Введение
9 мая 1992 года в Нью-Йорке была принята Рамочная конвенция ООН об изменении климата, где отмечено, что глобальное потепление - это результат усиления парникового эффекта, связанного с антропогенным воздействием.
Результатом глобального потепления стало таяние ледников, что считается причиной увеличения объёмов осадков.
Исследуются различные факторы и явления, изменяющие климат Земли:
- наличие озоновых дыр в атмосфере;
- смещение магнитного полюса Земли;
- различные геофизические процессы на планете;
- извержения вулканов;
- и другие.
Цель
Цель настоящей статьи - ответить на ряд вопросов, изучению которых в существующих теориях не уделено достаточного внимания:
- Почему климат меняется так резко?
- Почему все изменения климата происходят в последние 100 лет?
- Почему увеличение объёма атмосферных осадков из-за медленного таяния ледников происходит не постепенно?
- Каков источник появления в атмосфере дополнительных объёмов воды, которые увеличили месячные нормы осадков в 1,5-2 раза?
- Почему возросло количество осадков в виде крупного града?
- Почему изменились скорость и направление ветров?
- Почему повсеместно фиксируются аномально высокие либо низкие температуры, и снег или дождь идут в областях, где их никогда не было, либо, отсутствуют там, где наблюдались всегда?
Используемые данные
Для этого будут использованы:
- статистические данные;
- знание того, что нефть и природный газ - это углеводороды с формулой СхНу;
- Закон о выравнивании температур разно нагретых тел при их соприкосновении;
- Закон о переходе "количества в качество". Т.е. при накоплении предельного количества вещества или действия, у этого вещества/действия появляются новые свойства и характеристики;
- планета Земля подобна закрытому сосуду;
- Закон о круговороте воды в природе;
- знание, что люди и животные - кислорододышащие существа, и человеку необходимы дополнительные источники тепла для поддержания температуры;
- при сжигании природного газа и нефтепродуктов выделяется большое количество тепла.
Некоторые цифры, фигурирующие в данной статье, являются усреднёнными.
1 Анализ воздействия на атмосферу некоторых источников тепла
В данном разделе рассмотрено влияние человека и автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) на повышение температуры атмосферы Земли.
1.1 Человек - источник дополнительного тепла
Теплокровные существа имеют температуру тела около 37 оС. Они постоянно излучают тепло в окружающее пространство.
Количество теплокровных животных за сотни лет не увеличилось, а скорее уменьшилось. Поэтому источниками дополнительного тепла они являться не могут.
Другое дело - человек.
В начале нашей эры на Земле было около 300-400 млн человек. И численность населения практически не росла из-за высокой смертности и низкой продолжительности жизни.
Но с развитием медицины ситуация изменилась: уменьшилась детская смертность и смертность от болезней; сократилось количество эпидемий и количество умерших от них. Стала увеличиваться продолжительность жизни. И темпы роста численности людей стали увеличиваться [1]:
- с 1200 по 1700 годы среднегодовое население на Земле было не более 500млн. человек;
- в 1800 г. - около 1 млрд человек;
- в 1900 г. - 1,6 млрд человек;
- в 1965 г. - более 3,3 млрд человек;
- в 2000 г. - около 6 млрд человек;
- в 2010 г. - более 6,7 млрд человек.
По прогнозу ООН к 2050 году население Земли увеличится до 9,1 млрд человек.
И все проживающие на Земле люди день за днём "отдают" тепло в атмосферу. Люди - своего рода "печки" с температурой 37 оС.
Также стоит учесть тот факт, что человек за один вдох-выдох прокачивает через себя около 600 см3 воздуха с температурой окружающей среды. За минуту он делает 15-20 вдохов-выдохов. Воздух на выдохе имеет температуру человеческого тела.
Тёплый выдыхаемый человеком воздух и необходимость поддерживать постоянную температуру тела - это дополнительные источники поступления тепла в атмосферу.
Однако с ростом населения воздействие этих факторов на изменение температуры атмосферы Земли будет незначительным по сравнению с другими факторами.
1.2. Автомобили с ДВС
В начале автомобильной эры количество автомобилей исчислялось десятками тысяч. Но уже в 1986 г. было 500 млн штук, а в 2018 г. их количество превысило 1 млрд [2].
Для работы ДВС используется бензин и дизельное топливо.
При сгорании 1 л дизельного топлива или бензина выделяется 43-44 МДж тепловой энергии. Тепловые потери дизельных и бензиновых ДВС составляют 40-70 %.
При сгорании 1 л автомобильного топлива, ДВС излучают в атмосферу в среднем 20 МДж тепловой энергии.
Ежедневное мировое потребление автомобильного топлива - десятки миллионов тонн, и, как следствие, - миллиарды МДж тепла "нагревают" атмосферу Земли.
Работающие ДВС - мощный источник нагрева атмосферы планеты.
2 Причины увеличения количества осадков
В разделе проанализированы причины, вызывающие резкое увеличение количества осадков.
2.1 Сжигание углеводородного топлива и природного газа
Вода с поверхности рек, озёр, морей и океанов, а также с влажной почвы, испаряясь, поднимается в верхние слои атмосферы. Там пары воды кристаллизуются, концентрируются в облака, и в виде дождя и снега возвращаются на землю. Это круговорот воды в природе.
Если в отдельных местах наблюдается сильная жара, то пары воды имеют более высокую температуру. Поэтому, поднимаясь в верхние слои атмосферы с более низкой температурой, они образуют градины.
При неизменной площади водной поверхности планеты, среднегодовые объёмы выпадающих осадков должны быть практически одинаковы.
При таянии ледников вследствие парникового эффекта, площадь океанов увеличивается медленно и равномерно. Объёмы испаряющейся воды растут также постепенно. Следовательно, и месячные нормы осадков, т.е. количество осадков, характерное для данной местности в определённый период времени, обязаны возрастать равномерно по годам.
Но, за последние несколько десятков лет, повсеместно в дополнение к месячным нормам осадков, единовременно за несколько дней выпадает ещё 1-2 месячные нормы (в том числе и крупный град). Это говорит о том, что в верхних слоях атмосферы появились большие объёмы "новой" воды, не связанные с результатом таяния ледников. Её источником, являются ДВС, сжигающие углеводородное сырьё.
Химическая формула наиболее хорошего бензина (искючая незначительное наличие других элементов) - С8Н18.
Реакция окисления (сгорания) бензина [3]:
2 С8Н18 + 25 О2 → 16 СО2 + 18 Н2О + Q↑
Вес: 1л бензина - 0,7 кг, 1 м3 кислорода (О2) - 1,43 кг. При сгорании 1 л бензина образуется около 1 л воды. Для реакции необходим 1,7 м3 О2.
Примерно такое же соотношение при сжигании дизельного топлива.
Вода, полученная в результате сгорания топлива, и есть "новая" вода. Она газообразная и сильно нагрета. По законам физики, эта газообразная вода поднимается в верхние слои атмосферы, там кристаллизуется, и возвращается на землю в виде дополнительных месячных норм осадков.
Реакция сгорания природного газа [4]:
СН4 + 2 О2 → СО2 + 2 Н2О + Q↑
1 м3 природного газа имеет вес 0,62 кг. Сжигая его, мы получаем 1,4 л воды. Для реакции нужно 1,7 м3 О2. Газообразная, сильно нагретая вода, получаемая при сгорании природного газа, также является "новой" водой.
За период с 2016 по 2018 год крупнейшими нефтедобывающими странами было добыто свыше 9 000 млн тонн нефти [6], 90 % из которой было использовано на получение автомобильного топлива. После переработки 1 тонны нефти получают 1100 литров топлива [5]. За три года произвели (и использовали) для работы ДВС почти 9 000 млрд литров топлива, и в атмосферу попало 9 000 млн тонн газообразной "новой" воды.
За период с 2001 по 2011 год была добыта 31 000 млрд м3 природного газа [7], 70 % которого потрачено на получение тепловой энергии (20 000 млрд м3). При этом в атмосферу выделилось 28 млрд тонн "новой" газообразной воды.
В XXI веке в результате сжигания углеводородного сырья в атмосферу Земли ежегодно попадает 5-6 млрд тонн "новой" воды. Которая после конденсации в верхних слоях атмосферы возвращается на землю в виде дополнительных объёмов осадков.
3 Зонное и точечное антропогенное воздействие на атмосферу
Если бы люди были распределены равноверно по поверхности Земли, то антропогенное воздействие на атмосферу было бы равномерным. И изменение климата происходило бы постепенно.
Однако люди проживают только на суше. Численность и средняя плотность населения при этом неодинакова, как в разных частях света (табл. 1) [8], так и в разных странах (табл. 2) [9].
Таблица 1 - Численность и плотность населения в разных частях света (по данным на 2013г.)
Часть светаАфрикаАзияЕвропаЦентральная
и Южная АмерикаСеверная
АмерикаАвстралия
и ОкеанияНаселение, млн чел.1100430274060635238Средн. плотность нас., чел./км2361358946164
Таблица 2 - Численность и плотность населения в некоторых странах (по данным на 2013г.)
СтранаПлотность населения, чел./км2Площадь, км2Население, млн чел.Индия389,232872591279,50Германия225,435738080,57КНР 142,595629111362,51Иран44,21174515077,15США32,269831510317,14Аргентина15,30278040042,54Россия8,38517098250143,37
В Индии и КНР проживает 35 % населения Азии, а в США - 90 % Северной Америки. Плотность населения в европейской части России - 27 чел./км2, а азиатской - 3 чел./км2. В отличие от России, на 1/3 территории КНР плотность населения составляет 400-900 чел./км2, на остальной - менее 100 чел./км2.
Люди живут в городах и сельской местности. С ростом численности населения увеличиваются и населённые пункты. По данным на 2018 год 428 городов имеют численность 1 млн человек и более, 15 городов - свыше 10 млн человек (табл. 3) [10].
Таблица 3 - Крупнейшие мегаполисы
СтранаГородНаселение, млн. челПлощадь, км2Плотность населения, чел./км2ЯпонияТокио-Иокогама3885474,500ИндонезияДжакарта32,333029,800ИндияДели27,3220212,400ФилиппиныМанила 24,65181313,600Респ. КореяСеул24,227458,800КНРШанхай24,140156,000ИндияМумбаи23,2688126,400СШАНью-Йорк21,57118751,700
В городах одновременно работают десятки, сотни тысяч ДВС автомобилей, теплом от которых нагревается воздух. В нём концентрируется газообразная "новая" вода от сгорания автомобильного топлива, и, если используется газовое отопление - от сгорания природного газа.
Нагретый и насыщенный "новой" водой воздух поднимается вертикально вверх - в холодные слои атмосферы. Это есть точечное антропогенное воздействие на атмосферу.
Территории, на которых сконцентрировано большое количество населённых пунктов - это зоны антропогенного воздействия на атмосферу.
4 Изменение силы и направления ветра, град и аномальные климатические явления
Вертикально направленные потоки тёплого воздуха, насыщенные парами "новой" воды, поднимаются с территорий городов в верхние слои атмосферы. Скорость их подъёма выше, чем у паров природной воды, поэтому "новая" вода кристаллизуется в более холодных слоях атмосферы. Поэтому с большей частотой происходит образование градин.
Скорость и направление ветров меняют:
- объёмы "новой" воды в атмосфере (как в виде облаков, так и в виде дополнительных осадков);
- направленные вверх потоки тёплого воздуха;
- вытесненные и направленные вниз потоки холодного воздуха.
- передвижение большого числа автомобилей по дорогам.
Перемещение тёплых и холодных воздушных масс изменяется, что ведёт к появлению зон с аномальными климатическими явлениями.
5 Изменение количества кислорода в атмосфере Земли
Кислород в воздухе - это продукт процесса фотосинтеза. Площадь территорий, покрытых лесами и растениями, за последние тысячелетия не увеличилась. Поэтому объёмы полученного фотосинтезом кислорода, также не увеличиваются.
На Земле практически всем живым организмам для жизнедеятельности необходим кислород. Также кислород необходим для горения углеродного сырья (уголь, дерево, травы), за счёт которого человек получает необходимое ему тепло.
До XIV - XV веков количество кислорододыщащих существ на Земле было достаточно постоянным. Поэтому соотношение между объёмом кислорода, полученного фотосинтезом, и объёмом кислорода, израсходованным на жизнедеятельность людей и процесс горения, было практически неизменным.
Но в начале нашей эры всё изменилось:
1 Население Земли увеличилось до 7 млрд человек. Человеку в сутки необходимо 0,6 м3 кислорода. При численности в 7 млрд, в год людьми используется около 40 км3 кислорода из воздуха.
2 Стал широко использоваться транспорт с ДВС. Для сгорания 1 л автомобильного топлива необходимо 1,7 м3кислорода. В настоящее время ежегодно производится 3 000 млрд литров топлива. Для его сжигания в ДВС необходимо 5 000 км3 кислорода.
3 Для получения тепловой энергии активно используется (сжигается) природный газ. Для сгорания 1 м3 природного газа необходимо 1,7 м3 кислорода. Ежегодно сжигается 2 000 млрд м3 природного газа. Для этого необходимо 3 400 км3 кислорода из атмосферы.
Выводы
Земной климат, как система, очень устойчив к различным изменениям. Природные явления (наводнения, извержения вулканов, землетрясения, лесные пожары и т.п.) периодически меняют погодные условия. При этом климат меняется постепенно, в течение длительных промежутков времени: 2-3 поколения людей практически не могут заметить эти изменения.
Известно, что самую устойчивую систему можно вывести из равновесия, расшатав или сломав у неё любой, даже самый незначительный, элемент.
Начиная с XIV века точечное и зонное антропогенное воздействие оказывает всё возрастающее давление на атмосферу планеты:
- Вертикально направленные от стационарных точек на поверхности (крупных населенных пунктов) до холодных слоёв атмосферы, многочисленные потоки тёплого воздуха постоянно расшатывают "старый климат".
- С потоками тёплого воздуха в верхние слои атмосферы поднимаются всё возрастающие объёмы газообразной воды, углекислого газа. Это приводит к резкому увеличению их концентрации на ограниченном пространстве над населёнными пунктами. И как следствие, происходят хаотичные изменения в вертикальном и горизонтальном перемещении воздушных масс, меняется температура и усиливается парниковый эффект. Многократно увеличиваются объёмы осадков.
- Из-за увеличения мирового населения и сжигания больших объёмов углеводородного сырья, уменьшается концентрация кислорода в воздухе.
Накопились критические изменения в атмосфере планеты. 50-70 лет назад начался переход системы "старый климат" в новое качество - "новый климат". Через несколько десятков лет характеристики "нового климата" стабилизируются.
Что нас ожидает:
1) Уже следующее поколение людей адаптируется к новому климату.
2) На данный момент альтернативы углеводородному сырью, как энергоносителю, нет. Потому человечество не откажется от мобильности и комфорта, которые обеспечиваются использованием транспорта на его основе.
Другие энергоносители (электроэнергия, атомная энергетика, энергия ветра и пр.) не имеют мобильности, простоты обслуживания, доступности.
3) Когда запасы нефти и прородного газа подойдут к концу, "новый климат" уступит место очередной системе климата.