Физические проблемы экологии

Э. БРИНКМАН



            ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
            ЭКОЛОГИИ


Перевод с английского
А.Д. Калашникова

Дополнение В.В. Тетельмина








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2012

   Э. Бринкман

     Физические проблемы экологии: Учебное пособие / Э. Бринман — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. — 288 с.
     ISBN 978-5-91559-099-0

     В руководстве изложен физический подход к пониманию окружающей среды, а также проблем, связанных с её рациональным использованием. Автором наиболее детально рассмотрены структура и динамика атмосферы, глобальный климат, ультрафиолетовое солнечное излучение и проблема озонового слоя, а также влияние деятельности человека на окружающую среду. При этом особое внимание уделено производству энергии, использованию транспорта и защите окружающей среды. Книга создана на основе лекционных курсов в университетах Великобритании.
     Дополнение к изданию на русском языке посвящено воздействию крупных искусственных сооружений на земную кору, что оказалось актуальной проблемой экологии.
     Предисловие переводчика отражает подходы ряда отечественных специалистов к гипотезе «глобального потепления».
     Учебное пособие адресовано студентам и преподавателям естественно-научных и инженерных факультетов, а также специалистам, чьи интересы связаны с экологией и природопользованием.




   ISBN 978-5-91559-099-0
   ISBN 978-1-84816-180-1 (англ.)
                                       © 2008, Imperial College Press
                                       © 2012, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

        ОГЛАВЛЕНИЕ










Предисловие переводчика................................................... 8
Список цитируемой литературы ............................................ 13
Глава 1. Вступление ......................................................14
1.1 Введение ............................................................ 14
1.2 Научный метод ....................................................... 15
1.3 Содержание .......................................................... 17
Глава 2. Структура и динамика атмосферы ..................................21
2.1 Введение .............................................................21
2.2 Структура и состав атмосферы .........................................22
    2.2.1 Крупномасштабная вертикальная структура атмосферы...............22
    2.2.2 Состав атмосферы .............................................. 23
2.3 Вертикальное перемещение воздуха .....................................24
    2.3.1 Гидростатическое уравнение и вертикальный градиент температуры .24
    2.3.2 Вертикальный градиент температуры насыщенного воздуха и вертикальная устойчивость ....................................27
    2.3.3 Образование облаков и осадки .................................. 30
2.4 Горизонтальное перемещение воздуха................................... 33
    2.4.1 Общий характер циркуляции воздуха ............................. 33
    2.4.2 Движущие силы горизонтальных потоков........................... 35
    2.4.3 Геострофические ветра ..........................................37
    2.4.4 Вертикальный градиент скорости ветра .......................... 38
    2.4.5 Горизонтальный градиент скорости ветра — погодные фронты .......40
    2.4.6 Тропические циклоны — ураганы...................................46
2.5 Выводы ...............................................................47
2.6 Задачи ...............................................................48
    Ссылки................................................................49
Глава 3. Глобальный климат ...............................................50
3.1 Введение .............................................................50
3.2 Солнечный спектр..................................................... 51

_J\_ Оглавление

3.3 Радиационный баланс и температура земной поверхности .......... 55
3.4  Глобальное потепление и радиационное усиление ................ 57
3.5  Эффекты обратной связи.........................................59
3.6  Роль диоксида углерода.........................................62
3.7  Изменения климата..............................................64
3.8  Последствия глобального изменения климата .....................66
3.9 Международная политика по ограничению глобальных изменений климата: Рио-де-Жанейро и Киото ....................................69
3.10 Задачи ........................................................72
    Ссылки..........................................................73
Глава 4. Ультрафиолетовое излучение Солнца и жизнь .................74
4.1 Спектр ультрафиолетового излучения Солнца ..................... 74
4.2 Озоновый фильтр ................................................75
    4.2.1 Механизм Чэпмана .........................................75
    4.2.2 Константы скорости реакций................................77
4.3 Истощение озонового слоя ...................................... 79
    4.3.1 Уменьшение толщины озонового слоя и «озоновые дыры» ......79
    4.3.2 Цикл хлора .............................................. 80
    4.3.3 Разрушение озонового слоя в реакциях с NOₓ и HOₓ........... 82
    4.3.4 Озоновая дыра над Антарктикой ........................... 84
4.4 Биологическое действие ультрафиолетового излучения ............ 86
    4.4.1 Спектры действия и вред ................................. 86
    4.4.2 Поглощение молекулами ДНК и белками...................... 87
4.5  Озон в тропосфере..............................................88
4.6  Монреальский протокол ........................................ 88
4.7  Задачи ........................................................89
    Ссылки..........................................................90
Глава 5. Передача тепла ............................................91
5.1 Режимы теплопередачи............................................91
5.2 Диффузия тепла: Тепловой баланс.................................93
5.3 Примеры теплопроводности........................................94
    5.3.1 Двойное остекление........................................94
    5.3.2 Периодическое изменение температуры: годовой цикл ........95
    5.3.3 Температура контакта .................................... 96
5.4 Задачи .........................................................98
Глава 6. Выработка энергии из ископаемых видов топлива ........... 100
6.1 Введение ..................................................... 100
6.2 Термодинамический обзор ...................................... 101
    6.2.1 Первое начало термодинамики ............................ 101
    6.2.2 Второе начало термодинамики............................. 104

Оглавление _/l_5

    6.2.3 Тепловой двигатель....................................... 105
    6.2.4 Паровой энергетический цикл ............................. 107
    6.2.5 Цикл Карно .............................................. 110
6.3  Парогенерирующие электростанции: цикл Ранкина ................ 111
6.4  Газотурбинные системы генерации: цикл Джоуля ................. 113
6.5 Электростанции комбинированного цикла ......................... 117
6.6 Распределение электроэнергии .................................. 118
6.7 Ограничение выбросов диоксида углерода ........................ 119
6.8  Выводы. Перспективы электростанций на основе сжигания ископаемого топлива ................................................ 121
6.9 Задачи ........................................................ 123
Глава 7. Ядерная энергетика ....................................... 125
7.1 Энергия ядра: Эквивалентность энергии и массы ................. 125
7.2 Ядерная энергия ............................................... 128
7.3 Нейтронная динамика ........................................... 129
    7.3.1 Нейтронное сечение ...................................... 129
    7.3.2 Рассеяние нейтронов ..................................... 132
7.4 Физика реактора................................................ 136
    7.4.1 Ядерная цепная реакция................................... 136
    7.4.2 Диффузия и утечка тепловых нейтронов .................... 138
    7.4.3 Диффузия и утечка быстрых нейтронов ..................... 140
    7.4.4 Критическое уравнение ................................... 143
    7.4.5 Кинетика реактора........................................ 146
7.5 Реакторные системы ............................................ 147
    7.5.1 Ограничения на материалы ................................ 147
    7.5.2 Магноксовый реактор с газовым охлаждением ............... 148
    7.5.3 Улучшенный реактор с газовым охлаждением ................ 150
    7.5.4 Водо-водяной энергетический реактор ..................... 152
    7.5.5 Кипящийводо-водяной реактор.............................. 153
    7.5.6 РБМК .....................................................154
    7.5.7 Улучшенный реактор на лёгкой воде ....................... 154
7.6 Безопасность ядерной энергии................................... 155
7.7 Ядерные отходы................................................. 158
7.8 Задачи ........................................................ 159
    Ссылки......................................................... 160
Глава 8. Возобновляемые источники энергии ......................... 161
8.1 Введение ...................................................... 161
8.2 Солнечные батареи ............................................. 162
    8.2.1 Фотоэлектрический эффект в полупроводниках .............. 162
    8.2.2 Эксплуатационные характеристики солнечных элементов ..... 167
    8.2.3 Типы солнечных батарей .................................. 170

J\_ Оглавление

         8.2.3.1 Кремниевые солнечные батареи ........................... 170
         8.2.3.2 Тонкоплёночные солнечные элементы ...................... 173
         8.2.3.3 Эффективность использования солнечной энергии .......... 175
8.3 Тепловая солнечная энергетика ....................................... 176
    8.3.1 Солнечные коллекторы .......................................... 176
    8.3.2 Выработка электроэнергии с использованием солнечного тепла .... 178
8.4 Энергия ветра ....................................................... 180
    8.4.1 Принципы ветровой энергетики .................................. 180
    8.4.2 Характеристические критерии: предел Бетца ..................... 182
    8.4.3 Вертикальная зависимость скорости ветра........................ 184
8.5 Энергия биомассы..................................................... 186
    8.5.1 Фотосинтез..................................................... 186
    8.5.2 Электрогенерация с использованием биомассы .................... 188
8.6 Гидроэлектроэнергетика............................................... 189
    8.6.1 Крупномасштабная гидроэлектроэнергетика........................ 189
    8.6.2 Гидроэлектрогенерация.......................................... 190
    8.6.3 Мелкомасштабная гидроэлектроэнергетика и микрогидроэлектростанции ..................................... 192
8.7 Подземные тепловые насосы............................................ 193
8.8 Геотермальная энергия ............................................... 195
8.9 Задачи .............................................................. 197
    Ссылки............................................................... 198
Глава 9. Транспортные средства........................................... 199
9.1 Введение ............................................................ 199
9.2 Паровой транспорт.................................................... 200
9.3 Двигатель внутреннего сгорания ...................................... 203
    9.3.1 Бензиновый двигатель Отто ..................................... 203
    9.3.2 Двигатель Дизеля .............................................. 206
    9.3.3 Выхлоп и каталитические нейтрализаторы ........................ 208
    9.3.4 Альтернативные углеводородные топлива.......................... 210
9.4 Транспортные средства на водороде ....................................210
    9.4.1 Водородная энергетика...........................................210
    9.4.2 Водородные топливные элементы ................................. 212
    9.4.3 Электрические характеристики водородных топливных элементов ... 213
    9.4.4 Типы топливных элементов ...................................... 215
    9.4.5 Производство водорода ..........................................217
    9.4.6 Системы хранения водорода на транспортных средствах ........... 219
9.5 Электрические транспортные средства ................................. 221
    9.5.1 Принцип действия электрического двигателя...................... 221
    9.5.2 Электрические двигатели на постоянном токе..................... 225
    9.5.3 Электрические двигатели на переменном токе: асинхронная машина .227
9.6 Задачи ...............................................................228

Оглавление _/l_7

    Ссылки......................................................... 229
Глава 10. Перенос и рассеяние загрязняющих веществ в окружающей среде .................................................230
10.1 Введение ......................................................230
10.2 Физика переноса: диффузия и адвекция...........................231
10.3 Общие примеры ................................................ 234
    10.3.1 Мгновенный точечный источник в неподвижной среде ........234
    10.3.2 Непрерывно действующий точечный источник................ 235
    10.3.3 Непрерывно действующий точечный источник в потоке ...... 236
10.4 Рассеяние в турбулентных потоках ............................. 237
10.5 Выбросы дыма из труб ......................................... 242
10.6 Грунтовые воды ............................................... 244
    10.6.1 Уравнение Дарси ........................................ 244
    10.6.2 Неограниченные водоносные слои: приближение Дюпюи ...... 246
    10.6.3 Колодцы в неограниченных водоносных слоях............... 249
    10.6.4 Колодцы в ограниченных водоносных слоях ................ 250
    10.6.5 Эквипотенциальные и потоковые линии .................... 251
10.7 Задачи ........................................................254
    Ссылки......................................................... 255
Глава 11. Природопользование .......................................256
11.1 Введение ......................................................256
11.2 Технические решения и общественное восприятие ................ 257
11.3 Энергоресурсы будущего ........................................258
11.4 Проблема загрязнения ..........................................260
11.5 Неопределённость и риск ...................................... 261
11.6 Альтернативы и управление..................................... 263
Ссылки............................................................. 264
Дополнение. Сильные техногенные воздействия на земную кору .........265
Д.1 Геодинамика земной коры........................................ 265
Д.2 Прогиб земной коры от веса крупных водохранилищ ............... 268
Д.3 Явления возбужденной сейсмичности при наполнении крупных водохранилищ .................................................. 275
Д.4 Геодинамика земной коры и добыча углеводородов ................ 279
Д.5. Перемещения земной поверхности при добыче углеводородов ...... 281
Д.6 Явления возбужденной сейсмичности при добыче углеводородов .... 284
    Литература .................................................... 286

        ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА












          Представляемая вниманию читателя книга написана одним из ведущих специалистов в области физики окружающей среды профессором Даремского университета, Великобритания, Э. Бринкманом. Наверное, наиболее волнующая тема, связанная с окружающей средой, — это глобальное потепление. Великобритания, по оценкам исследователей, пострадает от глобального потепления гораздо больше других развитых стран. А графство Дарем, может быть, как ни одно другое графство Англии, уже пострадало от деятельности человека за последние столетия, прежде всего от далеко не самой совершенной разработки залежей каменного угля. Поэтому, как мне представляется, опыт британского автора заслуживает особого внимания, ведь проблемы, о которых он пишет, близки ему, и работе над ними он посвящает всю свою жизнь.
   Книга написана на основе курса лекций профессора Бринкмана, читаемых в Даремском университете, поэтому послужит отличным учебным пособием для тех, кто специализируется в области физики и химии окружающей среды и экологии. Книга рассчитана на читателя, обладающего определённой общефизической подготовкой. Для неё характерно тщательное изложение представляемых автором физических моделей, поэтому потребует от читателя владения хотя бы начальными навыками дифференцирования и интегрирования. Автор прекрасно излагает современные представления о физических закономерностях, которым подчиняется окружающая нас среда, а также физические основы технологических и промышленных процессов. Поэтому она будет, без сомнения, полезна и инженерам, и технологам, и тем, кто занимается прикладной физикой.
   В главах, посвящённых понятиям климата с точки зрения физики, показана взаимосвязь перемещений воздушных масс, океанских течений с тем, как мы воспринимаем окружающую среду через погодные явления. Кроме того, подробно рассмотрены физико-химические свойства атмосферы — роль озонового слоя в защите поверхности Земли от жёсткого уль

Предисловие переводчика JU 9

трафиолетового излучения и значение парниковых газов, как для жизни, так и с точки зрения глобального потепления. Разумеется, книга по физике окружающей среды не может обойтись без анализа использования человеком природных ресурсов. Несколько глав посвящены физическим основам выработки энергии с помощью традиционных источников энергии (ископаемого топлива), энергии ядра и так называемых возобновляемых источников энергии. Также рассмотрены вопросы передачи энергии, прежде всего, тепла и электричества. Наибольшие опасения, связанные с окружающей средой, вызывает транспорт. В самом деле, в отличие от крупных электростанций, которые можно оптимизировать так, чтобы максимально эффективно вырабатывать энергию, почти все транспортные средства по-прежнему приводятся в действие от энергии, получаемой далеко не самым эффективным образом и из ископаемых видов топлива. Да и вряд ли это возможно: добиться эффективного сжигания топлива в масштабах, характерных для современных транспортных средств, развитие которых, к тому же, нацелено на то, чтобы они стали как можно более личными, а значит ещё более миниатюрными. К сожалению, в настоящее время альтернатив бензиновым и дизельным двигателям, не говоря уже о реактивной тяге самолётов, немного. Тем не менее, автор приводит физические основы электрических двигателей, а также топливных элементов, которые могли бы стать источником энергии для электрических двигателей на транспорте. С топливными же элементами связана водородная энергетика — способы эффективного получения водорода (главным образом из воды) с помощью альтернативных источников энергии. В конце книги приводятся физические основы некоторых вопросов, связанных с загрязнением окружающей среды в результате деятельности человечества. В предпоследней главе представлены простейшие модели диффузии и адвекции. Эти модели должны помочь читателю получить представление о том, как происходит рассеяние загрязняющих веществ в атмосфере и воде, а также о движении подземных грунтовых вод. Книга заканчивается рассуждениями автора о будущих вызовах, связанных с изменением окружающей среды, и о том, как человечество должно подходить к ответам на них.
   Издание на русском языке сопровождается дополнением известного российского специалиста профессора В.В. Тетельмина. Оно посвящено техногенному влиянию на земную кору, включаяпрогиб коры под весом крупных водохранилищ, возбуждение сейсмичности при наполнении крупных водохранилищ, перемещение земной коры и сейсмичность в процессе добычи углеводородов.
   Более искушенный читатель (здесь я имею в виду,что представляемую мной книгу будут читать не только те, кто впервые знакомится с физическими основами экологии, но и те, кто уже в той или иной степени

JU Предисловие переводчика

профессионально занимается этим комплексом дисциплин) без труда заметит, что автор тщательно обходит все сколько-нибудь спорные вопросы, ответы на которые пока ещё не утвердились в академической среде. С одной стороны, это позволяет автору чувствовать себя комфортно, насколько это вообще возможно, занимаясь написанием книг, но с другой — создаёт ложное впечатление завершённости и некоторой даже окаменелости науки об окружающей нас среде. Разумеется, вопросов о Земле, её атмосфере, геосфере и биосфере гораздо больше, чем ответов, которые можно найти в этой книге. Её следует рассматривать лишь как фундамент, как отправную точку для ваших будущих исследований, споров и поиска решения проблем, вызывающих опасения мирового сообщества.
   В качестве примера рассмотрю лишь проблему так называемого глобального потепления. Даже если принять, что рост «средней температуры поверхности Земли» существует, вокруг этого нагромождается масса недоразумений, а ключевые вопросы остаются невыясненными. Более того, многими из них практически никто не интересуется. Выражаясь по-простому, заметают мусор под ковер. Прежде всего, надо договориться, что изменение температуры является следствием глобального взаимодействия мирового океана и атмосферы, а не человечества с атмосферой и мировым океаном.
   Итак, те, кто утверждает о существовании прямой корреляции между концентрацией CO₂ и температурой на Земле, основываются на недавних исследованиях льдов, полученных глубоким бурением шельфов в Антарктиде и Гренландии. Анализ этих льдов [1,2] позволил достаточно точно и достоверно датировать слои льда, а также получить данные о температуре Земли и содержании газов в атмосфере соответствующего времени. На основе этого анализа были получены графики, показывающие, как менялась температура и концентрация основных парниковых газов на протяжении последних 800 000 лет. Я позволю себе поместить эти графики здесь, взяв их из работы [3].
   На этих графиках невооружённым глазом отчётливо видна корреляция между температурой и концентрацией CO₂, CH₄. Обратите внимание на то, что время на графиках идёт справа налево. Если всё-таки вооружиться хотя бы простейшими инструментами статистического анализа, что было блестяще проделано профессором А.В. Бялко в его работе [3], то обнаружится интересная особенность. Как известно, в климате Земли происходит чередование периодов потепления с периодами похолодания. Анализ, выполненный в [3] показывает, что в указанный период геологической истории Земли происходил сначала подъём температуры, а лишь спустя небольшое (по геологическим меркам) время повышался уровень CO₂. Т.е. во все периоды