Гипотезы, дискуссии, предложения Экран для предотвращения перегрева Земли и планет В. ЛУКЬЯНОВ, кандидат физико-математических наук, МГУ, Физический факультет |
Рост энергопотребления, особенно сжигание топлива, привел к некоторому повышению средней глобальной температуры. Загрязнение земной поверхности промышленными отходами уменьшает ее способность отражать солнечный свет (альбедо) и также ведет к росту температуры. Существуют разные мнения о последствиях потепления. Некоторые ученые считают его даже желательным. Однако большинство видит в нем серьезную угрозу. Поэтому обсудим худшее.
По мнению члена-корреспондента АН СССР М. И. Будыко, повышение средней глобальной температуры лишь на 0,1° (это близко к наблюдаемому!) может иметь негативные последствия. Увеличение средней глобальной температуры на 1° может привести к значительному изменению движения воздушных масс и влагообмена и иметь весьма серьезные хозяйственные и социальные последствия. Нельзя смешивать глобальные изменения температуры с местными погодными температурными колебаниями. Выяснилось, что даже небольшое глобальное потепление может привести к явлениям, которые многократно усилят этот эффект. Так, например, некоторые ученые обращают внимание на увеличение количества метана в атмосфере над тундрой Канады и Сибири и сокращение зоны вечной мерзлоты. Они считают, что если тундра будет продолжать нагреваться, то по мере оттаивания замерзших болот из них будет выделяться огромное количество метана, скованного сейчас вечной мерзлотой. Это приведет к увеличению «парникового эффекта» и еще большему потеплению. В итоге может еще больше усилиться таяние снегов в Заполярье, что приведет к дальнейшему увеличению выделения метана и к существенному уменьшению альбедо, а в конечном счете к катастрофическому потеплению всей биосферы, испепеляющему все живое. Это лишь один пример возможного механизма нарастания катастрофического потепления. Появление нефтяной пленки на поверхности океана уменьшит испарение. Уменьшение облачности может привести к уменьшению альбедо. Непредсказуемым образом могут повлиять такие изменение количества микроводорослей в океане, вызванное примесями в сточных водах, лесные пожары и т. д. Возможно, что в природе существуют и «обратные» механизмы. Тогда все это окажется не так уж страшно, но риск нужно свести к минимуму.
Выход многие видят в применении энергосберегающих технологий и борьбе с загрязнением природной среды. Однако возможности экономии энергии ограничены, и человечество все же будет вынуждено наращивать потребление энергии. Оно рано или поздно подойдет к опасной черте, которую можно и не заметить.
| Расположение экрана относительно Солнца и Земли. Маленькое, но массивное тело, находящееся в точке либрации на расстоянии I0=1,49 млн от Земли, под действием притяжения Земли и Солнца движется вокруг Солнца с угловой скоростью Земли. На движение тонкого экрана влияет световое давление, поэтому его нужно располагать дальше |
| Зависимость поверхностной плотности экрана от расстояния до Земли (для зеркального экрана с различными коэффициентами отражения солнечного света) |
Чтобы уменьшить риск и избежать катастрофы, автор предлагает заблаговременно создать в космосе большой экран, слегка закрывающий Солнце. Затеняющий эффект можно быстро изменять от нуля до расчетного значения. Такой экран позволит также исследовать влияние небольших изменений глобальной температуры на природу и управлять погодой.
Полный поток (N) солнечной энергии, падающей на Землю, равен 1,73·108 ГВт. Поглощается около 1,1·108 ГВт. Это в 104 раз больше современного среднего мирового энергопотребления и в 103 раз больше потребления, прогнозируемого на середину XXI века. Точный расчет необходимой затененности по заданной средней абсолютной температуре Т невозможен, т. к. разные участки земной поверхности имеют разные коэффициенты отражения и излучения (нужно учитывать и перенос тепла ветром). Из упрощенной модели получается, что затененность
Значит для уменьшения средней глобальной температуры на 0,1° нужна затененность около 0,001—0,002, а для уменьшения на 5° около 0,05—0,08.
РАСПОЛОЖЕНИЕ ЭКРАНА
Возможны различные варианты размещения экрана. Можно, например, разместить серию небольших экранов на околоземных орбитах. Однако засорение околоземного космоса также нежелательно. Поэтому предлагается поместить экран на большом расстоянии от Земли в «точке светогравитационного равновесия». Она находится между Землей и Солнцем, где сумма центробежной силы, силы светового давления и сил притяжения Земли и Солнца равна нулю. Ее расстояние (I) от Земли зависит от свойств экрана.
При заданной затененности масса экрана будет минимальной, если экран расположить на расстоянии l1 =2,36 млн км от Земли. С уменьшением расстояния при I близких к l1, и заданной затененности масса экрана меняется незначительно, а его поверхностная плотность растет быстро. Поскольку более толстая фольга долговечнее, оптимальным будет некоторое I между I0 и l1, величину которого придется уточнять (ориентировочно 12 =1,2 I0).
Экран можно сделать, например, из никелистого железа, которого много на астероидах. Его плотность 8 т/м3, коэффициент отражения 0,63. В этом случае поверхностная плотность 36,8 т/км2 при l=l1 и 84,2 т/км2 при I=I2. Если фольга составляет половину массы экрана, то ее толщина 2,3 мкм при l = l1, и 5,3 мкм при I = I1.
Маленький экран в точке либрации создает на земной орбите полутень диаметром 1,1 земного диаметра. При больших расстояниях — диаметр тени больше. Большой экран создает тень того же диаметра, но с размытой границей.
| Круглый полупрозрачный экран. В ячейки сетки вставлены непрозрачные «зеркала», изготовленные из пленки, натянутой на каркас. Часть ячеек не содержит зеркал |
Экран в точке светогравитационного равновесия может работать круглосуточно и круглогодично. Он может быть сделан полупрозрачным — шахматная «доска», на которой белые клетки не имеют фольги. В этом случае с Земли экран будет практически не виден. Если рассматривать Солнце через черное стекло, то на небольшом участке солнечного диска можно будет заметить «легкое облачко».
КОНСТРУКЦИЯ, ПРОИЗВОДСТВО И УПРАВЛЕНИЕ.
Экран может быть сплошным или состоящим из несвязанных и отдельно управляемых фрагментов. Форма сплошного экрана круглая или прямоугольная. Она состоит из фрагментов. Каждый фрагмент (размером в сотни метров) состоит из каркаса, собранного из многоступенчатых стержневых ферм и тросов, в который вставлено зеркало. Зеркало из тонкой пленки, натянутой на каркас, способно поворачиваться относительно основного каркаса. При этом световое давление на зеркало будет создавать тягу и может быть использовано для управления ориентацией экрана и его положением в пространстве. Каркасы из многоступенчатых ферм разработаны специалистами, исследовавшими возможность создания космических солнечных электростанций и отражателей для освещения. Их поверхностная плотность 10—20 т/км2. Каждый фрагмент имеет небольшой электромоторчик и управляющую систему для поворота зеркала. Часть фрагментов содержит пленочные солнечные батареи, снабжающие весь экран электроэнергией. Специальные датчики и система управления позволяют исключить возникновение колебаний диска. Натянуть диск можно с помощью светового давления на отдельные зеркала.
Строить экранирующий диск придется из внеземных материалов. Проще всего использовать материал ближайших астероидов или Луны. Состав многих астероидов близок к составу железо-каменных метеоритов, содержащих в среднем 10— 12 % никелистого железа. Размеры этих астероидов 0,2—20 км, плотность 2— 3 т/м3. Астероид диаметром 2 км может содержать около миллиарда тонн железа. Поэтому даже небольшого астероида достаточно для постройки диска. Плавка железа может осуществляться с помощью концентраторов солнечной энергии. Простая технология быстрого изготовления микронной фольги уже разработана. Заметим, что в СССР ежегодно производится свыше 100 млн т проката черных металлов. Для создания (в течение 30— 40 лет) диска, обеспечивающего затененность 0,05, достаточно иметь на астероиде автоматизированный «завод» с производительностью в несколько процентов от современной мировой. Малый диск, позволяющий понизить глобальную температуру на 1°, создать легче. Создавать экран можно постепенно по мере роста энергопотребления, как обычное природоохранное мероприятие.
| Ход лучей и размеры тени |
Современные данные о разрушении пленок микрометеоритами и другими факторами космической среды позволяют надеяться, что железная фольга с начальной толщиной 5 мкм может просуществовать в космосе тысячи, а то и миллионы лет.
Доставлять фрагменты диска с астероида на рабочую орбиту поможет световое давление (придется использовать солнечные паруса, см., например, Земля и Вселенная, 1991, № 1). Сам фрагмент диска может использоваться как солнечный парус. Орбиты многих астероидов ближе орбиты Марса. Так, например, большая полуось орбиты астероида Атона лишь на 3,4 % меньше земной, эксцентриситет орбиты 0,183, период обращения вокруг Солнца 0,95 года. При отношении массы фрагмента к его площади 84 т/км2 и коэффициенте отражения 0,63 перелет с орбиты Марса в точку светогравитационного равновесия займет около 10 лет.
Управлять положением в пространстве собранного экрана можно также с помощью светового давления, поворачивая зеркала. Такое управление потребуется при компенсации притяжения Луны (и Венеры), а также при необходимости вывести экран из рабочего положения.
| Зависимость массы экрана из никелисгого железа от требуемой затененности Земли (при двух расстояниях экрана от Земли) |
В будущем человечество может захотеть начать осваивать Венеру. Потребуется понизить температуру ее поверхности, расположив экран в точке светогравитационного равновесия между Солнцем и Венерой. Минимальная масса экрана, полностью затеняющего Венеру, — 32,5 млрд т.
Если затенить Венеру плотностью, то температура ее поверхности будет определяться балансом излучения и тепла, поступающего из ее недр. Поскольку теплопроводность горных пород невелика, по истечении достаточно большого промежутка времени температура поверхности планеты может стать почти сколь угодно низкой. При температуре —56,6°С углекислый газ начнет конденсироваться, атмосферное давление — резко падать. После конденсации СО2 давление на поверхности Венеры будет около двух земных атмосфер, а основная компонента атмосферы — азот. Парниковый эффект перестанет ощущаться, альбедо резко возрастет: можно будет даже создать небольшой подсвет, пропуская через экран около 15% солнечного света.
Расчищая небольшие участки поверхности Венеры от конденсата СО2 и накрывая их стеклянным куполом, удается повысить температуру под куполом до 20—30°С, чтобы, например, разводить там водоросли. Воду можно получить, сжигая водород, которого много в атмосфере Венеры. Растения обогатят атмосферу кислородом. После очистки атмосферы под куполом от небольших вредных примесей, можно получить там вполне приемлемую атмосферу, пригодную для жизни людей, разведения растений, рыб и животных...