№ 4 (22) / 2025
Сергей Владимирович Алексеенко,
академик РАН, лауреат Международной премии «Глобальная энергия», председатель Национального комитета РАН по тепломассообмену, научный руководитель Института теплофизики СО РАН
Дорогие друзья! Сегодня мы вступаем в эпоху больших, а точнее, глобальных изменений. Вне всяких сомнений, сейчас перед человечеством стоят две глобальные взаимосвязанные проблемы – изменение климата, выражающееся в глобальном потеплении, и развитие мировой энергетики, тесно связанное с изменением климата. Дополнительные сложности обусловлены проявлением целого ряда одновременно появившихся мировых и региональных проблем. В случае России – это санкционное давление, которое привело к запрету использования большинства современных передовых зарубежных технологий и оборудования. В таких условиях практически невозможно в мировом сообществе принимать согласованные решения как в сфере изменения климата, так и в сфере надежного энергообеспечения. Эти темы неоднократно обсуждались на страницах журнала «Юниор». Но сегодня мы коснемся самых крайних проявлений изменения климата – экстремальных климатических явлений, и самых революционных подходов в разработке энергетических технологий, способных в недалеком будущем решать указанные проблемы. И, конечно, обсудим роль молодого поколения, как выбирать актуальные задачи, как принимать решения. Расскажу и о своем опыте и своих взглядах.
Прежде всего, хочется пояснить, почему я считаю указанные проблемы наиболее актуальными и жизненно важными. В Совете по приоритетному направлению «Энергетика», который был создан в рамках реализации Стратегии научно-технологического развития РФ от 2016 г., я полностью отвечаю за научно-технологические проекты в сфере возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Чтобы принимать ответственные и обоснованные решения, пришлось разбираться в тончайших механизмах изменения климата, его последствиях и способах реагирования на эти изменения. Как теперь стало понятно, глобальное потепление обусловлено антропогенными выбросами парниковых газов (углекислый газ, метан и другие). Преобладающий вклад в эмиссию парниковых газов вносит энергетика на органическом топливе, откуда следует необходимость перехода на низкоуглеродную энергетику, и чем объясняется столь высокий интерес к новым энергетическим технологиям. А теплофизика (моя специальность) лежит в основе всех энергетических технологий. Очень непросто разбираться в климатических проблемах вследствие грандиозности задачи. Публикуется невероятное количество статей по климату. Достаточно сказать, основной документ – последний отчет МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) всего лишь по разделу Рабочей группы 1 содержит 4 тыс. страниц, у которых 4 тыс. авторов! А ситуация меняется непрерывно. Новейшие данные и взгляды мы и пообсуждаем.
Как правило, мы говорим о глобальном потеплении, имея в виду повышение средней температуры поверхности Земли по сравнению с доиндустриальным периодом примерно на полтора градуса сегодня и еще на несколько градусов до 2100 года, в зависимости от действий сообщества. Но никто в принципе не может ощутить на себе такие слабые изменения средней температуры. Реально глобальное потепление ощущается через рост экстремальных климатических явлений, чему и начали уделять повышенное внимание. Условно я бы выделил три уровня: экстремальные погодные явления, переломные моменты (tipping points по-английски) и климатические катастрофы. Они различаются, прежде всего, по масштабу.
Экстремальное явление определяется как погодное или климатическое явление, которое редко встречается в определенном месте (а иногда и в определенное время года), например, аномальная жара, аномальный холод, проливные дожди, периоды засухи и наводнений, сильные штормы, смерчи и др. Антропогенное изменение климата уже влияет на многие метеорологические и климатические экстремальные события во всех регионах земного шара. Практически достоверно, что явления экстремальной жары стали более частыми и более интенсивными в большинстве регионов суши с 1950-х гг., в то время как явления экстремального холода (включая волны холода) стали менее частыми и менее суровыми. Ввиду множества факторов, влияющих на климатические явления, очень трудно определить их причину. В связи с этим недавно появилось понятие «Атрибуция (Attribution)», что означает процесс оценки относительного вклада нескольких причинно-следственных факторов в изменение или событие с присвоением статистической достоверности.
В последние годы новые достижения связаны с рассмотрением динамики климатической системы Земли. Климатическая система является вынужденной, диссипативной, хаотичной системой, которая далека от равновесия, и ее сложная естественная изменчивость возникает в результате взаимодействия положительных и отрицательных обратных связей, а также неустойчивостей. Для меня такие задачи представляют особый интерес, поскольку в теплофизике вопросы конвективного теплообмена напрямую связаны с развитием неустойчивостей, возникновением нелинейных волн, вихреобразованием, фазовыми переходами как в природных процессах, так и в энергетическом оборудовании – теплообменниках, камерах сгорания, конденсаторах, двигателях. В первые годы моей научной работы я занимался изучением волн на стекающих пленках жидкости, впервые была вскрыта природа волн на пленках, доказано влияние волн на интенсификацию тепломассообмена. А пленочные течения являются основными режимами двухфазных потоков в тепловых и атомных электростанциях, а также встречаются во многих природных процессах. Еще интереснее были исследования вихревых явлений, особенно концентрированных вихрей типа смерчей или торнадо, которые имеют прямое отношений к экстремальным климатическим явлениям и объясняют вообще многие климатические процессы. В технических устройствах организация вихреобразования (и, соответственно, турбулизации) относится к основным способам интенсификации процессов переноса. Особо важно отметить возможность экспериментального моделирования природных явлений в лабораторных условиях. Таким образом, надо всегда помнить о взаимодействии разных наук и возможности взаимообогащения знаниями и методиками. А это означает – не замыкаться на своих узких задачах, смотреть шире, но, конечно, и вглубь. И не бояться браться за новые задачи.
В продолжение вышеприведенного, если говорить о философии жизни, я бы высказался так. Для меня жизнь складывается из трех составляющих: семья, работа и хобби. Последнее очень важно, именно хобби позволяет нам реализовать весь творческий потенциал, переключить мозг на другой вид деятельности, заставив его работать более интенсивно. Мои увлечения – это спортивные занятия, путешествия и фотография. В Институте теплофизики сейчас вы можете увидеть выставку моих фотографий, сделанных во время экспедиции с коллегами из нашего Института на плато Путорана (к востоку от Норильска). В последние годы были осуществлены также походы и экспедиции на Камчатку и остров Парамушир с действующим вулканом Эбеко; Национальный парк Йеллоустоун (США); Долину Смерти (США) с ее экстремально высокими температурами; Исландию с ее вулканами, лавовыми полями и геотермальными источниками. Все эти поездки давали возможность своими глазами увидеть особые природные явления, которые отмечены и в данной статье. И, конечно, такие путешествия вдохновляют работать над новыми научными задачами, поскольку в них получаем много новой информации и впечатлений. Без творчества нет науки.
Продолжая обсуждение экстремальных явлений, отметим возможность некоторых необычных событий, которые кажутся фантастикой или даже сказкой. Но они вполне вероятны, и их анализ способствует пониманию возможной эволюции земного климата.
На основании даже относительно простых моделей энергетического баланса атмосферы продемонстрировано очень сложное поведение климатической системы Земли. Особо отметим наличие бистабильности климатической системы Земли благодаря положительной обратной связи лед-альбедо. Альбедо означает коэффициент отражения земной поверхности, который очень сильно меняется. Теплое состояние и состояние снежного кома (snowball) соответствуют двум устойчивым состояниям системы, разделенным неустойчивым. Нынешний климат соответствует состоянию warm. Впервые две такие модели были представлены независимо друг от друга Будыко (1969) в Советском Союзе и Sellers (1969) в США. Особенность этих результатов – климат Земли очень близок к так называемой точке бифуркации, когда снижение инсоляции на несколько процентов может привести к переходу Земли в необратимое состояние snowball, когда вся поверхность покрыта льдом. А инсоляция может уменьшиться как за счет природных процессов (извержение вулканов), так и из-за антропогенных аэрозолей (к примеру, вследствие огромного количества ядерных взрывов).
Приведенные выше результаты принципиально важны, поскольку многие крупномасштабные экстремальные климатические явления подчиняются похожим закономерностям. Среди таких явлений – tipping points или переломные моменты. Это новое понятие. Термин «переломный момент» относится к критическому порогу, при котором крошечное возмущение может качественно изменить состояние или развитие климатической системы. Как правило, переломные моменты приводят к необратимым явлениям и катастрофическим последствиям в изменении климата, с чем и связано такое название. Понятие «переломный момент» позаимствовано из социальных наук. На сегодня насчитывается 16 переломных моментов.
Наверное, самый известный пример переломного момента – Гольфстрим, который формируется за счет термохалинной циркуляции, связанной с соленостью морской воды. При превышении температурного порога в 4°C поворот Гольфстрима произойдет раньше вследствие таяния арктических льдов, что приведет к необратимому похолоданию в Северной Европе, возможно даже на (4–10)°C. Выводы иллюстрируются рисунками.
Термохалинная циркуляция и изменение средней температуры в сценарии удвоения CO2, при котором Гольфстрим не проникнет в Северную Атлантику
Насколько реальны столь крупномасштабные экстремальные климатические явления, включая катастрофы типа состояния snowball? Как известно, в истории Земли было множество ледниковых периодов (см. рисунок, где синим цветом отмечены температуры ниже сегодняшней). Предполагается, что состояние snowball имело место в период следующих оледенений: Мариноанское оледенение 640–635 млн лет назад; Стертовское оледенение 720–710 млн лет назад; Гуронское оледенение 2,4–2,1 млрд лет назад. Правда, возникает вопрос. А каков механизм выхода из необратимого состояния snowball? Наиболее вероятный ответ – интенсивный вулканизм приводит к образованию дополнительных парниковых газов и, соответственно, к глобальному потеплению, что наглядно демонстрируется карбонатно-силикатным циклом, который является естественным термостатом Земли. Но есть и примеры действительно необратимого оледенения – Марс, который быстро остыл из-за малой массы, вследствие чего вулканическая деятельность давно прекратилась.
Температура Земли с момента ее образования
Другой пример крупномасштабной катастрофы – плато Путорана, которое расположено к востоку от г. Норильска и занимает площадь около 250 тыс. км². Плато образовалось после извержения супервулкана 252 млн лет назад, вызвавшего Великое пермское вымирание. Лава, извергавшаяся в течение 60 лет, сформировала базальтовые породы и космические виды, изображенные на фото из наших экспедиций. Нечто подобное ожидается после возможного извержения лавы из кальдеры Йеллоустоуна в США, хотя специалисты считают маловероятным такое событие в обозримом будущем (см. фото из наших поездок).
Плато Путорана
Из-за особой опасности и слабой предсказуемости экстремальных климатических явлений, конечно, крайне важно иметь перспективные и надежные источники энергии, предотвращающие столь опасные для человечества события. Поэтому очень много мероприятий проводится по обсуждению наиболее приемлемых подходов в развитии низкооуглеродной энергетики. В связи с этим наибольшие надежды в будущей энергетике связываются с безуглеродными технологиями, среди которых выделяется геотермальная энергетика как наиболее экологически чистая и обладающая наибольшими ресурсами в виде тепла сухих пород на больших глубинах (петротермальная энергия).
Национальный парк Йеллоустоун, США
Можно даже констатировать, что петротермальной энергии достаточно, чтобы навсегда обеспечить человечество энергией! Но огромной преградой является стоимость бурения скважин на глубины 5–10 км. Доля капвложений в строительство петротермальных ГеоЭС доходит до 70 % и более. Однако довольно неожиданно возникли новые, буквально революционные, идеи в бурении, существенно снижающие его стоимость. Только этот подход мы и рассмотрим сейчас как наиболее важный в плане развития геотермальной энергетики, а также с точки зрения интересов читателей журнала «Горная промышленность «Юниор».
Вулкан Эбеко на острове Парамушир, в окрестности которого расположены сверхгорячие породы
Горный Алтай, река Катунь. Регион внедрения передовых технологий на базе ВИЭ
Новая концепция называется Superhot Rock (сверхгорячие породы). Тепло добывается на глубине 10–25 км или вблизи резервуаров магмы, что позволяет получать сверхкритические флюиды. Предлагается революционный подход к сверхглубокому бурению – технология Quaise Inc., основанная на применении миллиметровых волн (MMW). MMW генерируются гиротроном и направляются к горячей породе по волноводам. Мировой лидер в разработке гиротронов – Н. Новгород (академик А.Г. Литвак). Возможно обеспечить тепловую мощность >120 МВт на скважину. Это в 5–10 раз больше энергии, чем обычно производится сегодня из обычной геотермальной системы, и это повышение плотности энергии может сделать геотермальную энергию конкурентоспособной с нефтью и газом. Глубинное бурение с помощью традиционной технологии приводит к затратам более 5 000 долларов за метр (4 млрд руб. на скважину глубиной 10 км). Бурение MMW позволяет достичь вдвое большей глубины при затратах на бурение около 1 000 долларов за метр. На фото показан образец бурения гранита миллиметровыми волнами (эксперимент Института прикладной физики РАН, 2025).
Международный форум в Шанхае по термальным наукам
На Международном форуме в Президентской академии по обсуждению роли науки в решении проблем климата и энергетики (2025)
На саммите по малой энергетике в Бангкоке (Таиланд) под эгидой ООН
Для натурных испытаний требуется гиротрон мощностью 1 МВт. В России есть значительные ресурсы сверхгорячих пород (см. карту), располагаются они преимущественно на Дальнем Востоке и в Сибири. Всего 1 % геотермального запаса сверхгорячих пород России в 48 раз превышает потребление электроэнергии страны в 2021 г. Но эти данные надо уточнять!
Образец бурения гранита миллиметровыми волнами
Подводя итог нашему разговору о климатических экстремальных и катастрофических явлениях, которые особо опасны для человечества, и исходя из обзора перспективных энергетических технологий, способствующих решению климатических проблем, все же следует сделать вывод: изменение климата – это вызов, а не катастрофа! Но этот вызов надо принимать, а не констатировать. Надежда на вас, будущих специалистов в сфере горных наук, геофизики, горной теплофизики!
Карта России с указанием глубин, ниже которых температура превышает 4500С
