Потоки, запасы и средства контроля

Все известные формы энергии крайне важны для существования человека, сама реальность предостерегает нас от того, чтобы расположить их по порядку значимости. Многое в истории было определено и ограничено как универсальными и планетарными потоками энергии, так и их региональными или локальными проявлениями. Фундаментальные свойства вселенной определяются гравитационной энергией, которая регулирует движение бессчетного количества галактик и звездных систем. Гравитация также позволяет нашей планете вращаться вокруг Солнца на правильном расстоянии и поддерживает достаточный объем атмосферы, благодаря которой Земля и стала обитаемой (примечание 1.1).

Примечание 1.1. Гравитация и обитаемость Земли

Приспособляемость основанного на углероде метаболизма определяется точкой замерзания воды, так как вода в жидкой форме требуется для формирования и существования органических молекул (нижний предел), а также температурой и давлением, при котором дестабилизируются аминокислоты и распадаются протеины (верхний предел). Непрерывно обитаемая зона для Земли – предел орбитального радиуса, обеспечивающего оптимальные условия для жизни – очень узка (Perkins 2013). По результатам недавних расчетов стало ясно, что мы даже ближе к границе, чем думали ранее: ученые (Kopparapu and coworkers 2014) сделали вывод, что, исходя из состава и давления атмосферы, орбита Земли находится на внутреннем краю обитаемой зоны, прямо на границе того радиуса, где вышедший из-под контроля парниковый эффект вызвал бы запредельно высокие температуры.

Около двух миллиардов лет назад достаточное количество диоксида углерода (CO₂) было поглощено океаном, архебактериями и микроводорослями, чтобы этот эффект не возник на Земле, но если бы планета находилась всего на 1 % дальше от Солнца, то практически вся ее вода оказалась бы заперта в ледниках. Но даже при температурах внутри зоны оптимума планета не смогла бы поддерживать существование высокоорганизованной жизни без уникальной атмосферы, большей частью состоящей из азота, обогащенной кислородом от фотосинтеза и содержащей набор важных газовых примесей, регулирующих температуру на поверхности. И эта тонкая газообразная оболочка не могла бы сохраниться, не будь планета достаточно большой, чтобы сформировать мощное гравитационное поле, которое и удерживает атмосферу на месте.

Как и в случае со всеми активными звездами, ядерный синтез заставляет Солнце гореть, и продукты термоядерных реакций достигают Земли в виде электромагнитной (солнечной, лучистой) энергии. Этот поток состоит из широкого спектра волн разной длины, в их число входит и видимый свет. Около 30 % от этого колоссального потока отражается облаками и внешней поверхностью атмосферы, около 20 % задерживается атмосферой и облаками, а остающееся, примерно половина, поглощается океанами и континентами, превращается в термальную энергию и переизлучается в пространство (Smil 2008а). Геотермальная энергия Земли добавляет свой, много меньший поток тепла: он образуется в результате исходного гравитационного слипания планетарной массы и распада радиоактивной материи и запускает глобальные тектонические процессы, которые движут океанами и континентами и провоцируют вулканические извержения и землетрясения.

Только крошечная часть входящей лучистой энергии, менее чем 0,05 %, трансформируется с помощью фотосинтеза в новые запасы химической энергии в растениях, обеспечивая незаменимую основу для всей остальной жизни. Органический метаболизм реорганизует питательные вещества в растущие ткани и поддерживает телесные функции и постоянную температуру тела у представителей высших видов. Пищеварение также генерирует механическую (кинетическую) энергию работающих мышц. В своих преобразованиях энергии животные ограничены размером тел и доступностью питательных веществ. Фундаментальной отличительной характеристикой нашего вида был выход за эти физические границы с помощью более эффективного использования мускулов и овладения энергией за пределами наших тел.

Обнаруженные с помощью человеческого интеллекта экстрасоматические виды энергии использовались для выполнения постоянно растущего списка задач, например для создания все более мощных первичных движителей и топлива, при сгорании которого выделяется тепло. Пусковой импульс в освоении того или иного вида энергии зависит от потока информации и от громадного разнообразия созданных нами орудий. Последние в свою очередь варьируются от простых, вроде каменных топоров и рычагов, до сложных машин внутреннего сгорания и реакторов, освобождающих энергию ядерного распада. Базовые эволюционные и исторические последствия нашего прогресса легко очертить с помощью широкого набора количественных терминов. Как и в случае с любым нефотосинтезирующим организмом, самая важная энергия поступает к нам с едой. Добыча пищи, которую практиковали гоминины, напоминала поведение в схожих обстоятельствах наших предков-приматов. Хотя некоторые приматы – и другие млекопитающие (включая выдр и слонов), – некоторые птицы (вороны и попугаи) и даже беспозвоночные (головоногие) выработали в процессе эволюции рудиментарное умение пользоваться орудиями (Hansell 2005; Sanz, Call and Boesch 2014; рис. 1.2), только гоминины сделали изготовление орудий отличительной чертой своего поведения.

Рисунок 1.2. Шимпанзе (Pan troglodytes) в Габоне использует инструменты, чтобы вскрывать орехи (Corbis)

Инструменты дали нам механические преимущества в добывании пищи, создании убежища и одежды. Овладение огнем помогло освоить ранее недоступные территории и еще больше отделило нас от животных. Появление новых инструментов привело к приручению животных, к созданию более сложных, движимых мускульной силой машин и к тому, что мы научились превращать крошечную долю кинетической энергии ветра и воды в движение. Эти первичные движители увеличили силу в распоряжении человека, но долгое время их использование было ограничено природой и мощностью освоенных потоков энергии. Хорошим примером здесь служит случай с парусом, древним и эффективным средством передвижения, чьи возможности на протяжении тысячелетий зависели от превалирующих ветров и течений. Именно эта особенность позволила европейцам в конце пятнадцатого века добраться до Карибских островов и помешала испанцам открыть Гавайи, несмотря на то, что торговые корабли под флагом Испании, так называемые Манильские галеоны (Galeon de Manila) раз или два в год пересекали Тихий океан из Акапулько (Мексика) на Филиппины 250 лет подряд между 1565-м и 1815-м годами (Schurz 1939).

Контролируемое сгорание в очагах, печах и топках превращало химическую энергию растений в термальную. Тепло использовалось в домашних хозяйствах, а также для плавки металлов, обжига кирпичей, для обработки самых разных продуктов. Открытие ископаемого топлива сделало все традиционные способы использования тепла более широко распространенными и более эффективными. Набор фундаментальных изобретений дал возможность конвертировать термальную энергию от сгорания ископаемого топлива в механическую. Впервые это было сделано в паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания, позже к ним добавились газовые турбины и ракеты. Мы получали энергию, сжигая ископаемое топливо, используя кинетическую энергию воды (как минимум с 1882 года), а также атомный распад одного из изотопов урана (с 1956-го).

Сжигание ископаемого топлива и генерация энергии привели к возникновению новой формы высокоэнергетичной цивилизации, которая распространилась по всей планете, охватила ее целиком. В число базовых источников энергии этой цивилизации в данный момент входят (их доля мала, но постоянно растет) новые возобновляемые виды, такие как солнечная энергия (получаемая с помощью фотоэлементов на солнечных электростанциях) и энергия ветра (тут используются большие ветровые турбины). В свою очередь, освоение новых источников стало возможным только благодаря комплексу других усовершенствований. Используя аналогию с трубопроводом, можно сказать, что вентили должны быть установлены и затем открыты в правильной последовательности, чтобы поток человеческой изобретательности потек в нужном направлении.

Наиболее важный «вентиль», относящийся к освобождению большого энергетического потенциала, подразумевает необходимые образовательные возможности, предсказуемые законодательные основания, прозрачные экономические правила, адекватную доступность капитала и условия, благоприятные для базовых исследований. Ничего удивительного, что обычно требуются поколения для того, чтобы получить увеличение или качественное улучшение потоков энергии, или для того, чтобы в значительном масштабе освоить использование нового источника энергии. Сроки разработки, общий объем энергии и характеристики энергетических потоков исключительно трудно предсказать, и на ранних фазах процесса перехода невозможно оценить все конечные воздействия, которые изменения первичных движителей и топливной базы окажут на сельское хозяйство, промышленность, транспорт, устройство поселений, военное дело и окружающую среду. Количественные подсчеты являются сущностно важными для оценки ограничений наших действий и размаха наших достижений, и они требуют знания базовых научных концепций и измерений.

Назад: 1. Энергия и общество

Дальше: Концепции и единицы измерения