшее опреснение Северной Атлантики. Гольфстрим остановился тогда на тысячу лет, вызвав сильнейшее похолодание в Европе. 

Гольфстрим

 

4. Какой из перечисленных источников энергии относится к возобновляемым?

A. Нефть

B. Древесина

C. Каменный уголь

D. Природный газ

 

Ответ. Древесина

Пояснение. Нефть, природный газ и уголь в широком понимании тоже являются возобновляемыми, но не по меркам человека, так как их образование требует сотен миллионов лет, а их использование проходит гораздо быстрее. А вот такой традиционный источник энергии, как древесина и, шире, – любая биомасса, например водоросли, относится к возобновляемым источникам. В 2017 году 19,3% мирового потребления энергии было удовлетворено из возобновляемых источников энергии, причем основным возобновляемым источником (8,9%) является традиционная биомасса, в том числе древесина. Хотя при сжигании древесины выделяется углекислый газ, растущие деревья, наоборот, поглощают углекислый газ и выделяют кислород.

https://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy

Карта лесов Земли

 

5. Гидроэнергия – возобновляемый источник. Но при строительстве ГЭС на крупных реках происходит затопление территорий. На этой реке в 1965 году возникло самое большое в мире  искусственное водохранилище. Какая это река? 

A. Волга, Россия

B. Вольта, Гана

C. Замбези, Замбия и Зимбабве 

D. Янцзы, Китай

 

Ответ. Вольта, Гана. Площадь водохранилища 8,5 тыс. кв км. 

Пояснение. Самая большая зона затопления образовалась при строительстве ГЭС на реке Вольта, Гана (1965). Площадь водохранилища 8,5 тыс. кв. км. 

https://ru.wikipedia.org/wiki/Вольта_(водохранилище)

Водохранилище Кариба, образованное в 1959 году после строительства плотины Кабора ГЭС на реке Замбези. Его площадь 5,4 тыс. кв. км.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Кариба

Самое крупное в России – Куйбышевское водохранилище (1957), 6,5 тыс. кв. км.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Куйбышевское_водохранилище

Максимальное количество переселенных – около 1,3 миллиона – было при строительстве ГЭС “Три ущелья” на реке Янцзы, Китай (2003). Это водохранилище является также потенциально самым опасным – в случае прорыва плотины под угрозой затопления может оказаться 360 миллионов человек. Площадь водохранилища более 1 тыс. кв. км.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Три_ущелья_(электростанция)

Водохранилище на Вольте

 

6. Накопление и хранение электроэнергии является одной из главных задач электроэнергетики. В литий-ионных аккумуляторах накапливается химическая энергия. В каком еще виде можно сохранять электроэнергию?

A. Как тепловая энергию

B. Как механическую энергию

C. Как гравитационную энергию 

D. Используются все эти виды энергии

Ответ. Все перечисленные виды энергии сегодня используются для накопления и сохранения электроэнергии.

Пояснение. Существуют проекты, где образующийся при суточных минимумах потребления электроэнергии избыток мощности используется для нагревания каменных пород до 700 градусов, чтобы во время пиков потребления они отдавали тепловую энергию, которую можно использовать для производства электроэнергии. 

Механическая (кинетическая) энергия накапливается в быстро вращающихся огромных и массивных маховиках. 

Гравитационная энергия накапливается в водоемах, куда поднимается вода, чтобы потом энергия ее падения крутила гидротурбины, – так работают гидроаккумуляторные электростанции, они являются на сегодня самыми мощными из всех накопителей электроэнергии. Кроме того, гравитационная энергия может использоваться в форме поднимаемого на большую высоту песка: при его просыпании также вырабатывается электроэнергия. Опытная установка построена в Новосибирске. Высота башни – 20 м. Внутри – вагоны с песком, которые движутся вертикально. 

https://www.siemensgamesa.com/en-int/newsroom/2019/06/190612-siemens-gamesa-inauguration-energy-system-thermal

https://www.rechargenews.com/transition/1784108/global-renewables-group-tests-concrete-flywheel-energy-storage

https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидроаккумулирующая_электростанция

ГАЭС Лудингтон, США. Мощность более 2000 мегаватт

 

7. Литий-ионный аккумулятор сегодня используется в большинстве телефонов, ноутбуков, электробритв, планшетов и прочей электроники. Как его нужно хранить, чтобы после включения он дольше нормально работал?

A. Полностью заряженным

B. Полностью разряженным

C. Частично заряженным

D. Имеет значение только температура хранения

Ответ. Оптимальным состоянием для длительного хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30 до 50 процентов при температуре 15°C. 

Пояснения. Если оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость существенно снизится. Аккумулятор, который долгое время хранился разряженным, скорее всего, к работе уже не пригоден. Это связано с особенностями работы литий-ионных аккумуляторов: и в полностью разряженном, и в полностью заряженном долгое время аккумуляторе происходит деградация материалов катода и анода. И аккумулятор теряет способность накапливать химическую энергию, то есть заряжаться.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Литий-ионный_аккумулятор

 

 

8. Эффективность солнечных батарей измеряется в процентах производимой энергии от подведенной энергии, которую они способны уловить. В какое время года эффективность самая высокая?

A. Зимой, при низких температурах

B. Летом, когда лучи падают под большим углом  

C. Осенью, когда много дождей и чище поверхность фотоэлементов

D. Эффективность не зависит от времени года

Ответ. Зимой, при низких температурах

Пояснение. Несмотря на то что максимальное количество энергии солнечные батареи вырабатывают летом, КПД, то есть отношение полезно используемой энергии к подведенной, действительно выше зимой. В это время потери на сопротивление меньше, так как сами батареи меньше нагреваются. 

"Зимой же КПД солнечных батарей вырастает из-за того, что в полупроводниках ширина запрещенной зоны, а значит, и напряжение, генерируемое солнечным модулем, уменьшается с повышением температуры и, наоборот, повышается с понижением температуры. Полупроводниковые солнечные элементы имеют отрицательный коэффициент мощности: -0,2–0,45 % на градус ⁰С для кремниевых модулей, то есть мощность, генерируемая солнечной батареей, снижается на 0,2–0,45% при повышении температуры модуля на 1 градус”.

Комментарий экспертов научно-технического департамента Роснано 

 

9. Эффективность работы ветрогенератора зависит от количества лопастей. Какое количество лопастей сегодня считается промышленным стандартом для крупных ветрогенераторов?  

A. 2

B. 3

C. 4

D. Чем больше, тем лучше

Ответ. Стандартом на сегодня являются 3 лопасти. 

Пояснение. Чем меньше лопастей у турбины, тем больше скорость ее вращения и тем меньше создаваемый на валу крутящий момент. Чем больше лопастей, тем выше крутящий момент и тем ниже скорость вращения за счет увеличения лобового сопротивления. Если оставить две лопасти, ветротурбина станет вращаться очень быстро, но с недостаточным крутящим моментом. По сравнению с трехлопастным вариантом четырехлопастная дает прирост крутящего момента, но вращается медленнее. Например, в традиционных ветряных мельницах как раз нужна большая мощность и не нужна большая скорость, там используются четыре лопасти. 

Сегодня трехлопастная конструкция признана оптимальной, во всяком случае для ветровых установок мегаваттного класса. 

 

10. Эти растения – легкие и прочные. Из них строили суда индейцы. Тур Хейердал построил из них плот Кон-Тики, чтобы переплыть Тихий океан. Эти свойства стали главными для использования при конструировании лопастей ветрогенераторов. Какое это растение?

A. Бальзовое дерево

B. Кедр

C. Тростник

D. Береза

Ответ. Бальзовое дерево

Пояснение. И стволы кедра, и березовая кора использовались для строительства каноэ индейцами Северной Америки. Из тростника, связанного большими пучками, строили свои плоты многие древние народы. Но применение в современной ветроэнергетике нашло бальзовое дерево. Оно пошло и на строительство плота Кон-Тики. “Лезвия лопастей ветрогенераторов состоят из оболочки, окружающей ядро, которое является либо полым, либо заполнено легким веществом, таким как пенопласт или бальзовое дерево”. 

См. Применение слоистых конструкций в ветросиловых установках. Заявка на изобретение. https://yandex.ru/patents/doc/RU2549070C2_20150420

Бальзовое дерево очень легкое - огромный ствол может поднять один человек

 

11. Могут ли солнечные батареи вырабатывать электроэнергию в пасмурный день?

A. Нет, для солнечных батарей необходимо прямое солнечное излучение

B. Могут, но только в низких широтах, где лучи падают почти вертикально 

C. Могут, при любом уровне освещенности в любое время года

D. Могут, но только в летнее время, когда излучение более интенсивное

Ответ. Могут, при любом уровне освещенности в любое время года

Пояснение. Даже сквозь плотную зимнюю облачность проходит красная часть солнечного спектра. Ее можно использовать в солнечных батареях. Солнечные  батареи можно использовать и в тех районах, где солнечных дней мало. Они могут работать буквально от первых до последних лучей Солнца в любой точке Земли, и зимой и летом. Но при снижении интенсивности солнечного излучения производительность солнечных батарей снижается, и поэтому их выгоднее использовать в тех местах, где много солнечных дней. 

 

12. Термоядерный синтез – экологический чистый способ получения энергии: нет выбросов СО2 и нет ядерных отходов. Но чтобы началась реакция термоядерного синтеза, необходима высокотемпературная плазма. В чем ее можно сохранять?

A. В кварцевом сосуде

B. В жаропрочной металлической камере

C. В термостойкой керамике

D. В магнитной ловушке

Ответ. Единственный способ удержать высокотемпературную плазму – магнитная ловушка на сверхпроводящих магнитах.

Пояснение. Температура плазмы – несколько миллионов градусов, потому никакие материалы не могут ее выдержать – они просто испарятся. Удерживать ее можно только силой магнитного поля. Для этого в ИТЭР используется тороидальная камера с магнитными катушками, создающая поле с индукцией в 200 000 раз больше магнитного поля Земли. Сама камера, где идет реакция, представляет собой именно металлическое кольцо, обшитое термостойкими панелями, но плазма “висит” и не касается стенок.

Термоядерная энергия – экологически чистая. При ее производстве нет проблемы выброса СО2 и практически нет ядерных отходов (в отличие от атомных электростанций). При термоядерном синтезе из водорода синтезируется гелий. Но проект ИТЭР и другие термоядерные проекты еще далеки от выхода на промышленную мощность. Получаемая при термоядерном синтезе энергия все еще недостаточно превосходит энергию, затраченную на разогрев плазмы, в которой идет реакция.

Строительство ИТЭР - международного термоядерного реактора. Исследовательский центр Карадаш, во Франции в 60км от Марселя.

 

13. Углеродный след – это вклад отдельного человека в выбросы СО2. Перечисленные шаги по уменьшению выбросов считаются экологами наиболее эффективными. Какой сильнее всего снижает выбросы?

 A. Придерживаться растительной диеты

B. Использовать зеленые источники энергии

C. Отказаться от личного автомобиля

D. Сократить количество дальних перелетов 

 

Ответ. Отказаться от личного автомобиля.

Пояснение. Все эти правильные шаги рекомендуются документами разных стран и ЕС. 

Здесь приведены средние оценки по отчету 2017 года https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aa7541.

Использование личного автомобиля “стоит” 2,4 тонны СО2 в год, использование доступной “зеленой” энергии (энергия ветра и солнца в первую очередь) позволяет при сегодняшних технологиях сократить выбросы на 1,8 тонны СО2 в год, каждый трансатлантический перелет “стоит” 1,6 тонны СО2. А “зеленая диета” экономит 0,8 тонны СО2 в год.

Согласно исследованию 2017 года, каждый ребенок в семье добавляет добавляет 58,6 тонн СО2 в год. Это во много раз больше, чем все остальные “правильные шаги”. Авторы исследования приводят такой пример: один ребенок по выбросам СО2 эквивалентен 684 тинейджерам, которые всю свою оставшуюся жизнь будут правильно сортировать мусор.

Но необходимо отметить, что ни одна страна мира не включает пункт “иметь меньше детей” в свои рекомендации по борьбе с СО2.

Пробка на трассе Пекин - Тибет в Китае стояла 10 дней в августе 2010 года и достигла протяженности 100 километров

 

14. Наибольшее количество СО2 производится сегодня при работе электростанций. Промышленность –  на втором месте. На производство всего четырех материалов приходится больше 70% всех выбросов СО2 в промышленности. На какой приходится больше всего?

A. Пластические массы

B. Сталь

C. Цемент

D. Деловая древесина (в том числе бумага и картон)

Ответ. Сталь

Пояснение. Наибольшее количество СО2 приходится на производство стали –  около 30%, несколько меньше на производство цемента –  27-28%. На пластмассы и древесину  приходится по 7-8% на каждый материал.

Одной из стратегий сокращения выбросов СО2 в промышленности является легирование стали, алюминия и других материалов углеродными нанотрубками. Это позволит сохранить прочностные характеристики при уменьшении веса материалов, а значит, и необходимые объемы их производства. Это сделает более легкими автомобили и самолеты, что в свою очередь приведет к сокращению расхода топлива и снижению выбросов СО2.

https://www.rusnano.com/upload/images/documents/Otchet-Etap3.pdf

 

 

15. Современные мегаполисы называют «островами тепла». В центре крупных городов температура воздуха может значительно превышать температуру в пригородах. Какая максимальная разница между центром и предместьями была отмечена?

A. 2-4°С

B. 5-8°С

C. 9-12°С

D. 13-15°С

Ответ. Согласно данным United States Environmental Protection Agency, среднегодовая разница между центром и предместьями для города с миллионом жителей составляет 1-3°С. Но во время вечерних пиков в летнее время может достигать 12°C. https://www.epa.gov/heat-islands

Пояснения. “Острова тепла” образуются в основном за счет “потерянной энергии”, которую излучает город. На разницу температур влияет городской ландшафт (плотная высотная застройка), обогрев зданий зимой и кондиционирование воздуха летом (все кондиционеры являются источниками тепла для города), интенсивный транспорт, накопление тепла зданиями (например, разогрев темных крыш,) и многими другими факторами. В среднем чем больше город  – тем больше температурная разница с предместьями. 

Причем разница температуры между “островом тепла” и предместьями растет по мере того, как растет город. В Токио среднегодовая температура за сто лет повысилась на 3-4°С. 

Ничего хорошего в этом явлении нет. Рост температуры приводит к росту затрат энергии на кондиционирование воздуха, загрязнению воздуха парниковыми газами, в том числе СО2, и даже загрязнению воды (например, цветению городских водоемов). 

В Калифорнии, в том числе и для борьбы с “островами тепла”, было принято законодательное решение –  красить крыши исключительно в белый цвет, чтобы увеличить отражение солнечного света и уменьшить накопление тепла зданиями.

Есть исследования, которые утверждают, что городские “острова тепла” могут влиять и на глобальный климат, но твердых подтверждений этому пока нет.

https://en.wikipedia.org/wiki/Urban_heat_island

Белые крыши Калифорнии