Основы научных знаний о Земле

Первая называется сферической – гало, ее звезды концентрируются к центру галактики, а плотность вещества, высокая в центре галактики, довольно быстро падает с удалением от него. Центральная, наиболее плотная часть гало в пределах нескольких тысяч световых лет от центра Галактики называется балдж. В самом центре гало находится наиболее компактная область Галактики - ядро. В ядре высокая концентрация звезд: в каждом кубическом парсеке находятся тысячи звезд. В окрестностях Солнца, в диске, на границе балджа с внешней частью Галактики одна звезда приходится на 16 парсеков³.

Вторая подсистема – это массивный звездный диск. Он представляет собой как бы две сложенные краями тарелки. В диске концентрация звезд значительно больше, чем в гало. Звезды внутри диска движутся по круговым траекториям вокруг центра Галактики. В звездном диске между спиральными рукавами расположено Солнце.

По сравнению с гало диск вращается заметно быстрее. Скорость вращения диска не одинакова на различных расстояниях от центра.

Размеры Галактики:

– диаметр диска Галактики около 30 кпк (100000 световых лет),

– толщина – около 1000 световых лет.

В диске находятся спиральные ветви (рукава). Молодые звезды и очаги звездообразования расположены, в основном, вдоль рукавов.

Диск и окружающее его гало погружены в корону.

Солнце расположено очень далеко от ядра Галактики – на расстоянии 8 кпк (около 26000 световых лет).

Все межзвездное пространство заполнено веществом (оно было открыто сразу после изобретения телескопа). По современным представлениям, основным компонентом межзвездной среды является газ, состоящий из атомов и молекул. Он перемешан с пылью, на долю которой приходится около 1% массы межзвездного вещества. Это вещество пронизывается быстрыми потоками элементарных частиц - космическими лучами - и электромагнитным излучением. Межзвездная среда оказалась немного намагниченной.

Оптические телескопы не дают полного представления о межзвездной среде: с их помощью видны лишь горячие облака, нагретые массивными звездами, или маленькие темные глобулы. На самом деле и те, и другие - довольно редкие образования.

Только созданные в 50-е годы радиотелескопы позволили обнаружить атомарный водород, заполняющий почти все пространство между звездами. Межзвездный газ более чем на 67% (по массе) состоит из водорода, на 28% из гелия и менее 5% приходится на все остальные элементы, самые обильные среди которых - кислород, углерод и азот.

Начавшиеся в 1970 г. ультрафиолетовые наблюдения с ракет и спутников позволили открыть главную молекулу межзвездной среды - водород. А при наблюдении межзвездного пространства радиотелескопами сантиметрового и миллиметрового диапазонов были обнаружены десятки других молекул, содержащих до 13 атомов. В их числе молекулы воды, аммиака, формальдегида, этилового спирта и даже аминокислоты глицина.

Около половины межзвездного газа содержится в молекулярных облаках. Их плотность в сотни раз больше, чем у облаков атомарного водорода, а температура всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Именно при таких условиях возникают неустойчивые к гравитационному сжатию отдельные уплотнения в молекулярном облаке массой порядка массы Солнца и становится возможным формирование звезд.

Окрестности Солнца - это объем Галактики, в котором доступными современной астрономии средствами можно наблюдать и изучать звезды разных типов. Как показывает практика, это "шар", который содержит около 1,5 тысяч звезд. Радиус этого шара - 20 парсек. В настоящее время в окрестностях Солнца исследованы все или почти все звезды за исключением совсем карликовых, излучающих очень мало света.

В непосредственных окрестностях Солнца - шаре радиусом около 5 парсек - исследованы абсолютно все звезды - их около 100.

Большинство среди них (почти две трети) - это очень слабые красные карлики с массой в 3-10 раз меньше, чем у Солнца. Звезды, похожие на Солнце, очень редки, их всего 6 %. Белых и желтоватых звезд массами от 1,5 до 2 солнечных вообще единицы. Более массивных звезд (астрономам известны звезды с массами примерно до 100 солнечных) в непосредственных окрестностях Солнца не найдено, что указывает на их большую редкость. Кроме живых звезд ученые обнаружили в этом объеме еще 7 белых карликов.

Слабый красный карлик Проксима (от лат. "ближайшая") - компонент тройной системы alpha-Центавра - сейчас считается ближайшей от Солнца звездой.

Расстояние до Проксимы - 1,31 пк, свет от нее до нас идет 4, 2 года. Будущие исследования покажут, насколько Проксима достойна своего имени и нет ли звезд, конечно более слабых, которые еще ближе к Солнцу.

Солнечная система представляет собой большую семью, состоящую из Солнца, планет и их спутников, комет, астероидов, большого количества пыли, газа и мелких частиц.

Если посмотреть на Солнечную систему как бы издалека, то можно увидеть, как около центральной звезды желтого цвета обращаются 9 планет. Солнце – это звезда, огромный газовый шар, в центре которого идут ядерные реакции. Основная доля массы Солнечной системы сосредоточена в Солнце – 99,8%. Именно поэтому Солнце удерживает гравитацией все объекты Солнечной системы, размеры которой не менее шестидесяти миллиардов километров.

Размеры орбит планет трудно представить на одном рисунке: настолько различны расстояния и размеры. Поэтому обычно сравнивают средние размеры и расстояния от Солнца планет земной группы, а потом – планет-гигантов. Совсем рядом с Солнцем обращаются четыре маленьких планеты, состоящие, в основном, из горных пород и металлов – Меркурий, Венера, Земля и Марс. Эти планеты называются планетами земной группы.

Между планетами земной группы и планетами-гигантами расположен пояс астероидов.

В 1804 году Ольберс высказал знаменитую гипотезу о разрыве гипотетической планеты Фаэтон между Марсом и Юпитером и образования астероидов – ее обломков.

Чуть дальше расположены четыре больших планеты, состоящие, в основном, из водорода и гелия. У планет-гигантов нет твердой поверхности, зато они имеют исключительно мощную атмосферу. Юпитер – самая большая из них. Далее следуют Сатурн, Уран и Нептун. Все планеты-гиганты имеют большое количество спутников, а также кольца. Изумительное по красоте кольцо имеет Сатурн.

Самой последней планетой Солнечной системы является Плутон, который по своим физическим свойствам ближе к спутникам планет-гигантов. За орбитой Плутона открыт так называемый пояс Койпера, второй пояс астероидов.

Различие планет по физическим свойствам, вероятно, обусловлено тем, что планеты земной группы формировались из протопланетного облака рядом с Солнцем. Именно поэтому в них много более тяжелых элементов, металлов, например железа. Планеты-гиганты формировались на более далеких расстояниях от Солнца, поэтому, в основном, состоят из легких элементов.

Солнце – ближайшая к нам звезда. Расстояние до него по астрономическим меркам невелико: лишь 8 минут идет свет от Солнца до Земли. Но как повезло нам, жителям Земли!

Солнце – это не заурядный желтый карлик, как раньше было принято говорить. Это звезда, около которой есть планеты, содержащие много тяжелых элементов, на одной из которых – Земле – возникла жизнь.

Пять миллиардов лет – возраст нашего Солнца.

Солнце – звезда, вокруг которой обращается наша планета. Среднее расстояние от Земли до Солнца, т.е. большая полуось орбиты Земли, составляет 149,6 млн. км = 1 а.е. (астрономическая единица).

Солнце является центром нашей планетной системы, в которую кроме него входят 9 больших планет, несколько десятков спутников планет, несколько тысяч астероидов (малых планет), кометы, метеорные тела, межпланетные пыль и газ.

Общие сведения о Солнце:

Масса	2∙1030 кг
Радиус	696 000 км
Средняя плотность	1 400 кг/м3
Среднее расстояние от Земли	149,6 млн. км
Период вращения	25,380 суток
Светимость	3,86∙10²⁶ Вт
Видимая звездная величина	–26,75m
Спектральный класс	G2 V
Эффективная температура поверхности	5 780 К
Возраст	около 5 млрд. лет

Размеры Солнца очень велики. Так, радиус Солнца в 109 раз, а масса – в 330000 раз больше радиуса и массы Земли. А вот средняя плотность нашего светила невелика – всего в 1,4 раза больше плотности воды.

Полное количество энергии, излучаемой Солнцем, составляет L = 3,86∙1033 эрг/с = 3,86∙1026 Вт. Это соответствует 6,5 кВт с каждого квадратного сантиметра его поверхности! Лишь одну двухмиллиардную часть этой энергии получает Земля.

Наша планета – Земля – движется вокруг Солнца по близкой к круговой орбите, радиус которой – 149,6 млн. км – принят за 1 астрономическую единицу. Период обращения по орбите составляет 365,256 земных суток или 1 год. Средний период вращения вокруг оси – звездные сутки – 23h56m4,099s. Наклон земного экватора к орбите составляет 23 27' и обеспечивает смену времен года.

Масса Земли равна М = 5,974∙1024 кг, средняя плотность 5,515 г/см³. Экваториальный радиус планеты составляет R = 6378 км. Земля имеет грушевидную форму, называемую геоидом. Сжатие составляет 0,0034 (полярный радиус равен R = 6356 км). Сплюснутость Земли с полюсов объясняется вращением.

Ускорение свободного падения на поверхности составляет, в среднем, g = 9,78 м/с²: у полюсов больше, на экваторе меньше.

Согласно современным космогоническим представлениям, Земля образовалась 4,5 миллиарда лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве холодного газопылевого вещества, содержавшего все известные в природе химические элементы.

Падение крупных сгустков вещества вызывало нагрев прото-Земли и ее расслоение. Тяжелые железосодержащие породы опускались глубже, за несколько сотен миллионов лет формируя ядро, легкие каменистые породы образовывали кору. Гравитационное сжатие и радиоактивный распад еще больше разогревали внутренние области нашей планеты.

Из-за убывания температуры от центра Земли к поверхности возникали очаги напряженности на границе с корой. Их результатами и по сей день являются землетрясения и дрейф материков.

Атмосфера и гидросфера выделились из недр нашей планеты, поскольку вода и газы входили в состав земных пород. Кислород появился в атмосфере из воды в результате фотодиссоциации, а впоследствии из-за фотосинтеза.

В 1912 году, сравнивая очертания береговой линии Африки и Южной Америки, немецкий ученый Альфред Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа континентов. Она была подтверждена исследованием дна океана и магнитных свойств лавовых потоков на поверхности.

В 1960 году американский геолог Гарри Хесс предположил, что горячая мантия поднимается под срединно-океаническими хребтами, распространяется в стороны от них, разрывая и расталкивая литосферные плиты. Вещество мантии заполняет образовавшиеся трещины – рифты. «Уничтожение» же участков поверхности Земли происходит, скорее всего, вблизи океанских желобов.

Сейчас считается, что 300–200 миллионов лет назад существовал единый суперматерик Пангея. Затем он распался на части, которые сформировали нынешние материки.

Дальнейшее остывание Земли приведет к прекращению тектонической деятельности. Эрозия сотрет горы, и поверхность Земли станет плоской и покроется океаном. Из-за увеличения светимости Солнца в далеком будущем океан испарится, обнажив ровную безжизненную пустыню.

2. Природные ресурсы и их классификация

"Природные ресурсы" – одно из наиболее часто употребляемых в литературе понятий. В Краткой географической энциклопедии под таким термином обозначаются "...элементы природы, используемые в хозяйстве, являющиеся средствами существования человеческого общества: почвенный покров, полезные дикие растения, животные, полезные ископаемые, вода (для водоснабжения, орошения, промышленности, энергетики, транспорта), благоприятные климатические условия (главным образом, тепло и влага осадков), энергия ветра" (т. 3, с. 299).

Более общим является определение, данное А. А. Минцем (1972, с. 27): "естественные ресурсы... тела и силы природы, которые на данном уровне развития производительных сил и изученности могут быть использованы для удовлетворения потребностей человеческого общества в форме непосредственного участия в материальной деятельности".

Природные ресурсы – пространственно-временная категория; их объем разный в различных районах земного шара и на разных стадиях социально-экономического развития общества.

Природные ресурсы – это природно-хозяйственная категория. В связи с двойственным характером понятия "природные ресурсы", отражающим их природное происхождение, с одной стороны, и хозяйственную, экономическую значимость — с другой, разработаны и широко применяются в специальной и географической литературе несколько классификаций.

I. Классификация природных ресурсов по происхождению.

Природные ресурсы (тела или явления природы) возникают в природных средах (водах, атмосфере, растительном или почвенном покрове и т. д.) и в пространстве образуют определенные сочетания, меняющиеся в границах природно-территориальных комплексов. На этом основании они подразделяются на две группы: ресурсы природных компонентов и ресурсы природно-территориальных комплексов.

1. Ресурсы природных компонентов. Каждый вид природного ресурса обычно формируется в одном из компонентов ландшафтной оболочки. Он управляется теми же природными факторами, которые создают данный природный компонент и влияют на его особенности и территориальное размещение. По принадлежности к компонентам ландшафтной оболочки выделяют ресурсы:

1) минеральные,

2) климатические,

3) водные,

4) растительные,

5) земельные,

6) почвенные,

7) животного мира.

Эта классификация широко употребляется в отечественной и зарубежной литературе. При использовании приведенной классификации основное внимание уделяется закономерностям пространственного и временного формирования отдельных видов ресурсов, их количественным и качественным характеристикам, особенностям их режима, объемам естественного восполнения запасов. Научное понимание всего комплекса естественных процессов, участвующих в создании и накоплении природного ресурса дает возможность выявить предельные объемы изъятия ресурса из природной среды, не допуская его истощения или ухудшения качества. Например, точное представление об объемах ежегодного прироста древесины в лесах определенного района позволяет рассчитать допустимые нормы рубок. При строгом контроле за соблюдением этих норм истощения лесных ресурсов не происходит.

2. Ресурсы природно-территориальных комплексов. Выделяются природно-ресурсные территориальные комплексы по наиболее предпочтительному виду хозяйственного освоения. Они делятся на:

1) горно-промышленные,

2) сельскохозяйственные,

3) водохозяйственные,

4) лесохозяйственные,

5) селитебные,

6) рекреационные и др.

Каждый ландшафт (или природно-территориальный комплекс) обладает определенным набором разнообразных видов природных ресурсов. В зависимости от свойств ландшафта, его места в общей структуре ландшафтной оболочки, сочетания видов ресурсов их количественные и качественные характеристики меняются очень существенно, определяя возможности освоения и организации материального производства. Часто возникают такие условия, когда один или несколько ресурсов определяют и правление хозяйственного развития целого региона.

II. Классификация по видам хозяйственного использования.

Использование только одной классификации видов ресурсов по их происхождению недостаточно, так как она не отражает экономического значения ресурсов и их хозяйственной роли. Среди систем классификаций природных ресурсов, отражающих их экономическую значимость и роль в системе общественного производства, чаще применяется классификация по направлению и формам хозяйственного использования ресурсов.

Основной критерий подразделения ресурсов в этой классификации — отнесение их к различным секторам материального производства. По этому признаку природные ресурсы делятся на ресурсы промышленного и сельскохозяйственного производства.

1. Ресурсы промышленного производства. Эта подгруппа включает все виды природного сырья, используемые промышленностью. В силу очень большой разветвленности промышленного производства, наличия многочисленных отраслей, потребляющих разные виды природных ресурсов и соответственно выдвигающих к ним различные требования, виды природных ресурсов дифференцируются следующим образом:

1) энергетические, к которым относятся разнообразные виды ресурсов, используемых на современном этапе развития науки и техники для производства энергии:

а) горючие полезные ископаемые (нефть, угли, газ, уран, битуминозные сланцы и др.),

б) гидроэнергоресурсы — энергия свободно падающих речных вод, приливно-волновая энергия морских вод и др.,

в) источники биоконверсионной энергии — использование топливной древесины, производство биогаза из отходов сельского хозяйства,

г) ядерное сырье, используемое для получения атомной энергии;

2) неэнергетические, включающие подгруппу природных ресурсов, которые поставляют сырье для различных отраслей промышленности или же участвуют в производстве по технологической необходимости:

а) полезные ископаемые, не относящиеся к группе каустобиолитов,

б) воды, используемые для промышленного водоснабжения,

в) земли, занятые промышленными объектами и объектами инфраструктуры,

г) лесные ресурсы, поставляющие сырье для лесохимии и строительной индустрии,

д) рыбные ресурсы — относятся к данной подгруппе условно, так как в настоящее время добыча рыбы и обработка улова приобрели промышленный характер (А. А. Минц, 1972).

2. Ресурсы сельскохозяйственного производства. Они объединяют виды ресурсов, участвующих в создании сельскохозяйственной продукции:

а) агроклиматические — ресурсы тепла и влаги, необходимые для продуцирования культурных растений или выпаса скота;

б) почвенно-земельные ресурсы — земля и ее верхний слой — почва, обладающая уникальным свойством продуцировать биомассу, рассматриваются и как природный ресурс и как средство производства в растениеводстве;

в) растительные кормовые ресурсы — ресурсы биоценозов, служащие кормовой базой выпасаемого скота;

г) водные ресурсы — воды, используемые в растениеводстве для орошения, а в животноводстве — для водопоя и содержания скота.

Довольно часто выделяют также природные ресурсы непроизводственной сферы или непосредственного потребления. Это прежде всего ресурсы, изымаемые из природной среды (дикие животные, составляющие объект промысловой охоты, дикорастущие лекарственные растения), а также ресурсы рекреационного хозяйства, ресурсы заповедных территорий и ряд других.

III. Классификация по признаку исчерпаемости.

При учете запасов природных ресурсов и объемов их возможного хозяйственного изъятия пользуются представлениями об исчерпаемости запасов. А. А. Минц предложил называть классификацию по этому признаку экологической. Все природные ресурсы по исчерпаемости делятся на две группы: исчерпаемые и неисчерпаемые.

1. Исчерпаемые ресурсы. Они образуются в земной коре или в ландшафтной сфере, но объемы и скорости их формирования измеряются по геологической шкале времени. В то же время потребности в таких ресурсах со стороны производства или для организации благоприятных условий обитания человеческого общества значительно превышают объемы и скорости естественного восполнения. В результате неизбежно наступает истощение запасов природного ресурса. В группу исчерпаемых включены ресурсы с неодинаковыми скоростями и объемами формирования. Это позволяет провести их дополнительную дифференциацию. На основе интенсивности и скорости естественного образования ресурсы делят на подгруппы:

1. Невозобновляемые, к которым относят:

а) все виды минеральных ресурсов,

б) земельные ресурсы.

Полезные ископаемые, как известно, постоянно образуются в недрах земной коры в результате непрерывно протекающего процесса рудообразования, но масштабы их накопления столь незначительны, по скорости образования измеряются многими десятками и сотнями миллионов лет (например, возраст каленных углей насчитывает более 350 млн. лет). Освоение минерального сырья происходит по исторической шкале времени и характеризуется всевозрастающими объемами изъятия. В этой связи все минеральные ресурсы рассматриваются в качестве не только исчерпаемых, но и невозобновимых.

Земельные ресурсы в их естественном природном виде — это материальный базис, на котором происходит жизнедеятельность человеческого общества. Морфологическое устройство поверхности (т. е. рельеф) существенно влияет на хозяйственную деятельность, на возможность освоения территории. Однажды нарушенные земли (например, карьерами или искусственной планацией рельефа при крупном промышленном или гражданском строительстве) в своем естественном виде уже не восстанавливаются.

2. Возобновляемые ресурсы, к которым принадлежат:

а) ресурсы растительного и

б) животного мира.

И те и другие восстанавливается довольно быстро, и объемы естественного возобновления хорошо и точно рассчитываются. Поэтому при организации хозяйственного использования накопленных запасов древесины в лесах, травостоя на лугах или пастбищах, промысла диких животных в пределах, не превышающих ежегодное возобновление, можно полностью избежать истощения ресурсов.

3. Относительно (не полностью) возобновляемые. Некоторые ресурсы хотя и восстанавливаются в исторические отрезки времени, но возобновляемые объемы их значительно меньше объемов хозяйственного потребления. Именно поэтому такие виды ресурсов оказываются весьма уязвимыми и требуют особенно тщательного контроля со стороны человека. К относительно возобновляемым ресурсам относятся и очень дефицитные природные богатства:

а) продуктивные пахотно-пригодные почвы;

б) леса с древостоями спелого возраста;

Продуктивных пахотно-пригодных почв сравнительно немного (по разным оценкам их площадь не превышает 1,5—2,5 млрд. га). Наиболее продуктивные почвы, относящиеся к первому классу плодородия, занимают, всего 400 млн. га. Продуктивные почвы образуются крайне медленно — на формирование 1 мм слоя, например, черноземных почв требуется более 100 лет. В то же время процессами ускоренной эрозии, стимулированными нерациональным землепользованием, за один год может быть разрушено несколько сантиметров верхнего, наиболее ценного пахотного слоя. Антропогенное разрушение почв происходит в последние десятилетия настолько интенсивно, что дает основание отнести почвенные ресурсы к категории "относительно возобновляемых".

Леса с древостоями спелого возраста (так называемые "спелые леса"), т.е. леса, древостой которых достигли промышленной спелости и пригодны для производства пиловочника и других видов промышленной лесной продукции, пользуются повышенным спросом и поэтому усиленно вырубаются. Для полного восстановления вырубленных лесов необходимо длительное время: для хвойных древостоев порядка 80—100 лет, для лиственных — 100—120 лет. Следовательно, приросты в таких лесах невелики, и нормы допустимых рубок должны быть строго ограниченны. При нарушении этого принципа естественного восстановления запасов древесины не происходит.

2. Неисчерпаемые ресурсы. Среди тел и явлений природы ресурсного значения имеются и такие, которые практически неисчерпаемы. К ним относятся климатические и водные ресурсы:

А. климатические ресурсы. Наиболее жесткие требования к климату предъявляют сельское хозяйство, рекреационное и лесное хозяйство, промышленное и гражданское строительство и др. Обычно под климатическими ресурсами понимают запасы тепла и влаги, которыми располагает конкретная местность или регион. Общие запасы тепла, поступающие за год на 1 м² поверхности планеты, равны 3,16х10⁹ Дж (радиационный бюджет в среднем для планеты). Территориально и по сезонам года тепло распределяется неравномерно, поэтому температуры воздуха колеблются от –90 до + 80°С, хотя в среднем для Земли температура воздуха равна примерно + 15°С. Суша в целом неплохо обеспечена и атмосферной влагой: на ее поверхность ежегодно выпадает в среднем около 119 тыс. км³ осадков. Но распределяются они еще более неравномерно, чем тепло, и в пространственном и во временном отношениях. На суше известны районы, получающие ежегодно более 12000 мм осадков, и обширные местности, где за год выпадает менее 50-100 мм. В среднем многолетнем выражении и запасы тепла и объемы выпадающей атмосферной влаги довольно постоянны, хотя от года к году могут наблюдаться существенные колебания в обеспечении территории теплом и влагой. Так как эти ресурсы формируются в определенных звеньях теплового и водного круговоротов, постоянно действующих над планетой в целом и над ее отдельными регионами, запасы тепла и влаги могут рассматриваться как неиссякаемые в определенных количественных пределах, точно установленных для каждого района.

Б. водные ресурсы планеты. Земля обладает колоссальным объемом воды – около 1,5 млрд. км3. Однако 98% этого объема составляют соленые воды Мирового океана, и только 28 млн. км3 – пресные воды. Поскольку уже известны технологии опреснения соленых морских вод, воды Мирового океана и соленых озер можно рассматривать как потенциальные водные ресурсы, использование которых в будущем вполне возможно. Ежегодно возобновляемые запасы пресных вод не столь велики – по разным оценкам они колеблются от 41 до 45 тыс. км3 (ресурсы полного речного стока). Мировое хозяйство расходует для своих нужд около 4–4,5 тыс. км3, что равно примерно 10% общего водозапаса, и, следовательно, при условии соблюдения принципов рационального водопользования эти ресурсы можно рассматривать как неисчерпаемые. Однако при нарушении этих принципов ситуация может резко обостриться, и даже в планетарном масштабе может ощущаться дефицит чистых пресных вод. А пока природная среда ежегодно "дарит" человечеству в 10 раз больше воды, чем ему нужно для удовлетворения самых разнообразных потребностей.

Минеральные ресурсы планеты

Минеральными ресурсами принято называть полезные ископаемые, извлеченные из недр. Полезные ископаемые - это природные минеральные вещества в земной коре, которые при данном состоянии развития техники могут быть с достаточным экономическим эффектом извлечены и использованы в народном хозяйстве в естественном виде или после предварительной переработки (Н. А. Быховер, 1984).

Современное хозяйство использует около 200 видов минерального сырья. Единой, общепринятой системы их классификации нет. В зависимости от физических или химических свойств добываемого сырья, от отрасли экономики, где оно находит применение, от особенностей возникновения в земной коре известные полезные ископаемые подразделяются на группы.

Широко используется классификация полезных ископаемых на основе технологии их использования: топливно-энергетическое сырье, черные, легирующие и тугоплавкие металлы, цветные металлы, благородные металлы, химическое и агрономическое сырье, техническое сырье.

Рассмотрим топливно-энергетическое сырье.

Топливно-энергетическое сырье

К категории топливно-энергетического сырья относят полезные ископаемые, используемые для производства энергии: нефть, каменные и бурые угли, горючий газ, т.е традиционное энергосырье планеты

Помимо ископаемого топливно-энергетического сырья существуют на земном шаре иные источники производства энергии — солнечная, ветровая, приливная, геотермальная, биологическая, энергия температурного градиента океанских вод. В настоящее время они используются мало из-за технологических трудностей освоения и высокой стоимости производимой энергии, но на эти виды приходится значительная часть общего энергетического потенциала планеты.

Традиционное энергосырье планеты

Нефть

Нефть (греч. ναφθα, или через тур. neft, от персидск. нефт; восходит к аккад. напатум — вспыхивать, воспламеняться) — природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых органических соединений. По цвету нефть бывает красно[источник?]-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.

Нефть обнаруживается вместе с газообразными углеводородами на глубинах от десятков метров до 5—6 км. Однако на глубинах свыше 4,5—5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1—3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др. образования — например, битуминозные пески и битумы.

По химическому составу и происхождению нефть близка к естественным горючим газам, озокериту, а также асфальту. Эти ископаемые объединяют под общим названием петролитов. Петролиты относят к ещё более обширной группе так называемых каустобиолитов — горючих минералов биогенного происхождения, которые включают также ископаемые твёрдые топлива [1].

Общий состав

Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80—90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4—5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты — растворённые углеводородные газы (C1-C4, от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1—4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси (частицы глины, песка, известняка).

Углеводородный состав

В основном в нефти представлены парафиновые (обычно 30—35, реже 40—50 % по объёму) и нафтеновые (25—75 %). В меньшей степени — соединения ароматического ряда (10—20, реже 35 %) и смешанного, или гибридного, строения (например, парафино-нафтеновые, нафтено-ароматические).

Элементный состав нефти и гетероатомные компоненты

Наряду с углеводородами в состав нефти входят вещества, содержащие примесные атомы. Серосодержащие — H2S, меркаптаны, моно- и дисульфиды, тиофены и тиофаны, а также полициклические и т. п. (70—90 % концентрируется в остаточных продуктах — мазуте и гудроне); азотсодержащие — преимущественно гомологи пиридина, хинолина, индола, карбазола, пиррола, а также порфирины (большей частью концентрируется в тяжёлых фракциях и остатках); кислородсодержащие — нафтеновые кислоты, фенолы, смолисто-асфальтеновые и др. вещества (сосредоточены обычно в высококипящих фракциях). Элементный состав (%): 82-87 °C; 11-14,5 Н; 0,01-6 S (редко до 8); 0,001-1,8 N; 0,005—0,35 O (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов. Так, наряду с упомянутыми, в нефти присутствуют V(10−5 — 10−2%), Ni(10−4−10−3%), Cl (от следов до 2×10−2%) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно.

Запасы нефти

Нефть относится к невозобновляемым ресурсам. Разведанные запасы нефти составляют (на 2004) 210 млрд т (1200 млрд баррелей), неразведанные — оцениваются в 52—260 млрд т (300—1500 млрд баррелей). Мировые разведанные запасы нефти оценивались к началу 1973 года в 100 млрд т (570 млрд баррелей) (данные по запасам нефти, публикуемые за рубежом, возможно занижены). Таким образом, в прошлом разведанные запасы росли. В настоящее время, однако, они сокращаются.

До середины 1970-х мировая добыча нефти удваивалась примерно каждое десятилетие, потом темпы её роста замедлились. В 1938 она составляла около 280 млн т, в 1950 около 550 млн т, в 1960 свыше 1 млрд т, а в 1970 свыше 2 млрд т. В 1973 году мировая добыча нефти превысила 2,8 млрд т. Мировая добыча нефти в 2005 году составила около 3,6 млрд т.

Всего с начала промышленной добычи (с конца 1850-х гг.) до конца 1973 года в мире было извлечено из недр 41 млрд т, из которых половина приходится на 1965—1973 год.

Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом хозяйстве. Её доля в общем потреблении энергоресурсов непрерывно растёт: 3 % в 1900, 5 % перед 1-й мировой войной 1914—1918, 17,5 % накануне 2-й мировой войны 1939—45, 24 % в 1950, 41,5 % в 1972, 48 % в 2004.

Мировая добыча нефти в настоящее время (2006) составляет около 3,8 млрд т в год [7], или 30 млрд баррелей в год. Таким образом, при нынешних темпах потребления, разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной — ещё на 10—50 лет. Также растёт и потребление нефти — за последние 35 лет оно выросло с 20 до 30 млрд баррелей в год.

Имеются также большие запасы нефти (3400 млрд баррелей) в нефтяных песках Канады и Венесуэлы. Этой нефти при нынешних темпах потребления хватит на 110 лет. В настоящее время компании ещё не могут производить много нефти из нефтяных песков, но ими ведутся разработки в этом направлении.

Газ

Приро́дный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ.

Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При нормальных условиях (101,325 кПа и 20 °С) природный газ находится только в газообразном состоянии.

Так же природный газ может находиться в виде естественных газогидратов.

Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды — гомологи метана:

1. этан (C2H6),

2. пропан (C3H8),

3. бутан (C4H10),

а также другие неуглеводородные вещества:

1. водород (H2),

2. сероводород (H2S),

3. диоксид углерода (СО2),

4. азот (N2),

5. гелий (Не).

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.

Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.

В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при бо́льших температурах и давлениях, чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти.

Огромными запасами природного газа обладают Россия (Уренгойское месторождение), Иран, большинство стран Персидского залива, США, Канада. Из европейских стран стоит отметить Нидерланды, и иногда упоминают Норвегию, но её запасы невелики. Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеет Туркмения, а также Казахстан (Карачаганакское месторождение).

Доказанные запасы газа в мире составляют около 173 триллионов кубических метров, если к ним прибавить ещё и не открытые запасы, которые по предварительным расчётам составляют около 120 триллионов кубических метров в сумме получается около 300 триллионов кубических метров. Такого количества газа Землянам хватит примерно на 65 лет.

Основные доказанные запасы природного газа Земли (101 трлн.куб.м.) сосредоточены в трёх странах: России - около 50 трлн.куб.м. (что составляет около 28% всех доказанных запасов в мире), Иране - 28 трлн.куб.м. (16%) и Катаре 26 трлн.куб.м. (15%).

Во второй половине XX века в университете им. И. М. Губкина были открыты природные газогидраты (или гидраты метана). Позже выяснилось, что запасы природного газа в данном состоянии огромны. Они располагаются как под землёй, так и на незначительном углублении под морским дном.

Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе. Метан — третий по распространённости газ вселенной, после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удалённых от солнца планет и астероидов, однако такие скопления, как правило, не относят к залежам природного газа, и они до сих пор не нашли практического применения. Значительное количество углеводородов присутствует в мантии Земли, однако они тоже не представляют интереса.

Природный газ находится в земле на глубине от 1000 метров до нескольких километров. Сверхглубокой скважиной недалеко от города Новый Уренгой получен приток газа с глубины более 6000 метров. В недрах газ находится в микроскопических пустотах (порах). Поры соединены между собой микроскопическими каналами — трещинами, по этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением до тех пор, пока не окажется в скважине. Движение газа в пласте подчиняется определённым законам.

Газ добывают из недр земли с помощью скважин. Скважины стараются разместить равномерно по всей территории месторождения. Это делается для равномерного падения пластового давления в залежи. Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение залежи.

Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.

В 2005 году в России объём добычи природного газа составил 548 млрд м³. Внутренним потребителям было поставлено 307 млрд м³ через 220 региональных газораспределительных организаций. На территории России расположено 24 хранилища природного газа. Протяжённость магистральных газопроводов России составляет 155 тыс. км.

В 2009 году США впервые обогнали Россию не только по объему добытого газа (624 млрд м³ против 582,3 млрд м³), но и по объему добычи товарного газа, т.е. идущего на продажу контрагентам[3]. Это объясняется ростом добычи сланцевого газа[4]

Уголь

Уголь — вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («уголь»). Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией.

В среднем, сжигание одного килограмма этого вида топлива приводит к выделению 2,93 кг CO2 и позволяет получить 6,67 кВт•ч энергии или, при КПД 30% — 2,0 КВ•ч электричества. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети. Использование угля увеличивается в периоды высоких цен на нефть и другие энергоносители.

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная с девонского периода (примерно 416 млн. лет назад), накапливалось органическое вещество, из которого без доступа кислорода формировались ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей оценивается примерно в 300-400 миллионов лет[1].

Уголь образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса выделяемые в ходе него кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф — исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.

Под давлением наслоений осадков толщиной в 1 километр из 20-метрового слоя торфа получается пласт бурого угля толщиной 4 метра. Если глубина погребения растительного материала достигает 3 километров, то такой же слой торфа превратится в пласт каменного угля толщиной 2 метра. На большей глубине, порядка 6 километров, и при более высокой температуре 20-метровый слой торфа становится пластом антрацита толщиной в 1,5 метра.

В результатах движения земной коры угольные пласты испытывали поднятие и складкообразование. С течением времени приподнятые части разрушались за счёт эрозии или самовозгорания, а опущенные сохранялись в широких неглубоких бассейнах, где уголь находится на уровне не менее 900 метров от земной поверхности. Образование наиболее мощных угольных пластов связано с областями земной коры, которые на протяжении значительного времени — в течение миллионов лет — подвергались постепенному тектоническому опусканию со скоростью накопления торфа на поверхности. В отдельных случаях, как, например, в Хат-Крик (англ.)русск. (Канада), мощность одного угольного пласта может достигать 500 м и более.[2]

Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа: бурые угли, каменные угли, антрациты и графиты. В западных странах имеет место несколько иная классификация — лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

Антрацит — самый древний из ископаемых углей, уголь наиболее высокой степени углефикации. Характеризуется большой плотностью и блеском. Содержит 95 % углерода. Применяется как твердое высококалорийное топливо (теплотворность 6800-8350 ккал/кг). Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров.

Каменный уголь — осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Большинство залежей каменного угля было образовано в палеозое, преимущественно в каменноугольном периоде, примерно 300—350 миллионов лет тому назад. По химическому составу каменный уголь представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических соединений с высокой массовой долей углерода, а также воды и летучих веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного угля, обладает канцерогенными свойствами.

Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 % до 95 %. Содержат до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с бурыми углями. Содержат до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров.

Бурый уголь — твердый ископаемый уголь, образовавшийся из торфа, содержит 65—70 % углерода, имеет бурый цвет, наиболее молодой из ископаемых углей. Используется как местное топливо, а также как химическое сырье. Содержат много воды (43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра.

В Англии в 1735 году научились выплавлять чугун на коксе. Применение каменного угля многообразно. Он используется как бытовое, энергетическое топливо, сырье для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Очень перспективным является сжижение (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1т нефти расходуется 2-3т каменного угля, в период эмбарго ЮАР практически полностью обеспечивала себя топливом за счёт этой технологии. Из каменных углей получают искусственный графит.

Нетрадиционные энергоресурсы планеты

Ветроэнергетика

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра — кинетической энергии воздушных масс в атмосфере.

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2009 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 157 гигаватт[1], увеличившись в шесть раз с 2000 года[2][нет в источнике].

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890-м году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырёхлопастные роторы диаметром 23 м. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 м. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт. В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.[3]

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению с сушей выше в 1,5 — 2 раза. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.

Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.

В 2008 году суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 120 ГВт. Ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около 200 млрд кВт•ч, что составляет примерно 1,3 % мирового потребления электроэнергии. Во всём мире в 2008 году в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тысяч человек. В 2008 году мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 миллиардов евро, или около 46,8 миллиардов американских долларов[10][11].

В 2007 году в Европе было сконцентрировано 61 % установленных ветряных электростанций, в Северной Америке 20 %, Азии 17 %.

Страны Евросоюза в 2005 году вырабатывают из энергии ветра около 3 % потребляемой электроэнергии. В 2007 году ветряные электростанции Германии произвели 6,2 % от всей произведённой в Германии электроэнергии[14]. В 2007 году 18,3 % электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра [14].

Ветряные генераторы в процессе эксплуатации практически не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе.

Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота [28].

По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда тонн[29].

В отличие от традиционных тепловых электростанций, ветряные электростанции не используют воду, что позволяет существенно снизить нагрузку на водные ресурсы.

Гидроэнергетика

Гидроэлектроста́нция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

Особенности гидроэнергетики:

1. Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.[1]

2. Турбины ГЭС допускают работу во всех режимах от нулевой до максимальной мощности и позволяют быстро изменять мощность при необходимости, выступая в качестве регулятора выработки электроэнергии.

3. Сток реки является возобновляемым источником энергии

4. Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими видами электростанций

5. Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое, чем тепловых станций.

6. Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей

7. Водохранилища часто занимают значительные территории, но примерно с 1963 г. начали использоваться защитные сооружения (Киевская ГЭС), которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, поселки).

8. Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

9. Водохранилища ГЭС, с одной стороны, улучшают судоходство, но с другой - требуют применения шлюзов для перевода судов с одного бьефа на другой.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

1. мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;

2. средние — до 25 МВт;

3. малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Типичная для горных районов Китая малая ГЭС (ГЭС Хоуцзыбао, уезд Синшань округа Ичан, пров. Хубэй). Вода поступает с горы по чёрному трубопроводу.

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:

1. высоконапорные — более 60 м;

2. средненапорные — от 25 м;

3. низконапорные — от 3 до 25 м.

Гидроэнергетика в мире - на 2005 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 63 % возобновляемой и до 19 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 715 ГВт.

Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения является Исландия. Кроме неё этот показатель наиболее высок в Норвегии, Канаде и Швеции. Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии. В этой стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира, а также крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на реке Янцзы и строящийся крупнейший по мощности каскад ГЭС. Ещё более крупная ГЭС «Гранд Инга» мощностью 39 ГВт планируется к сооружению международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго (бывший Заир).

На 2008 год крупнейшими производителями гидроэнергии (включая переработку на ГАЭС) в абсолютных значениях являются следующие страны[3]:

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций. [2]

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии[1] и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка энергии уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Основной способ получения электричества из солнечного излучения – использование фотоэлементов.

Достоинства:

1. Общедоступность и неисчерпаемость источника.

2. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки:

1. Зависимость от погоды и времени суток.

2. Как следствие необходимость аккумуляции энергии.

3. Высокая стоимость конструкции.

4. Необходимость постоянной очистки отражающей поверхности от пыли.

5. Нагрев атмосферы над электростанцией.

Типы фотоэлектрических элементов:

1. Монокристаллические кремниевые

2. Поликристаллические кремниевые

3. Тонкоплёночные

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов выросла до 16,8 %[5].

За период с 1999 года по 2006 год поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Итоги развития фотоэлементной отрасли

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 21 МВт.

Таблица - Суммарные мощности фотоэлектических станций[6].

Производство фотоэлементов в мире в 2005 году составляло 1656 МВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2009 году[5]:

First Solar — 1100,0 МВт

Suntech — 704,0 МВт

Sharp — 595,0 МВт

Q-Cells — 586,0 МВт

Yingli — 525,3 МВт

JA Solar — 520,0 МВт

Kyocera — 400,0 МВт

Информация в лекции "6 Общие показатели работы транспорта" поможет Вам.

Trina Solar — 399,0 МВт

SunPower — 397,0 МВт

Gintech — 368,0 МВт

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составила пока только около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии [7].

Перспективы солнечной энергетики

Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно [7].

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги

Основы научных знаний о Земле

Рекомендуемые материалы

Рекомендуемые лекции