Виктор Бродянский - Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии
Первый из них — это фотосинтез — поглощение излучения растениями Земли с образованием соответствующей органической массы. Эта энергия, колоссальная по абсолютной величине (300∙1012 Вт), забирает всего около 0,2% мощности падающего на Землю излучения.
Второй фактор — антропогенный, связанный с деятельностью человека. Высвобождая и используя энергию невозобновляемых природных ресурсов — топлива, человечество несколько увеличивает выделение энергии на Земле. Это количество выделяемой энергии относительно невелико (около 7∙1012 Вт) — почти в 50 раз меньше, чем поглощается при фотосинтезе. Очевидно, что оба фактора (особенно второй) не могут пока существенно сказаться на энергетическом балансе Земли.
Энтропийный баланс Земли выглядит совсем иначе, чем энергетический. Поступающее на Землю солнечное излучение характеризуется весьма малой энтропией, так как температура этого излучения примерно 5800 К. Напротив, равное количественно получаемому от Солнца излучение Земли соответствует в среднем намного более низкой температуре, близкой к 300 К.
Очевидно, поэтому, отдаваемая Землей энтропия существенно больше, чем получаемая; все проходящие на Земле процессы ведут в итоге, как и положено по термодинамике, к возрастанию энтропии. Никакой «энергоинверсией» здесь и не пахнет. Энтропийный баланс, показывая общую физическую картину качественного изменения характеристики энергии, не определяет, как известно, значения полезной, пригодной для использования энергии. Чтобы их выявить, необходимо использовать эксергетический баланс.
Эксергетический баланс Земли определяется прежде всего его приходной частью. Поток лучистой энергии, поступающей от Солнца, характеризуется высокой эксергией, составляющей примерно 0,93 его значения. Следовательно, поступающий на Землю поток эксергии составляет около 0,93∙170∙1015 Вт = 158∙1015 Вт, из которых 34% сразу отражается в космос. Таким образом, до поверхности Земли доходит эксергетический поток E' = 158∙1015 ∙ 0,66 = 104∙1015 Вт. Покидающий Землю поток эксергии относительно мал. С точки зрения земной энергетики его можно не учитывать, так как для Земли средняя температура окружающей среды составляет примерно 300 К (использовать в качестве теплоприемника низкую температуру равновесного излучения космоса можно с определенными ограничениями только вне Земли). Таким образом, «пропуская» всю энергию, получаемую от Солнца, Земля «оставляет» себе ее эксергию. Величина E’ представляет собой тот основной резерв[94] возобновляемых источников эксергии, который в принципе может быть использован человечеством без влияния на энергетический баланс планеты. Эта эксергия (т. е. все создаваемые ею разности потенциалов — давлений, температур, концентраций) все равно «срабатывается» природой — большей частью бесполезно для человека (за исключением той ее небольшой части, которая идет на фотосинтез, и перепадов давлений воды и воздуха, используемых на гидро- и ветроэлектростанциях).
К невозобновляемым источникам эксергии относятся все те, которые могут дать ее в результате освобождения «замороженных» в природе разностей потенциалов. Эти источники — химические и ядерные виды топлива — без вмешательства человека не были бы пущены в ход. Полученная при соответствующем их сжигании (химическом или ядерном) эксергия после использования выделяется в конечном счете как низкопотенциальная теплота и присоединяется к потоку отдаваемого Землей излучения, составляя пока примерно одну двадцатипятитысячную часть его. Естественно, даже десятикратное увеличение этого тепловыделения не может привести к существенному нарушению энергетического баланса Земли, если оно будет беспрепятственно излучаться в космос.
Таким образом, с чисто технической стороны перспективы развития энергетической ситуации на Земле выглядят вполне благополучными. Анализ качества ресурсов, как возобновляемых, так и невозобновляемых, показывает [1.11,1.12], что человечество на обозримый прогнозами срок может обеспечить себя необходимым количеством энергии даже с учетом роста потребности в ней.
Однако все больше дает о себе знать другая сторона научно-технического прогресса (в том числе и энергетики) — его воздействие на природу Земли.
До середины прошлого века положение в этой части не вызывало особой озабоченности. Только в отдельных районах возникали ситуации, создававшие такое давление человеческой деятельности на окружающую природную среду, которое приводило к существенно вредным, но все же локальным последствиям. Но позже, в связи с бурным развитием техносферы, ростом населения характер антропогенного[95] давления на природу стал изменяться. Оно приняло планетарные масштабы, и его количественные характеристики стали соизмеримы с силами, действующими в самой природе Земли. Нарушение природного равновесия ведется во все возрастающей степени сразу «с двух концов»: с одной стороны, вычерпывание природных ресурсов — полезных ископаемых, пресной воды, биосферы, с другой — загрязнение всех трех составляющих окружающей среды — литосферы, гидросферы и атмосферы. К уже указанным выше химическому, тепловому и радиационному загрязнениям теперь прибавляется и биологическое.
Свою немалую лепту в большую часть этих «грязных дел» вносит и энергетика. Не говоря уже о ее косвенном соучастии (никакой технический объект не мог бы работать без энергии), она несет за многое и непосредственную вину.
Для нее извлекаются из недр земли в огромных количествах уголь, нефть и газ, урановая руда; она же выбрасывает в атмосферу диоксид углерода, оксиды азота и серы, а в землю — золу и радиоактивные отходы. Обо всем этом сказано и написано очень много; специальная наука о взаимодействии природной среды и человека — экология — все тщательно подсчитала. Вспомним лишь один показатель: тепловые электростанции, сжигающие органическое топливо, выбрасывают в атмосферу за год более пяти миллиардов тонн диоксида углерода. К этому надо добавить и другие энергетические источники СО2, например автомобили, каждый из которых добавляет в атмосферу около 5 т в год. В целом все это составляет больше тонны на каждого жителя Земли!
Включение выбросов СО2 (а также метана) в углеродный цикл планеты создает все возрастающий дисбаланс между выделением и поглощением этих газов (главным потребителем СО2 служат растения, поглощающие посредством фотосинтеза углерод и возвращающие кислород в атмосферу). Дисбалансу способствует уничтожение лесов (в основном тропических, площадь которых катастрофически уменьшается). В результате содержание СО2 в воздухе за последние 100 лет выросло с 0,030∙10-2 до 0,033∙10-2 (т.е. примерно на 10%) и продолжает увеличиваться. Это приводит к росту так называемого «парникового эффекта», так как СО2 задерживает все большую часть теплового излучения Земли, не давая ему уйти через атмосферу в космос. Это, в свою очередь, ведет к потеплению климата, увеличению площади засушливых зон, таянию полярных льдов, повышению уровня океана, затоплению низменных частей суши. Эти процессы уже идут и темп их нарастает; более того, гигантская инерция Земли такова, что если бы даже накопление СО2 в атмосфере сейчас прекратилось, то его последствия все равно еще долго будут продолжаться и даже нарастать. Все это — научно установленные факты: дискуссия идет лишь о том, в каком темпе эти и другие негативные воздействия на природу будут развиваться и когда может наступить катастрофическая ситуация.
Где же искать выход и существует ли он?
Очевидно, что всякие рецепты типа «нужно просто повернуть назад» — прекратить развитие техники, приостановить рост народонаселения, отказаться от благ цивилизации и перейти к «простой жизни на лоне природы» — наивны и нереальны. Их авторы первыми попросились бы обратно, если их поселить в курной избе и заставить коротать досуг при свете лучины[96].
Поскольку научно-технический прогресс и связанный с ним рост сил, находящихся в распоряжении человечества, остановить невозможно (да и не нужно), единственное решение, исключающее экологическую катастрофу, лежит в другом. Это разумное, тщательно продуманное и контролируемое использование достижений науки и техники в гармонии с природой с учетом последствий каждого шага. Необходимость этого осознается все полнее; бездумное продолжение прежней технической политики становится явно недопустимым. Экологические вопросы и пути выхода из кризиса широко обсуждаются и комментируются. Люди ждут от науки неотложных решений.
Но наука при всей ее мощи не может сразу снять все проблемы; нужна серьезная работа с учетом всех технических, экономических и даже политических трудностей. И здесь, на фоне общей тревоги, снова всплывает уже хорошо знакомая нам «энергоинверсия», обещающая одним махом снять все заботы.
