Катастрофы в природе и обществе - Абрам Фет

Если бы не это изобретение (впрочем, сделанное китайцами за много столетий до того), фазовый портрет энергетики остался бы таким же, как на рисунке 4, то есть потребление энергии все время возвращалось бы в точку 1, и развитие металлургии остановилось бы.

Рис.5а, Рис.5б

Если предположить, что стационарное потребление дерева уже установилось, когда был введен в употребление каменный уголь, то справа от точки 1 (рис.5а) к стационарному значению древесной энергии Кд прибавляется значение угольной энергии Ку, так что полная величина потребляемой энергии К = Кд + Ку (см. рис.5а). На следующий год эта величина будет равна M = Мд + Му , где Му получается из Ку с помощью фазового портрета потребления угля, изображенного на том же рисунке, со сдвигом начала координат в точку (1,1). Мы предполагаем, что характер этого фазового портрета тот же, что и в случае дерева, но соответствующая дуга над биссектрисой намного больше, так как запасы угля намного больше, чем дерева, и потребление его до установления равновесия возрастет несравненно больше; размеры рисунка вынуждают нас исказить соотношение между дугами. Теперь очевидно, что обе дуги вместе дают зависимость величины M = Мд + Му от К = Кд + Ку, то есть фазовый график полной потребляемой энергии. Этот график получается соединением двух дуг -"древесной" и "угольной" – под углом друг к другу в точке 1.

Более вероятно, что уголь был введен еще ранее установления стационарного потребления дерева, под давлением выросшей потребности в топливе. В этом случае резкое изменение в потреблении энергии проявилось в виде угловой точки на фазовой кривой (рис.5б), но эта кривая не опустилась до биссектрисы, то есть потребление энергии возрастало непрерывно. Есть основания полагать, что в наши дни потребление угля также стабилизировалось, но рисунок 5б, изображающий совместное использование двух источников энергии (дерево и уголь), все же не соответствует действительности, поскольку уже во второй половине прошлого века приступили к эксплуатации природных углеводородов – нефти и газа. На рисунке 6 изображен правдоподобный фазовый портрет общего потребления энергии, где третья дуга соответствует нефти и газу, а четвертая – атомной энергии. Введение всех этих видов энергии произошло уже в эпоху статистики и, как мы знаем, каждый раз до стабилизации предыдущего вида энергии. Напомним еще раз, что на наших графиках передана лишь качественная сторона процессов, но количественные соотношения не соблюдены.

Рис.6

Можно представить себе, что следующую дугу составит солнечная энергия, прямое превращение которой в электрическую, пока слишком дорогое, является важнейшей задачей современной техники, или термоядерная энергия, давно обещанная физиками. Мы оставили здесь в стороне менее важные источники энергии, мало влияющие на общее энергопотребление (гидроэнергия, энергия ветра, приливов, и т.д.).

Напомним еще раз, что, в отличие от главы 1, мы рассматриваем теперь деятельность очень своеобразного вида, каким является человек. Поскольку потребление энергии – всех ее видов вместе, старых и новых – непрерывно возрастает, то величина энергопотребления, достигнутая в текущем году, не повторяется, так что мы имеем для этой величины К единственный "стандартный эксперимент" в смысле главы 1. Но если бы эта величина повторилась, вследствие какой-нибудь катастрофы, приостановившей развитие техники, то прежнее наблюдение значения M на следующий год после К вряд ли имело бы достоверную предсказательную силу. В отличие от животных, человек никогда не возвращается к однажды пережитой ситуации; если даже какая-нибудь характеристика его жизни повторяется, то человек уже другой, с другими средствами и привычками. Например, после второй мировой войны наиболее разоренные страны, такие, как Германия и Япония, вернулись к давно пройденным ими значениям энергопотребления, но дальнейшее развитие энергетики у них вовсе не повторилось. Можно думать, что для глобальной величины энергопотребления дело обстоит лучше, но, конечно, фазовые портреты имеют лишь ориентировочное значение, и предсказательную силу их не следует переоценивать. Напомним, что в начале нашего века, когда опасались истощения запасов угля, многие принимали на веру картину, подобную рисунку 5б, предусматривавшую падение энергопотребления при исчерпании угля. Но его запасов, как обнаружилось, хватит на тысячелетия, а затем были открыты более выгодные источники энергии, так что теперь мы полагаемся на график рисунка 6. Техническому прогрессу угрожает не дефицит энергии: его ограничивают экологические трудности.

Заметим все же, что фазовые портреты – даже самый богатый энергией фазовый портрет рисунка 6 – обнаруживают определенную тенденцию энергопотребления: каждая дуга такого портрета, как правило, выпукла, что означает замедление роста. Такое замедление, как и в случае популяций, объясняется ограниченностью ресурсов и условий жизни. В случае энергии, запасы ископаемых топлив могут быть еще очень велики, но добыча их стоит все дороже, что стимулирует экономное использование энергии. С другой стороны, экологические условия ограничивают рост промышленности, во всяком случае, "тяжелой" промышленности, использующей много энергии. В будущем можно предвидеть поэтому стабилизацию потребления энергии, подобно тому, как теперь стабилизируется население Земли – о чем еще будет речь. Как мы видели выше (рис.2), начиная с семидесятых годов энергопотребление растет уже по линейному закону, вместо экспоненциального закона, страшившего предыдущие поколения. Конечно, этот процесс стабилизации может быть задержан ростом потребления энергии в "развивающихся" странах.

Парниковый эффект

Техническая деятельность человека, и прежде всего энергетика, основанная на сжигании углеродных топлив, изменяет состав земной атмосферы. Это изменение неизбежно приводит к изменению климата, которое уже наблюдается и может быть предсказано на будущее, если наша техника будет лишь количественно умножаться, оставаясь на нынешнем уровне развития.

Атмосфера представляет в своем естественном виде смесь газов, почти неизменную по составу, если не считать водяного пара, составляющего, в зависимости от температуры, от 0 до 4% объема воздуха. Сухой воздух содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,036% углекислого газа и очень небольшие количества других инертных газов, водорода, озона, метана и окиси азота.

Энергетический баланс Земли. Полная энергия солнечного излучения хорошо известна. Известно также, какая часть ее задерживается земной атмосферой, рассеивающей это излучение: лишь около половины его достигает поверхности Земли. Мощность излучения, падающего на эту поверхность, точно измерена. В среднем на одного жителя Земли в наше время приходится около 50000 киловатт солнечной энергии. Для сравнения заметим, что мощность всей нашей промышленности составляет меньше одного киловатта на человека, так что опасность прямого перегрева от технической деятельности нереальна. Можно было бы подумать, что эта деятельность слишком мала по сравнению с космическими процессами, чтобы внушать серьезные опасения. Как мы увидим дальше, для таких опасений есть причины.

Земля (без атмосферы) получает излучение в широком диапазоне частот. Частота излучения ν обратно пропорциональна его длине волны λ , так что λν=c, где c – скорость света. Лучи самых высоких частот или, что то же, самые коротковолновые – это гамма-лучи, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи. Они составляют небольшую часть солнечного излучения и в основном задерживаются верхними слоями атмосферы, в особенности слоем озона – к счастью для нас, потому что эти лучи опасны для жизни. Около половины солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, относится к "видимому свету", то есть воспринимается нашим зрением; наибольшая интенсивность этого излучения приходится на волны длиной около 0,5 микрона, соответствующие желтому цвету (поэтому Солнце считается у астрономов "желтой звездой").

Другая половина поступающего на Землю излучения – это невидимые длинноволновые лучи, так называемое инфракрасное или тепловое излучение. Мы можем ощутить такое излучение, приблизив руку к радиатору водяного отопления.

Земля, в свою очередь, излучает в космос, но только инфракрасные лучи, длиной от 3 до 30 микронов. Видимого света Земля не излучает: она "не светится". Поскольку температура Земли (на ее излучающей поверхности) меняется очень медленно, то, по законам термодинамики, Земля должна находиться в "термодинамическом равновесии" с окружающей средой, то есть излучает столько же энергии, сколько поглощает. Так как величина падающего на Землю излучения известна, то известно и ее собственное излучение, которое мы обозначим через W.