Как Tesla изменит мир (How Tesla will change the world)

How Tesla will change the world

(Оригинальная статья http://ma.tt/2015/06/how-tesla-will-change-the-world)Tesla-History_of_Energy

Часть 1: История энергии

Энергия необходима. Без энергии человечество не может существовать!

Но что же такое энергия? В словаре мы находим следующее определение – «свойство материи и излучения, которое выражается в способности выполнять работу». А в свою очередь «работа» – это «приложение силы для противодействия сопротивлению или для создания молекулярных изменений».

Tesla-History_of_Energy

Выходит немного занудно для наших целей, поэтому давайте называть энергию так: энергия – это то, что позволяет вещам выполнять всякое. 

Мудрёный момент касательно энергии – это закон сохранения энергии. Энергия не может быть создана или разрушена, а может быть только преобразована из одной формы в другую. В связи с необходимостью всего живого в энергии для выполнения своих функций, и учитывая, что самостоятельно мы не в состоянии создавать энергию, то нам остаётся лишь воровать энергию у других. 

Практически вся энергия используемая живыми организмами на Земле берёт своё начало от Солнца. Энергия Солнца заставляет капать дождь, приводит в движение ветер и питает всё живое на Земле – биосферу. 

Джоуль является общепринятой единицей измерения энергии – это количество энергии нужное для приложения силы в один Ньютон на расстояние одного метра. Солнечная энергия обеспечивает живых существ теплом и светом, а джоули, которые питают всех нас изнутри, изначально попадают в биосферу от солнца к растениям. 

Solar

Именно так и создаётся еда – растения знают, как уловить джоули солнца и превратить их в пищу. После чего и возникает повсеместное буйство – организмы начинают друг друга убивать для воровства чужих джоулей. 

Мы используем термин «пищевая цепочка» в качестве милого эвфемизма для описания этого цикла краж и убийств. И мы употребляем слово «поедание» обозначая «убийство и воровство чужих джоулей». «Хищник» – это своего рода подонок, который всегда не прочь поживиться вашими джоулями, а «жертва» – это «нытик», которого все любят обижать и отнимать у него деньги на завтрак. Растения – единственные невинные создания, следующие Золотому Правилу, но это только лишь по причине обладания привилегией распоряжаться солнцем как своим спонсором. А люди же являются нарушающим покой биосферы мафиозным главарём, который просто берёт у кого угодно что ему нужно и когда ему нужно. Не очень хорошая система, конечно, но она работает. 

Так продолжалось очень-очень долго, но в течение последних нескольких сотен тысяч лет люди стали кое о чём догадываться – хоть и приятно насыщать своё тело новыми джоулями, а вот тратить энергию не особо радостно. Гораздо приятнее сидеть на брёвнышке и экономить силы, чем быстро бегать туда-сюда или же поднимать всякие тяжести. Поэтому люди смекнули и стали искать пути заставить джоули работать за пределами своих тел и выполнять работу за них.

Mnogoobrazie-zhivykh

Но джоули можно отыскать не только в живых организмах. Джоули носятся и летают всюду вокруг нас, и с помощью технологий люди научились использовать и их. Человечество соорудило ветряные мельницы, способные воровать часть джоулей проносящегося ветра и превращать их в механическую энергию для перемалывания зёрен. Люди построили парусники, преобразующие джоули ветра в управляемую кинетическую энергию лодки. Вода же поглощает излучаемые солнцем джоули и трансформирует их в гравитационную потенциальную энергию пара, которая преобразуется в кинетическую энергию при выпадении осадков и стекании воды вниз. Люди и здесь нашли возможность утащить некоторое количество энергии, создавая плотины и водяные мельницы. 

Но наиболее будоражащей технологией воровства джоулей, до которой сумели додуматься люди, является сжигание всякого. И в случае с ветром, и в случае с водой можно захватить только движущиеся джоули, когда они проносятся мимо вас. Но со сжиганием возможно перенести предмет, накапливавший энергию годами, и высвободить все джоули сразу там где хочется. Настоящий энергетический взрыв. 

Данное высвобождения энергии назвали огнём, и т.к. джоули выделялись в полезном для людей формате тепла и света – сжигание стало повсеместным явлением. 

Приручение дракона.
Научившись добывать джоули ветра и воды, нам удалось ухватить стихию за узду и подчинить себе. Но когда дело дошло до наиболее богатого джоулями огня – мы не особо смогли додуматься, что ещё с ним можно делать помимо сидения вокруг да готовки. Огонь представлял собой беспокойного дракона, и никто не оказался в состоянии подчинить его до поры до времени.

И тут случился прорыв. Пар. 
Джоули огня оказались сложными для улавливания, но если их направить в воду – они заставляют молекулы воды постепенно сходить с ума, устраивать толчею и в конечном итоге молекулы доходят до состояния паники и начинают вылетать с поверхности, испаряясь ввысь под действием силы бушующего снизу огня. Таким образом, мы успешно перевели термическую энергию огня (которую до сих пор нам не удавалось обуздать) в мощный поток контролируемого пара. 

С паровой системой в своём инструментарии изобретатели 18-го века разразились инновациями. В их распоряжении оказалось внушительное количество джоулей для работы, что позволило открыть миры доселе невообразимых возможностей. Одни прорывы вели к другим открытиям, и на пороге 19-го века апофеозом прогресса стало изобретение, которому присваивают одну из самых значимых и поворотных ролей в истории человечества – паровой двигатель. 

Представьте себе чайник в момент закипания, когда он начинает свистеть. Теперь представьте, что вместо того, чтобы позволять пару вырваться через носик чайника, вы подключили к носику трубку, которая направляет вырывающийся пар в полый цилиндр, а затем отпускает его на свободу. Когда поток проникает в цилиндр и выходит из него, пар толкает поршень внутри цилиндра и приводит его в мощное движение туда-сюда. Описанное выше – наиболее простой пример работы парового двигателя. В зависимости от устройства аппарата движение поршня может выполнять разные задачи. Например, в локомотиве поршень прикреплён к стержню, движение которого туда-сюда приводит к вращению колёс!

Tesla_Par

Используя паровой двигатель, человечество перешло на пароходы вместо парусников, и к локомотивам заместо лошадиных повозок. Кстати, по-старинке люди определяли мощность парового двигателя указывая скольких лошадей он сможет заменить – отсюда и термин «лошадиная сила». На фабриках также были установления паровые двигатели на смену менее эффективным водяным мельницам. 

С новой способностью транспортировать большие объёмы товаров и материалов на большие расстояния с большой скоростью на более производительные фабрики индустриальная революция вспыхнула с полной силой. Говорят, индустриальная революция двигалась за счёт пара, но ведь пар был всего лишь посредником в процессе. Таким образом, спустя сотни и тысячи лет пассивного получения выгоды от сгорания, мы наконец-то приручили дракона – индустриальная революция оказалась движима огнём. 

Золотая жила.
Сделав огонь одной из своих наложниц, человечество возжелало сжигать всякое пуще прежнего. Подавляющую часть истории при желании что-нибудь сжечь, мы шли и искали немного дров. Просто. В 19-ом веке с новым аппетитом к сжиганию мы уже не удовлетворялись дровами. 

Нам было известно, что в мире существуют и другие виды топлива – в Британии помимо дров сжигали также и чёрную каменистую породу, обнаруживаемую на побережьях. Называлась она углём. 

Трудности с углём по сравнению с дровами заключались в том, что уголь в Британии не валялся под ногами – он был под землёй. В начале индустриальной революции англичане стали усиленно копать – им требовалось большое количество угля. Когда индустриальная революция распространилась по Европе и началась в Северной Америке, европейцы с американцами тоже начали усердно копать – у них также появилась необходимость в больших объёмах угля для своих нужд. 

Во время раскопок люди принялись обнаруживать и другие полезные ископаемые. Обнаружились расщелины заполненные горючим природным газом и подземные озёра вязкой чёрной горючей жидкости – нефтью. Выяснилось, что люди всё это время шлялись по поверхности не понимая какие неизведанные богатства насыщенных энергией горючих джоулей находились у них под ногами. Типа как если бы собачка, зарывая косточку, наткнулась бы на подземную пещеру наполненную тушёнкой.  

А как поступит собачка, нашедшая обилие тушёнки? Задумается ли наш пёс касательно дальнейших действий и возможных последствий для здоровья? Нет – он начнёт обжираться под завязочку. Без раздумий. На всех скоростях. 

И в течение 19-го века повсеместно стали появляться угольные шахты и нефтяные вышки. Сжигание этих кладовых джоулей разогнало экономику до предела, появились мощнейшие стимулы к инновациям, и новые фантастические технологии родились на свет. 

Подобно технологии парового двигателя заслуга в появлении электричества принадлежит длительной совместной работе множества изобретателей, и в 1880-ых произошёл очередной значительный прорыв. Пожалуй, случился наиболее существенный технологический сдвиг за всю историю – генерирование электричества позволило конвертировать грубую энергию сжигания в весьма послушную с возможностью широкого применения электроэнергию. С паром в качестве посредника все эти джоули от сжигания стало возможным отправлять через сети проводов на значительные расстояния в жилые и производственные строения, где они терпеливо находились в состоянии готовности разрядиться по прихоти потребителя. В следующий раз завидев линию электропередач на улице – вспомните, что таким образом джоули энергии огня доставляются к вам в дом. Теперь же появилась возможность превращать джоули электричества практически в любой другой вид энергии – можно вскипятить воду, заморозить лёд, осветить комнату или позвонить по телефону. Если с помощью пара нам удалось приручить дракона, то электричество обратило дракона в волшебного верного слугу, навсегда находящегося в нашем распоряжении. Впервые в истории человечества переключатель оказался в положении «вкл». 

Примерно в то же самое время происходили революционные сдвиги и по другим направлениям. Огонь снабжал энергией наши корабли, поезда и заводы, и даже не взирая на чудодейственные возможности электричества личный транспорт до сих пор приводился в движение с помощью сена как и в 1775 году, и до конца 19-ого века человечество не додумалось ни до чего нового. Биологические лошади чрезвычайно расстроятся, если вы попробуете огнём привести их в движение – поэтому вновь человечество взялось за инновации, и спустя несколько десятилетий большие металлические лошади с огнём в цилиндрах своих двигателей стали носиться повсюду. 

Tesla_Monarch

В то время как уголь, нефть и природный газ стимулировали беспрецедентный прогресс, волны новых технологий создали невиданную ранее нужду сжигать всё больше и больше топлива – что в свою очередь побудило шахтёров трудиться усерднее. Компании типа «Standard Oil» Джона Д. Рокафеллера, специализирующиеся на копании, высасывании и перекачивании всё больших и больших объёмов подземных кладовых с джоулями, стали гигантскими корпоративными империями. Это был новый мир, питаемый бесконечной пещерой тушёнки, заглатываемой самой счастливой в мире собачкой… 
Часть 2. Вернёмся в нынешнее время.
Сжигание залежей насыщенного джоулями топлива для обеспечения энергетической потребности нашего мира является инновацией возрастом в двести лет, но в 2015 году данный метод до сих пор является основным источником нашей энергии: 

Howtoteslawillchange
Источники совокупного мирового потребления энергии
— ископаемое топливо 78,4%
— возобновляемая энергия 19%
— ядерная 2,6%
 

Характерная черта собак – если им дать «вкусняшку», собачки начнут объедаться до тех пор пока или же не закончится еда, или же им не станет совсем дурно. Современные споры относительно энергии в сущности и сводятся к тому, следует ли позволять собачке продолжать обжираться тушёнкой в пещере или нет. Ведь такое безудержное поведение может привести к роковым последствиям для животного или же в конечном итоге к исчерпанию ресурса. Исчерпание ресурса также вызовет череду проблем, учитывая насколько существенно наш пёс увеличился в размерах с момента обнаружения заветной пещеры, и уже утратил способность утолять свой невероятный аппетит за её пределами. 

Как вы уже возможно заметили, в мире существует масса людей с множеством различных точек зрения, говорящих разные вещи по разным причинам относительно данной ситуации. Некоторые озвучивают реальные вещи, но большая часть людей или же толком и не знает о чём говорит, или же у людей есть некий скрытый мотив говорить именно то, что они и высказывают. И сложная тёмная многогранная тема становится и без того ещё более непонятной. 

Давайте разложим по полочкам уже известное нам и попытаемся разобраться, что же происходит на самом деле.
Начнём с того, что же вообще такое ископаемое топливо и откуда оно берётся? 

Ископаемое топливо называется ископаемым, т.к. является остатками древних живых существ. Понятие «древние» в данном случае растягивается на существенный период. Самые ранние организмы, которые внесли вклад в создание сегодняшнего запаса полезных ископаемых, жили в Докембрийский период до появления любых растений или животных на суше. В то время такими ископаемыми организмами являлись океанские водоросли. Люди иногда считают, что ископаемое топливо образовалось из динозавров, но та несущественная доля присутствующих в бензине динозавров берёт своё начало в течение последних нескольких сот миллионов лет, что является более поздним участком рассматриваемого нами промежутка времени. Большая часть ископаемого топлива образовалась из растений, животных и водорослей, проживавших во время Каменноугольного периода (Карбон) – отрезок времени в 50 миллионов лет, который завершился примерно 300 миллионов лет назад, и в течение которого существовало множество огромных неглубоких болот. Эти болота сыграли существенную роль, т.к. увеличили вероятность того, что погибший организм окажется «законсервированным». Невозможно стать ископаемым топливом, если умереть и разложиться в нормальной среде. Но умерев в болоте и опустившись на дно, организмы каменноугольного периода оказались быстро покрыты песком и глиной и сумели сохранить джоули своих тел нетронутыми. 

Спустя сотни миллионов лет данные организмы оказались расплющены под действием интенсивного тепла и давления и превратились в напичканную джоулями твёрдую, жидкую и газообразную массу – уголь, нефть и природный газ.

 

Ископаемое топливо.
Уголь – чёрная осадочная порода, находящаяся в составе подземных слоёв называемых угольными бассейнами. Является наиболее дешёвой и обширной из трёх видов ископаемого топлива, в основном используется для производства электричества. Также является наихудшим в плане выбросов CO2 в атмосферу, т.к. при сжигании выделяется на 30% больше CO2 по сравнению с нефтью, и в два раза больше CO2 по сравнению с природным газом при выделении одинакового количества тепла. Уголь для США это как нефть для Саудовской Аравии – США обладают 22% запасов мирового угля – самой большой долей по сравнению с другими странами. В свою очередь Китай стал самым большим потребителем угля в мире – более половины всего угля сжигаемого за недавние годы было сожжено именно в Китае. 
 

Нефть – также известна как сырая нефть, является чёрной густой жидкостью, как правило находится в глубоких подземных резервуарах. После извлечения сырой нефти её перевозят на перерабатывающий завод, где её компоненты отделяются друг от друга с помощью их разницы в температурах кипения. Типичный баррель нефти США в 2014 году перерабатывается на следующие составляющие:
— 44,9% на бензин для машин
— 29,8% на топочный мазут и дизельное топливо
— 13,8% различные производные типа воска, синтетической резины, пластика
— 9,5% авиакеросин
— 2,0% асфальт 

США с отрывом лидируют в мировом потреблении нефти, поглощая более 20% мировой нефти, что в два раза больше по сравнению со вторым крупным потребителем после США. США является одним из трёх самых крупных производителей нефти вместе с Саудовской Аравией и Россией, производящих примерно одинаковые объёмы. Что касается запасов нефти, то тут Среднему Востоку нет равных. Взглянув на эту карту (источник) становится понятным, насколько немногими территориями над залежами нефти можно обладать, чтобы считаться богатой нефтью страной. 

Природный газ расположен в подземных расщелинах обычно вблизи залежей нефти и образуется путём её испарения при нагревании до сверхвысоких температур. Самый «чистый» из трёх типов ископаемого топлива – именно газ горит у вас на конфорке кухонной плиты и обогревает вас в квартире (за исключением квартир с электрическими и масляными обогревателями). Природный газ является одним из основных источников электричества (в США его доля составляет 20%). Объёмы потребления природного газа растут, им обеспечивается примерно четверть мировых энергетических нужд. Одной из причин увеличения доли потребления природного газа в мире является открытие учёными нового способа извлекать природный газ из недр (называемого гидравлическим разрывом). С помощью смеси воды, песка и других химических компонентов создаются трещины в богатой природным газом сланцевой глине, что и позволяет извлечь газ. Данный способ оказался чрезвычайно эффективным, но также и противоречивым ввиду некоторых весьма серьёзных проблем с загрязнением окружающей среды. Можете посмотреть следующий ролик, если интересно. 

 

Часть 3. Проблемы использования ископаемого топлива.
Мы остановимся на двух наиболее типичных причинах, по которым постоянно ведутся споры, почему использование ископаемого топлива нежелательно.  

ПРОБЛЕМА №1: Изменение климата 
Давайте позабудем про всех политиков, профессоров, управляющих корпорациями с киношниками и взглянем на следующие факты. 

Факт №1. Cжигание ископаемого топлива увеличивает уровень CO2 в атмосфере.

Мы обратимся к данным через секунду, но сначала предлагаю задаться вопросом – почему сжигание ископаемого топлива приводит к выделению CO2?

Ответ прост: сжигание это процесс фотосинтеза обращённый вспять.
HowtoteslawillchangeЖивое растение производит собственные запасы пищи с помощью процесса фотосинтеза. В невероятно упрощённой форме можно сказать, что при фотосинтезе растение забирает CO2 из воздуха и используя энергию солнца делит CO2 на углерод (С) и на кислород (O2). Растение оставляет себе углерод и выделяет кислород в виде отходов в окружающую среду. Таким образом, энергия солнца запасается в виде энергии химических связей, которую растение может в дальнейшем использовать для своих нужд. Мы привыкли считать, что дерево растёт из земли, но на самом деле выходит, что растение всё же набирает массу (углерод) из воздуха. 

Выходит, что лес это по сути кусок углерода с запасами химической энергии. 

При сжигании бревна мы всего лишь запускаем процесс фотосинтеза в обратном направлении. В самом упрощённом схематичном варианте процесс описывается следующим образом. При нормальных условиях молекулы кислорода воздуха отскакивают от молекул углерода дерева – поэтому лес не оказывается постоянно окутанным языками пламени. Но в случае, если молекулы кислорода начинают двигаться невероятно быстро и с силой врезаются в молекулы углерода дерева – молекулы сталкиваются и слипаются друг с дружкой, и таким образом кислород воссоединяется с углеродом, что вновь приводит к образованию CO2. При подобном воссоединении выделяется химическая энергия, которая заставляет соседние молекулы кислорода двигаться с повышенной скоростью, и при условии, что их скорость движения становится достаточно высокой, происходит столкновение с углеродом и новое слияние, ведущее к выделению ещё большего количества химической энергии. Происходит цепная реакция – наше бревно начинает гореть. Выходит, что горение дерева это процесс воссоединения углерода бревна с кислородом воздуха с выделением и улетучиванием CO2.

Конечно, все эти процессы несущественны для человека сжигающего бревно – его заботит лишь выделенная энергия в процессе формирования CO2. Выделение всей запасённой деревом химической энергии создаёт восхитительный поток тепла и света. Дерево затратило годы молчаливо улавливая молекулы углерода и солнечные джоули, а в процессе сжигания единовременно весь запасённый углерод и солнечная энергия врываются обратно в окружающий мир.

Для упрощения описания процесса я нарочно оставил воду за рамками. Не забывайте, что вода поглощается растением и является ключевым компонентом в процессе фотосинтеза. А во время сжигания водный пар является одним из выделяемых продуктов. Древесина и ископаемое топливо не только лишь один углерод – они состоят из углеводородов, а водород попадает через корни в растение в виде воды. 

Иными словами, во время фотосинтеза происходит захват углерода и энергии солнца из атмосферы, и после годов удерживания их в заложниках процесс горения снова отпускает обоих на волю. Углерод освобождается в виде CO2 в дыме, а солнечная энергия – в виде тепла огня. Получается, что огонь – это всего лишь концентрированная солнечная энергия.

Но сжигание бревна и выделение всего содержащегося в нём CO2 не нарушает уровень углерода атмосферы. Почему? Потому что выпущенный в атмосферу углерод совсем ещё недавно уже был в атмосфере, и если бы вы не сожгли бревно – оно бы скорее всего само по себе сгнило, что привело бы к выбросу углерода в окружающий мир в любом случае. Содержащийся в бревне углерод был удержан в заложниках всего лишь временно и освобождение его через сжигание не оказывает существенного эффекта. 

Углерод перетекает из атмосферы в растения и в животные, в землю и в воду, а затем снова возвращается в атмосферу – в этом и заключается так называемый углеродный цикл (или круговорот углерода в природе). В любой момент времени, активный углеродный цикл Земли содержит определённое количество углерода. Сжигание брёвен не привносит изменений в это количество, т.к. углеродный цикл «ожидает», что определённое количество углерода присутствует где-то на суше, в воде или же в воздухе. 

Но иногда небольшое количество углерода всё же вываливается из активного углеродного цикла на длительное время – это происходит, когда растения или животные погибают, но по каким-либо причинам не гниют как это обычно происходит. Вместо того, чтобы сгнить и выпустить запасённый углерод обратно в цикл, погибший организм оказывается погружён под землю. Со временем небольшие количества потерянного углерода накапливаются – и сегодня запасы ископаемого топлива Земли заключают в себе громадную массу утерянного ранее углерода. Углерода, который организмы взяли в заложники навсегда и который нынешний углеродный цикл «не ожидает» вернуть обратно в свой круговорот.

Когда человечество обнаружило весь захваченный подземный углерод, не забывайте, что для них сам по себе углерод не представлял особого интереса. Они глазели на бесконечное море плотно упакованного солнечного света возрастом в 300 миллионов лет – триллионы древних растений с их нетронутыми запасами джоулей. И ввиду того, что не было никаких законов охраняющих наследство растений каменноугольного периода, люди могли захватить всё это богатство себе. Произошёл самый грандиозный грабёж джоулей за всю историю.

И по мере потребления обнаруженных запасов мы не особо беспокоились, что извлекая джоули мы так же извлекали углерод, который оказался похороненным под толщей земли ещё во время Докембрийского периода. Тогда мы думали о заправке локомотивов да обогреве домов, а перед найденными запасами джоулей было невозможно устоять. 

 

И ведь те самые джоули нам неплохо послужили – можете сказать им спасибо за тот уровень комфорта и качество сегодняшней жизни. Но те высвобожденные молекулы углерода тоже оставили свой след. 

Начиная с 1958 года исследователь Чарльз Килинг начал измерения уровня CO2 в атмосфере из обсерватории Мауна Лоа на Гавайях. Начатые измерения продолжаются и по сей день. Взгляните на график:

HowtoteslawillchangeСреднее ежемесячное значение концентрации CO2 на Мауна Лоа 1958-2015
— доля CO2 в сухом воздухе (вертикальная ось)
— год (горизонтальная ось)
— отклонения от среднегодовой концентрации (график в левой верхней части)

Зигзагообразное движение линии обусловлено падением уровня CO2 летом, когда растения удерживают в себе углерод, и увеличением уровня зимой, когда отмирает листва. Но основную тенденцию роста на графике не заметить сложно. Для сравнения – бурение льдов Антарктики позволяет исследователям измерить уровни CO2 за последние 400 тысяч лет. При глубоком бурении извлекаются столбы льда, и исследователи могут проанализировать состав пузырьков воздуха в их толще – чем глубже пузырьки от поверхности, тем дальше в прошлом он был замурован. Используя данный способ можно определить: 

А) уровень CO2 атмосферы в каждый момент времени; 

Б) уровень температуры воздуха в каждый момент времени.

Ниже приводятся данные этого исследования:

HowtoteslawillchangeИзменения уровня диоксида углерода
— индустриальная революция привела к значительному повышению CO2
— тысяч лет назад (горизонтальная ось)
— концентрация CO2 (вертикальная ось)
— циклы ледникового периода

Итак уровни CO2 в атмосфере колебались между 180 и 300 миллионных долей за последние 400 тысяч лет, никогда не превышая 300, как вдруг за последний век уровень подскочил до 400 (на сегодняшний день он находится на уровне 403 мд). 

Колебания объясняются тем, что мы находимся в середине ледникового периода длительностью в 5 миллионов лет с циклами примерно в 100 тысяч лет. Между каждым ледниковым циклом длиной в 100 тысяч лет происходит «межледниковый» период длительностью в 10 тысяч лет, во время которого хоть лёд и остаётся на полюсах, но температуры на планете стоят умеренные. В настоящее время мы как раз переживаем один из этих кратких межледниковых периодов. 

Получается, содержание углерода в атмосфере составляет ни 0,02% и ни 0,03%, а 0,04% и растёт в сторону увеличения к 0,05% и выше. Но давайте пока не будем делать никаких выводов. Пока мы только лишь уяснили факт №1 – уровень CO2 стремительно увеличивается.

Факт №2. При увеличении уровня CO2 в атмосфере следует повышение температуры.

Стержни льда добытые исследователями в Антарктике рассказывают нам не только об уровнях CO2 в прошлом, они также ведают нам о температурах в прошлом. Взгляните сами:

Howtoteslawillchange— изменение температуры
— диоксид углерода

Уловить взаимосвязь не так уж и сложно. Причина этому проста – CO2 является парниковым газом. Ваш парник на даче функционирует следующим образом – стекло пропускает солнечную энергию и улавливает её внутри в виде тепла. Существует множество химических соединений, выполняющих роль стекла для атмосферы – солнечные лучи проникают внутрь, отражаются от поверхности Земли и, когда они оказываются на обратном пути в космос, парниковые газы частично блокируют и распределяют их в атмосфере, немного её нагревая. 

Средняя температура на Марсе составляет -55ºC, что не так уж и весело. А на Венере так натурально творится натуральный ад со средней температурой в +462ºC. Ни одна планета нашей солнечной системы пока ещё не переплюнула Венеру в этом плане! Почему? CO2. Атмосфера Марса гораздо тоньше по сравнению с атмосферой Земли, поэтому солнечная энергия с лёгкостью её покидает. Атмосфера Венеры же гораздо толще и с содержанием CO2 в 300 раз выше, чем на Земле – поэтому атмосфера Венеры удерживает неимоверное количество тепла. Меркурий расположен ближе к Солнцу по сравнению с Венерой, но ввиду отсутствия у Меркурия атмосферы на нём холоднее, чем на Венере. В течение дня Меркурий прогревается примерно до уровня Венеры, но ночью на Меркурии становится чрезвычайно холодно. Тогда как на Венере стоит дикая жара и днём, и ночью, т.к. теплота постоянно удерживается в её толстой атмосфере благодаря наличию парниковых газов. 

Отсюда становится логичным, что увеличение содержания CO2 в атмосфере приведёт к повышению температуры – но насколько? Если сравнивать со средней температурой до-индустриального периода наша нынешняя температура увеличилась чуть менее чем на 1 градус по Цельсию. Но в связи с тем, что уровень CO2 в атмосфере растёт, большинство исследователей предполагают, что и температура продолжит увеличиваться. Поддерживаемая ООН межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), имеющая в своём составе 1300 независимых научных экспертов из разных стран мира, вышла с докладом с предсказаниями температур многочисленных независимых лабораторий. Ниже на графике представлены предсказания лабораторий в случае, если мы не изменим текущие тенденции в выбросе CO2:

Howtoteslawillchange

Предсказания глобального потепления 

— температурная аномалия в градусах Цельсия (вертикальная ось)

Небольшая группа исследователей возражает, что, мол, данные предсказания слишком уж преувеличены. Они отмечают, что подобные прогнозы основываются на общепринятой теории, в которой испарения воды в атмосферу увеличивают эффект углеродного выброса в связи с наличием обратной связи. Небольшое повышение температуры из-за роста содержания CO2 приводит к увеличению испарения воды. А ввиду того, что парообразная вода также является парниковым газом, в атмосфере удерживается ещё большее количество тепла, что, в свою очередь, приводит к ещё большему темпу испарения и т.д. При отсутствии данного механизма обратной связи повышение температуры в связи с увеличением выброса CO2 будет в 2-3 раза меньше. Но даже самые величайшие скептики обычно соглашаются, что выбросы CO2 действительно приводят к повышению температуры. 

Группа экспертов МГЭИК также заявляет, что более чем на 90% увеличение уровня CO2 и повышение температуры вызваны деятельностью людей (это типа как заявить, мол, вероятность, что дождь вызван деятельностью облаков выше 90%). Теперь же перед нами стоит следующий вопрос – насколько должна измениться температура, чтобы для нас стало всё совсем плохо?

Факт №3: Из-за незначительных изменений температуры всё станет совсем плохо.

18000 лет назад мировые температуры были примерно на 5ºC ниже таковых в нынешнее время. Этого было достаточно для того, чтобы Канада, Скандинавия, половина Англии с США оказались покрыты одним километром льда. Вот на что способны 5ºC11. 
How_to_tesla Северное полушарие, ледовый покров
— 18000 лет до нынешнего дня (слева)
— Нынешний день (справа)
— континентальный лёд
— морской лёд
— суша над уровнем моря

Сто миллионов лет назад температуры были на 6-10ºC выше, чем сейчас – тогда росли пальмы на полюсах, где-либо отсутствовал постоянный лёд, а уровень океана был выше на 200 метров и творилась такая фигня:
How_to_teslaВ общем, сейчас мы расположены в следующем не слишком уж большом окошке, из которого, пожалуй, нам не стоит выбиваться:

How_to_tesla

— Нью Йорк под 800 метрами льда (ниже на 5 градусов)
— средняя температура до-индустриального периода
— сегодняшний день
— размах температур, предсказанный исследователями к 2100 году, в случае если наша текущая деятельность останется без изменений
— Нью Йорк под водой на 150 метров (выше на 6-10 градусов)
Всё гораздо хрупче, чем может показаться интуитивно. Во-первых, средней температуре можно и не подниматься до немыслимых высот для свершения катастрофы. Потому что средняя температура хоть и поднимется всего лишь на 3ºC, но максимальнаятемпература вырастет до гораздо большего значения. Допустим, однажды в нетипично жаркий день температура достигнет 58ºC, этого окажется достаточным для уничтожения большинства растений и животных на Земле. Во-вторых, нижнее значение предела температуры планеты может достигать абсолютного нуля в -273ºC. Поэтому разница в 5ºC, достаточная для погружения северной части мира под океаном льда, составляет всего лишь 1,5% колебаний температуры, а не, скажем, 10%, как может показаться сперва. Глядя на окно расположенное на шкале диапазона температур, становится очевидным, что мир к которому мы привыкли является таковым только в связи с весьма специфическим и деликатным балансом обстоятельств.

How_to_tesla

— абсолютный ноль (-273С);

— Нью Йорк подо льдом;
— сегодняшний день;
— Нью Йорк под водой;
— при данной температуре (70С) океаны полностью испарятся (т. к. водяной пар является парниковым газом, обильное испарение приводит к вышедшему из-под контроля парниковому эффекту, начинающемуся при данной температуре);
— очень жарко (273С).

Как было сказано выше, сейчас средняя температура на 1ºC выше, чем в до-индустриальное время (согласно МГЭИК на +0,86ºC). Учёные спорят, насколько высоко должно подняться данное значение температуры для происхождения значительных перемен. В течение последних 20 лет более ста стран договорились попытаться ограничить глобальное потепление увеличением температуры на 2ºC. Касательно ожидаемых изменений при увеличении температуры на 2ºC – в процессе изучения вопроса я натыкался на некоторые авторитетные источники, утверждающие, что 2ºC это слишком низкий предел, и что мы можем позволить подняться температуре выше. В то же самое время иные источники утверждают, что 2ºC это слишком много, и что мы недооцениваем к каким катастрофическим последствием может привести подобное повышение. Касательно нашей способности ограничить повышение средней температуры 2 градусами мне также пришлось ознакомиться с разными мнениями. Некоторые считают, что с помощью должных ограничений мы вполне можем удержать повышение средней температуры менее чем на 2ºC. Иные убеждены в невозможности ограничиться 2 градусами – мы уже придали значительную инерцию процессу, и даже если мы прекратим углеродные выбросы в последующие годы, Земля всё равно продолжит нагревание более чем на 2ºC. Так какой же нам следует сделать вывод из всего означенного?

Нашей задачей не является продолжать копать вглубь всех этих противоречивых мнений в попытке выявить истину, потому что никто ничего по-любому точно не знает. Мы не станем обсуждать отдельные явления вроде роста уровня моря, загрязнения окружающей среды и обилия штормов. Не станем вспоминать и тот видеоролик об особо грустном из-за таяния льдов полярном медведе. Предлагаю лишь взять три нами установленных факта, сложить их вместе и поглядеть, что из этого получится:

How_to_tesla

How_to_tesla

How_to_tesla

Всё сводится к данному заявлению: 
How_to_tesla

Любопытно. Но не будем закрывать глаза на скептиков – мы можем слегка изменить наше заявление, оставив в нём достаточно места для сомнений: 

Если мы продолжим сжигать ископаемое топливо теми же темпами, что и сейчас, херовые времена могут наступить уже совсем скоро.

Помня об этом, перейдем к разбору второй проблемы использования ископаемого топлива. 

ПРОБЛЕМА №2: Запасы ископаемого топлива конечны.
Уже несколько раз в текущем повествовании я называл наши запасы ископаемого топлива – эти подземные моря плотно упакованной энергии – «бесконечными». Именно так и казалось в 19-ом веке и порой именно так ощущается и сегодня, когда понимаешь сколько ещё остаётся в недрах. Но в действительности запасы ископаемого топлива на Земле не бесконечны – они весьма ограничены. 

Когда они подойдут к концу – сложный и туманный вопрос. Некоторые сайты типа вот этого цитируют доклады вроде этого, утверждающие, что продолжая в нынешнем темпе, конец запасам настанет совсем скоро:

How_to_tesla_6 Оставшиеся годы добычи ископаемого топлива (на 2013 год)
— уголь, природный газ, сырая нефть.

Кроме того, существуют другие сайты типа этого со ссылками на Всемирную книгу фактов ЦРУ, утверждающую, что по мере расходования нефти и природного газа, уровень потребления угля взлетит – поэтому у нас остаётся ещё меньше времени:

How_to_tesla_6

Запасы энергии (миллиардов тонн нефтяного эквивалента)
— уголь, газ, нефть.
Иные сайты отмечают, что приведённые выше данные ссылаются на запасы уже обнаруженных месторождений, а ведь с каждым годом мы открываем новые источники ископаемого топлива. Например, нефть содержащаяся в битуминозных песках. Или же вспомним щедрые резервы гидрата метана под океанским дном. Вспомним развивающиеся технологии гидроразрыва пласта или горизонтального бурения. Все эти источники утверждают, что мы вряд ли исчерпаем запасы ископаемого топлива на протяжении ещё многих веков. В свою очередь можно возразить, что даже и без исчерпания запасов со временем мы столкнёмся с серьёзной проблемой увеличивающейся дороговизны и повышенной сложности добычи топлива. Проблема с исчерпанием запасов, когда бы оно не произошло, состоит в сильнейшей зависимости мира от ископаемого топлива и в последующем коллапсе экономики. По мере исчерпывания запасов стоимость топлива станет существенно повышаться. Подобные процессы вызовут яростную спешку в разработке технологий возобновляемой энергии, но возможно, время предотвратить обрушение мировой экономики будет уже упущено.

Получается, в настоящее время мы существуем за счёт своего рода подземного фонда благосостояния, и надо бы поскорее найти иной источник доходов пока фонд этот не исчерпается.

Для подведения черты под данным разделом скажем следующее:
В будущем – скоро или же слишком скоро – у нас не останется выбора и нам придётся прекратить приводить всё в движение с помощью ископаемого топлива, т.к. оно станет либо же чересчур дорогостоящим, либо же полностью будет исчерпано.

Приведённое выше утверждение, в общем-то, подчёркивает факт нашего существования в период истории человечества, который будет обозначен Эрой Ископаемого Топлива.
How_to_tesla_6

К заре человечества (стрелка влево);
К закату человечества (стрелка вправо);
— Эра, во время которой мы не особо в курсе, как использовать энергию, но когда мы её всё же используем, она чистая и возобновляемая;
— Эра ископаемого топлива (с ~1800 н.э. до ?);
— Эра неисчерпаемой энергии;
Наше первое утверждение (если мы продолжим сжигать ископаемое топливо теми же темпами, что и сейчас, дерьмовые времена могут наступить уже совсем скоро) намекает, что если мы не прекратим валять дурака в чёрной зоне до той поры пока недостаток ресурса не вытолкает нас за её пределы – мы сильно рискуем необратимо осложнить жёлтую зону для своего существования.

Вот почему Илон Маск любит напоминать, что продолжение эры ископаемого топлива без предела является «самым тупым экспериментом в истории».
Он подчёркивает данную мысль так: «Чем существеннее изменение физических величин и химических составляющих океанов и атмосферы [в связи с возросшими углеродными выбросами], тем значительнее станут долгосрочные последствия. Учитывая, что ископаемое топливо по-любому рано или поздно закончится – зачем продолжать этот безумный эксперимент и убеждаться насколько ужасным будет исход? Известно, что итог станет плохим, а исчерпывающие научные сведения указывают на то, что он станет не просто плохим, а невероятно плохим». 
Иначе говоря, долгое задерживание в чёрной зоне имеет серьёзные негативные последствия, поэтому давайте поскорее переберёмся в жёлтую зону. Часть скептиков, с мнением которых мне довелось ознакомиться, делали весьма правильные замечания, в то же самое время большинство скептиков соглашается, что сжигание ископаемого топлива приводит в той или иной степени к потеплению, которое впоследствии может нанести существенный вред. И даже если мы станем рассматривать эти мнения как попытку вступить в спор – с одной позиции «сжигание ископаемого топлива не является на самом деле опасным» и «сжигание ископаемого топлива оказывается чрезвычайно катастрофическим» – не стоит ли нам по крайней мере быть осторожными в данном вопросе?
Так как же нам перебраться из чёрного окна в жёлтую зону нашего графика? 
Чтобы ответить на этот вопрос, предлагаю обратиться в Национальную лабораторию им. Лоуренса в Ливерморе (шт. Калифорния) и взглянуть на их познавательные схемы про энергию. Схема для США обновляется ежегодно, мы взглянем на неё через минуту, но для начала следует ознакомиться с несколькими схемами из доклада за 2011 год, в котором были нарисованы схемы для каждой отдельной страны и для всего мира в целом, используя данные за 2007 год. На первый взгляд эти схемы могут показаться слишком сложными, но в сущности они довольно просты для понимания – они показывают источники энергии и на что эта энергия расходуется по секторам.

Вот так выглядит схема распределения энергии для всего мира за 2007 год:
How_to_tesla_6сверху-вниз слева-направо:
— ветряная, ядерная, гидро, солнечная, геотермальная, природный газ, уголь, биомасса, нефть;
— электричество и тепло;
— жилые, коммерческие, индустриальные, не энергетические, транспортные;
— утерянная энергия, энергетические услуги;
[обозначение PJ или ПДж– петаджоуль. Один петаджоуль = 1 квадрильон джоулей].

Некоторые соображения: 

— Наиболее характерный для всех стран момент, который бросился мне в глаза, это объёмы сырой нефти используемые для снабжения энергетических потребностей транспорта. Девяносто четыре процента (94%) мирового транспорта использует нефть, а в наиболее развитых странах цифра ещё выше.
— Использование биомассы довольно-таки значительное – львиная доля её использования приходится на развивающиеся страны, многие из которых находятся в Африке. Типичные примеры добычи энергии из биомассы – сжигание дров, кукурузного масла, навоза и т.д.
— Огромная доля утерянной энергии в правой части схемы. Утерянная энергия – это потери энергии (как правило в виде тепла) в связи с низкой производительностью. Особенно низкой производительностью отличается транспорт – двигатели используют лишь четверть энергии сжигаемого ими топлива.

Теперь давайте взглянем на Францию: 
How_to_tesla_6Некоторые мысли:
— куча ядерной энергии, соответственно, очень незначительная часть угля. Получается, Франция вырабатывает относительно немного CO2.
— транспорт, с другой стороны, обеспечивается нефтью, как и у всех остальных стран.
— кроме того, Франция является отличным примером одного важного аспекта, который мы не станем в деталях обсуждать в нашем посте.

Ископаемое топливо играет огромную роль в геополитических тёрках. Если выживание страны зависит от прихоти другой страны – возникает взрывоопасная ситуация. Таким образом, необходимость импорта ископаемого топлива является одной из наиболее существенных причин современной взаимозависимости стран друг от дружки. Франция полностью зависит от нефти для обеспечения собственных транспортных нужд, что ставит её в уязвимое положение. США в этом плане не так уж и зависима. Каких-то десять лет назад мы всё ещё полагались на другие страны для обеспечения 60% потребностей в нефти, но с тех пор мы попали в тройку лидеров стран-производителей нефти. EIA прогнозирует, что импорт будет покрывать лишь 21% от всех потребностей США в нефти. Любопытно, что только 12,5% нефти поступает в США из Саудовской Аравии, а 20% вообще из всей зоны Персидского залива. Гораздо больше импортируется из стран западного полушария – 37% из Канады, 9% из Мексики и ещё столько же из Венесуэлы. 

А как насчёт Китая?

How_to_tesla_6Китай – энергетический монстр, по большей части из-за того, он ещё и индустриальный монстр. Также китайцев можно назвать угле-сжигающим чудовищем – их потребление составляет половину от мирового потребления угля в целом за каждый год. Потребление угля на отметке в 57000 ПДж это безумство – в 5 раз больше всей потребляемой энергии Франции. 

Саудовская Аравия:

How_to_tesla_6Не особо блещут разнообразием в этом плане. 

У Северной Кореи дела ожидаемо обстоят весьма причудливо:

How_to_tesla_6При желании можете сами взглянуть на доклад целиком и узнать про остальные страны. 

Перенесёмся в 2013 год и взглянем на распределение энергии в США. Единица измерения тут будет иная. Один quad = 1 квадриллиону BTU (британских термических единиц), что соответствует 1000 петаджоулей.

How_to_tesla_6Очевидными становятся два момента: 

  • США стали крупнейшим в мире чудовищем-пожирателем природного газа. 
  • США ещё более чудовищный потребитель нефти – практически в два раза больший по сравнению с Китаем, который занимает второе место в мире. И в четыре раза больший, чем Япония, оказавшаяся на третьем месте в списке. 

Для сравнения и лучшего понимания объёмов энергии потребляемой США каждому штату я нашёл эквивалентную страну с таким же уровнем энергетической потребности:

How_to_tesla_6Каждому штату соответствует страна равная по годовому потреблению энергии.

А теперь предлагаю вспомнить к чему мы вообще стали изучать все эти схемы изначально. Мы хотели выяснить, каким же образом мы сумеем перебраться из чёрной зоны графика, соответствующей эре ископаемого топлива, в жёлтую. Национальная лаборатория в Ливерморе (Калифорния) также составила график, показывающий углеродные выбросы США и их источники. США находятся на втором месте в мире по объёмам углеродных выбросов (Китай занимает первое место с выбросами на 50% больше чем США) и мировым лидером по транспортным выбросам – поэтому давайте для начала определимся как же мы можем исправить ситуацию. 

Для вылезания из чёрной зоны в жёлтую следует избавиться от углеродных выбросов. Глядя на график выбросов США, я вижу две кричащие цифры:
How_to_tesla_6Многое должно свершиться для перехода в жёлтую зону, но две отмеченные на графике цифры, составляющие 72% всех выбросов США, кажутся наиболее значимыми и неотложными для решения проблемами: 

1) Генерирование электричества в мире составляет примерно 40% всех энергетических потребностей, и около двух третей производства электричества приходится на сжигание углерод-выбрасывающего ископаемого топлива – в особенности угля. Или говоря проще:производство электричества велико и в большей части грязно. 
2) На транспорт приходится огромный кусок потребляемой в мире энергии, около трети в развитых странах, и практически весь транспорт мира движется за счёт нефти. Проще говоря – энергетические нужды транспорта велики и практически полностью грязные. До сих пор мы глядели на всё это на большом отдалении. Пришло время сконцентрировать наш взор на второй значимой упомянутой выше проблеме – на проблеме транспорта, а в особенности автомобильного транспорта. Вообще транспорт включает в себя самолёты, поезда, корабли, грузовики и машины, но машины являются причиной гораздо большего углеродного выброса, чем все остальные упомянутые виды транспорта вместе взятые. И без отсутствия существенных перемен в потреблении нефти углеродные выбросы от автомобилей по прогнозам вырастут на 50% к 2030 году. Сфокусировав своё внимание на этом значимом кусочке мозаики (автомобильных выбросах), исследовав историю того, как автомобили со временем превратились в проблему, почему они до сих пор продолжают являться проблемой, и изучив способы разрешения данной проблемы, мы сможем лучше понять в чём вообще заключаются сложности.

Обсуждение закрыто.