Часть первая

В конце этого, 2024 года наша страна будет принимать мероприятие COP-29. Сегодня мы часто слышим о глобальном потеплении, изменении климата, выбросах парниковых газов, CO2, озоновом слое, повышении уровня моря,  о будущем жизни на Земле, энергетическом переходе, зеленой энергетике, зеленом экономическом росте и т. д. Некоторые из этих концепций для нас новы, некоторые сложны для понимания. В таких случаях мы обращаемся к экспертам и ученым в этой области, чтобы подробнее разобраться в теме.

Наш соотечественник Рамин Исаев уже почти 25 лет занимается изучением вопросов изменения климата, устойчивого развития и  энергетического перехода. Рамин Исаев – выпускник лучших университетов мира: Гарвардского Университета и Массачусетского Технологического Института (MIT). Рамин был учеником интеллектуальных гигантов и лидеров-мыслителей, таких как Милтон Фридман, Джеффри Сакс, Вацлав Смил, Роберт Соло, Пол Кругман, Джон Стерман и многих других. Рамин сделал успешную карьеру в ведущих энергетических компаниях мира. Рамин Исаев также написал множество статей и книг о глобальных проблемах, затрагивающих человечество. Рамин Исаев любезно согласился поделиться с нами упрощенной версией перевода некоторых своих научных статей и глав книг, посвященных изменению климата, энергетическому переходу и устойчивому развитию. Сегодня мы представляем вам вступительную статью Рамина Исаева о климатa, климатологии и изменении климата.

В конце этого года в Азербайджане пройдет престижное глобальное мероприятие COP-29. Изменение климата сейчас очень важная, глобально обсуждаемая тема. COP — это крупнейшая и наиболее эффективная платформа для обсуждения причин изменения климата и согласования эффективных действий по предотвращению или смягчению проблем, вызванных изменением климата. Приятно видеть, что Азербайджан демонстрирует лидерство в борьбе с этой поистине глобальной и усиливающейся катастрофой. Изменение климата — это, по сути, переход к новому энергетическому равновесию в различных частях климатической системы Земли. Азербайджан обладает беспрецедентной базой знаний в понимании энергии и энергетических систем, образцовым опытом реализации крупномасштабных энергетических проектов и дальновидным стилем лидерства, ориентированным на региональные и глобальные результаты. Поэтому лидерство Азербайджана в СОР логично, естественно и принесет огромную пользу. Проведение COP в Азербайджане также станет стимулом в климатологии и науке в целом в нашей стране и приведет к развитию новых технологий, связанных с решением проблемы изменения климата и энергетического перехода.

Существует много неизвестных и неопределенностей относительно будущего климата и его последствий для управления вопросами человечества и будущего жизни на планете Земля. Проблема изменения климата настолько сложна, настолько масштабна и универсальна, что даже простое ее понимание требует объединенных усилий экспертов, ученых и лидеров из самых разных областей. Проблемы, созданные изменением климата, настолько огромны, их последствия могут быть настолько катастрофическими, что человечество в его нынешнем виде никогда не сталкивалось с экзистенциальной угрозой такого рода и такого масштаба. Хорошей новостью является то, что элиты всех профессий и  лидеры из всех уголков мира понимают необходимость совместных усилий для решения проблемы изменения климата.

Название проблемы-  изменение климата. Чтобы лучше понять проблему изменения климата, мы сначала должны вносить ясность в терминологию, четко определить основную проблему и вытекающие из нее осложнения, определить коренные причины проблемы, и только тогда мы сможем предлагать научно обоснованные, эффективные решения по борьбе с изменением климата.

Вопросы, на которые мы должны искать ответы:

– что такое климат?

– какие факторы вызывают изменение климата?

– какие могут быть последствия изменения климата (сценарии);

– какие причины изменения климата могут быть контролированы или смягчены людьми в данный момент?

– какие причины изменения климата находятся вне контроля человека на современном уровне технологического развития?

-что мы можем узнать и какие мы можем делать выводы из прошлого климата на Земле и климата на других планетах, чтобы предсказать будущий климат на Земле?

-какие варианты есть у нас, человечества, в настоящее время для решения проблем, вызванных изменением климата?

-какие внеземные возможности существуют для сохранения жизни в ее нынешнем виде? Как можно создать подходящий климат на других телах Солнечной системы?

Некоторые из этих тем могут звучать как темы научной фантастики: но, когда на карту поставлено будущее жизни и человечества, наука и фантастика должны объединиться, чтобы вдохновить нас на поиск нестандартных решений этих экзистенциальных проблем.

Итак, приступим к рассмотрению вопросов, которые мы подняли выше. Мы уже упоминали, что с чисто научной точки зрения климатическая система и глобальный энергетический баланс Земли — это две стороны одной медали. Климат относится к статистическому распределению метеорологических явлений, таких как температура, ветер и осадки, на протяжении многих лет (в то время как погода относится к конфигурации этих условий во временном масштабе часов или дней). Климат Земли определяется  энергетическими взаимодействиями (энергообменом, переносом энергии) между атмосферой, гидросферой (водой), криосферой (льдом), сушей и биосферой Земли. В течение  очень длительного периода  времени (десятки, сотни миллионов лет) на климат влияют многие факторы, включая орбитальную динамику Земли, пульсации солнечного излучения, геологические процессы и деятельность человека. Все природные процессы и вся деятельность человека, влияющая на климат и определяющие его, в самом научном смысле являются преобразованиями энергии. Мы представим вам отдельную статью, посвященную вопросам энергии и энергетического перехода. Пока достаточно упомянуть, что энергия – это величина, связанная с эволюцией физической системы во времени. Любая замкнутая система, описываемая неизменяемыми во времени физическими законами, обладает сохраняющейся величиной, называемой энергией. Во Вселенной невообразимо много энергии. В настоящее время путем прямых измерений и астрофизических наблюдений установлено, что темная энергия составляет 68% энергии во Вселенной, темная материя дает еще 27% энергии во Вселенной, а стандартная барионная материя, состоящая из знакомых нам атомов, составляет менее 5% энергии наблюдаемой Вселенной. У нас до сих пор очень ограниченное понимание темной энергии и темной материи. Почти вся энергия, которую человечество использует, изначально поступила на Землю в виде солнечной радиации, за исключением ядерной, геотермальной и приливной энергии. Солнечное электромагнитное излучение на сегодняшний день является крупнейшим источником энергии на Земле: 173 миллиона ГДж (гигаджоулей) энергии Солнца достигают Земли каждую секунду. Это в 10 тысяч раз больше потребляемой нами энергии. Почти вся энергия, которую мы используем на Земле, изначально поступала в виде солнечной радиации: ископаемое топливо, которое мы используем, пища, которую мы едим, энергия ветра, которую мы потребляем, гидроэнергия, которую мы используем, — это не что иное, как преобразуемая и хранимая солнечная энергия. Таким образом, солнечная энергия прямо и косвенно играет решающую роль в формировании климата Земли. Однако климатическая система Земли не является простой системой: она представляет собой динамическую сложную систему с множественными переходящими состояниями равновесия, которые изменяются со временем под воздействием природных и антропогенных факторов.

Если бы на Земле не было атмосферы, гидросферы и биосферы, то климат Земли было бы очень просто описать и понять: поступающая солнечная радиация нагревала бы поверхность Земли, а затем Земля излучала бы инфракрасное излучение, тепло в космическое пространство. Простой расчет показывает, что в таком простом, «голом» состоянии Земли средняя температура поверхности Земли составит 6°C, что намного ниже текущей фактической средней температуры поверхности Земли, составляющей 14°C. Наличие атмосферы, гидросферы и биосферы обогашает процессы теплопереноса и теплообмена на Земле и приводит к созданию специфического климата планеты Земля. Учитывая относительно низкую удельную массу воздуха (один кубический метр имеет массу всего 1,2 кг у поверхности Земли, что составляет тысячную долю массы воды объема), лишь очень небольшая доля инсоляции (солнечной энергии), не более 2%, необходима для питания энергией глобальной циркуляции атмосферы, которая распределяет тепло, переносит микробы, пыльцу и семена и ответственна за эрозию континентальных поверхностей под действием ветра. Глобальная циркуляция атмосферы активизируется постоянным нагреванием тропиков, которое создает поток более холодного воздуха из более высоких широт к экватору и приводит в движение две энергично движущиеся воздушные петли, обычно известные как ячейки Хэдли. Высокая удельная теплоемкость воды, 4,185 Дж/г оС, в несколько раз выше, чем у почвы и горных пород, и именно поэтому температура воды повышается и падает медленнее, чем температура твердых поверхностей, и поэтому она сохраняет гораздо больше тепла на единицу объема, что делает гидросферу (океан) самым массивным в мире регулятором температуры. Кроме того, вода имеет необычайно высокую температуру парообразования, почти 2,5 кДж/г при 20°С, а это означает, что большое количество скрытого тепла может переноситься в водяном паре на очень большие расстояния и высвобождаться за десятки, сотни и даже тысячи километров от его источника. Океан доминирует в энергетическом балансе Земли не только из-за своей протяженности (океан покрывает более 70% поверхности планеты), но и из-за его низкого альбедо (в среднем 6%), что означает, что он поглощает почти в четыре раза больше солнечной радиации, чем континенты. Поступающая солнечная радиация, крупнейший источник энергии на Земле, отражается от атмосферы Земли, от поверхности Земли и облаков: это называется альбедо. Солнечный свет проникает лишь на тонкую полоску океан (средняя глубина которого составляет 3,8 км) – до 80-100 метров, а в самых чистых тропических морях — примерно до 200 м. Ниже термоклина (слой океанической воды, где температура быстро падает с глубиной, но концентрация питательных веществ и соленость увеличиваются) вода всегда равномерно темная и температура  близка к 4°C, точке ее наибольшей плотности. Это еще одно свойство этой замечательной среды-воды: в то время как плотность других веществ увеличивается с понижением температуры, наибольшая плотность воды достигается при температуре 3,98°C. Это необычное соотношение температуры и плотности позволяет рыбам выживать в северных водах, поскольку лед образуется на поверхности, а не на дне. Планетарный круговорот воды (испарение-осадки-сток) перемещает ежегодно около 580 тыс. км3. Для испарения этой массы воды необходимо около 46 ПВт (пета-Вт, миллион миллиардов Вт), энергии, которая составляет около 52% от общего количества инсоляции (солнечной энергии падающей на землю). Лишь небольшая часть континентальных осадков пополняет глубокие водоносные горизонты: около трех пятых испаряется и менее трети возвращается в океан потоками. Учитывая среднюю высоту континентов в 850 м, этот поток ежегодно имеет около 13 ТВт потенциальной гравитационной энергии, что на порядок превышает общее потребление электроэнергии в мире в начале двадцать первого века. Лишь небольшая часть этого огромного потенциала в настоящее время используется в  гидроэлектростанциях. Другой поток, который питает Землю энергией, мизерный по сравнению с солнечной радиацией, но его качественное влияние на эволюцию жизни и его влияние на судьбу цивилизаций неизмеримо, потому что внутреннее тепло Земли постоянно воссоздает дно океана, заново объединяет и разъединяет континенты. Есть два источника этой внутренней энергии: основное тепло от медленного охлаждения расплавленного металлического (в основном железа) ядра Земли и радиоактивного распада (особенно урана-235 и 238, тория-232 и калия-40). Последний поток более важен, и хотя определенное разделение источников тепла все еще невозможно, у нас есть множество измерений, которые позволяют нам заключить, что совокупная глобальная мощность этой геотермальной энергии составляет около 44 ТВт. Разделив эту общую геотермальную энергию на площадь поверхности Земли, получим средний глобальный поток менее 90 мВт/м2 по сравнению со 170 Вт/м2 для средней инсоляции, что составляет разницу в три порядка. Вопреки общепринятому мнению, извержения вулканов составляют лишь небольшую долю глобального высвобождения геотермальной энергии: по самым лучшим оценкам, средняя доля составляет 2% от общего потока, но происходят значительные годовые колебания.

В нынешнем состоянии Земли среднее альбедо составляет около 0,3 или 30%. Это значение альбедо Земли означает, что примерно 30% падающего солнечного излучения отражается Землей обратно в космос. Почти 6% поступающей солнечной радиации отражается атмосферой Земли, 10% — земной поверхностью и 14% — облаками. Отражение падающей солнечной радиации, описываемой альбедо Земли, снижает среднюю температуру, необходимую планете для поддержания радиационного равновесия. Текущая средняя температура поверхности Земли составляет 14°C, что выше из-за эффекта удерживания тепла земной атмосферой. Удержание тепла также называют парниковым эффектом. Парниковый эффект возникает, когда материал, поглощающий поступающее солнечное излучение, покрывается слоем другого материала, прозрачного для поступающего солнечного излучения, но поглощающего инфракрасное излучение. В случае с Землей покрывающий слой, атмосфера Земли, собирает часть исходящего инфракрасного излучения и переизлучает его обратно вниз, на поверхность Земли, повышая температуру поглощающего материала, в данном случае поверхности Земли. Парниковые газы, такие как водяной пар и CO2, распространяются по атмосфере. Присутствие мощного парникового газа — водяного пара — запускает другой механизм переноса энергии — конвекцию атмосферы. В тропосфере (от 9 до 17 км) на конвекцию приходится примерно 60% переноса энергии. В тропосфере температура падает с высотой, в среднем 6,5°С/км. На вершине тропосферы, называемой тропопаузой, температура начинает повышаться с высотой, в стратосфере. Состав атмосферы на самом деле довольно однороден для большинства молекул на высоте до 100 км. Азот и кислород составляют более 99% атмосферы. Двухатомные молекулы N2 и O2 не могут легко поглощать одиночные фотоны и эффективно прозрачны для большей части входящего солнечного излучения и исходящего инфракрасного излучения. Однако кислород может диссоциироваться УФ (ультрафиолетовыми) фотонами с длиной волны ниже 246 нанометров: это происходит в стратосфере на высотах около 15 км и более: ниже этой высоты уровень УФ-излучения значительно снижается. Одиночный атом кислорода соединяется с молекулой кислорода посредством трехчастичного столкновения с молекулой кислорода и образуется озон. На высоте выше 60 км образуется мало озона, поскольку плотность материала настолько низка, что столкновения трех тел такого типа редки. Озон создается, а затем разрушается УФ-фотонами в стратосфере. Плотность озона имеет локальный максимум на большой высоте, около 25 км. Поглощение высокоэнергетических УФ-фотонов в стратосфере за счет диссоциации озона и кислорода выделяет значительную солнечную энергию в среднюю атмосферу, так что температура фактически повышается через стратосферу. Поглощение УФ-излучения также помогает защитить жизнь на Земле, которая легко повреждается УФ-излучением. Последним компонентом нашей наиболее реалистичной климатической модели является концепция радиационного форсирования. Радиационное форсирование определяется как чистое увеличение нисходящего излучения в тропопаузе, при сохранении состояния поверхности Земли и атмосферы ниже тропопаузы, но позволяющего стратосфере приспособиться к равновесию. Радиационное форсирование является широко используемой количественной мерой воздействия различных пертурбаций на климат, поскольку его можно точно оценить, используя знания о существующем климате, и оно не зависит от сложных и плохо понятных механизмов обратной связи в сложной динамической климатической системе  Радиационное форсирование, горизонтальный перенос энергии океанами и атмосферой Земли, конвекция, состав атмосферы и парниковый механизм помогают нам точно понимать прошлый и нынешний климат Земли и делать  научно-обоснованные  прогнозы будущих климатических сценариев. В следующих статьях мы представим вам исходы самых реалистичных климатических моделей, обсудим изменение климата, вызванное природными и антропогенными факторами, и предложим научно обоснованные практичные рекомендации  (продолжение следует).

araz.az xəbər portalı.