6.2. Тепловий вплив об'єктів енергетики на навколишнє середовище

Тепловий вплив об'єктів енергетики, який виявляється в порушенні теп­лової рівноваги навколишнього середовища, може бути прямим і непрямим.

Прямий тепловий вплив визначається тепловими викидами в біосферу, його рівень залежить від об'ємів спалених паливно-енергетичних ресурсів.

Практично вся хімічна енергія спалюваного органічного палива пере­творюється на теплову, причому частина цієї енергії викидається в концен­трованому вигляді в навколишнє середовище на самому енергетичному об'єкті: з димовими газами, охолоджувальною водою, частково із золою та шлаком. Решта розсіюється на різних стадіях виробництва, передачі та споживання електричної або теплової енергії, які вироблює енергооб'єкт.

Основне природне джерело теплової енергії - со­нячна енергія - становить 2,4-10^б ЕДж/рік. Отже, розмір антропогенного теплового забрудненя не перевищує 0,04 % від кількості сонячної енергії, що надходить до поверхні Землі.

Це означає, що прямі теплові викиди енергетичних об'єктів не мо­жуть вплинути на тепловий баланс у глобальних масштабах. Однак вони можуть змінити локальний тепловий баланс в атмосфері і гідросфері, що є причиною зміни мікроклімату в місцях високої концентрації енергови-робництва та енергоспоживання. Відомий феномен перевищення темпе­ратури повітря у великих містах порівняно із сільською місцевістю на 2...З °С. Він пов'язаний з утворенням областей з підвищеним локальним викидом теплової енергії в атмосферу - так званих «островів теплоти» (рис. 6.3). Такі «острови теплоти» нестійкі в часі через вплив вітру та ін­ших атмосферних факторів.

Рис. 6.3. Утворення циркуляції атмосферного повітря в районі «острова теплоти»

Наприкінці XX ст. на Землі сформувалася велика кількість регіонів із питомим тепловиділенням в діапазоні 10-100 Вт/м² площею 10⁴-10⁵ км², а також окремі регіони з питомим тепловиділенням до 200 Вт/м² площею близько 100 км . Основний результат теплового впливу в цих регіонах полягає в утворенні стійкого (майже стаціонарного) просторового «купо­ла» повітря з вищою температурою - на 1...4 °С вище рівноважної природ­ної температури.

Будь-яке місцеве джерело теплоти достатньої інтенсивності сприяє утворенню термічної циркуляції, яка чітко виявляється, якщо немає вітру. Цей ефект спостерігають на висотах до декількох сотень метрів. У круг­лого «острова теплоти» діаметром 10 км при швидкості вітру близько 1 м/с вертикальна швидкість течій, що виникають у шарі завтовшки до 500 м, досягає 10 м/с.

Вплив «острова теплоти» на інші атмосферні процеси різноманітний. Існує прямий зв'язок «островів теплоти» з утворенням туманів, збіль­шенням атмосферних опадів.

У реальних умовах вплив теплових викидів на окремі водойми, озера або ділянки рік може виявлятися по-різному залежно від біологічної, гід рологічної та фізико-хімічної обстановки в цій водоймі, від діапазону, швидкості і частоти зміни температур і їх зв'язку з природними циклами.

Основним фактором теплового впливу на ріки або водойми є підви­щення температури води в місці скидання нагрітої води, що зумовлює підвищення середньої температури поверхні водоймища.

Зазначене вище однаковою мірою можна віднести і до теплових впливів на літосферу, хоча кількісних даних про неї на сьогодні немає. Можна тільки відзначити, що різноманітні зміни ландшафту (споруджен­ня площадок для золошлаковідвалів, вирубка лісів, асфальтування доріг та ін.) впливають на тепловий режим літосфери в результаті зміни її теп­лового балансу.

Істотнішим фактором теплового забруднення навколишнього середо­вища є непрямі впливи - дія парникових газів, підвищення концентрацій яких в атмосфері спричиняє «парниковий ефект».

Образним поняттям «парниковий ефект» позначають цілком конкрет­не явище. Земна атмосфера одержує визначену кількість сонячного ви­промінювання (ультрафіолетові промені). Не менше 30 % цього випромі­нювання відразу відбивається в космічний простір хмарами, атмосфер­ним пилом, молекулами повітря і подекуди поверхнею Землі (ділянки, покриті снігом і льодом). Цей процес характеризують поняттям «альбе­до» (лат. albedo - білизна) - число, що показує, яку частину сонячного світла відбиває певна поверхня.

Решту сонячного випромінювання поглинає поверхня океанів і ма­териків і меншою мірою водяна пара, аерозолі, озон і хмари. Погли­нена ними енергія випромінюється назад у космос у вигляді інфра­червоного випромінювання. При цьому частину радіації, яка виходить від поверхні Землі (в інфрачервоній області спектра випромінювання), на зворотному шляху в космос поглинають хмари і триатомні гази, які містяться в атмосфері (СО₂ , SO₂, NO₂, O₃ та ін.), що характеризуються селективною поглинальною спроможністю саме в інфрачервоній об­ласті випромінювання.

Повторне поглинання інфрачервоного випромінювання (реабсорбція) і зумовлює парниковий ефект. Триатомні гази, що називають «парнико­вими газами», генерують потік інфрачервоної енергії, частина якої повер­тається до поверхні Землі, а потім знову відбивається в атмосферу і т. д.

Температура, яка утримується біля поверхні Землі, визначається кіль­кістю інфрачервоної енергії, яка утвориться вищеописаним способом. Відповідно до існуючих оцінок, природний парниковий ефект зумовлює приріст температури Землі на 30 °С. Це значить, що якби не природний парниковий ефект, середня температура складала б не плюс 15 °С, а мі­нус 15 °С. І навпаки, якщо об'єм одного з компонентів атмосфери, які спричиняють повернення інфрачервоної енергії, збільшиться, то має зро­сти дія парникового ефекту і може зрости температура земної поверхні.

Основним газом, який зумовлює парниковий ефект, вважають вугле­кислоту СО₂. Це пов'язано з тим, що її концентрація в атмосфері в ре­зультаті все ширшого використання органічного палива безупинно зрос­тає з середнім приростом -1 млн"¹ на рік. Якщо з початку спостережень (1800 р.) вміст вуглекислого газу становив 280 млн"¹, то, за оцінками фа­хівців, на початку XXI ст. концентрація СО₂ в атмосфері наблизилась до рівня -400 млн"¹, що має підвищити середню температуру на 1 °С, при­чому значно більше в полярних областях.

Вважають, що до 2030 р. вміст вуглекислого газу порівняно з почат­ком промислової ери подвоїться. Це може привести до підвищення се­редньої температури Землі на 2...З °С у помірних широтах і до 10 °С на полюсах.

У результаті такого потепління і пов'язаного з ним танення криги може підвищитися (на 5...6 м і більше) рівень Світового океану і його во­ди поглинуть величезні території суші. При цьому буде порушено режим дощів (кількість опадів у помірних і холодних кліматичних зонах різко збільшиться). Докорінно зміниться аграрна карта світу, порушиться хар­човий ланцюг і т. ін.

Аналізуючи «парникову модель», варто враховувати складніший ме­ханізм становлення кліматичних умов нашої планети та визначальну роль Сонця - джерела практично всієї теплової енергії Землі. У різні періоди часу Земля одержує від Сонця різну кількість енергії, зумовлену трьома циклами тривалістю у 20, 40 і 100 тисяч років. До цих глобальних циклів варто додати локальні: одинадцяти- і двадцятидворічні цикли. Установ­лено, що період потепління буває найбільшим на другому році після піку сонячної активності.

Поряд з парниковим ефектом, який може викликати потепління клі­мату Землі, можливий і альтернативний йому ефект, пов'язаний з пору­шенням теплового балансу атмосфери Землі в бік зниження температури. Цей ефект можливий, якщо дрібні тверді частинки у вигляді незгорілого вуглецю, частинок сажі потрапляють до верхніх шарів атмосфери, що знаходяться за тропопаузою, де немає помітного переміщення мас повіт­ря. Тоді дрібні тверді частинки в результаті їх нагромадження утворюють шар зі зниженою оптичною прозорістю. Цей шар виконує функції своєрід­ного екрана, від якого відбивається частина променистої енергії Сонця, у результаті чого в нижчих шарах атмосфери створюються умови, які зни­жують середньорічну температуру.

Є припущення, що виникнення цього екранного шару багато в чому визначається висотою димових труб, які можуть досягати 300 м. Тому енергетики свого часу відмовилися від проектування і будівництва над­високих димових труб (до 1 км).