Оглавление

Глава 1.
Вступление

1.1 Введение
1.2 Научный метод
1.3 Содержание

Глава 2.
Структура и динамика атмосферы

2.1 Введение
2.2 Структура и состав атмосферы
   2.2.1 Крупномасштабная вертикальная структура атмосферы
   2.2.2 Состав атмосферы
   2.3 Вертикальное перемещение воздушных масс
   2.3.1 Гидростатическое уравнение и вертикальный градиент температуры
   2.3.2 Вертикальный градиент температуры насыщенного воздуха и вертикальная стабильность
   2.3.3 Образование облаков и осадки
2.4 Горизонтальное перемещение воздушных масс
   2.4.1 Общий характер циркуляции воздуха
   2.4.2 Движущие силы горизонтальных потоков
   2.4.3 Геострофические потоки
   2.4.4 Вертикальное смещение ветра
   2.4.5 Горизонтальное смещение ветра – погодные фронты
   2.4.6 Тропические циклоны – ураганы
2.5 Выводы
2.6 Задачи

Глава 3.
Глобальный климат

3.1 Введение
3.2 Солнечный спектр
3.3 Излучательный баланс и температура земной поверхности
3.4 Глобальное потепление и радиационное усиление
3.5 Эффекты обратной связи
3.6 Роль диоксида углерода
3.7 Изменения климата
3.8 Результаты глобального изменения климата
3.9 Международная политика глобального изменения климата: Рио-де-Жанейро и Киото
3.10 Задачи

Глава 4.
Ультрафиолетовое излучение Солнца и жизнь

4.1 Спектр ультрафиолетового излучения Солнца
4.2 Озоновый фильтр
   4.2.1 Схема Чапмена
   4.2.2 Константы скорости реакций
4.3 Истощение озонового слоя
   4.3.1 Утончение озонового слоя и «озоновые дыры»
   4.3.2 Круговорот хлора
   4.3.3 Разрушение озона в реакциях с NOx и HOx.
   4.3.4 Озоновая дыра над Антарктикой
4.4 Биологическое значение ультрафиолетового излучения
   4.4.1 Спектры действия и вред
   4.4.2 Поглощение ДНК и белками
4.5 Озон в тропосфере
4.6 Монреальский протокол
4.7 Задачи

Глава 5.
Передача тепла

5.1 Режимы теплопередачи
5.2 Диффузия тепла: Тепловое уравнение
5.3 Примеры теплопроводности
   5.3.1 Двойное остекление
   5.3.2 Периодическое изменение температуры: годовой цикл
   5.3.3 Контактная температура
5.4 Задачи

Глава 6.
Генерация энергии из ископаемого топлива

6.1 Введение
6.2 Термодинамический обзор
   6.2.1 Первое начало термодинамики
   6.2.2 Второе начало термодинамики
   6.2.3 Тепловой двигатель
   6.2.4 Паровой энергетический цикл
   6.2.5 Цикл Карно
6.3 Парогенерирующие электростанции: цикл Ранкина
6.4 Газотурбинные системы генерации: цикл Джоуля
6.5 Электростанции комбинированного цикла
6.6 Распределение электроэнергии
6.7 Ограничение выбросов диоксида углерода
6.8 Перспективы электростанций на основе сжигания ископаемого топлива
6.9 Задачи

Глава 7.
Ядерная энергетика

7.1 Энергия ядра: Эквивалентность энергии и массы
7.2 Ядерная энергия
7.3 Нейтронная динамика
   7.3.1 Нейтронное сечение
   7.3.2 Рассеяние нейтронов
7.4 Физика реактора
   7.4.1 Ядерная цепная реакция
   7.4.2 Диффузия тепловых нейтронов и утечка
   7.4.3 Диффузия быстрых нейтронов и утечка
   7.4.4 Критическое уравнение
   7.4.5 Кинетика реактора
7.5 Реакторные системы
   7.5.1 Ограничения на материалы
   7.5.2 Магноксовый реактор с газовым охлаждением
   7.5.3 Улучшенный реактор с газовым охлаждением
   7.5.4 Водо-водяной энергетический реактор
   7.5.5 Кипящий реактор
   7.5.6 РБМК
   7.5.7 Улучшенный реактор на лёгкой воде
7.6 Безопасность ядерной энергии
7.7 Ядерные отходы
7.8 Задачи

Глава 8.
Возобновляемые источники энергии

8.1 Введение
8.2 Солнечные батареи
   8.2.1 Фотоэлектрический эффект
   8.2.2 Эксплуатационные характеристики солнечных батарей
   8.2.3 Типы солнечных батарей
      8.2.3.1 Кремниевые солнечные батареи
      8.2.3.2 Тонкоплёночные солнечные батареи
      8.2.3.3 Эффективность использования солнечной энергии
8.3 Тепловая солнечная энергетика
   8.3.1 Солнечные коллекторы
   8.3.2 Электрогенерация с использованием солнечного тепла
8.4 Энергия ветра
   8.4.1 Принципы ветровой энергетики
   8.4.2 Характеристические критерии: предел Бетца
   8.4.3 Вертикальная зависимость скорости ветра
8.5 Энергия биомассы
   8.5.1 Фотосинтез
   8.5.2 Электрогенерация с использованием биомассы
8.6 Гидроэлектроэнергетика
   8.6.1 Крупномасштабная гидроэлектроэнергетика
   8.6.2 Гидроэлектрогенерация
   8.6.3 Мелкомасштабная гидроэлктроэнергетика и микрогидроэлектростанции
8.7 Подземные тепловые насосы
8.8 Геотермальная энергия
8.9 Задачи

Глава 9.
Транспортные средства

9.1 Введение
9.2 Паровой транспорт
9.3 Двигатель внутреннего сгорания
   9.3.1 Бензиновый двигатель Отто
   9.3.2 Двигатель Дизеля
   9.3.3 Выхлоп и каталитические преобразователи
   9.3.4 Альтернативные углеводородные топлива
9.4 Транспортные средства на водороде
   9.4.1 Водородная экономия
   9.4.2 Водородные топливные элементы
   9.4.3 Электрические характеристики водородных топливных элементов
   9.4.4 Типы топливных элементов
   9.4.5 Производство водорода
   9.4.6 Бортовые топливные элементы
9.5 Электрические транспортные средства
   9.5.1 Принцип действия электрического двигателя
   9.5.2 Электрические двигатели на постоянном токе
   9.5.3 Электрические двигатели на переменном токе: индукционные двигатели
9.6 Задачи

Глава 10.
Перенос и рассеяние в окружающей среде

10.1 Введение
10.2 Физика переноса: диффузия и адвекция
10.3 Общие примеры
     10.3.1 Мгновенный точечный источник в стационарной среде
     10.3.2 Непрерывный точечный источник
     10.3.3 Непрерывный точечный источник в потоке
10.4 Рассеяние в турбулентных потоках
10.5 Выбросы дыма из труб
10.6 Грунтовые воды
     10.6.1 Уравнение Дарси
     10.6.2 Неограниченные водоносные пласты: приближение Дюпюи
     10.6.3 Колодцы в неограниченных водоносных пластах
     10.6.4 Колодцы в ограниченных водоносных пластах
     10.6.5 Эквипотенциальные и потоковые линии
10.7 Задачи

Глава 11.
Природопользование

11.1 Введение
11.2 Технические решения и общественное восприятие
11.3 Энергоресурсы будущего
11.4 Проблема загрязнения
11.5 Неопределённость и риск
11.6 Альтернативы и использование

Предисловие

ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА

    Представляемая вниманию читателя книга, написана одним из ведущих специалистов в области физики окружающей среды профессором Даремского университета, Великобритания, А.У. 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 опыта чтения профессором Бринкманом курса лекций 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 ультрафиолетового 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 описания вопросов пользования человеком природными ресурсами. 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 от энергии, получаемой далеко не самым эффективным образом и из ископаемых видов топлива. Да и вряд ли это возможно: добиться эффективного сжигания топлива на масштабах, характерных для современных транспортных средств, развитие которых, к тому же, нацелено на то, чтобы стать 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 дополняется 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, включая прогиб 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 лишь только то, что представляемую мной книгу будут читать не только те, кто впервые знакомится с физикой окружающей среды, но и те, кто уже в той или иной степени 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 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 и атмосферы.

    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 лёд, а также получить данные о температуре Земли, содержании газов в атмосфере соответствующего времени. На основе этого анализа были получены графики, показывающие то, 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 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 подъём температуры происходил сначала, а лишь спустя небольшое (по геологическим меркам) время повышался уровень CO2. Т.е. во все периоды потепления сначала по тем или иным причинам поднималась температура, и только спустя несколько сотен лет рос уровень содержания углекислого газа.  Это прямо противоречит исходным соображениям сторонников гипотезы «глобального потепления вследствие антропогенного увеличения содержания парниковых газов». Поэтому, как мне кажется, надо не убеждать мировое сообщество в том, что в настоящее время уровень CO2 в атмосфере беспрецедентно высок (в настоящее время регистрируется значение 400 миллионных долей) и апеллировать к прецедентам из геологической истории Земли (как видно на рис. 1, концентрация CO2 в последние 800 тыс. лет не превышала 300 миллионных долей), а заняться вопросом: что произойдёт в том случае, когда концентрация углекислого газа растёт быстро и, что самое главное, раньше, чем произошел подъём температуры атмосферы?

    Существует, хотя и довольно спорное, но всё же мнение о том, что глобальное потепление, как ему и положено в соответствии с климатическими циклами Земли, началось около 300 лет назад, а современный уровень углекислого газа в атмосфере есть не что иное, как отклик на это мирового океана [4]. По крайней мере, эта точка зрения (будучи изложенной раньше, чем был проведен анализ глубокого бурения льдов) не противоречит отставанию роста концентрации CO2 от роста температуры, обнаруженного А.В. Бялко в результате анализа [1,2].

    Вторая проблема, которая является предметом наиболее сильных спекуляций, в том числе на политическом уровне. Какова роль антропогенного фактора в подъёме концентрации CO2 в атмосфере? Дело в том, что решения, принимаемые на уровне государств и международных организаций, неявно исходят из следующего ответа на него: роль человечества в повышении уровня углекислого газа в атмосфере решающая. Кажется, что изъятие из земных недр угля и углеводородов с последующим их сжиганием должно влиять на круговорот углерода в природе так, чтобы в атмосфере повышалось содержание CO2. И это заставляет большинство не сомневаться в необходимости мер по «ограничению выбросов парниковых газов». Но сколько-нибудь значимых оценок вклада человека в глобальный процесс повышения концентрации углекислого газа в атмосфере, насколько мне известно, не производилось. Тем не менее, в работе [4] приведены следующие оценочные значения: содержание углерода в атмосфере — 750 Гт, в поверхностных слоях океана — 1000 Гт, в биоте, включая почвы и детрит, — около 2 200 Гт. Опираясь на эти цифры, можно несколько засомневаться в том, что антропогенный вклад, примерно 5,5 Гт углерода в год, может иметь столь выдающееся влияние на концентрацию CO2 в атмосфере, при наличии огромного числа обратных связей. Здесь стоит повторить, что, независимо от удельного веса этого антропогенного вклада, до сих пор не создано расчётных моделей связи содержания СО2 со средней температурой поверхности планеты.

    Разумеется, от бездумного сжигания ископаемых видов топлива, характерного для индустриального периода, т.е. последних двух столетий, необходимо отказываться. Человечеству необходимо бережно относиться к тому, чем наделила нас Земля. Более того, альтернативные (ископаемому топливу) источники энергии — это, наверное, единственный ответ на постоянно маячащий перед нами дефицит энергии. Однако к разумному и эффективному использованию традиционных энергоносителей: угля, нефти и газа, а также к использованию альтернативных источников (солнечной, ветровой, приливной, и т.д. энергетике, биогазу и биотопливу) следует относиться не как к ограничению неких «выбросов углекислоты», а как рачительным хозяевам (коль скоро мы хотим ими быть на нашей планете) к своему добру. Такое же отношение нужно проявлять и к другим нашим ресурсам, и к другим полезным ископаемым, не только к углю, нефти и газу.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Lilthi D. et al. High-Resolution Carbon Dioxide Concentration Record 650.000–800.000 Years Before Present // Nature. 2008. V.453. P.379–382.

2. Loulergue L. et al. Orbital and Millennial-Scale Features of Atmospheric CH4 Over the Past 800.000 Years // Nature. 2008. V.453. P.383–386.

3. Бялко А.В. Палеоклимат: дополнения к теории Миланковича // Природа. 2009. №12.

4. В.В. Алексеев, С.В. Киселева, Н.И. Чернова, Рост концентрации СО2 в атмосфере — всеобщее благо? // Природа. 1999. №9.