能源与环境（1）

地球上的各类能源

    有用的能必须是可控的，招之即来，挥之即去，令行禁止。能源指能提供这种可控能量的各种资源。各种不同形式能量间可以转变。人类活动所“消耗”的机械能大部分是转变成了热能（物体分子无规则运动的动能）。例如磨擦生热。而热能只能有一部分转变为机械（或电）能，余下的热能要传给温度低于热源的物体。温度差异大热机的的效率高，一般约为60-25%。转变中能量的总量是不变的。因而不同能源可以相加，总量结算中对一次能源电力有时是按所节省下的煤计算的。

    这里先考察一下全球各种主要能源及其份额。

   地球上的能量绝大部分来自太阳的光辐射，而太阳的能量则来自聚变核能，约为四亿亿亿千瓦3.8×1024kW。地球处的日照功率为1.35KW/m²。地球影子面积为球面面积的1/4，合1.27×1014m²。射到大气层表面的功率为1.72×1014kW。其中大气（如云）反射掉27%，大气吸收18%（包括有害的短波长紫外线），散射离开地球的占7%,直接射到地面的41%，散射到地面的7%，合计48%。功率为8.25×1013kＷ，（也有部分要反射出去），见图１。地球表面不同纬度处每平方米水平面积上的周年（四季昼夜）平均功率如图中虚线所示；沿选定的纬度由球心画到虚线的连线的长充正比于功率。由于地轴倾斜所以两极平均功率也相当可观。整个地球地面平均每平方米地面为162W。

    图２按每年的能量画出各项能量的大小：左方大方框为地球大气层外的日照能量；此外地球自转动能传给潮汐而使自身减速的能量和陆地散出的地热能量，放大了200倍绘于框边。日照能量扣除大气反射散出后绘做虚线框，再扣除在气吸收后到达地面的绘于第3方框。其中相当部分用于蒸发陆上与海中的水，形成风雨雷电等气象现象。这部分能量绘作第4方框。其中很少一部分成为水力资源。下角第5小方框是每年植物用光合作用吸收太阳能制出初级生物质的能量，它只占到达地面能量的千分之一。

    图右方把左方第5方框表示的生物圈能量放大2000倍，因为初级生物质要养活所有生物，人类所需食物能量只占左下角的很少的方框。人类用的生物质燃料（薪柴、秸草、牛粪）能量绘于大框内右下角的直框。大框外的３个直框表示把在地下埋藏了几亿年的煤，石油，天然气取出烧掉而得到的能量，这是吃老本。还有多少老本后面再讲。最外直框是一次能源电力（水力，风力，地热，核能等）。而用化石燃料发出的电能则画为横框，为此耗用的化石燃料的能量用横虚线表示。它在化石能源消耗中占相当可观的份额。

    古代死去的生物，间或也有被埋在地下，经数亿年的生物与物质作用而成煤，成油，成天然气。当然，这样储存的能量只占当时到达地面的太阳能的很少的一部分。这些生物活动总体上长期地维持了生物圈中氧碳氮等元素的循环与平衡。人类从生物圈中取得食物、衣服、木材、纸张和燃料。这主要通过种植，在图中栽植地（５）的小框中还画出人类必需食物所占份额，考虑了肉食还要占用较多的份额。但湖海草原森林也提供部分食物。在框５中还用短横线画出了亩产千斤粮（按粮秸各半计）的情况。沙漠（１）不缺阳光而缺水（瓶颈）产量极低。而采用节水农业，据报道有达每平方米（6KG/年）者，图中１区短线是按十分之一画的。务请注意，节水农业并不是非全自动化与计算机管理不可。较简单的设备辅以精心管理也能做到不同程度的节水。我国历来和现在也有几种节水技术，可惜开发推广都不够。

   当前主要是用矿物燃料，特别是化石燃料。把大量宝贵的化工原料烧掉是可惜的，也是难以持久的。图４画出了储量，当前年消耗量，与两者间的比值。除煤可维持二三百年外，其耸，包括核能的铀，也都只剩下五六十年的用量。这就迫使人们不得不开发新的能源与提高利用效率。例如快中子增殖堆学可以利用铀－238，可望使每吨天然铀释出的能量增大六七十倍。用现有储量产生现用全部电能也可达千年。其实天然铀到处都有，就是富矿有限。如其使用价值剧增，可采储量也将剧增。如受控核聚变发电成功，则燃料也不成问题。

    可再生能源中，水力用得最多。过去水力用于提水、碾米、磨面，今用于发电。世界装机容量654GW(1992年)。我国小水电4.8GW，水电站45GW。我国可开发水力资源为379GW。

    风力可用于帆船，排灌，磨坊等。世界风力发电总容量５ＧＷ。我国风力提水灌地13km²。牧区微型风力发电机共17.3MW，并网风机14.6MW。据估计我国风力资源253GW。

    地热：温泉早已利用，我国也有用于种植与养殖者。低温利用约９ＰＪ／年。地热电站容量^28.6MW。世界地热利用为1×10¹⁷J/年，地热电站容量4.5GW。

    农民生活燃料中一部分为生物质燃料，此种燃料原为可再生能源，如能产出与消耗平衡则不会增加二氧化碳。但如消耗过量而毁林与耗竭可返还土壤的有机物，就会破坏产耗平衡。用生物质在沼气池中产生沼气供炊事照明用，残渣还是良好的有机肥。 我国小型沼气池共约供气3.8×10⁶m³。用生物质制造乙醇甲醇可用作汽车燃料，巴西1998年已达1.6×10¹⁰升／年。

    射向地球的太阳功率（除动用了一些过去的储存与暂存了一些外），大部还是最终转化为热能，以热辐射的形式散发到宇宙空间。热体辐射功率正比于绝对温度的４次方，而且发出辐射的能力与吸收辐射的能力也成正比。如果两者相等，因球面表面积是阴影面积的４倍，地表散发的功率平均为1350/4=337.5W/M².相应的平均地面温度为278K合5摄氏度，这只是约值，因各地反射能力的差别与大气层的复杂影响尚未仔细分析。太阳光主要是波长在0.5mM附近的可见光,而278K热体主要发射的是10.4mM附近的红外线。吸收与发射能力未必相同。特别是当大气层中含有容易吸收红外线的气体时，地面辐射会部分被大气吸收又部分辐射回来，即使返回的热功率只占１％，也可使地面平均温度上升0.07Ｋ。这很像玻璃温室，可见光容易进来而红外线却不易透出玻璃，成为温室增温的一个原因（农业气象学家认为温室还有挡风与减少气流散热的作用），故称为温室效应。而增加这种效应的气体如ＣＯ_２、ＣＨ_４及氟烃化合物等则称为温室气体。工业革命以来人们把数亿年前积存的煤与油大量烧掉，加之毁林与沙漠化减少了光合作用，增加了大气中的ＣＯ_２、ＣＨ₄与ＮＯ_Ｘ。如不加控制地增长就会使地球变暖，其影响不容忽视。单以两极冰帽而论，如果融化1.2%即可使海平面上升1M。图５所示的是几种能源全过程释出的ＣＯ_２中的碳量的范围，图７是与另一估计的比较，它们是基本一致的。化石燃料远高于其它能源是显而易见的，核能则是最低的。范围宽的表示随具体情况而异（如水库）或尚有颇大的改进余地。宇宙射线和太阳发出的带电粒子在大气高空产生臭氧Ｏ_３，形成一个臭氧层，它是能吸收易于引起皮肤癌的短波紫外线的保护人类的功臣。温室气体如升到高空，就能破坏臭氧层，其中氟烃化合物（用于电冰箱，塑料发泡，电子器件清洗，有的用于灭火等）破坏能力最大（图５附表）。别的温室气体也很讨厌。