Глава 5 энергия океана

Колоссальные запасы энергии аккумулирует Мировой океан. Ее проявле­ние встречается в самых разных формах: в виде приливов и отливов, в неисто­вой пляске штормовых волн и пришедшей за тысячи километров океанской зыби, в виде океанских течений, обеспечивающих теплом некоторые при­брежные страны, как градиенты температуры между поверхностными и глу­бинными слоями воды, градиенты солености между пресными водами в усть­ях стекающих рек и соленой морской водой и т.д. Каждая из этих форм обладает своим энергетическим потенциалом (таблица 5.1), а его совокуп­ность выражается в энергии океана [97].

5.1. энергия приливов и течений

Загадочное ранее природное явление — ритмичное движение морских вод в виде приливов и отливов — объясняется притяжением Луны и Солнца, а также центробежными силами, возникающими при вращении Земли. Меньшая по массе Луна оказывает на водную поверхность океана значительно большее воздействие, чем Солнце, которое удалено от Земли в 400 раз больше по срав­нению с Луной. Деформированная под воздействием гравитационного поля Луны область океана перемещается при вращении Земли и вызывает прилив­ную волну. Изменение уровня океана происходит с суточным периодом 24 ча­са 50 минут и с полусуточным, равным 12 часам 25 минутам. Высота прилив­ной волны зависит от многих факторов: особенностей движения небесных тел, характера береговой линии, расположения места наблюдения в открытом океане или у побережья, глубины воды и т.д. Даже в одном и том же месте высота приливной волны в течение месяца неодинакова. В разных местах зем­ного шара она колеблется в пределах 0,5-20 м.

Течения. Мировой океан подвижен не только на поверхности. В его тол­ще в различных районах существуют мощные теплые и холодные течения. Привлекает внимание Гольфстрим, зарождающийся у берегов Центральной Америки и омывающий берега Западной и Северной Европы. Средний расход воды этого течения во Флоридском проливе составляет 25 млн м³ в секунду и превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара в 20 раз. Мощность Гольфстрима в этом районе оценивается в 50000 МВт. Однако лишь часть — до 10% — этой мощности можно направить на генерирование электроэнергии. Японские исследователи пытаются преобразовать энергию течения Куросио, в других странах работы проводятся на местных течениях.

Волны. Разрушенные берега, унесенные в море песчаные и галечные пляжи, ис­кореженные железобетонные прибрежные конструкции, громадные океанские суда с разломанным корпусом или выброшенные на скалы — такими мы ви­дим последствия проявления энергии, которую природа вложила в волны. Че­ловечество не только защищается от разрушительного действия морских волн, но и пытается с пользой для себя преобразовать их энергетический потенциал.

В морских волнах концентрируется энергия ветра, дующего над океан­скими просторами. Энергия волны зависит от таких параметров, как длина и период волны, ее амплитуда. Период волны измеряется временем между появ­лением двух последовательных гребней волны в заданном районе. Длина вол­ны L связана с ее периодом Т следующим выражением:

Расчеты показывают, что волна высотой Н=1 м с периодом 5 с имеет мощность около 2,5 кВт/м, а мощность двухметровой волны с тем же перио­дом— 22,1 кВт/м.

Период ветровых волн меняется от 2 до 20 с, а гребень иногда поднимается на высоту до 30 м. Такие громадные волны наблюдались в 1933 и 1937 годах.

В отличие от звуковых и электромагнитных волн скорость морских волн не является постоянной. Она возрастает с увеличением периода, и поэтому одна волна может догнать другую, имеющую меньший период. Новая волна в этот момент будет больше каждой отдельной.

Время существования даже самой большой волны не превышает 2 минут. Для некоторых морей хорошо изучена энергетика волн. Так, среднегодовая удельная мощность волн для Великобритании составляет 70 кВт/м, в Север­ной Атлантике — 40-80 кВт/м, на побережье Индии 50-90 кВт/м, для Каспий­ского моря 7-11 кВт/м, Баренцева — 22-29 кВт/м, Охотского 12-20 кВт/м.

Одно из важнейших воздействий гидроэнергетики связано с отчуждением значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. В России, где за счет использования гидроресурсов производится не более 20% электрической энергии, при строительстве ГЭС затоплено не менее 6 млн. га земель. На их месте уничтожены естественные экосистемы.

Значительные площади земель вблизи водохранилищ испытывают подтопление в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как правило, переходят в категорию заболоченных. В равнинных условиях подтопленные земли могут составлять 10% и более от затопленных. Уничтожение земель и свойственных им экосистем происходит также в результате их разрушения водой (абразии) при формировании береговой линии. Абразионные процессы обычно продолжаются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ. Таким образом, со строительством водохранилищ связано резкое нарушение гидрологического режима рек, свойственных им экосистем и видового состава гидробионтов. Так, Волга практически на всем протяжении (от истоков до Волгограда) превращена в непрерывную систему водохранилищ.

Ухудшение качества воды в водохранилищах происходит по различным причинам. В них резко увеличивается количество органических веществ как за счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие растительные остатки, гумус почв и т. п.), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена. Это своего рода отстойники и аккумуляторы веществ, поступающих с водосборов.

В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что интенсифицирует потерю ими кислорода и другие процессы, обусловливаемые тепловым загрязнением. Последнее, совместно с накоплением биогенных веществ, создает условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в том числе и ядовитых сине-зеленых (цианей). По этим причинам, а также вследствие медленной обновляемости вод резко снижается их способность к самоочищению. Ухудшение качества воды ведет к гибели многих ее обитателей. Возрастает заболеваемость рыбного стада, особенно поражение гельминтами. Снижаются вкусовые качества обитателей водной среды.

Нарушаются пути миграции рыб, идет разрушение кормовых угодий, нерестилищ и т. п. Волга во многом потеряла свое значение как нерестилище для осетровых Каспия после строительства на ней каскада ГЭС.

В конечном счете, перекрытые водохранилищами речные системы из транзитных превращаются в транзитноаккумулятивные. Кроме биогенных веществ, здесь аккумулируются тяжелые металлы, радиоактивные элементы и многие ядохимикаты с длительным периодом жизни. Продукты аккумуляции делают проблематичным возможность использования территорий, занимаемых водохранилищами, после их ликвидации. Имеются данные, что в результате заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50-100 лет после их строительства. Например, подсчитано, что большая Асуанская плотина, построенная на Ниле в 60-е годы, будет наполовину заилена уже к 2025 году. Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энергетическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой территориальной емкостью равнинных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будет превышать 5% от общей.

Водохранилища оказывают заметное влияние на атмосферные процессы. Например, в засушливых районах испарение с поверхности водохранилищ превышает испарение с равновеликой поверхности суши в десятки раз. Только с каскада Волжско-Камских водохранилищ ежегодно испаряется около 6 км3. Это примерно 2-3 годовые нормы потребления воды Москвой. С повышенным испарением связано понижение температуры воздуха, увеличение туманных явлений. Различие тепловых балансов водохранилищ и прилегающей суши обусловливает формирование местных ветров типа бризов. Эти, а также другие явления имеют следствием смену экосистем (не всегда положительную), изменение погоды. В ряде случаев в зоне водохранилищ приходится менять направление сельского хозяйства. Например, в южных районах нашей страны некоторые теплолюбивые культуры (бахчевые) не успевают вызревать, повышается заболеваемость растений, ухудшается качество продукции.

Издержки гидростроительства для среды заметно меньше в горных районах, где водохранилища обычно невелики по площади. Однако в сейсмоопасных горных районах водохранилища могут провоцировать землетрясения. Увеличивается вероятность оползневых явлений и вероятность катастроф в результате возможного разрушения плотин. Так, в 1960 г. в Индии (штат Гунжарат) в результате прорыва плотины вода унесла 15 тысяч жизней людей.

5.3. аккумулированная тепловая энергия

Мощный поток солнечного излучения, падающий на поверхность океана, аккумулируется громадной массой воды естественного накопителя. Гидроло­гические исследования показали, что между поверхностными и глубинными (до 1000 м) слоями воды устанавливается разность температур, равная в эква­ториальных районах океана 25—30 К, т.е. почти такая же, как нормальная гео­термальная ступень в земной толще.

Эта разность температур существует и на российском побережье Север­ного Ледовитого океана в устьях крупных сибирских рек. В течение многих холодных месяцев температура воздуха на 30-35 К ниже, чем подледной во­ды. Таким образом, на базе этих двух неисчерпаемых источников с различны­ми температурами заманчиво создать тепловой двигатель. Термодинамическая эффективность подобного двигателя невысока: идеальный цикл Карно в пре­делах указанных температур не превышает 7%. Однако безграничные воз­можности океана побуждают исследователей и конструкторов работать над совершенствованием энергетических установок.

Дата добавления: 2015-11-26