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第95章 新技术

宇宙能量论 一梦解千愁 2289 2025-11-14 09:58

  一、基本原理:从“能源”到“热源”的转换

  化石燃料 vs可再生能源:

  化石燃料:燃烧时释放的是地壳中封存了亿万年的化学能。这部分能量本身不属于当代地表能量平衡的一部分,它的使用是向当前系统“净添加”了额外的热量。

  太阳能和风能:它们本身是当前地表能量平衡的组成部分。太阳能是驱动大气和海洋环流的根本能量来源;风能则是太阳能的一种转化形式(不均匀加热导致气压差)。

  关键区别:大规模开发可再生能源,并不是向地球系统添加新的能量,而是大规模地、人为地改变地表能量原有的分布、通量和转化方式。

  二、如何影响地球环流和热交换?

  大规模铺设光伏板和在广阔区域树立风力发电机群,相当于改变了地表的“粗糙度”和“反照率”。

  1.对大气环流的影响(风能尤为显著)

  直接提取动能:大型风力发电机群是一个巨大的“能量提取器”,它们直接从大气边界层中抽取动能,使其减速。这被称为“大气边界层拖动效应”。

  局地/区域尺度:风电场下风向的风速会显著降低,可能改变局地的风模式、云量和降水分布。

  全球尺度(如果规模极其巨大):有模型研究表明,全球范围内极大规模的风能开发可能微弱地影响大尺度的大气环流,甚至对远程的气候模式(如急流)产生可测量的影响。不过,这种效应目前认为远小于温室气体造成的变化。

  2.对热交换的影响(太阳能尤为显著)

  改变反照率:大面积的光伏板(深色)替代了原有的植被、土壤或沙漠(其反照率各不相同),通常会降低地表反照率,即吸收更多的太阳能。

  局地变暖:光伏电场所在地的表层温度会明显升高。这些热量通过对流和显热传输的方式加热低层大气。

  能量再利用的悖论:我们捕获太阳能用来发电,最终几乎所有电能都会通过各种用途(摩擦、电阻等)100%地转化为热量。如果光伏板铺设在原本反照率较高的区域(如沙漠),其净效应可能是对局地大气的额外加热。

  3.对水循环的影响

  改变地表能量收支会直接影响蒸发和蒸腾作用。

  地表温度升高可能加剧局地蒸发,但如果植被被光伏板取代(减少蒸腾),总体效应可能是复杂的。

  风电场对风的扰动可能影响云的形成和降水模式。

  三、能量存储与全球变暖的复杂关系

  您的问题非常深刻:“超过过去的入射能量,存储在地球表面”。这里需要区分两个概念:

  温室效应导致的能量失衡:这是当前全球变暖的根本原因。温室气体增多,导致地球向外辐射的热量减少,但输入的太阳能不变,造成净能量盈余(约每平方米1瓦特)。这份盈余能量主要(约90%)被海洋吸收,导致其热含量增加,其余用于融化冰盖和加热陆地、大气。

  可再生能源的“无碳”效应:大规模替代化石能源,其最主要、最直接的效应是减缓温室气体浓度的上升速度,从而逐步减少上述的“能量盈余”,从根本上减缓全球变暖。

  因此,可再生能源是通过“治本”(减少温室气体)来冷却地球,尽管其局地效应(改变反照率、抽取动能)可能在某些区域产生微弱的增温或气候调制作用。这两者一正一负,但“治本”的全球降温效应是主导性的、压倒性的。

  四、对大气温度和分子逃逸的长期影响

  1.大气温度

  主导影响:成功过渡到可再生能源将极大缓解全球变暖,使全球平均气温稳定并最终下降(在千年级时间尺度上)。

  次要影响:局地的地表温度变化(如光伏电场导致的变暖)是微弱的,且仅限于特定区域,无法与全球温室效应相提并论。

  2.分子逃逸问题

  这是一个非常远期和宏观的视角。分子逃逸率主要取决于两个因素:

  高层大气的温度:温度越高,大气分子运动越剧烈,越容易达到逃逸速度。

  行星的引力:引力越弱,越容易逃逸。

  可再生能源的影响:

  直接效应极小:可再生能源的局地效应对高层大气温度的影响可以忽略不计。

  间接效应巨大:通过遏制全球变暖,可再生能源可以防止低层大气因温室效应过度升温后,通过热传导和对流将热量传递到高层大气。如果全球变暖失控,高层大气会被加热,显著增加大气分子(尤其是轻分子如氢、氦)的逃逸速率,这在数十亿年的时间尺度上会改变行星的大气组成和厚度。

  因此,发展可再生能源是保护地球大气长期稳定性的关键举措。

  总结

  影响层面

  主要机制

  效应与规模

  局地气候

  改变反照率(光伏)、抽取动能(风电)

  可测量。可能改变局地温度、风、降水模式。需在项目规划中进行评估。

  全球气候

  替代化石燃料,减少温室气体排放

  巨大且有益。是遏制全球变暖、恢复地球能量平衡的根本途径。

  大气逃逸

  通过遏制全球变暖,稳定高层大气温度

  长期、宏观、有益。保护地球大气层的长期稳定,防止加速流失。

  结论是:大规模利用可再生能源所带来的局地、次要的气候调制效应,与其带来的全球性、根本性的降温益处相比,是微不足道的。我们必须以全局和长远的视角来看待这个问题:这是一场为了稳定整个地球系统而进行的、至关重要的能源革命。

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