Загрязнение воды значительно увеличивается во время случайных утечек нефти (из трубопроводов, железнодорожных цистерн, танкеров и очистительных заводов) и разливов кислоты. Землепользование многих территорий изменяется при поверхностной добыче угля, создании водохранилищ для гидроэлектростанций, постройке линий высоковольтной передачи, огромных складов, очистительных и распределительных мощностей для жидкого топлива, а в последнее время – из-за появления больших ветряных и солнечных ферм. Косвенным образом топливо и электричество ответственны за многие другие потоки загрязнений и виды деградации экосистем. Наиболее заметное влияние оказывают промышленность (в первую очередь черная металлургия и химическая), использование химикалий в сельском хозяйстве, урбанизация и развитие системы транспорта. Все эти воздействия постоянно усиливаются, как с экстенсивной, так и с интенсивной точки зрения, а их масштабы варьируются от локального до регионального. Потери, которые при всем этом происходят, принуждают все важнейшие экономики уделять все больше внимания экологическим проблемам.
К 1960 годам один из видов такой деградации, кислотные дожди в Центральной и Западной Европе, а также в восточной части Северной Америки, возникшие большей частью из-за выбросов оксидов серы и азота на угольных электростанциях, а также из-за автомобильных выхлопов, достигли масштабов в половину континента и до середины 1980-х рассматривались как самая сложная экологическая проблема, стоящая перед развитыми странами (Smil 1985, 1997). Следующие действия: переход на уголь с низким содержанием серы и не содержащий серы природный газ в производстве электричества, использование более чистого бензина и дизельного топлива, разработка более эффективных двигателей для автомобилей и технологии десульфуризации продуктов горения – не только приостановили процесс окисления, но двинули его в обратном направлении, так что осадки в Европе и Северной Америке стали менее кислотными (Smil 1997). Но в 1990 году проблема возникла снова, на этот раз в Восточной Азии, из-за резко выросшего потребления угля в Китае.
Частичное разрушение озонового слоя над Антарктикой и окружающим ее океаном быстро стали называть главной проблемой, связанной с потреблением энергии. Возможность снижения концентрации стратосферного озона, который защищает планету от ультрафиолетового излучения, была точно предсказана в 1974 году, феномен впервые зафиксировали над Антарктикой в 1985-м (Rowland 1989). Потерю озона вызвали большей частью выбросы хлорофторуглеродов (CFC, используются обычно как охладители), но эффективное международное соглашение, Монреальский протокол, подписанный в 1987 году, и переход на менее вредные соединения вскоре снизил угрозу (Andersen and Sarma 2002).
Разрушение озонового слоя было только первым из новых негативных факторов, несущих глобальную угрозу окружающей среде (Turner et al. 1990; McNeill 2001; Freedman 2014). Причины для постоянного беспокойства варьируются от потери глобального биоразнообразия до аккумуляции пластика в океанах, но одна проблема возвышается над другими с конца 1980 годов: антропогенный выброс парниковых газов приводит к сравнительно быстрым изменениям климата, в первую очередь к нагреву тропосферы, окислению океана и подъему уровня моря. Свойства парниковых газов и вероятность вызванного ими парникового эффекта хорошо понимали еще в конце девятнадцатого века (Smil 1997). Ведущим соединением, вносящим вклад в этот процесс, является CO2, конечный продукт эффективного сжигания всех видов ископаемого и биологического топлива. Кроме того, немалую лепту вносит разрушение лесов (в первую очередь влажных тропических) и травянистых равнин (IPCC 2015).
С 1850 года, когда в атмосферу выбрасывали 54 Мт углерода (умножить на 3,667, чтобы перевести в CO2), глобальная антропогенная генерация углекислого газа росла по экспоненте по мере того, как использовалось все больше ископаемого топлива: как уже отмечалось, к 1900 году значение поднялось до 534 Мт углерода, а в 2010-м превысило 9 Гт углерода (Boden and Andres 2015). В 1957 году Ганс Зюсс и Роджер Ревелл сделали вывод:
«В настоящий момент человечество осуществляет крупномасштабный геофизический эксперимент такого рода, который нельзя было сделать в прошлом и не получится воспроизвести в будущем. За несколько столетий мы вернули в атмосферу и океан концентрированный органический углерод, запасенный в осадочных породах за многие сотни миллионов лет» (Revelle and Suess 1957, 19).
Первые систематические измерения уровня остаточного CO2, организованные Чарльзом Килингом (1928–2005), начались в 1958 году вблизи вершины Мауна-Лоа на Гавайях и на Южном полюсе (Keeling 1998). Концентрация на Мауна-Лоа использовалась в качестве глобального маркера роста содержания CO2 в атмосфере: средняя величина составила 316 частиц на миллион в 1959 году, превысила 350 в 1988-м, и достигла 398,55 в 2014 году (NOAA 2015, рис. 6.22). Другие парниковые газы человек выбрасывает в атмосферу в гораздо меньших объемах, чем CO2, но поскольку их молекулы поглощают сравнительно больший объем исходящего инфракрасного излучения (метан в 86 раз больше за 20 лет, оксид азота в 268 раз больше, чем CO2), их совместное влияние в данный момент составляет около 35 % антропогенного радиационного воздействия (примечание 6.18).
Рисунок 6.22. Атмосферный CO2, измеренный в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях (NOAA 2015)
По расчетам, для того, чтобы избежать наихудших последствий глобального потепления, средний подъем температуры должен быть ограничен 2 °C, но это потребовало бы немедленного и значительного сокращения сжигания ископаемого топлива и быстрого перехода на неуглеродные источники энергии, что не то чтобы невозможно, но крайне маловероятно, учитывая доминирование ископаемого топлива в мировой энергетической системе и огромные энергетические потребности малообеспеченных обществ. Некоторые большие статьи потребностей можно удовлетворить с помощью возобновляемых источников электроэнергии, но не существует доступной, масштабной альтернативы топлива для транспорта, производства сырья (для удобрений, пластика) и плавки железной руды.
Примечание 6.18. Парниковые газы и рост температуры тропосферы
В 2014 году глобальный показатель антропогенного радиационного воздействия (объем парниковых газов, влияющий на энергетический баланс планеты) достиг 2,936 Вт/м2, и вклад CO2составил 65 % (Butler and Montzka 2015). Что до ресурсов, то ископаемое топливо обеспечило около 60 %, изменение землепользования (в первую очередь сведение лесов) около 10 %, а выброс метана (в основном за счет домашнего скота) – около 20 %. Глобальный рост температуры поверхности (комбинированные данные для океана и суши) идет по прямой на 0,85 °C (0,65-1,06 °C) между 1880 и 2012 годами (IPCC 2015). Из-за неопределенности относительно уровня выбросов в будущем и сложности атмосферных, гидросферных и биосферных процессов и взаимодействий, управляющих глобальным углеродным циклом, в настоящий момент невозможно создать надежную модель предсказания уровня температуры и подъема уровня моря до 2100 года. Последние общепринятые оценки показывают, что (в зависимости от уровня выбросов в будущем) к концу XXI века средняя глобальная температура будет как минимум на 0,3–1,7 °C выше, чем в 1986–2005 годах, но может вырасти и на 2,6–4,8 °C (IPCC 2015).
