|
شبكة النبأ: غالبية معامل الطاقة هي
عبارة عن معامل معقّدة لغلي الماء وتوليد الطاقة الكهربائية وكثيرا ما
يُعتمد على غلي الماء واستخدام بخاره لتشغيل دوران توربينات المولدات.
والجزء الأكبر من الكهرباء ناتج عن عملية تعرف بالتسخين
الكهرومغناطيسي حيث يعمل المغناطيس المتحرك على توليد الكهرباء.
وفي العام 1831 لاحظ العالم البريطاني مايكل فارادي هذه الظاهرة
حينما دوّر قرصا نحاسيا بين قطبي مغناطيس وتبين أن القرص يولد الكهرباء.
وقاده ذلك إلى اختراع المولد الكهربائي الذي تدور فيه قطع مغناطيسية
حول معدن مثل النحاس الذي يوصّل الكهرباء.
كما أن المولدات تحول الطاقة الميكانيكية (مع القطع المغناطيسية
الدائرة) إلى كهرباء، أي التيار الذي ينتقل عبر الأسلاك. ويعمل هذا
على نقيض المحرك الذي يحول الكهرباء إلى طاقة ميكانيكية.
أما الطاقة الميكانيكية التي تشغل مولد الطاقة الكهربائية فيمكن أن
يكون مصدرها الماء أو الريح أو البخار. وفي معمل كهرمائي مثلاً فإن
الماء يتدفق عبر توربينة دافعة تشغل المولد وتنتج الكهرباء بواسطة
الماء الجاري. التوربينات الهوائية تشغل بواسطة الريح في حين تعمل
التوربينات البخارية على البخار إذ تغلي الماء وتنتج البخار. بحسب موقع
أميركا دوت غوف.
الطريقة المثلى لغلي الماء
الوقود المستمد من الأحافير مثل الفحم الحجري يحترق بسهولة، وفي
معامل الطاقة التي تشغل بواسطة الفحم الحجري يجري حرق الفحم في أفران
ضخمة. وتستخدم الحرارة الناتجة عن عملية الحرق هذه لغلي الماء الذي
يشغل توربينة بخارية التي تولد بدورها الكهرباء. وفي معامل الغاز
الطبيعي يولد البخار مباشرة من الغاز المشتعل دون الحاجة لغلي ماء. أما
البترول فيستخدم كبنزين للسيارات او وقود السفن والطائرات وأجهزة تدفئة
المنازل، لكنه يستعمل في كثير من الأحيان لتوليد الطاقة الكهربائية
أيضا.
ولدى المعامل النووية أساليب أكثر تعقيدا لغلي الماء داخل مركزها.
إذ يتم تعريض الذرات لزخات من النيوترونات فينشطر اليورانيوم، مطلقا
أشعة غاما والنيوترونات والحرارة في عملية انشطار نووي. وتستخدم
الحرارة لتسخين الماء وإنتاج البخار مما يدفع التوربينات ويولد
الكهرباء. والنيوترونات التي تنتج عن عملية الإنشطار يمكن أن تنقسم إلى
عدد أكبر من ذرات اليورانيوم فتولد مزيدا من الحرارة.
وهناك المعامل الحرارجوفية التي تستغل الحرارة المخزنة في باطن
الأرض. وفي معامل البخار الجاف فإن البخار المتدفق من آبار باطنية في
الأرض يشغل التوربينات. وفي معامل الدورات ثنائية الأجزاء فإن سوائل
حرارية باطنية، او حرارجوفية، ساخنة لكن ليست بخارية (تتطلب حرارة تقل
عن 200 درجة مئوية) تُسحب إلى السطح وتستخدم لتسخين السائل -- الذي
عادة ما يكون من نوع البيوتين اوالبنيتين -- والذي يغلي بحرارة أقل من
الحرارة التي يغلي بها الماء. وهذا السائل الجيوحراري قد لا يكون
ساخنا إلى حد يمكن معه غلي الماء لكنه قادر على غلي البيوتين او
البنيتين فينتج بخارا يشغل التوربينات لتوليد الطاقة الكهربائية.
وفي معامل الطاقة الشمسية المكثفة تستخدم المرايا أو العدسات
لتسخين الماء (أو اي سائل آخر) وتوليد البخار. وقد شيد اول معمل
للطاقة الشمسية المكثفة لأغراض تجارية خارج مدينة إشبيلية الإسبانية في
عام 2005، حيث تعكس مئات المرايا التي تتقفى ضوء الشمس والتي تعرف
بأجهزة هيليوستات ضوء الشمس على برج مركزي. وتعمل الأشعة المكثفة لضوء
الشمس على تسخين السوائل وتولد بخارا فيشغل التوربينات وينتج الكهرباء.
الوقود الأحيائي هو وقود سائل مستمدة من النباتات. وشأن مثيلاته من
وقود الأحافير فإن الوقود الأحيائي يشتعل تلقائيا ويمكن أن يستعمل
لتشغيل السيارات او لدفع التوربينات البخارية وتوليد الكهرباء.
وتستخدم هذه المرافق مواد كيميائية لاستخراج السكر من النباتات. ويمزج
السكر مع كائنات مجهرية لغرض تخميره فينتج مادة الإيثانول او غيرها من
المواد الكحولية. (وتستخدم عملية شبيهة لإنتاج الجعة). ويمكن مزج
الإيثانول مع البنزين ليستخدم كوقود سيارات تنبعث منه كميات أقل من أول
أكسيد الكربون والدخان. كما يمكن حرق الإيثانول لإنتاج البخار الذي
يعمل على تشغيل المولدات التي تنتج الطاقة الكهربائية.
الكهرباء اللاميكانيكية
وتعمل لوحات شمسية فوتوفولتية (أي القادرة على توليد الطاقة
الكهربائية عند تعرضها للضوء) على تحويل طاقة الشمس إلى كهرباء مباشرة
ولا تتطلب طاقة ميكانيكية. وفي هذه الحال يتم ضرب الفوتونات الضوئية (وحدات
طاقة ضوئية) بالإلكترونات فتدفع بها إلى مرحلة طاقة أعلى وتولّد
الكهرباء. وهذه الطاقة الشمسية استخدمت بادىء الأمر لتشغيل الأقمار
الصناعية في الفضاء الخارجي لكنها تستخدم الآن لتوليد الكهرباء على
الأرض. ولا تعتمد اللوحات الفوتوفولتية على أي تسخين كهرومغناطيسي.
الطاقة والتلوث
كل هذه الأساليب لتوليد الطاقة ذات سمات سلبية، فإما أنها تطلق
منتجات جانبية سميّة او أنها غالية الثمن. الفحم الحجري زهيد الثمن لكن
حرقه يتسبب في نتائج جانبية سمية او ضارة بالبيئة مثل بث ثاني أكسيد
الكربون؛ او غازات الدفيئة؛ او أكسيد الكبريت الذي يتسبب في المطر
الحمضي الذي يؤذي جهاز التنفس لدى الإنسان؛ وأكسيد النيتروجين الذي
يشكل الأوزون والدخان؛ والرماد المتطاير الذي يحتوي على مواد سامة
للبيئة مثل الزرنيخ.
وفي 2007 كانت حوالي نصف كميات الكهرباء في الولايات المتحدة تولد
من الفحم الحجري، طبقا لإحصاءات وزارة الطاقة الأميركية. وكما ذكر وزير
الطاقة ستيفن تشو في الكونغرس في كانون الثاني/يناير من العام الحالي
أثناء جلسة تثبيته في منصبه: "إن الفحم هو مصدر وافر في العالم ومن
الضرورة الملحة بمكان أن نستنبط طريقة لاستخدام الفحم بالصورة الأكثر
نظافة قدر الإمكان."
إن حرق الغاز الطبيعي ينتج عنه كميات من ثاني أكسيد الكربون وجزيئات
سامة أقل من حرق الفحم الحجري—نسبة 43 في المئة أقل من ثاني أكسيد
الكربون مقارنة بالفحم لكل وحدة طاقة منتجة، حسبما يقول اتحاد العلماء
المعنيين. لكن حرق الغاز الطبيعي يولد مواد ملوثة مثل أول أكسيد
الكربون وأكسيدات النيتروجين. ويحتوي الغاز الطبيعي على الميثان وهو
غاز دفيئة أشد فعالية من ثاني أكسيد الكربون. ويشار إلى أن أول وثاني
أكسيد الكربون هما من النتائج الجانبية لتكرير النفط وحرقه.
ولا تنتج عن معامل الطاقة النووية غازات دفيئة مسببة للإحتباس
الحراري ولا تولد مواد كيميائية تشكل الأوزون والدخان. لكن من
المنتجات الجانبية لعمليات الإنشطار المخلفات المشعة التي يتعين
تخزينها واحتواؤها بصورة مناسبة بما يجنب إلحاق الضرر بالنبات والحيوان.
كما أن المخلفات المشعة من معامل الطاقة النووية تظل تحتفظ بخصائص سامة
على مدى آلاف السنوات. وحاليا لا يوجد أسلوب تخزين طويل الأجل لهذه
المواد متفق عليه على نطاق واسع.
وكلا نوعي معامل الطاقة الشمسية لا ينتج غازات دفيئة او يسبب تلويثا
بيئيا. لكن تكاليف المواد المستخدمة في المعامل، وتركيب هذه المعامل،
تجعل من الطاقة الشمسية أغلى من استخدام وقود الأحافير لتوليد الطاقة.
كما أن تصنيع لوحات فوتوفولتية يتطلب مواد كيميائية سمية ويكون توليد
الكهرباء غير كفؤ. فاللوحات الشمسية التجارية تحول نسبة أقل من ثلث ضوء
الشمس الساطع إلى كهرباء.
ونفس هذا القول ينطبق على الريح والطاقة الحرارية الباطنية.
فالإثنان تنبعث منهما منتجات جانبية طفيفة -- هذا إذا انبعثت منهما
أصلا. فالبخار الجاف تنبعث منه بعض الملوثات وغازات الدفيئة من تحت سطح
الأرض إلى أجواء الأرض. لكن الإثنين عموما أغلى ثمنا من استخدام وقود
الاحافير. كما يمكن تشييد معامل طاقة حرارة باطنية وطاقة ريح فقط في
المواقع التي تتوفر فيها هذه الأنواع من الطاقة بكميات وافرة أو تكون
عرضة للرياح.
إمدادات محدودة
هناك كميات محدودة من الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي على سطح
الأرض. ولأن تشكل وقود الأحافير يستغرق مئات ملايين السنوات فإنه وقود
غير قابل للتجديد فعلا. أما معدن اليورانيوم الذي يستخدم كوقود في
معامل الطاقة النووية وعمليات الإنشطار فإنه متوفر بكميات ضئيلة في
الأرض ويتولد حينما تتفجر النجوم ما يعني كذلك إن إمدادات هذا المعدن
في الأرض غير قابلة للتجديد. وطبقا للوكالة العالمية للطاقة الذرية "يوجد
ما يكفي من اليورانيوم كوقود لكامل المفاعلات النووية في العالم، وطبقا
لمعدلات الإستهلاك الراهنة، لفترة قرن على الاقل."
وهكذا فإن الطاقة المائية وطاقة الريح والطاقة الشمسية والوقود
الأحيائي هي مصادر طاقة متجددة. ويجري استبدال ما يستخدم منها، ولن
تنفد أبدا.
فالشمس ستظل تشع لبلايين السنين. كما أن الريح طاقة شمسية تتولد عن
طريق تسخين الشمس للغلاف الجوي، ونتيجة لدوران الأرض والاضطرابات التي
تحدث على سطح الأرض. أما الماء فسيظل يجري باستمرار فيما تولد الأرض
الحرارة بصورة منتظمة. والنباتات او المحاصيل التي يتم حصادها لإنتاج
وقود أحيائي تنمو ثانية خلال فترة أشهر قليلة.
المحيطات تقوم بدور حيوي في مناخ الأرض
تتعرض المحيطات لتغيرات كثيرة بسبب التلوث وانبعاث غازات الاحتباس
الحراري وعمليات الصيد التجارية- بعد أن كان المعتقد أن تلك المساحات
الشاسعة من المياه غير قابلة للنفاد مهما كانت الأنشطة البشرية- ويعمل
العلماء من أجل فهم المزيد عن الدور المتكامل للمحيطات في مناخ الأرض.
جيشوا ويليس، العالم المتخصص في شؤون المحيطات، يعمل في مختبر الدفع
النفاث التابع لوكالة ناسا لأبحاث الفضاء بولاية كاليفورنيا، وهو يقول
إن هناك أدلة على ثلاث ظواهر "يصعب رفضها." فكمية ثاني أكسيد الكربون
في الغلاف الجوي تتزايد. ومتوسط درجات الحرارة يرتفع في الهواء بالجزء
الأسفل من الغلاف الجوي (القريب من سطح الأرض) وعلى سطح المحيط. ومستوى
سطح البحر يرتفع بمعل أسرع من أي وقت مضى منذ نهاية العصر الجليدي.
والتغيرات السريعة في التركيبة الكيميائية لمياه البحار تؤثر بصورة
سلبية على النظام البيئي والكائنات الحية في المحيطات، التي كانت منهكة
أصلا من الاستنزاف بعمليات الصيد الزائدة عن الحد، حسبما يقول ويليس.
ويتساءل ويليس "إلى أي حد سينعكس ذلك على تغير المناخ في المستقبل؟
هذا موضوع لا نعرف الكثير عنه حقيقة."
حزام تيار المحيطات الكبير
تتصل المحيطات الخمسة في الكرة الأرضية فيما بينها لتكوّن ما يعرف
باسم المحيط العالمي. وتدور المياه في المحيطات كلها على امتداد حزام
تيار المحيطات الكبير، حيث تتدفق مياه السطح الدافئة من خط الاستواء
إلى القطبين ثم إلى خط الاستواء مرة أخرى في حركة دائرية. ويسمي
العلماء هذه الدورة "التقلب " أو الدورة الحرارية الملحية" نظرا لأن
درجة حرارة المياه ودرجة ملوحتها هي التي تؤثر في دفع وتوجيه تلك
الدورة.
وتنقسم المياه إلى طبقات متتالية بناء على كثافتها، ونادرا ما تمتزج
تلك الطبقات. فالمياه الدافئة تطفو على السطح بينما تستقر المياه
المالحة عند القاع. وتتدفق المياه الدافئة على السطح بينما تتدفق
المياه الباردة إلى أسفل، وحتى في المناطق الاستوائية الاستوائية، تكون
مياه الأعماق شديدة البرودة بالفعل. ونظرا لأن المياه الدافئة تتمدد
فإن مستوى سطح البحار سيرتفع كلما ازدادت المحيطات دفئا.
وفي شمال المحيط الأطلسي تُبقي دورات التقلب الحرارة داخل الغلاف
الجوي أعلى مما تكون عليه في أوقات أخرى. ومياه السطح المدفوعة بالدورة
الحرارية الملحية، تنقل الحرارة من المنطقة الاستوائية إلى القطبين.
وفيما ترتفع حرارة الكرة الأرضية، يصبح ذوبان جبال الجليد بالقطب
الشمالي محتملا بمعدل أسرع، وبالتالي تضخ كميات كبيرة من المياه في
المحيطات، مما يوقف أو ربما حتى يعكس دورة التقلب. وهناك أدلة على أن
ذلك حدث بالفعل منذ آلاف السنين، وسبّب نهاية العصر الجليدي. ويتفق
الكثير من العلماء على أنه من غير المرجح حدوث ذلك الآن.
تتكهن معظم نماذج توقع تطورات المناخ بأن دورة التقلب ستتباطأ، كما
قال ويليس، ولكن العلماء غيرمتأكدين من معدل التباطؤ وسرعة حدوثه.
وسيتأثر المناخ في أوروبا بتباطؤ دورة التقلب في شمال المحيط الأطلسي.
وسوف يستمر تزايد متوسط درجات الحرارة في أوروبا، ولكن الارتفاع سيكون
بمعدل أبطأ فيما تتباطأ الدورة.
حوض للكربون والحرارة
تمتص المحيطات ما يتراوح بين 70 إلى 80% من الحرارة التي تضاف إلى
الغلاف الجوي. ولو لم تكن المحيطات موجودة لحدثت ظاهرة تزايد الحرارة
في العالم بمعدل أسرع – فزيادة درجة حرارة الغلاف الجوي التي تستغرق
عادة مئات السنين قد تحدث خلال بضعة عقود.
والمحيطات تمتص أيضا ثاني أكسيد الكربون، الذي يتدفق من الغلاف
الجوي إلى المحيط، ليذوب في مياهه ويكوّن الكربونات، مثل الفقاعات
الصغيرة في المياه الغازية.
ومادة الكربونات عبارة عن حمض. والمشروبات الغازية يمكن أن تكون
حمضية بمقدار 10 آلاف مرة أكثر من اللبن. والبشر يستطيعون التكيف مع
الاثنين، ولكن المحيط لا يستطيع التكيف بالمعدل نفسه.
وخلال الـ200 سنة الأخيرة، أصبحت المحيطات أكثر حمضية بنسبة تصل إلى
30%، طبقا لما جاء في التقرير الرابع عن تغيرات المناخ الذي أصدرته
اللجنة الحكومية العالمية في العام 2007. ويرجع ذلك بدرجة كبيرة إلى
تزايد انبعاث ثاني أكسيد الكربون الذي يبثّه بنو البشر في الغلاف الجوي.
وقبل خمسين عاما كان العلماء يعتبرون فكرة أن البشر قادرون على
تغيير التركيب الكيميائي للمحيط فكرة عبثية سخيفة ولكنهم الآن يدركون
عكس ذلك.
وارتفاع نسبة حموضة المحيط تجعله أقل قدرة على أن يكون بيئة صالحة
لحياة الكائنات الحية. فالحموضة تسبب تآكل الصدفة الخارجية والهيكل
العظمي لكثير من الكائنات البحرية وتدمر الشعب المرجانية. ومع ذلك فإن
الآثار المترتبة على حموضة مياه المحيط ما زالت غير معلومة بالكامل.
ويعمل العلماء من أجل التوصل إلى فهم تأثير تغير نسبة الحموضة على
النظم البيئية للكائنات الحية.
دورات رد الفعل
قال ويليس إن "حرارة سطح البحر لها أثر كبير على المناخ المحلي.
فالمياه الدافئة تتبخر في الغلاف الجوي ثم تتساقط على الأرض على شكل
أمطار. وتحدث دورات حرارة سطح المحيط على المستوى الإقليمي على فترات
منفصلة وعلى سبيل المثال، خلال دورة التذبذب الجنوبي بالمحيط الهادئ،
وهو نمط استمر طويلا لتنوع المناخ- أصبح سطح المياه في كاليفورنيا أبرد
بقليل من المعتاد، مما سبب تناقص الأمطار في كاليفورنيا.
وفيما يسميه العلماء دورة رد الفعل الإيجابية، يمكن للمحيط أن يضخم
تغيرات المناخ. فالأنشطة البشرية ينتج عنها انبعاث الغازات المسببة
للاحتباس الحراري، فتنحبس الحرارة ويزداد دفء الغلاف الجوي. وكلما
ارتفعت درجات الحرارة يزداد تبخر مياه المحيط. وزيادة دفء الغلاف الجوي
تؤدي إلى احتجاز كمية أكبر من المياه، ونظرا لأن بخار الماء يعتبرعاملا
فعالا ضمن الغازات المسببة لظاهرة الاحتباس الحراري ، فإن درجة حرارة
الغلاف الجوي تزداد ارتفاعا.
ومن الناحية النظرية، فإن زيادة حرارة الكرة الأرضية يمكن أن تعجل
بدورة رد الفعل هذه، ولكن الأدلة على ذلك ما زالت قليلة حتى الآن.
وتبين المعلومات الواردة من الأقمار الصناعية أن الدفء يزيد البخر وما
يرتفع في الغلاف الجوي من المياه. ولكن العلماء لا يستطيعون القطع بأن
سقوط الأمطار يزداد أيضا في هذه الحالة لأنه من الصعب قياس ما يسقط من
أمطار في العالم كله. حسبما قال ويليس.
ثم خلص ويليس، العالم المتخصص في شؤون المحيطات، إلى القول: "إن ما
نستطيع قوله بالتأكيد هو أن درجة حرارة المحيطات تزداد، وأن مستوى سطح
البحار يرتفع، وأن ارتفاع درجة الحرارة على كوكب الأرض سيستمر لعقود
كثيرة قادمة." |
