Энергетические проблемы человечества.
По страницам книги Е.К. Федорова
«Экологический кризис и социальный прогресс».
Энергетические проблемы человечества.
Евгения Константиновича Федорова интересовали и тревожили вопросы, связанные с характером взаимодействия человеческого общества с природой. Об этом свидетельствует его книга «Экологический кризис и социальный прогресс», изданная еще в 1977 году, но удивительно современная для нас, живущих в начале 21 века. В работе ставится проблема – до каких пор, каким образом и при каких условиях может расти и развиваться человечество на нашей планете.
Академик Федоров рассуждает о биосфере как природной среде, которая оказывает непосредственное влияние на человеческую деятельность и в свою очередь подвергается ее воздействию. Федоровское определение биосферы довольно поэтично:
«Верхние слои земной коры, ее поверхность и почва, воды суши и океана, атмосфера – вплоть до верхних ее слоев, смыкающихся с околоземным космическим пространством, образуют в совокупности биосферу. Она называется так не только потому, что является зоной, где существует жизнь, но и потому, что очень многие протекающие в ней и формирующие ее состояние процессы тесно связаны с явлениями жизни.»[1, с.11]
Энергетический аспект очень важен и интересен для характеристики взаимоотношений человека с окружающей природной средой. Евгений Константинович приводит некоторые основные характеристики энергетического баланса нашей планеты. Как известно, главным источником энергии всех естественных и многих антропогенных процессов является приходящее на Землю излучение Солнца. Этот поток имеет мощность около 6*1023кВт. К земной поверхности приходит лишь несколько больше 1013кВт, остальное отражается обратно в космос за счет облаков(50-60%) и поглощается атмосферой.
«Различия в нагреве земной поверхности, пишет Федоров, – в тропиках и полярных областях, в океане и на суше порождают циркуляцию земной атмосферы. Ее первоначально очень простая схема – подъем нагретого воздуха в тропиках, перетекание в холодные полярные области, охлаждение, опускание и обратное движение в нижних слоях к экватору – многократно усложняется: за счет отклоняющего действия вращения Земли, наличия горных хребтов, особых подсистем циркуляции между сушей и океаном и т.д.»[1,с.12]
Вместе с тем существует некое подвижное равновесие, о чем свидетельствует постоянство климата в разных районах земного шара, колебания же вокруг этой «нормы» воспринимаются нами как изменения погоды.
Энергия метеорологических явлений очень велика. Мощность изменения состояния погоды, длительностью до нескольких суток на территории около 1000 км. в поперечнике, измеряется сотнями миллионов киловатт, а процесс развития грозового облака в течение 10 часов достигает десятков миллионов киловатт.
Колоссален по своим масштабам круговорот влаги, вплетающийся в циркуляцию атмосферы. Ежегодно с поверхности океанов испаряется около 450 тыс. км.3 воды, которая в виде осадков выпадает обратно в океан(около300 тыс. км3), остальные 150 тыс. км3 переносятся на сушу и выпадают там, обеспечивая речной сток.
Е.К. Федоров подчеркивает огромную роль процессов жизнедеятельности в формировании облика нашей планеты. Связи, действующие в биосфере, привели к тому, что «вся биосфера в целом представляет собой систему, подвижные и все время изменяющиеся элементы которой находятся в определенном равновесии между собой».[1, с.15]
Такое положение существовало до появления человека. Оставаясь неизменными по своей биологической природе, люди с возрастающей скоростью изменяли способы своего взаимодействия с окружающей средой. «Если первобытное племя, насчитывавшее, вероятно, около 100 человек, в процессе общей работы могло развить мощность в несколько киловатт, то ныне человечество располагает мощностью около 109 кВт в виде длительно действующих источников энергии(электростанций, различных механизмов и т.п.).»[1, с. 20] Эта мощность уже сопоставима с энергией процессов, обусловливающих разнообразие климата и погоды на земном шаре. Причем естественное состояние чувствительной природной среды может измениться в результате незначительного вмешательства.
Известно, что производство энергии возрастает как по абсолютной величине, так и в расчете на душу населения. Возможна ли нехватка энергетических ресурсов в будущем?
Федоров приводит конкретные цифры:«Около 95% ныне получаемой энергии вырабатывается за счет ископаемого горючего – нефти, угля и газа, 1-2 – за счет атомного горючего и 4-3 – за счет использования энергии речного стока.»[1, с. 47]
Несмотря на пессимистические прогнозы, академик пишет, что известные запасы нефти, газа и угля не бесконечны, но открываются новые месторождения, велики запасы урана и тория, используемые для получения атомной энергии. Повышается КПД солнечных батарей для использования прямого солнечного излучения. Значительный резерв представляет использование других альтернативных по отношению к исчерпаемым ресурсам источников: горячие подземные воды, энергетические ресурсы ветра и приливов. Наука постоянно раскрывает новые возможности получения энергии. Так, например водород представляется идеальным горючим, потому что продукт его сгорания – вода – не загрязняет природную среду. Изыскивается возможность получения водорода в результате деятельности микроскопических водорослей, т.е. за счет солнечной энергии.
Но повышать энергообеспеченность человека можно не только путем расширения использования различных энергетических ресурсов. Не менее важно повышение эффективности использования энергии. Евгений Константинович обращает внимание, что при сгорании топлива на тепловых электростанциях теряется около 70% энергии. Низок КПД двигателей автомашин и других агрегатов. В то же время находятся новые технические решения получения и преобразования энергии, снижающие нерациональные затраты.
Поэтому ученый считает, что: «В ближайшие 100-200 лет не может возникнуть ограничений для роста и развития человечества вследствие нехватки природных энергетических ресурсов в целом на Земле.
И вместе с тем проблема энергии может, с нашей точки зрения, создать серьезные трудности, а может быть, и поставить границы для развития человечества на Земле. Не нехватка, а избыток энергии, расходуемой на планете, может привести к такой ситуации.» [1, с. 50]
На тепловых электростанциях(включая атомные),при получении каждого киловатта энергии выделяется 2-3 кВт тепловой энергии, а также выбрасывается в атмосферу значительное количество углекислого газа и иных загрязений.
По мнению автора, тепловые электростанции, производящие большую часть энергии в то время и в ближайшие десятилетия дают основную долю углекислого газа, поступающего в атмосферу в результате хозяйственной деятельности. Как известно углекислый газ – один из парниковых газов, удерживающих длинноволновое инфракрасное излучение в атмосфере и увеличивающих так называемый «парниковый эффект». Ссылаясь на мнение других ученых, например М.И. Будыко, Федоров допускает, что повышение содержания этого газа в атмосфере может оказать влияние на климат. Однако больше его беспокоит другое явление, более трудно преодолимое:
«Расход энергии, откуда бы она не получалась, остается. Использование ископаемого горючего, атомных или термоядерных реакций, тепла земных недр приводит к появлению дополнительных источников тепла на поверхности Земли в районах с большой концентрацией промышленности и в крупных населенных центрах. Это меняет как географическое распределение нагретых областей, так и тепловой баланс планеты в целом.»[1, с.58]
Из популярных литературных источников известно, что серьезным следствием повышения температуры может быть ускорение таяния ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды, что в свою очередь вызовет повышение уровня Мирового океана и затопление густонаселенных пространств суши.
Евгений Константинович не исключает, что изменения в сложной схеме генеральной циркуляции земной атмосферы, порожденные тепловым толчком, могут, например, стимулировать дальнейшее увеличение переноса теплых вод в Ледовитый океан, «возникнет самоподдерживающаяся реакция и незначительное событие послужит триггерным эффектом, который приведет в действие явления колоссального, по сравнению с ним, масштаба.»[1, с.59] Можно представить себе, что глобальные изменения климата в прошлом происходили под влиянием некоторых триггерных эффектов, помимо известных причин, таких как изменения в расположении материков и океанов, образование горных цепей, смещение оси вращения Земли. Таким эффектом могло бы послужить относительно небольшое изменение суммарного теплового баланса Земли. Академик считает, что «уже в настоящее время значительные территории крупных городских агломераций, промышленных центров и даже целых стран – например Бельгии, имеющие размеры порядка десятков и сотен тысяч квадратных километров, являются такими источниками. Если бы на границах современной Бельгии была построена стена высотой несколько километров, то температура в стране выросла бы на несколько градусов.»[1с.60]
Как один из основоположников советской метеорологии, Федоров сравнивает мощность тепловых потоков, выделяемых такими источниками, с мощностью циклонических возмущений. Однако отсутствие количественной теории климата не позволяет ответить, с какого количества дополнительного тепла могут начаться изменения климата. Федоров допускает, что толчком к глобальным изменениям климата может послужить «изменение величины приходной части общего теплового баланса на единицы процентов или перераспределение температур в пределах нескольких градусов на значительных – скажем, в миллион квадратных километров – участках земной поверхности»[1, с.61] Это значит, что доля антропогенного тепла в тепловом балансе должна возрасти до 1-2%, то есть мощность человечества должна возрасти примерно в 100 раз по сравнению с величиной 109кВт.
Возникает вопрос: какова ситуация с энергетикой сегодня и что нас ждет впереди?
« В последнем базовом сценарии Международного энергетического агенства(МЭА) спрос на энергию с 2005 г.(порядка 13 млрд.т.н.э.) должен увеличиться более чем в полтора раза к 2030г. И почти удвоиться к 2030 г.»[2] Поясним, потребление 13 миллиардов тонн нефтяного эквивалента в год соответствует 581.88*1018Джоулей, что соответствует мощности в 18.4*109 кВт. Как видим, по сравнению с оценкой Федорова современной ему ситуации этот показатель возрос в 18.4 раза.
Нужно учесть, что в процессе роста и развития общества увеличение выделения тепла неизбежно. Существуют ли пути решения этой проблемы?
Федоров предлагает три возможных решения. Во-первых, естественно, сокращение производства энергии. Но это может повлечь за собой и сокращение производства продовольствия, и соответственно ограничение населения Земли.
Можно перенести особо энергоемкие производства в космос, используя в качестве сырья вещество астероидов.
Третий путь- возможность регулирования климата при изменении теплового баланса в сторону, благоприятную для человека.
Федоров уделял много внимания вопросам изменения климата, поскольку был убежден, что именно здесь воздействие человечества на окружающую среду может стать трудно преодолимым барьером на пути его развития. Он считал, что вмешательство человека в состояние биоты будет возрастать, но может быть управляемым, и что « наступило время сознательного увеличения «емкости», иначе говоря – продуктивности природы в широком смысле этого слова, за счет сознательного расчета, проектирования и комплексного ее преобразования.»[1,с.63]
Федоров — эколог, с огромным уважением относится к Природе, считает Человека продолжением природы и знает, что у Человека, биологическая сущность которого не изменилась за последние тысячелетия, нет будущего без сохранения своей колыбели – Природы. Его слова: « Разумеется, необходимо иметь заповедники – тщательно охраняемые и не подвергающиеся воздействию человека территории в различных районах земного шара со всеми характерными для данных районов биоценозами. Это важно не только для научно-исследовательских целей, но и для сохранения генетического фонда всей биоты нашей планеты. Необходимо поддерживать существование – в достаточном для сохранения вида количестве – всех разновидностей животных и растений.»[1, с.55]
Но он же, академик Федоров, уверен, что «нельзя требовать возврата к тому состоянию «естественного равновесия», которое имело место при зарождении человеческого общества. Так же нельзя требовать сохранения какого-либо другого состояния «естественного равновесия», если не отказываться от развития и роста человечества, если не считать основной задачей человека сторожить заповедник нетронутой природы»[1,с.54]
Все-таки, самое главное и чудесное, что появилось у нас на планете Земля – это Человек, не зря в первом издании книги Линнея «Система природы» вид Человек назывался Homo nosce te ipsum. Познай самого себя – вот высокое предназначение рода людского. И многие сыны и дочери разных народов примером своей жизни доказывают это. Одним из таких людей был наш выдающийся земляк, уроженец г. Бендеры академик Евгений Константинович Федоров – отважный герой-полярник, пытливый ученый, настоящий Человек.
Литература
- Е.К. Федоров. Экологический кризис и социальный прогресс.
Л., Гидрометиздат ,1977г.
2. В.Е. Фортов, А.А. Макаров. Направления инновационного развития энергетики
мира и России. Журнал Успехи физических наук. Выпуск декабря 2009 г.
Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН, г. Москва
Ершов Леонид Алексеевич
О.О. «Пеликан» г. Бендеры