Рецензенты:

доктор с.-х. наук Г. В. Стадницкий,

канд. физ. – мат. наук А. И. Крупный

Диалектика научно-технического прогресса на современном этапе такова, что чем быстрее человечество (или какая-то группа его) хочет получить больше комфорта, используя и преобразуя природу, тем сильнее проявляются побочные или непредусмотренные, или отдаленные негативные последствия. Природе наносится вред, часто непоправимый. И поскольку человек – часть природы, то тем самым научно-технический прогресс из первоначально задуманного добра превращается и для человека в свою противоположность – зло. Прогресс требует жертв.

Так что же, назад к природе? Или, как в движении луддитов – если введение машин ухудшило положение рабочего, то ломай их машины? Не строить атомных электростанций, не производить новых химических веществ, не пользоваться минеральными удобрениями, не проводить мелиорации и т. п.?

Помочь студенту ВУЗа найти пути к ответу позволяет предлагаемая книга. Автор – специалист в области термодинамики органических кристаллов раньше, вероятно, относился к экологическим проблемам «как все». Последние 30 лет он серьезно занимается вопросами образования в области окружающей среды. Специальная подготовка и получение уникальной в наши дни специальности «инженер-эколог» дали автору возможность не только страстно, но и профессионально бороться за правильное отношение к природе. Значение этой деятельности трудно переоценить. Предлагаемая читателю книга является закономерным этапом в этой работе. Насколько нам известно, учебное пособие под таким на званием выходит впервые. После внимательного чтения книги можно сделать несколько определенных выводов.

Во-первых, экологические проблемы достигли такой остроты, что, не повлияй на них сейчас, они способны привести человечестве к гибели. Наверное, экологическая опасность в 80-х годах нашего века действительно является второй после ядерной опасности, и, во всяком случае, ее проблемы острее в нашей стране, чем проблемы продовольственная, национальная, социально-бытовая и другие, которые последнее время нас очень тревожат.

Во-вторых, экологические проблемы планеты не решить в рамках одной или нескольких стран, даже самых крупных и мощных, и даже в рамках объединения всех стран одной социально-экономической системы из-за их глобальности и дороговизны проектов по их решению. Мы медленно начинаем привыкать к новой формулировке о приоритете общечеловеческих ценностей, в частности ценности человеческой жизни, перед ценностями отдельных групп человечества. Пока непривычно звучит, что общечеловеческие интересы даже выше классовых, хотя мы ни в коей мере не откажемся от классового диалектического подхода к явлениям действительности.

В-третьих, экологические вопросы глубже узкопрофессиональных, и могут вступить с ними в противоречие. Их невозможно решить по наитию, «чутьем». Необходима специальная подготовка всех специалистов по экологии, чтобы не повторять трагедий Арала и Байкала и подобных. А ведь те, кто губил Арал и Байкал, наверняка руководствовались благими намерениями (по крайней мере, внешне), и инженерные решения, направленные на получение сиюминутной выгоды, били в основном скорее всего верными. Но этого оказалось мало. Во время ли мы спохватились?

Книга читается с интересом, будучи написана живым языком, в ряде мест используются неожиданные образы и обороты, а сквозь всю книгу проходит мысль о необходимости физического обоснования экологических проблем. Наверное, можно сделать упрек автору, что в ряде мест строгость изложения сделала уступку наглядности, доступности. Мы против такого упрека. Такая уступка действительно есть и служит значительно большей убедительности повествования. Что же касается, общего научного уровня пособия, то он примерно соответствует курсу общей физики ВУЗа. Книга заставляет задуматься о тех вещах, о которых мы зачастую думаем отнюдь не в связи с физикой. Один из параграфов гласит: «Физика очистных аппаратов» (?!). Как?! Ни в одной голове против воли возникнет легкое недоумение (Что? Физика и… простите, канализация???). Неожиданно к нам в житейский комфорт придвигается вопрос передвижения материков. Далеко не безобидным для жизни на Земле оказываете лак «Прелесть» для укладки волос красавиц и другие «аэрозоли» (кстати, оказывается с точки зрения физики вовсе не аэрозолями). Еще раз оказывается, что физика жить не может без химии, биологии, географии и других наук.

Наверняка можно отыскать проблемы экологии, которые в книге не затронуты. Наверняка через несколько лет часть материала окажется устаревшей и обязательно возникнут новые вопросы. Это ставит перед автором задачу не бросать разработку проблемы с выходом данной книги. Много лет назад за некоторые мысли автора можно было бы и наказать (не по-сталински, так по-брежневски). А сейчас жизнь меняется так динамично, что эти мысли стали не только «разрешены», но необходимы. С этой точки зрения книга, которая вряд ли бы вышла до 1985 г., является пусть скромным, но вкладом в перестройку. Книгу с пользой для себя прочтут не только студенты педвузов, но и широкий круг читателей.

Экологизация учебных дисциплин, рекомендованная Тбилисским (1977), Московским (1987) и Рио-де-Жанейро (1992) конгрессами по образованию в области окружающей среды, является частью мировой стратеги по развитию образования. Эта книга лишь часть в решении экологических проблем через изучение физики в школе и ВУЗе.

Воздействие человека на природу стало опасным не только из-за деградации окружающей среды, но, может быть, в большей степени из-за деформации ценностей, так как в оценке своих взаимоотношений с природой люди скорее склонны изменять природу, чем свои представления о цивилизации.

В таких условиях возникла необходимость в новом типе естественнонаучного знания, т. е. знания о той среде, в процессы которой включен человек и которая должна изображаться и изучаться вместе с человеком. К такому типу знаний относится формирование комплексов научного знания (академик П. М. Федосеев), включающих общественные, естественные и технические дисциплины, призванные служить теоретической основой для планирования, организации и осуществления практической деятельности.

Примером такого комплекса является социальная экология. Интеграция естественнонаучных и технических дисциплин с общественными науками происходит на основе экологизации тех и других и отражает новое явление – гуманизацию естественных и технических наук.

Идея о гуманизации естественных и технических наук была выдвинута достаточно давно, но стала привлекать к себе внимание и получила поддержку только в последнее время. Идея эта возникла в связи с том, что развитие цивилизации способствует изоляция человека от природной среды. Жизнь человека проходит все в большей степени в искусственной среде техногенных ландшафтов, искусственных материалов и даже искусственно созданных эмоций. В этих условиях искусственная среда стала преобладать как объект изучения над естественной.

В изучении физики идея о гуманизации означает возвращение физики к изучению ее главного объекта – природы, так как в последние четыре десятилетия произошло заметное смещение физики к изучению объектов искусственной среды. Физика как бы отделилась от явлений в естественной среде и в том числе от человека.

Вследствие отделения наблюдателя от изучаемого объекта и фактов физика добилась успехов, но сама стала плохо контролируемой. Пример этого – трудности контроля над военной ядерной техникой, ядерной энергетикой и информационными технологиями.

Такое удаление физики от естественной среды как объекта исследования и изучения сложилось под влиянием потребительского характера современной технологии.

Экологизация и гуманизация физики, химии, биологии, технических дисциплин важны в двух аспектах: с одной стороны, это возвратит естественнонаучные дисциплины к изучению природы и взаимодействию ее с человеком; с другой – это основа для формирования экологической культуры и принципиально новой технологической политики рационального и разумного природопользования.

Эта книга вводит экологическое содержание в изучение физики как важный целевой и прикладной аспект. Материал предполагается использовать при изучении всех разделов физики от механики до ядерной физики, а также при разработке специальных и факультативных курсов.

Мировая экологическая ситуация. XX век характеризуется вступлением в действие глобальных факторов, с которыми раньше человечество встречалось лишь в прогнозах философов или романах писателей-фантастов.

Глобальными эти проблемы считаются потому, что они затрагивают жизненные интересы всех народов и требуют для своего решения усилий всего человечества. От этого зависит ответ на главный вопрос: быть или не быть человеческой цивилизации[1]?

Обычно эти проблемы формулируют кратко, располагая по порядку важности: проблема ядерной войны, экологическая, демографическая, продовольственная, энергетическая, ресурсная.

Эти проблемы связаны между собой и взаимозависимы. Так, например, в прогнозах «Римского клуба», в высказываниях некоторых ученых и общественных деятелей, а также в исследованиях математических моделей биосферных процессов, проделанных в СССР под руководством академика Н. Н. Моисеева и группой профессора К. Сагана в США. Показано, что одним из последствий термоядерной войны будет неизбежная глобальная экологическая катастрофа.

Проблема окружающей среды, или, как принято называть ее в нашей печати, экологическая относится к числу наиболее важных. В последнее время, когда появилась надежда на ликвидацию ядерного оружия. Эта проблема выдвигается на первое место и от ее решения зависит судьба человеческой цивилизации.

Экологическую ситуацию обычно представляют в виде списка техногенных аварий и катастроф. Недостаток такого списка заключается в том, что он очень длинный, перемешаны локальные и глобальные события, крупномасштабные и мелкомасштабные. В таком списке трудно ориентироваться, с трудом прослеживаются причинно-следственные связи. Из этого может возникнуть ощущение беспомощности и неспособность действовать.

Глобальную экологическую ситуацию (ГЭС) с позиций методологии научного познания можно представить в виде системы взаимосвязанных блоков.

Рис. 1. Компоненты глобальной экологической ситуации

В такой системе факты группируются в блоки явлений, устанавливаются причинно-следственные связи между явлениями и представитель любой профессии может найти свое место и способ действия.

В этом анализе удобно выделить две части:

1) общие черты экологической ситуации и

2) ее причины.

Расширение антропосферы. Из схемы ГЭС следует, что первопричиной изменений в окружающей среде является расширение области человеческого обитания и деятельности (антропосферы). Этот процесс, в свою очередь, характеризуется динамикой увеличения численности населения.

Таблица 1

Рост населения Земли (млрд. чел.)

Видно, что прирост населения на 1 млрд. с начала XIX века занимал 100 лет, в конце XX, начале XXI века такой же прирост происходит за 11–15 лет. Такая динамика характеризует экспоненциальное развитие. В реальных условиях системы с таким типом развития быстро теряют устойчивость и разрушаются.

Истощение природных ресурсов. Большое население с таким стремительным ростом требует для своего обеспечения огромного количества материальных и энергетических ресурсов. По некоторым оценкам потребление ресурсов за последние 15–20 лет равно количеству ресурсов, израсходованных человечеством за всю предыдущую историю. Поскольку расходуются в основном исчерпаемые ресурсы, возникла перспектива их быстрого истощения. Для нефти и урана 235 предел экономически эффективной добычи находится в пределах около 30 лет.

Особенность проблемы ресурсов связана с очень низкой эффективностью их использования из-за огромного количества потерь в технологической цепочке от их добычи до пользователя. Этот коэффициент оценивается специалистами около 3 %.

Загрязнение окружающей среды. Огромные масштабы потребления ресурсов с низким коэффициентов использования определяют гигантские масштабы выбросов материалов и энергии в окружающую среду. Так по оценке экспертов Римского клуба эмиссия промышленных газов в 1975 году составлявшая около 20 млрд. тонн к 2000 году увеличилась почти в 3 раза. Такое соотношение по их оценкам характерно почти для всех видов выбросов.

Таблица 2

Производственные и бытовые выбросы [2]

По данным таблицы можно сделать важные выводы.

Изменение природных процессов. Расширение территории антропосферы и выбросы гигантского количества материалов и энергии антропогенного происхождения во все составляющие биосферы не могло не повлиять на происходящие в ней природные процессы. Результат этого: изменение радиационного баланса земли и нарушение естественного «парникового эффекта», повышение средней температуры земли более чем на 1 °C за последние 50 лет (беспрецедентное в геологическом масштабе времени), изменение динамики распределения глобальных ветров; изменение распределения влаги в атмосфере; деградация озоносферы и тому подобное. Особое беспокойство вызывает тенденция к необратимости в некоторых из таких изменений. Долгая дискуссия о причинах быстрого потепления климата планеты привела к тому, что большинство специалистов климатологов пришли к заключению об антропогенном происхождении этого явления [2].

Сокращение биоразнообразия. Из неполного перечня явлений, характеризующих четыре составляющих, с очевидностью следует изменение природной среды обитания живых организмов. Расширение антропосферы ведет к сокращению ареала обитания многих видов животных и растений. Изменение факторов среды, например, температуры, акустического фона, мощности светового потока приводит к тому, что ограниченная приспособляемость животных и растений к изменению внешних условий ведет к их деградации и исчезновению.

Научно-технический прогресс и его роль в экологической ситуации: плюсы и минусы. Успехи науки и физики в особенности всегда обеспечивали продвижение общества на пути прогресса. Однако, использование этих достижений не всегда происходило во благо общества. Двигатели внутреннего сгорания и электромагнитные, динамит, ядерная энергия, лазер, полупроводники, с одной стороны, облегчали наш труд, делали жизнь лучше, а с другой они стали основой для создания небывалой по мощи машины уничтожения и небывалого загрязнения окружающей среды.

Из опыта развития цивилизации мы знаем, что наука была и пока остается одновременно и инструментом и оружием в руках человека.

Исключительно важной становится задача формирования новой культуры в использовании достижений научно-технической революции.

По отношению к природе основой этой культуры является принцип рационального природопользования.

Реализация этого принципа требует формирования принципиально новой технологической политики в переводе промышленного и сельскохозяйственного производства на мало – и безотходные технологии и полное использование вторичного сырья.

Возможность такой технологии была предсказана Д. И. Менделеевым, который указывал, что в производстве не может быть отходов, т. к. отходы одного производства должны быть сырьем для другого.

Успехи современной физики, химии, биологии уже сейчас позволяют осуществить эту идею. Стимулы по применению ресурсосберегающих технологий определяются их истощением и увеличением стоимости. В качестве примера таких технологий можно привести обработку металлов выдавливанием, использование золы и шлака ТЭЦ для производства цемента, лазерную резку металлов, метод 3D печати изделий, производство биогаза из отходов животноводства, использование экологически чистых источников энергии.

Это частные примеры нового явления – экологизации производственной деятельности и быта человека, получившего название «новой НТР». В связи с этим появилась точка зрения, что «социальная экология» это новая наука, возникшая как теоретическая основа «новой НТР».

Возникновение «социальной и глобальной экологии» это проявление процесса осознания человеческим обществом ответственности за последствия агрессии в природу. В оценке этого явления, пожалуй, более прав Ф. И. Гиренок, который считает, что «социальная экология не научная дисциплина, а обозначение нового мыслительного пространства, в котором результаты разнородных дисциплинарных исследований интерпретируются и понимаются под одним, но не дисциплинарным углом зрения [3]. Появление глобальной или социальной экологии отражает необходимость понимания природы не с точки зрения физика, биолога или химика, когда фундаментальность и целостность природы ускользает от исследователя, а восприятие ее как единого целого. Начавшуюся в конце XX века экологизацию естествознания можно рассматривать, как одну из форм развития единой науки о человеке и природе. Не следует думать, что этот процесс приведет к ликвидации дифференциации наук и возникновению интегральной науки о природе. Это не произойдет. Физика останется физикой, изменится только предмет исследования физики. Кроме привычных для физика параметров окружающей среды: давление, температура, напряженность электрического и магнитного полей и других величин, описывающих процессы в окружающей среде. Необходимо учитывать влияние антропогенного фактора на эти величины.

Современная физика, имеется в виду учебная дисциплина, в значительной степени ушла от изучения своего первоначального объекта аристотелевских и даже более поздних времен – явлений природы. Физика школьных и вузовских учебников рассматривает, в основном, локальные явления в искусственной среде: поведение газа в замкнутых объемах, движение зарядов в электрических цепях, магнитные поля проводников с током, реакции в ядерных реакторах и т. п. Особенно это заметно на иллюстративном материале, весь он базируется на применении физических явлений и законов в технике.

Можно сказать, рискуя встретить резкую критику, что физика во все большей степени становится служанкой НТР. Из ее внимания практически выпали явления в естественной среде и, совершенно полностью, в биосистемах.

У школьников и студентов в связи с этим стало складываться впечатление о природе как о среде, существующей отдельно от человека, а следовательно, и не стоящей большого внимания.

Отсюда появилось заниженное представление о ценности природы. Таким образом, начиная со школьной скамьи, мы сознательно, хотя и невольно, формируем потребительское отношение к природе. Аналогичные упреки можно отнести и к современной химии. Возникает вопрос, а правильно ли мы называем сейчас эти науки естественными?

Достижения физики конца XIX – начала XX века явились основой современной НТР, началом которой принято считать 40–60-е годы двадцатого столетия. С этими годами связано бурное развитие энергетики, средств транспорта и связи, ядерной военной техники и т. п. Нет необходимости разъяснять, что в основе этих отраслей человеческой деятельности заложены великие физические открытия, связанные с именами Фарадея, Максвелла, Резерфорда, Капицы, Бора, Бардина, Ландау, Басова, Прохорова, Таунса и других физиков.

Таким образом, физика, которая явилась основой современной технологии, оказалась в начале антропогенного воздействия на окружающую среду. Экологизация физики становится необходимым этапом развития, науки и образования для того, чтобы гармонизировать взаимоотношения человека с природой. Стоит заметить, что обычно в литературе обходится стороной вклад физики в развитие военной техники и влияние этого на НТР. Влияние это огромно, поскольку эта техника забирает у человечества лучшие материальные и интеллектуальные ресурсы. Именно эта техника ответственна в значительной степени за проявление неимоверного расточительства природных ресурсов, так как гонка вооружений заставляет противостоящие стороны постоянно спешить, чтобы оказаться уже если не впереди, то по крайней мере не сзади партнера. В такой гонке не до сохранения природных ресурсов.

В этой связи особенно значительно выглядит инициатива СССР, приведшая в 60-х годах к запрету ядерных испытаний в атмосфере и на земной поверхности, и продолжающиеся сейчас усилия по полному запрету всех ядерных испытаний и ликвидации ядерного оружия.

Экологизация учебной физики означает: 1. введение в предмет ее изучения явления природы в атмосфере, гидросфере, литосфере и космосе; 2. изучение физических методов наблюдения за состоянием окружающей среды; 3. изучение физических процессов, происходящие при вторжении искусственной среды в естественную; 4. изучение физических методов защиты окружающей среды; 5. изучение физических методов рационального природопользования, мало – и безотходных технологий; 6. изучение физических основ в создании экологически чистой энергетики и транспорта.

Такой подход вернет на свое место истинную ценность природы и жизни как главные ценности. С полным правом к такому подходу можно применить и термин гуманизация науки. Экологизация дисциплин естественнонаучного цикла будет способствовать сближению естественных и общественных наук.

Необходимость решения глобальных проблем заставляет рассматривать экологизацию естествознания, и физики в частности, не как внутреннее дело науки, а как определенную закономерность в развитии цивилизации.

Положительного эффекта в этом процессе можно достичь только при знании, как минимум, основ фундаментальной экологии. Следующая глава знакомит читателя с базовыми законами и понятиями этой новой для не биологов науки.

Элементы экологии. Наука, изучающая взаимодействие живых организмов с окружающей средой – экология получила свое название от др. греческих οίκος – обиталище, дом и λόγος – наука.

Составляющие окружающей среды, специфические для данного вида живого организма, обеспечивающие его развитие и воспроизводство характеризуют экологическую нишу этого вида. Такой нишей могут быть океан, опушка леса, капля воды. Совокупность неорганической основы, климатических условий (экотоп) и живых организмов (биоценоз) представляет экосистему (рис. 2). В экотоп входят климат, вода, почва, элементы ландшафта, воздух. Биоценоз составляют живые организмы, (зооценоз), растения (фитоценоз) и микроорганизмы (микробиоценоз). Для полноты компонентов составляющих экотоп, необходимо включить солнечное излучение, электромагнитный и акустический фон, а также, космическое излучение. Биоценоз и экотоп эволюционируют, воздействуя друг на друга через систему связей. Эти связи показаны стрелками, и механизм этого взаимодействия и представляет предмет экологии.

Стрелки-связи показывают направление потоков перетекания энергии и вещества поддерживающих устойчивое биологической и физическое состояние экосистемы.

Большой вклад в развитие экологии внес академик В. И. Вернадский. Он расширил ее границы, введя в систему связей экосистемы человеческий (антропогенный) фактор и понятие о ноосфере. Он определил ноосферу как совершенно новый объект научного познания, так как «это не просто общество, существующее в определенной среде, служащей пассивным поставщиком вещества и энергии и сохраняющейся в самой себе равном состоянии. Это нечто иное, целое, в котором сливаются развивающееся общество и изменяющаяся природа, взаимодействующие самым тесным образом. Можно сказать, что здесь действуют особые закономерности, в которых сложнейшим образом переплетаются законы неживой и живой природы, законы общества и законы человеческого мышления» [4].

Рис. 2. Схема экосистемы

Явления, происходящие в биосфере, взаимоотношения между частями биосферы и экосистем и внутри каждой из них подчиняются определенным закономерностям и могут быть описаны в виде законов. Законы эти в отличие от физических трудно формализуются, может быть, в силу большой сложности описываемых явлений, а может быть, потому, что физика и биология пользуются разными представлениями о структуре окружающего пространства.

Биосфера, по определению В. И. Вернадского, это живая оболочка Земли, область распространения жизни. Нижняя граница биосферы – донные отложения океана, верхняя граница – озоновый экран, выше которого ультрафиолетовое излучение исключает существование живых организмов. Реально верхняя граница проходит на высоте 5–6 тыс. м., там, где в скалах могут обитать лишь мхи и микроорганизмы. Таким образом, толщина биосферы составляет около 15 км. В сравнении с радиусом Земли это очень малая величина, а на модели Земли, например, с радиусом в 1 м она будет выглядеть, как тончайшая пленка толщиной 0,2×10^–3 м. Так же она и представляется космонавтам, их всегда удивляет наблюдаемая тонкость атмосферы.

Рассмотрим основные элементы биосферы – воду, воздух, почву теперь с позиций экологии как среду и ресурсы, обеспечивающие жизнь на Земле.

Круговорот воды в биосфере. Вода это составная часть всех элементов биосферы – не только водоемов, но и воздуха, почвы, живых существ, в которых под влиянием энергии Солнца и жизнедеятельности поддерживается определенный баланс воды. Механизм, поддерживающий этот баланс – круговорот воды. Мировой баланс воды – величина довольно стабильная, на что еще обратил внимание Аристотель в «Метеорологии». Балансы отдельных элементов биосферы, например континентальных и океанских вод, непостоянны из-за изменения режима осадков, связанных с глобальными изменениями климата (ледниковые периоды). Для существования жизни и развития человеческой цивилизации наиболее важно частью в этом балансе являются пресные воды, которые составляют речной сток, содержатся в озерах и подземных горизонтах, 85 % пресной воды планеты сосредоточено в ледниках.

Ежегодный объем воды, который может использовать человечество, составляет 37,3 тыс. км³ (речной сток) и часть подземных вод, запасы которых – 13 тыс. км³. Сами по себе эти цифры ничего не говорят, кроме того, что это большие величины. Для их оценки необходимо сравнить их с потребностью человечества в воде. Из имеющихся данных по расходу воды (в км³) на 1975 год [5] видно, что потребности уже сравнимы с природными запасами.

Таблица 3

Потребление воды, 1975

С учетом быстрого роста населения и уровня загрязнения вод прогноз об исчерпании запасов пресных вод в мире в начале XXI века представляется вполне реальной. Потребность в воде в настоящее время не удовлетворяется у 20 % городского и 15 % сельского населения мира.

Вода на суше распределена неравномерно, огромные площади занимают вододефицитные земли: аридные, пустыни, полупустыни. Не всегда вода имеется там, где располагается потребитель. Например, в СССР из 1000 км воды, пригодной для потребления, только 20 % располагалось там, где потребность в ней самая высокая. Усложняют водоснабжение и сезонные изменения стока вод в периоды паводков и половодий. Речной сток измеряется в м³/с и характеризуется гидрографом. Сток характерный для рек европейского типа, например, как Луара во Франции, изменяется от 50 м³/с в зимнее время до 4000 м³/с во время паводков.

Знание гидрографа рек важно для планирования хозяйственного водопотребления, особенно в энергетических целях. Для человека паводки представляют значительное неудобство, а порой к опасность. Однако, нужно знать, что паводки играют большую роль для здоровья самой реки и всех ее обитателей. Зарегулирование рек дамбами и плотинами изменяет речной сток и наносит большой ущерб экосистемам рек. К сожалению, не подсчитывается соотношение между ущербом, нанесенным реке строительством ГЭС и энергетической выгодой. Не исключено, что в ряде случаев расчет окажется не в пользу ГЭС.

До появления биосферы круговорот воды в природе осуществлялся только за счет испарения поверхностных вод водоемов и суши. В этом процессе существуют два круговорота: малый, в котором испарившаяся вода проливается прямо над океаном, и большой, когда облака уносятся ветром в сторону суши и пролившиеся дожди возвращаются в океан в виде поверхностного и речного стока (рис. 3).

В среднем, в год с поверхности всех водоемов испаряется около 0,5 млн. км³ или 0,5¹⁵ т. Более 90 % этого количества возвращается в океан с атмосферными осадками и лишь 10 % выпадает в виде осадков на поверхности материков. В некоторых конкретных случаях количество испаренной воды и скорость испарения столь велики, что не восполняются поверхностными стоками. Например, сток воды в Средиземное море не восполняет количества воды испаренной с его поверхности, поэтому в Гибралтаре течение направлено всегда из Атлантики. Речная вода обновляется за счет испарения с циклом в 10–12 суток.

Рис. 3. Большой круговорот воды

Современный круговорот воды происходит с участием биосферы и человека. Цикл его таков: вода, испаренная с поверхности водоемов, почвой, растениями, животными, конденсируется, образуя облака, и выпадает в виде осадков. Часть ее попадает в водоемы непосредственно, часть питает подземные воды, часть потребляется животными и растениями и возвращается опять в мировой океан уже как продукт жизнедеятельности.

Сравнение двух круговоротов воды показывает, как усложнилась структура круговорота включением в него биоценозов и человека. Транспирация или дыхание растений и животных, внесло очень заметный вклад в водный цикл. Так, с единицы поверхности леса испаряется значительно больше воды, чем с такой же поверхности моря. Количество испаренной воды зависит от вида растений и типа почвы – сухая она или влажная. Подсчитано, что с гектара березового леса ежедневно испаряется 47 000 л воды, с гектара елового леса около 43 000 л. В среднем с гектара леса в год испаряется от 2000 до 6000 м³. Из этих данных можно с уверенностью сделать вывод о зависимости количества осадков в какой-либо местности от растительности.

В исследованиях ученого А. П. Бочкова показано, что сток небольших лесных районов на 50–95 % выше стока открытых безлесных районов. Из этого правила почти с очевидностью следует, что нынешняя трагедия в Сахеле (Южная Сахара), почти полное исчезновение воды не что иное, как продукт человеческой деятельности. Увеличение скотоводства привело к исчезновению растительности, а это в свою очередь, уменьшило испарение и соответствующие ему осадки. Локальные водные циклы на Севере Африки оказались разорванными руками человека. Похожие явления стали наблюдаться и в нашей стране в Калмыкии и на юге Украины в связи с постоянным уменьшением растительного покрова.

Антропогенное нарушение водных циклов. Единственным нарушителем круговорота природных вод является водопотребление обществом. Главные потребители пресной воды: сельское хозяйство, промышленность, сфера быта. Потребление воды зависит от соответствия расселения характеру потребности, уровня экономического развития и общей культуры людей. Однако, растущее использование воды с низкой эффективностью и продолжающееся во все больших масштабах загрязнение указывают на то, что человечество очень далеко от понимания важности водной проблемы, растут гигантские уровни потребления и загрязнения.

Наиболее водоемкие производства: металлургическое, целлюлозобумажное, сельскохозяйственное, пищевое.

Потребность в воде для производства 1 тонны продукции колеблется в очень широких пределах (таблица 4).

Таблица 4

Потребность в воде для производства 1 т

Любое производство и потребление связаны с отходами т. е. загрязнителями. Резко выросло в XX веке производство и потребление продуктов с органической основой: горюче-смазочные материалы, изделия из пластмасс, моющие средства, косметика и продукты питания.

Количество органических отходов в мире (таблица 2) велико и велика динамика их роста. Значительная часть их попадает в воду, где их разложение происходит в процессе окисления и под действием микроорганизмов. Для этого расходуется кислород, растворенный в воде. При незначительном количестве сбросов срабатывает механизм самоочищения, если отходов много, содержание кислорода в воде резко падает, вода загнивает и зарастает сине-зелеными водорослями, которые еще более снижают содержание кислорода. Процесс увеличения биогенных и органических веществ в воде – эвтрофикация.

Возможность самоочищения вод оценивается показателем ВПК (биологическая потребность в кислороде), который указывает количество кислорода в миллиграммах, необходимое для окисления 1 г вещества за 1 час.

Наиболее ощутимо нарушение круговорота воды сельским хозяйством. Орошаемое земледелие занимает около 17 % всех обрабатываемых площадей. Все рисоводство и 70 % хлопководства требуют интенсивного орошения.

Расширение сельскохозяйственного производства, особенно при орошении и привело к увеличению забора воды из рек. Более 1/3 стока таких рек, как Дон, Днепр, Днестр разбирается по пути к морю, воды Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи практически не доходят до Аральского моря. Из-за уменьшения притока пресной воды и увеличения сброса сточных вод резко уменьшились рыбные запасы Аральского моря.

Забор воды из Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи привел к экологической катастрофе в бассейне Аральского моря и поставил под угрозу благосостояние и даже жизнь людей, населяющих приморскую зону. Уровень моря упал почти на 13 метров, вода отступила от берегов на десятки километров, а в южной части до 100 км. Все это привело к возрастанию солености моря, уменьшению осадков, опустыниванию и засолению земель в районе Арала. Изменилась климатическая ситуация. Раньше Арал, представлявший огромный аккумулятор тепла, формировал стабильные тепловые конвекционные потоки, поднимавшие вверх холодные воздушные массы, приходящие с Севера (рис 4). Холодный и влажный воздух достигал Памира и выпадал в виде дождя и снега, питая ледники и реки. Теперь эти потоки не в полной мере достигают Памира, так как над Аралом нет прежних мощных восходящих потоков. Некоторые специалисты считают, что Аральское море спасти не удастся и оно обречено на быстрое вымирание. В 1988 году вышло постановление правительства СССР о мерах по коренному изменению экологической обстановки в районе Аральского моря, была создана специальная комиссия по контролю за реализацией этого постановления.

Рис. 4. Водный цикл Арала

Бытовое водопотребление тоже довольно значительно, особенно в Токио, Мехико, Сан-Пауло, Москве, Нью-Йорке и других многомиллионных городах. Нагрузка на водные ресурсы зависит в основном от технологии и культуры потребления. Дефицит воды, например, в Москве, связан с непозволительной расточительностью и загрязнением. Во всех городах значительно превышены рациональные нормы расхода воды на одного жителя в сутки – 125–350 л. В 1980 г расход на одного жителя в сутки составлял: Минск – 283 л, Таллинн – 428, Ленинград – 456, Москва – 593, Душанбе – 564, Ташкент – 811. В европейских городах жители укладываются примерно в 270 л, Потери воды вместе с другими причинами связаны и с отсутствием надежных и простых расходомеров. Кстати, это серьезная и интересная работа для физиков и инженеров, разработать такой расходомер.

В перечень водопотребления обычно не включают энергетику. Это неверно. Во-первых, происходит тепловое загрязнение сбросами ТЭЦ, во-вторых, нарушается режим рек плотинами гидростанций и увеличивается испарение с поверхности водохранилища. Площадь всех искусственных водохранилищ России примерно равна территории Франции! При таких масштабах «покорения природы» не стоит удивляться чудесам погоды последних лет.

Круговорот вещества в атмосфере. Воздух одна из основных составляющих окружающей среды. Важную роль для жизни играет состав воздуха и физические процессы переноса вещества и энергии в форме круговоротов. Воздух состоит из газов: азот 78.084 %, кислород 20.948 %, аргон 0.934 %, другие и паров воды.

Кислород появился на Земле примерно 2 миллиарда лет тому назад, когда проходило активное формообразование поверхности при активной вулканической деятельности до того еще, как произошло разделение материков из праматерика Пангеи, согласно гипотезе Вегенера. Возрастание доли кислорода до современной в 21 % происходило в течение последних двадцати миллионов лет. Главную роль в этом играло развитие растительного мира суши и океана. Содержание кислорода в воздухе определяет границу жизни для растений и животных, по вертикали это приблизительно 4000 метров.

Кислород образуется в результате фотосинтеза органических продуктов в растениях.

6СО₂ + 6Н₂О + квант света = C₆Н₁₂O₆ + 6O₂+ тепло

При дыхании происходит реакция, обратная фотосинтезу.

В настоящее время пока наблюдается сохранение равновесия между производством кислорода и его потреблением.

Интенсивное потребление кислорода промышленностью, авто транспортом и авиацией вызвало опасения о нарушении баланса кислорода в окружающей среде. Опасения эти имеют под собой основания. Так, потребность в кислороде для пробега легкового автомобиля на расстояние 1500 км равна годовой потребности в кислороде одного взрослого человека! В целом кислородный баланс сохраняется, хотя возник ли его локальные нарушения вблизи больших промышленных цент ров и мегаполисов.

Рис. 5. Растворимость О₂

Круговорот кислорода. Круговорот О₂ очень сложный цикл из-за большого числа его участников. В него вовлечено большое количество представителей органического и неорганического мира, а также вода, растворяющая кисло род. Кислород, содержащийся в литосфере в виде оксидов, в круговорот не входит. При нормальных условиях в 1 л воздуха содержится 210 мл кислорода, в 1 л воды 8–9 мл и его содержание зависит от глубины и температуры. На рис. 5, отчетливо видна корреляция растворимости О₂ с температурой. Содержание кислорода в воде зависит от его растворимости на поверхности и фотосинтеза водорослями. Загрязнение воды взвешенными частицами уменьшает ее прозрачность, увеличивает рассеяние света и снижает активность фотосинтеза. Для частиц, размеры d, которых сравнимы с длинами волн видимой части спектра (d≥λ) величина рассеянного светового потока Ф_рас зависит от площади рассеиваю щей поверхности S частицы, пути светового потока Δx, концентрации рассеивающих частиц n.

ΔФ_рас = ΔS_пад n Δx

Содержание кислорода в воде является одним из параметров ее биологического здоровья. По данным замеров в большинстве водоемов Европейской части России эта величина ниже нормы.

Круговорот углерода. Предполагается, что углерод распре делен в довольно тонком слое земной коры, в атмосфере в виде диоксида и оксида углерода, в животной и растительной биомассе. Однако, основные запасы углерода в природе содержатся в минералах и горных породах, в основном в форме карбонатов (СаСО₃) и гидрокарбонатов (Ca(HCO₃)₂), представляющих собой растворимые и нерастворимые донные отложения в Мировом океане, накапливающиеся за миллионы лет геологической истории Земли. Этот процесс продолжается и в настоящее время. Углекислый газ, содержащийся в воздухе и воде, составляет запас углерода, участвующего в создании биомассы. Содержание CO₂ в атмосфере не стабильно, оно подвержено сезонным изменениям и наблюдается его увеличение, связываемое с антропогенным фактором.

Нужно заметить, однако, что прогнозируемый рост с учетом сжигания всех видов органических материалов, равный 0,7 (частиц на миллион) в год не совпадает с наблюдаемым 0,2. По-видимому, реальный круговорот углерода в природе гораздо сложнее той модели, которую мы себе представляем на рисунке 6.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше, чем кислород и от его содержания в воде зависит количество растворённых гидрокарбонатов, т. е. жесткость воды. Этот факт хорошо иллюстрируется уравнением углекислотного равновесия.

СО₂ + Н₂О + СаСО₃ = Ca(НСО₃)₂

Если содержание CO₂ в воде уменьшается, то выпадает оса док нерастворенного карбоната, который будет растворен при восстановлении равновесия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

Рис. 6. Круговорот углерода

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ, котельных и других системах, использующих воду. В природных условиях результатом этой реакции является образование полостей в земной коре, пещер, сталактитов и сталагмитов.

Круговорот вещества в почве. Роль почвы многообразна: с одной стороны, это важный участник всех природных круговоротов, с другой – это основа для производства биомассы – кормилица человечества. Для получения растительной и животной продукции человечество обрабатывает около 10 % суши – часть, которую, как полагают специалисты, уже не удастся увеличить, несмотря на необходимость увеличения производства продовольствия в связи с ростом населения. Важность сохранения почв приобретает особую остроту, учитывая, что потеряно из землепользования больше половины используемых сейчас земель.

Почва – продукт разрушения верхних слоев земной коры, сформировавшийся в результате деятельности живых организмов. Почвовед В. И. Докучаев дал такую оценку «… почва есть такое же самостоятельное, естественно историческое тело, как любое растение, любое животное».

Разновидностей почв несколько тысяч, и это требует исключительно высокой грамотности при их использовании. Копая землю, можно заметить, что цвет почвы и ее структура меняются с глубиной от темного гумусного слоя к светлому песчаному или глинистому. Наиболее важен гумусный слой, содержащий остатки растительности. Этот слой определяет плодородие почвы. В наиболее богатых гумусом черноземах толщина его достигает 1 метра, в бедных – около 10 см.

Обрабатываются, в основном зональные почвы. Профиль почвы этого типа показан на рис. 7, где: 1 – гумусный слой, 2 – выщелоченная почва, 3 – глина, содержащая 3-х валентное железо, 4 – материковая порода в стадии разрушения. Физические характеристики каждого из таких горизонтов зависят от типа почвы. Из физических свойств наиболее важны: плотность, капиллярность, пористость, влажность, теплопроводность, поглощательная способность.

Рис. 7. Профиль зональной почвы

Благодаря большому количеству различных живых существ, перерабатывающих в почве остатки растительности и животных, формирующих структуру и продуктивность, почва является живым организмом, в котором идут процессы деструкции, синтеза, биосинтеза, множество различных химических реакций и физических процессов. Количество живой биомассы в почвах зависит от их типа и от внешних условий, таблица 5. Количество почвы, переработанной дождевыми червями, весьма значительно: на одном гектаре пашни около 12 т в год и почти 100 т на огородной почве.

Таблица 5

Биомасса почвенных организмов

Деятельность микроорганизмов, преобразующих органические остатки, обеспечивает питание растений минеральными элементами. Биомасса растений образуется при потреблении минеральных солей, воды и солнечной энергии. Так, для роста соснового леса за 100 лет из одного гектара почвы изымается: кальция 424 кг, калия 168 кг, фосфора 33 кг. При выращивании культурных растений это потребление значительно больше: злаковые: 7000 кг азота, 1 3000 кг фосфора, 5000 кг калия, картофель: 9000 кг азота, 4000 кг фосфора, 16000 кг (!) калия.

Разница для естественных и искусственных культур обусловлена тем что выпавшие хвоя и листва в лесах частично компенсируют убыль элементов из почвы. При ежегодной уборке сельхозкультур эти элементы уносятся из почвы и, если их убыль не восполняется, почва теряет свое плодородие, происходит нарушение естественного круговорота минеральных веществ.

Интенсивное использование почв, особенно при монокультурном земледелии, нарушает естественный баланс веществ и потоки энергии. В природе этот баланс поддерживается периодической сменой растительности на какой-либо определенной площади. Эта сменность характеризуется законом сукцессии. Исключение севооборота при использовании земли является нарушением этого закона и приводит к обеднению почв и снижению плодородия. К сожалению, в нашей сельскохозяйственной практике закон сукцессии нарушался в течение десятилетий и урожайность наших полей в среднем почти в два раза ниже, чем в Швеции, где по своей природе земли беднее.

Компенсация этой потери внесением органических и минеральных удобрений эффективна только тогда, когда в почве имеются микроорганизмы, трансформирующие удобрения в доступную для растений форму. Для нормального развития растений необходим минимальный набор всех необходимых для растения питательных веществ: убыль одного не может быть компенсирована избыточным внесением другого. Это правило биологии называют законом минимума.

Охрана почв. Мировые запасы плодородных почв – 15 млн. км², а потери – 20 млн. км², причем около 40 % из имеющихся частично утратили плодородие. Цифры впечатляющие и требуют принятия мер по сохранению этого важного ресурса. Основной причиной потери почв является их эксплуатация человеком. Причин потерь и деградации почв несколько:

• ветровая и водная эрозия при механической обработке;

• отвод земель под строительство городов, предприятий, дорог и т. п.;

• затопление при строительстве ГЭС;

• загрязнение отходами производства и быта;

• закисление кислотными дождями;

• засоление при неграмотной мелиорации.

Особенно значительны потери почв и их плодородия из-за тотального единообразного применения традиционных методов механической обработки при глубокой вспашке. К наиболее значительным потерям это привело при освоении целинных земель в штате Техас (США), где пыльные бури 30-х и 70-х годов превратили в пустыни около 20 млн. га плодородных земель, унеся миллионы тонн чернозема за сотни километров в Мексиканский залив.

Аналогичному разрушению подвержены почвы и на территории бывшего СССР. Пыльные бури наиболее часто стали поражать степные районы Украины, Нижнего Поволжья, Северного Кавказа, Средней Азии, Казахстана, где ветер выдувает почву на глубину до 25 см. А. Иващенко [6] в очень профессиональном и эмоциональное очерке о проблемах земледелия пишет, что число пыльных бурь в Ставрополье за последние 100 лет увеличилось в 10 раз, а слой знаменитого чернозема толщиной в I метр (!), помещенный в Парижском институте мер и весов как эталон за последние 50 лет уменьшился в 2 раза. Известно, что на восстановления 1 см гумусного слоя требуется 50 лет!

Значительный ущерб запасу продуктивных почв, как ни странно для неспециалиста, наносит мелиорация, а точнее неразумное орошение. Водозабор из рек, осуществляемый в гигантских масштабах, не может не нанести ущерба экосистемам рек и тем районам, куда он направлен. Явление это сложное, и для его анализа и управления требуется научный подход с участием специалистов разных специальностей, в том числе и физиков. Пока, к сожалению, в деле мелиорации преобладает эмпиризм.

Наиболее показательная ситуация сложилась в Средней Азии в бассейне рек Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи в связи с превращением Узбекистана в район хлопковой монокультуры. Вода этих рек, взятая для орошения хлопковых полей, пополняется солями, химических препаратов и в таком отработанном виде сбрасывается в низины. Это привело к подъему подпочвенных соленых вод, засолению и заболачиванию миллионов гектаров плодородных земель.

Для решения этой проблемы имеется несколько путей: вернуть гармоничный' характер сельскому хозяйству Узбекистана, рационально расходовать имеющиеся воды, использовать достижения современной науки.

Интенсивное применение химпрепаратов также привело к значительной деформации почвенных экосистем, так как химические соединения ударили прежде всего по живому миру почвы, превратив ее из живого тела в носителя искусственных минеральных удобрений и ядохимикатов.

Для повышения продуктивности почвы приходится вносить в нее элементы, забираемые сельхозкультурами: С, Н, Р, В, Ca, К, Na и другие.

Особенно важны для активного развития растений и продуктивности азот и фосфор. Азота в почве содержится достаточно много, от 3 до 40 тонн на гектар. Однако он находится в труднодоступной для растений форме. Внося его в легкоусвояемой форме в виде солей аммония и нитратных солей, мы в то же время делаем азот легко вымываемым из почвы и выносимым в воздух. Подсчитано, что ежегодно с наших полей в атмосферу уносится 1,5 млн. тонн азота, что усугубляет тем самым проблему «озоновой дыры» и кислотных дождей.

Особую группу сельскохозяйственных препаратов представляют пестициды из которых гербициды предназначены для уничтожения сорняков, а инсектициды – насекомых. Молекулы ядохимикатов устойчивы и с трудом поддаются разложению, по этой причине наблюдается постоянное накопление этих соединений в биомассе Земли. Некоторые из них, как ДДТ, севин, хлорофос чрезвычайно опасны. Так, ДЦТ обнаружен у 90 из 100 беременных женщин, несмотря на то, что запрет на его использование существует почти 40 лет; севин вызывает полную стерильность мужчин и женщин. Число этих соединений уже перевалило за 1000 и на их основе в мире выпускается более 80 тысяч продуктов.

Интенсивное применение химических удобрений и ядохимикатов может привести к необратимому ухудшению почвы.

Вместе с тем за рубежом, в России, на Украине, в Белоруссии имеются примеры ведения сельского хозяйства без применения ядохимикатов. Ряд хозяйств за рубежом уже получают сельхозпродукцию вообще без применения химпрепаратов, рекламируют это и продают ее по более высоким ценам.

Энергетика биосферы. Жизнь на Земле и ее многообразие обеспечивается работой уникальной «машины» биосферы, преобразующей солнечную энергию и рассеянные в окружающей среде элементы, в высокоорганизованную материю. Эффективность работы этой «машины» можно оценить, сравнивая количество поступающей энергии и получаемой продукции. Количество солнечной энергии, поступающей в течение года на 1 гектар поверхности в районах с умеренным климатом, равно примерно 4,2×10¹³ Дж, количество биомассы, полученной в этих условиях, приблизительно равно 10 тонн пшеницы или 5–7 тонн прироста лиственного леса, что в энергетических единицах составляет около 34 × 10¹⁰ Дж. Из сравнения этих двух величин получается, что КПД биосферной «машины» равен приблизительно 1 %. Остальные 99 % солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отражаются растениями 35 % и 60–70 % расходуются на транспирацию (дыхание растений).

Энергия, преобразованная в биомассу, рассеивается дальше по звеньям трофической (пищевой) цепи. Растения являются первичным продуктом преобразования энергии и называются продуцентами, живые организмы, потребляющие растительную пищу представляют вторичный продукт этого процесса и называются консументами (от английского слова consumption – потребление); организмы, перерабатывающие отходы продуцентов и консументов, представляют собой класс редуцентов.

Таким образом, редуценты замыкают цикл преобразования энергии и материи в биосфере (рисунок 8).

Рис. 8. Преобразование энергии в биосфере

В каждом из звеньев трофической цепи происходит накопление и рассеяние энергии.

Мощность потока солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, равен 1000 Вт/м². Эта энергия, как показано в таблице, распределяется между многими видами движения органической и неорганической материи.

Таблица 6

Глобальные потоки энергии

Эти данные представляют большой интерес тем, что показывают распределение энергии в разных частях биосферы и дают возможность оценить энергоресурсы, которые могут быть использованы человечеством.

Распределение энергии по звеньям трофической цепи можно оценить, пользуясь уравнением фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂0 + 8 фотонов C₆H₁₂O₆ +6О₂.

Академик К. А. Тимирязев в 1875 году определил количество фотосинтетической энергии радиации Солнца (8 молей фотонов на частоте красной и сине-зеленой области спектра) равно 16,8 10⁶ Дж. Эта энергия необходима для связывания одного моля СО₂ и преобразования его в органику, количество которой эквивалентно 4,8 10⁵ Дж. Отсюда максимальный теоретический КПД фотосинтеза равен 0,3. Эта величина не учитывает расход энергии на образование меж молекулярных связей, на образование более сложных структур, например клеток, на дыхание, испарение и т. п.

С другой стороны, эффективность преобразования солнечной энергии в биомассу можно получить, если рассматривать ее как отношение чистой первичной продукции (реальный прирост массы растений – Р₁) к энергии фотосинтетической радиации – W_ф. При таком расчете получается, что эффективность:

η_ф = Р_1/Wф ≤ 0,05

Это очень важная величина, показывающая принципиальное ограничение повышения урожайности. Однако, тот факт, что для многих видов сельскохозяйственного производства у нас этот коэффициент на порядок ниже, дает уверенность в возможности решения продовольственной программы без увеличения площадей.

Как видно из сказанного, энергетика фотосинтеза довольно проста. Однако ситуация чрезвычайно усложняется при переходе к анализу энергетики экосистем, состоящих из трофических цепей разной сложности.

Трудность состоит в том, что первичная энергия на входе в биосистему идет не только на производство биомассы. Часть ее расходуется на дополнительные процессы, такие, как дыхание, транспирация (испарение при дыхании), экскреция. На дыхание уходит 1/3 первичной энергии W_ф. Для анализа энергетики трофических цепей вводят две величины продуктивность (валовая продукция) и продукция (чистая продукция – биомасса). Можно бы упростить задачу, отбросив дополнительные потери энергии. Но при этом можно потерять некоторые и даже многие звенья трофических цепей, например, множество насекомых и микроорганизмов.

Таким образом, исследовать продуктивность – значит определить распределение энергии по звеньям трофической цепи. Определить продукцию – значит оценить реально произведенную био массу, т. е. центнеры с гектара, суточный привес животных и т. п.

Связь между количеством произведенной биомассы Р₁ и испаренной растениями влагой описывается линейной зависимостью:

k_сР₁ = K_cα_тρE,

где к_с, – коэффициент транспирации, т. е. количество влаги, испаренной с 1 га, α_т – доля транспирации в полном испарении с единицы площади, К_с – калорийность сухой органической массы, Е – скорость испарения в мм/год, ρE – количество влаги, испаренной с единицы площади. Среднее значение ρE равно 400, это значит, что для синтеза 1 т растений требуется 400 т воды.

Полезно сравнить эту вели чину с потребностью воды для искусственного синтеза: для лав сана требуется – 4200 тонн воды при синтезе 1 тонны, для капрона – 5600 тонн! (См. таблицу 4)

Можно только восхищаться совершенством «технологии» при роды. Коэффициент α_т зависит от характера поверхности, для обработанной почвы 0,4, для необработанной – 0,9. Учитывая, что доля обработанной суши равна примерно 2/3 всей, получим для среднего значения:

α_т = (2/3) 0,4 + (1/3) 0,9 = 0,55.

Тогда количество произведенной биомассы (чистый продукт) на суше, на площади S и Кс = 19 10¹³ Дж:

Р = SP₁ = K_cα_тSρE/к_с = 6 ×10¹³ Вт.

Распределение материи в трофической цепи удобно определять в Вт. Эта величина достаточно хорошо совпадает с экспериментально определенной. Теперь необходимо учесть долю энергии, расходуемой на транспирацию:

η_т = α_т L_в ρE/ W_ф

где L_в = 25,7 10³ Дж/г – скрытая теплота испарения воды.

Связь между η_т и η_ф находится из выражения:

η_ф = Р_1/Wф = K_c η_т/ L_в к_т = (7.6/ к_с) η_т

Предполагая, что для поверхности суши, не преобразованной человеком, величина α_т = 0,9, а значение η_ф = 0,05, получим η_т = 0,25.

Это значит, что на транспирацию растений используется до 25 % солнечной энергии, падающей на Землю. А так как возобновляемые запасы пресной воды существуют только благодаря испарению с поверхности океана, то можно считать, что растения используют около 60 % всех возобновимых водных ресурсов. Труд но представить, но это факт. Большая часть всех пресных вод на Земле проходит через биологическую «машину» биосферы.

В связи с этим важно подчеркнуть, что загрязняя воды мы неизбежно вводим эти загрязнения в биоценозы, а через них по трофическим цепям в себя.

Теперь снова вернемся к трофической цепи после того, как определено распределение солнечной энергии в ее первом звене – продуцентах. Простая трофическая цепь может быть составлена из четырех звеньев. В трофических цепях реализуется круговорот вещества и энергии, называемый биоциклическим. Он не является изолированным, он входит в геологический круговорот, рис. 9.

Рис. 9. Круговорот вещества и энергии в трофической цепи

Биогеоценоз или экосистему можно рассматривать как «машину» по трансформированию вещества и энергии. Очевидно, что антропогенное воздействие нарушает работу этой «машины» так как детерминированность биопроцессов мала по сравнению, например, с прохождением тока по проводнику или движением поршня в цилиндре.

Абстрагируя элементы трофической цепи, представим ее в виде схемы. Цифра в круге – номер биомассы В_i звеньев цепи от 0 до n, рис. 10.

Рис. 10. Перенос вещества и энергии в трофической цепи.

Здесь W_i – потребление энергии, R_i – энергия дыхания, P_i – полная энергия на выходе, B_i – количество биомассы. Значения индексов: i = 1 растения, i = 2 – консументы 1 рода, растительноядные животные; i = 3 – консументы 2 рода, животные-хищники; m_i – количество отмирающей биомассы.

Чистая первичная продукция растений Р_i используется консументами и редуцентами следующего звена и так далее по звеньям.

Связь между потоками энергии и вещества в каждом звене цепи можно представить в виде уравнения:

W_i = R_i + P_i,

где W_i – полная потребляемая (входная) мощность, R_i – мощность, расходуемая на дыхание, P_i, – полная мощность на выходе звена.

Выходящие потоки энергии складываются из вновь синтезируемой органики P_i и неусвоенной части потребляемой органики (экскретов) Р. Эти потоки могут быть заданы с помощью коэффициентов усвоения η и эффективности трансформации энергии – α:

W – Р_э = ηW, P_i / W = α, α_э = P_э / W = 1 – η

где ηW – усвоенная часть входного потока энергии (метаболизм). Для большинства организмов биосферы η = 0,8 и зависит он от того, чем питается данный вид. Коэффициент эффективности трансформации энергии в пищи в продукцию α = 0,1. Коэффициент α_э = 1 – η = 0,2 характеризует трансформацию входной энергии в экскреты, служащие пищей для редуцентов. Таким обрезом, эти теоретические и не очень сложные вы кладки подтверждают тот факт, что 90 % энергии, входящей в каждое звено трофической цепи, рассеивается на дыхание, транспирацию, экскрецию и только 10 % идет на накопление биомассы. Приводимая диаграмма иллюстрирует эту закономерность.

Рис. 11. Экологические пирамиды В. Одума

1. Пирамида чисел, 2. Пирамида энергии (Дж)

Закономерность распределения энергии и массы в трофических цепях имеет важное приложение для определения уровня загрязнений элементов цепи. Дело в том, что ряд синтетических препаратов и тяжелых металлов таких, как, например, ДЦТ и ртуть, имеют свойство накапливаться в организме. Перемещаясь по звеньям трофической цепи вместе с биомассой, ДЦТ не расщепляется и не выносится с экскрециями, а накапливается, и концентрация его повышается. Таким образом, концентрация ДЦТ в молоке коровы может превысить допустимый уровень хотя при распылений для обработке поля ПДК превышено не было.

Антропогенное вмешательство неизбежно деформирует естественные трофические циклы и может привести к негативным и необратимым последствиям.

В этом плане поучительна история с истреблением воробьев в Китае в 50-х годах прошлого века. Желая сохранить урожай, китайцы провели национальную кампанию по истреблению воробьев. В результате этого чрезвычайно расплодились насекомые, служившие пищей для воробьев, и посевам зерновых был нанесен значительно больший ущерб. К счастью, это вмешательство имело обратимый характер и равновесие удалось восстановить за 3 года.

Последствия антропогенного вмешательства могут быть и более серьезными. В. Г. Горшков и В. Р. Дольник [7] предупреждают, что «замыкание значительной части биосферного потока на антропогенный канал приводит к вытеснению естественных видов организмов и перераспределению потребления в биосфере.

В этих условиях с течением времени человек может столкнуться с нехваткой энергии и истечением запасов ископаемых химических элементов, необходимых для построения биомассы культурных растений и индустриальной продукции». Интересно отметить, что этот вывод сделан физиками.

Закон толерантности. При анализе трофических цепей не было учтено влияние внешних условий на характер распределения энергии и вещества. Предполагается, что они оптимальные, т. е. такие, которые обеспечивают накопление биомассы и воспроизводство.

Нормальная жизнедеятельность животных и растительных видов, функционирование экосистем и круговорот в них вещества и энергии в зависимости от внешних условий характеризуются за коном толерантности. Согласно этому закону параметры внешней среды могут меняться в определенных пределах без ущерба для видов и экосистем в целом. Выход за эти пределы приводит к гибели живых организмов и изменению экосистемы.

Например, в речной воде с определённой температурой и кислотностью (рН) сложилось устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов. Изменение параметров воды при выбросе в эту реку термальных вод при извержении вулкана или деятельности ТЭЦ может полностью сменить биоценоз. Согласно этому закону лошади не могут выживать на высоте более 3 тысяч метров, там где спокойно работают гималайские буйволы, пресно водная лягушка не выживет там, где обитает пустынная жаба, то же самое относится и к растениям.

Для грамотного планирования распределения сельскохозяйственных культур необходимо учитывать и толерантность растений к новым условиям культивирования.

Термодинамика биосферы. Многие геологические процессы на Земле и жизнь биосферы обусловлены солнечной энергией, которая поступает на Землю в виде высокочастотного (высококачественного) излучения, преобразуется в биосфере и рассеивается в космос в форме теплового (низкокачественного) излучения. Этот процесс, согласно закону Больцмана характеризуется возрастанием энтропии в системе Солнце – Земля.

S = klnW

Этот закон утверждает, что материя в изолированной системе стремится к хаотическому состоянию. Однако часть солнечной энергии, как это уже обсуждалось выше, в результате реакции фотосинтеза преобразуется в высокоорганизованную материю. Это достигается благодаря тому, что живые организмы в процессе самоорганизации производят отрицательную энтропию или негаэнтропию.

Образование высокоорганизованной материи достигается повышением степени порядка в системе, а это соответствует тому, что в формуле Больцмана под знаком логарифма необходимо подставить величину 1/W. А так как ln(1/W) это, то же самое, что и отрицательный логарифм W, то уравнение Больцмана запишется по-другому:

– S = kln(1/W).

Отсюда появилось определение негаэнтропии, как меры стремления к упорядоченности. Негаэнтропийный ресурс Земли можно определить, если исходить из того, что в условиях термодинамического равновесия энергия не Земле не накапливается:

Е₁ = Е₂ = Е

В таком случае негаэнтропийный ресурс Земли определяется разностью энтропии падающего и рассеянного излучения. Пользуясь моделью абсолютно черного тела и законом Стефана-Больцмана, можно определить приращение энтропии излучения ΔS. Эта величина в свою очередь равна негаэнтропии отбираемой Землей ΔN:

ΔS = – ΔN = 4/3 (E₂ / T₂ – E₁ / T₁) = 4/3 E(1 / T₂ – 1 / T₁),

где E₁ и T₁ – внутренняя энергия и температура солнечного излучения. E₂ и Т₂ – энергия и температура уходящего излучения.

При Т₁ = 6000 К и Т₂ = 300 К получим:

ΔS = – ΔN = 4/3 E (1/300 – 1/6000)

Величиной 1/6000 в сравнении с 1/300 можно пренебречь и:

ΔS = – ΔN = 4/3 (E/T₂)

т. е. ежегодный ресурс негаэнтропии зависит, в основном, от эффективной температуры потока энергии, излучаемого Землей. Следовательно, при заданном потоке солнечной энергии, с увеличением ΔN, можно получить понижение температуры уходящего излучения, что соответствует увеличению длины его волны. Как известно, эту роль выполняет растительность на Земле. При этом энтропия системы Солнце-Земля увеличивается, но увеличивается и негаэнтропийный ресурс Земли за счет локального понижения энтропии.

Антропогенное вмешательство в деятельность экосистем неизбежно приводит к увеличению неупорядоченности и снижению негаэнтропийного ресурса. Предельным случаем такого вмешательства будет гибель биосистем.

Земля – элементы строения. В окружающем нас мире рождаются звезды, движутся планеты, взрываются вулканы, текут реки, дуют ветры, растут деревья, летают птицы. Физика сумела показать, что основа всего многообразия процессов живой и неживой природы – физические явления и основой всего этого многообразия являются четыре типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное и четыре формы материи: газ, жидкость, твердое тело и поле. Невольно приходит на память поэтическая фраза: «Как сложен мир и в то же время прост!».

Главная тема нашего обсуждения, однако, не физическая картина мира и не поэтические параллели, а влияние на процессы в окружающей среде человеческого фактора и роль физики в этом влиянии.

Трудно сказать, когда человек задумался об этом влиянии. Однако основные этапы нам известны. В философии древних эти мысли появились у Аристотеля и выражены им в «Физике», «О небе», «О возникновении и уничтожении» и «Метрологике». Так, он отмечает, что истощение земли страшнее войны и что мелиорация может принести и пользу и вред.

Основой современной науки о взаимодействии человеческого общества и природы стало учение В. И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Центральной в нем является идея о сопоставимости человеческой деятельности с крупнейшими геологическими силами: «Человечество своим трудом и своим сознательным отношением к жизни перерабатывает земную оболочку – геологическую область жизни, биосферу. Труд и сознание человека переводят ее в новое геологическое состояние, «ноосферу».

Чтобы разобраться в действии природных сил в сочетания с антропогенной силой, сделаем краткий обзор строения Земли и процессов, происходящих в ее сферах.

Земля это шарообразное твердое тело (рис. 12) со сложной внешней и внутренней структурой на 3/4 покрытое водой, окруженное газообразной оболочкой – атмосферой и неоднородным магнитным полем – магнитосферой.

Рис. 12. Схема сечения земли и магнитосферы

1. Твердое ядро. 2. Жидкое ядро. 3. Мантия. 4. Материковые плиты. 5. Радиационный пояс. 6. Силовые линии магнитного поля.

Атмосферу на схеме показать невозможно, так как ее толщина в данном масштабе должна быть менее 0,1 мм.

Атмосфера, гидросфера и литосфера не изолированы друг от друга, они находятся в динамическом взаимодействии и в то же время испытывают влияние внешних сил: гравитационного поля Солнца, Луны и планет, солнечного и космического излучения, столкновений с космическими телами. На этом фоне, человек выглядит слишком ничтожным и слабым, чтобы вмешаться в действие этих гигантов и оказать свое влияние. Но это только на первый взгляд.

Физические явления в литосфере. Земная поверхность сформировалась под действием гравитационных и тектонических сил, воздействия воды, воздушных потоков и солнечной радиации. Процесс этот продолжается, и облик Земли периодичности оледенения, большая часть Европы, Канада, север азиатского материка через 20–25 тысяч лет покрываются слоем льда.

Рис. 13. Динамика плит

Суша занимает 1/4 часть поверхности Земли, остальное Мировой океан. Материки покоятся на гранитном основании, во многих местах покрытом осадочными породами, толщина которых в некоторых местах доходит до 10–15 км. Океанское дно подстилают базальты, и на них, как ни странно, отсутствуют осадочные отложения. Это свидетельствует о сравнительно недавнем происхождении современных океанов. На поверхности материков и дне океанских впадин расположены цепи горных образований, имеющих лишь внешнее сходство. Материковые горные цепи сложены, в основном, из осадочных пород и гранита, горные цепи океанов – базальтовые и разделены, как правило, долинами или рифтами. Эти факты послужили основанием для создания современной теории плит, согласно которой внешняя часть земной коры состоит из плит, перемещающихся по верхней части мантии, При перемещении края плит надвигаются друг на друга, происходит их деформация с образованием поднятий, как Кордильеры, и рифтовых зон, как Атлантическая и Тихоокеанская. Динамика движения плит показана на рис. 13., где: 1 – плиты, 2 – подвиг, 3 – рифтовая зона, 4 – верхняя мантия, 5 – нижняя мантия. Дно океана раздвигается под действием конвекционных потоков в мантии обусловленных теп лом, выделяющимся в недрах при радиоактивном распаде некоторых элементов, химических реакциях и действии некоторых других факторов. Предполагается, что основная часть тепла выделяется в земном ядре, температура которого коло 7000 °C. Температура земной коры повышается на 30 °C с каждым километром глубины, начиная с его поверхности. Подсчитаем мощность теплового потока достигающего поверхности и передаваемого атмосфере.

Р = kS dT/dz = 3×10¹³ Вт,

где k – коэффициент теплопроводности, базальт = 2 Вт/ (м×К), S – площадь земной поверхности; dT/dz – градиент температуры, равный примерно 0,03 К/м.

По этой формуле мощность теплового излучения в окружающую среду квадратным метром поверхности равна 0,06 Вт. Экспериментальные исследования Э. Булларда из Кембриджского университета для разных точек земной поверхности дали чуть большее значение. При этом температура поверхности без уюта энергии излучения Солнца бы всего лишь 30 К! Вывод сделайте сами.

Сравним тепловыделение земной поверхности с количеством тепла, выделяемым человеческим обществом. Потребность человечества в энергии по прогнозу А. Макдональда на 2030 год равна 22,4×10^12–35,7×10¹² Вт. Даже если предположить, что только одна треть этой энергии будет превращена в тепло, то ее величина сопоставима с тектоническим теплом.

Основой для создания современной науки о поверхности Земли послужили многочисленные измерения и наблюдения за поверхностью Земли, дном океанов, глубинная сейсморазведка, аэрофотосъемка, измерение магнитного поля Земли и особенно его аномалий и т. п.

Достаточно хорошо о строении Земли и физических методах ее исследования написано в книгах [7, 8]. Здесь сделан лишь поверхностный экскурс в геофизику только для того, что бы обрисовать фон, на котором развивается человеческая деятельность.

Воздействие человека на верхнюю часть коры проявилось при строительстве городов, прокладке дорог и каналов, устройстве шахт и открытых разработок, разведке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, мелиорации и использовании подземных вод.

Так, например, использование вод рек Сыр-Дарьи и Аму-Дарьи на орошение привело к падению на 13 метров уровня Аральского моря, при этом обнажились тысячи квадратных километров дна, покрытого солью. Давление, оказываемое на поверхностные слои земли при градостроительстве и особенно при сооружении высотных плотин, довольно значительно. Каждое 5-этажное здание весит 15 тысяч тонн, многоэтажное в десятки раз больше. Известно довольно много случаев разрушения и просадки зданий в результате повышенного давления на грунт в сочетании с интенсивной откачкой артезианских вод.

Многие угольные и рудные шахты уходят в глубь Земли более чем на 1 км, глубина некоторых достигает 4 км. При горных выработках образуются пустоты, поверхность земли покрывается отвалами отработанной породы терриконами. Ежегодно в мире добывается 15–18 млрд. м³ горных пород и только 5 % идет на выпуск товарной продукции. Количество перемещенных пород при проведении горных и строительных работ сравнимо с объемом материала, переносимого всеми реками Земли. Особенно значительные нарушения поверхности наносят открытые выработки типа Курской магнитной аномалии или Канско-Ачинского бассейна.

Изменения, созданные на поверхности Земли руками человека, занимают уже 8 % суши. Это очень много, учитывая, что часть суши, пригодная для жизни человека, занимает около 25 %.

Шахтные выработки, крупная добыча нефти и газа, забор артезианских вод создают условия для опускания больших площадей поверхности, образования провалов и разрывов, изменения теплопроводности подстилающих слоев, нарушения виброустойчивости и повышения сейсмичности.

Такие явления наблюдаются в районе Донбасса, Караганды и даже в Москве. В Америке это привело к ощутимым последствиям в Техасе.

Интенсивный водозабор из песчаных пластов артезианской системы привел к ослаблению гидравлического напора и падению уровня воды в скважинах. Утечка воды из глинистых пород сопровождается уменьшением парового пространства и уплотнением и уплотнением пластов и, как результат, проседанием земной поверхности на глубину до 3-х метров. К 1979 году в Техасе площадь земной депрессии с просадками от 0,3 до 3 м достигала 8 310 км². Это создало угрозу жизни жителей довольно большого города Бентазы, расположенного на берегу Мексиканского залива.

Особенно ранимой оказывается природа в районах вечной мерзлоты, где разворачивается активная хозяйственная деятельность в связи с обнаружением больших запасов нефти и газа. Устойчивое состояние поверхности районов вечной мерзлоты обусловлено особенностями северной растительности. Толстый и довольно плотный слой моха и растительности благодаря малой теплопроводности и довольно высокой отражательной способности надежно изолирует вечную мерзлоту от солнечной радиации и инфракрасного излучения атмосферы.

Разрушение этой естественной теплоизоляции при строительных работах или при движении гусеничного транспорта привело к образованию огромных болот на месте устойчивой тундры. Особенности грунта этих районов приходится учитывать, строя здания на высоких сваях таким образом, чтобы тепло здания (рис. 14) не передавалось грунту и воздух свободно перемещался под зданием.

Литосфера это минеральная и ресурсная основа биосферы, изменения в земной коре оказывают большое влияние на все составляющие части природной среды.

Рис. 14. Свайный дом

Изучение физики литосферы и бережное отношение к литосфере, ее запасам, процессам в ней предохранит ее от вредных воздействий и также и другие составляющие природной среды, такие как атмосфера и гидросфера.

Атмосферные процессы. Атмосфера не просто однородная газовая оболочка, окружающая Землю. Это сложная, динамичная система, состояние которой зависит от многих факторов, в том числе и от человеческой деятельности.

Одно из первых описаний атмосферы, которое можно считать физическим, было сделано Аристотелем (384–322 гг. до н. э.). В своей «Метеорологике» он рассуждает о причинно-следственной связи между землей, водой и воздухом, об условиях образования облаков и зависимости этого процесса от температуры и влажности воздуха. Он сопоставил движение ветров с конвекционными тепловыми потоками в верхние слои атмосферы.

Последующие исследования атмосферы сформировали к настоящему времени довольно полную картину этой сложной системы. Однако, несмотря на значительный прогресс в физике атмосферы, мы пока еще не можем достаточно надежно прогнозировать ее поведение.

Для того чтобы разобраться в физике атмосферных процессов и влиянии на них человеческой деятельности, рассмотрим некоторые вопросы о структуре атмосферы, ее составе, давлении, плотности, температуре и некоторых других свойствах.

Строение и состав атмосферы. Состав атмосферы и ее структура хорошо изучены. Известно, что атмосфера Земли состоит из азота, 78,09 %, кислорода 20,95 %, аргона 0,93 % и малых примесей углекислого газа, паров воды, ничтожного количества гелия, неона, криптона, водорода, а также взвешенных твердых частиц (аэрозолей).

Важно отметить, что среди планет Солнечной системы атмосфера такого состава имеется только на Земле. Атмосфера Венеры и Марса состоит, в основном, из углекислого газа, на Юпитере и Сатурне преобладают гелий, водород, метан и аммиак, Луна и Меркурий вообще не имеют атмосферы.

Причину различия в планетных атмосферах нужно искать в их геологическом прошлом. Земные породы образовались при раз витии физических процессов и химических реакций, которым сопутствовало выделение газов, образовавших атмосферу. Из паров воды возник мировой океан. Этот процесс продолжается и в наше время. Огромное количество лавы и газов выбрасывается на поверхность Земли в атмосферу при извержении вулканов. Однако большая часть этих газов, в составе которых преобладают диоксид углерода (СО₂). диоксид серы (SO₂), сероводород (H₂S), не сохраняются в атмосфере. Накапливаться в атмосфере эти газы не могут, тая как должно сохраняться химическое равновесие газов с земными породами и океанской водой. Исключением из этого правила является О₂ и СО₂. Кислород не выбрасывается вулканами, не создается при породообразующих реакциях. Откуда же он взялся? Его создают растения.

Причины равновесного состояния атмосферы можно понять из анализа ее строения и происходящих в ней физических процессов.

Основные характеристики атмосферного воздуха: давление ρ, температура Т и плотность ρ изменяются с высотой и за висят друг от друга. Зависимость давления воздуха от высоты можно получить, пользуясь уравнением гидростатики для изменения давления в жидкости с глубиной:

dρ = – ρ₀dh

Для того, чтобы учесть изменение плотности с высотой, воспользуемся уравнением Менделеева-Клапейрона.

ρ = ρμ/NkT

Подставив полученное выражение для ρ в первое уравнение, по лучим дифференциальное уравнение зависимости давления воздуха от высоты:

1/p = – μg/NkT

Интегрируя это уравнение, получим:

ρ = ρ₀exp(-μgh/NkT),

где ρ₀ – давление воздуха на уровне моря. Полученное выражение, известное как барометрическая формула, показывает, что давление воздуха экспоненциально убывает с высотой. Скорость этого изменения зависит от соотношения между потенциальной энергией и энергией теплового движения молекул воздуха в показателе экспоненты. Этот известный вывод приведен для того, чтобы показать упрощенность используемой модели. В реальности эта зависимость более сложная, так как в ней не учтен характер изменения температуры с высотой, согласно которому атмосфера делится на ряд слоев или сфер (рис. 15). В тропосфере температура убывает с высотой, достигая минимума, называемого тропопаузой примерно на высоте 15 км. Выше она снова начинает возрастать. В связи с этим изменением (по-гречески тропэ – поворот) эта часть атмосферы и получила свое название. Интересно отметить, что температура тропопаузы над тропиками –75 °C (198 К) и над полюсами –55 °C (213 К). Второй минимум (мезопауза) рас полагается на высоте около 100 км. Особенно бы строе изменение темпера туры, ее возрастание отмечается в термосмосфере. Высокая температура здесь связана с очень малой плотностью воздуха (3×10–¹² кг/м³) и тем, что солнечная радиация попадает сюда не испытав предварительного поглощения в экзосфере.

Рис. 15. Атмосферные слои

Кроме слое атмосферы характеризуемых изменением температуры воздуха, имеются еще слои, связанные с особенностями состава. Один из них озоновый слой, или озоносфера, расположенный между высотами 18–25 км. Слоем ее можно назвать условно, так как озон (О₃) имеется во всех частях атмосферы. Озоносфера это область его наибольшей концентрации. Другая область, расположенная выше 100 км – ионосфера, состоит, в основном, из газов, ионизированных ультрафиолетовым излучением Солнца и космическим излучением.

Давление, температура, плотность атмосферы связаны с характером движения молекул воздуха. Каждая, молекула находится под действием сил земного тяготения, центробежной силы (атмосфера вращается вместе с Землей) и соударений с другими молекулами в результате теплового движения. При определенной температуре средняя скорость теплового движения молекул:

u = (3kT/m)^1/2

Если эта скорость окажется больше второй космической скорости, такая молекула может покинуть атмосферу. Вторая космическая скорость:

u = (2gR)1/2,

где R – радиус Земли.

При температуре 300 К скорости молекул водорода, гелия и кислорода 1,2/; 0,3 и 0,3 км/с соответственно. Отсюда видно, что у этих газов нет причины покидать атмосферу. В более высоких слоях температура (см. рис. 6) достигает 1200К, а средние скорости молекул увеличиваются в 2 раза по сравнению с молекулами воздуха, расположенными в слоях до высоты 100 км. Но, как видно, даже при такой высокой температуре их средние скорости в 5 раз меньше второй космической. Однако в этих рассуждениях не учтено максвелловское распределение молекул по скоростям, согласно которому имеются молекулы со средними скоростями, превышающими среднюю. Таким образом, у некоторого числа молекул воздуха имеется вероятность покинуть атмосферу. Из значений для средних скоростей видно, что эта вероятность больше всего у молекул водорода и гелия.

Зная плотность атмосферы на большой высоте, можно оценить количество газа, улетающего в космос. Для водорода это примерно 1 кг в секунду со всей поверхности атмосферы. В год это около 32×10⁶ кг. Масса водорода в атмосфере – примерно 7×10¹¹ кг. Очевидно, что за время существования Земли весь водород должен был улететь в космос. А так как его концентрация стабильна, то, следовательно, имеется какой-то источник, поддерживающий это равновесие. Таким источником водорода являются молекулы воды, которые под действием ультрафиолетовой радиации Солнца, рентгеновского и космического излучений распадаются на водород и кислород.

Таковы в общих чертах условия, характеризующие стабильность количества атмосферного воздуха на протяжении доступного нашей оценке геологического периода развития Земли.

Общую массу атмосферы можно оценить из очень простых соображений. Сила, с которой атмосфера давит на поверхность Земли:

F = p₀S_земли = p₀4πR.

Эта сила также определяется законом Ньютона

F = M_атм g

Сравнивая эти два выражения, получим

М = (1/g)4 π R²p₀ = 5,3×1018 кг

Основная масса воздуха сосредоточена в слое высотой около 15 км над экватором и 9 км над полярными областями. В сравнении с радиусом Земли видно, что это довольно тонкий и, вероятно, хрупкий слой. Движение молекул воздуха и распределение температуры в атмосфере зависит от характера поглощения солнечной радиации, от того, на каких частотах происходит это поглощение. Большая часть солнечного излучения, достигающего Земли, приходится на интервал длин волн от 290 нм до 2400 нм. Глазом воспринимается часть солнечного потока в интервале длин волн от λф (400 нм) до Акр (760 нм), окно прозрачности атмосферы.

Излучение с разными длинами волн по-разному поглощается атмосферой.

Распределение солнечной энергии атмосфере. Проследим распределение солнечной энергии при прохождении атмосферы, где 99 % составляют N₂ и O₂, в предположении, что малые добавки, аргон – 0,93 %, углекислый газ – 0,04 % и другие, не влияют на этот поток. Примем все падающее излучение за 100 %.

1. При прохождении экзосферы и термосферы далекое ультрафиолетовое излучение возбуждает легкие молекулы водорода и гелия, нагревая газ до высокой температуры. На это уходит примерно 1 % солнечной радиации.

Рис. 16. Поток солнечной энергии в атмосфере

2. В стратосфере 3 % излучения Солнца (ближний ультрафиолет, интервал длин волн 220–290 нм) поглощается озоном, нагревает эту часть атмосферы приблизительно до 273 К. Температура здесь ниже, чем в атмосфере, потому что плотность воздуха значительно выше и энергия излучения распределяется в большей массе газа. Здесь же поглощается и 4 % инфракрасного излучения.

3. До тропосферы доходит большая часть солнечной радиации, около 92 %. Здесь примерно половина энергии рассеивается и нагревает воздух, вторая часть (46 %) достигает поверхности Земли, нагревает сушу и воды, 3 % отражается от поверхности. Тепло с поверхности возвращается а атмосферу.

Таким образом, солнечная энергия, распределенная в довольно широком интервале длин волн, преобразуется в атмосфере в значительной мере в инфракрасное излучение, которое частично нагревает поверхности Земли, но в большей части возвращается в Космос.

Это описание упрощенно рассматривает распределение солнечной радиации в атмосфере. В нем не учтено влияние CO₂, облаков и твердых частиц в атмосфере. Облака, с одной стороны, увеличивает ее отражательную способность, а с другой – облака задерживают тепловое излучение поверхности. При таком упрощении средняя температура климата была бы неприемлемой для жизни – 18 °C [8].

Из этих простых рассуждений следует, что нарушение состава атмосферы, например при антропогенном загрязнении газами и аэрозолями, может привести к изменению распределения в ней потоков энергии и температуры. Это повлечет за собой изменение в движении воздушных масс и энергии, передаваемой земной поверхности.

Происходящие в последние три десятилетия климатические изменения в значительной степени связаны с нарушением атмосферного энергетического баланса в результате антропогенной деятельности.

Движение воздушных масс в атмосфере. Задумывались ли вы над вопросом «Нужны ли ветры?» Нужны. Не будь их, не было бы дождя и снега, температурные контрасты на поверхности Земли были бы очень велики, людям, живущим в зонах пустынь или тундр, не хватало бы кислорода, так как там мало растительности.

Воздушные потоки, как и поверхность Земли, как и атмосфера, формировались в течение миллионов лет. Они довольно устойчивы, и это является очень важным условием для эволюции жизни и ее сохранения на Земле. Знать физику движения воз душных масс необходимо для того, чтобы пользоваться ими и не нарушать их.

Для построения упрощенной модели ветров представим Землю в виде сферы с ровной поверхностью, окруженной однородной атмосферой (рис. 17).

Рис. 17. Циркуляция воздуха

Солнечные лучи падают на поверхность Земли параллельно экваториальной плоскости. Экваториальные области прогреваются больше и в экваториальной зоне образуются вертикальные восходящие потоки воздуха. На границе тропосферы, примерно 17 км, воздушный поток под действием гравитационных сил разделяется на две части, движущиеся к полюсам, где высота тропосферы вдвое ниже. Рассчитаем скорость движения потоков к полюсам. Энергия, получаемая атмосферой от Солнца, характеризуется мощностью светового потока, p_c = 1,7×10¹⁷ и альбедо Земли, А = 30 %. Преобразование солнечной энергии в механическую энергию воздушных масс определяется коэффициентом η, величина которого около 2 %. Отсюда, мощность ветровых потоков с учетом альбедо Земли А и η:

Р_В = ηР_С(1 – А)

Кинетическая энергия воздушных масс М при средней скорости переноса v:

W_В = Mv²/2

Мощность переноса получим, поделив W_В на τ – характерное время переноса на расстояние равное одному земному радиусу R₃, τ = R₃/v.

Р_В = W_В/τ = Mv³/2R_З

Приравнивая два выражения для Р_В, вычислим скорость движения воздушных масс. Итак:

Mv³/2R_З = ηР_С(1 – А)

Отсюда, v = 10 м/с. Это значение получено из довольно грубой модели, но, тем не менее, оно достаточно близко к реальной величине и дает возможность оценить скорость ветра в верхних слоях атмосферы.

Принимая во внимание неразрывность воздушного потока и то, что плотность воздуха в верхнем слое тропосферы в 10 раз меньше, чем в приповерхностном, получим, что скорость высотных ветров должна быть в 10 раз больше.

Согласно рассматриваемой модели движение ветров происходит вдоль меридианов. При этом не учтено действие силы Кориолиса, обусловленной вращением Земли.

F_КОР = 2MvSina,

где w – угловая скорость вращения Земли, α – угол между направлением векторов v и w. Под действием силы Кориолиса происходит изменение направления движения ветров (см. рис. 18) в направлении с востока на запад в экваториальной зоне. Эти ветры называют пассатами, они обладают удивительной стабильностью, и благодаря этому они сыграли большую роль в мореплавании во времена парусного флота.

Рис. 18. Атмосферные ячейки

В реальности картина ветров усложняется еще тем, что температура воздуха, поднимающегося над экватором, резко падает на больших высотах, влажность его уменьшается, падает давление. Влияние этих факторов и силы Кориолиса приводит к тому, что такая циркуляция не достигает полюсов, как на приведенной упрощенной схеме, а заканчивается в широтах около 30°. Эти циркуляции получили название ячейки Уэдли. Выше этих широт и в Северном и в Южном полушарии образуются еще две устойчивые циркуляции, получившие имя Феррела, предсказавшего их существование. В полярных областях существуют еще две циркуляции с нисходящими потоками в районе полюсов.

Рассмотренная модель очень упрощена, в ней не учтены неровности земной поверхности, а ведь высота горных хребтов колеблется от 2 до 8 тыс. метров. Не учтено, что 3/4 поверхности покрыто водой, не учтено влияние на распределение температуры пустынь, лесов и поверхностей, покрытых снегом. Кроме описанных устойчивых циркуляции, существуют еще и локальные – циклоны и антициклоны, которые обусловлены изменением давления у поверхности Земли.

Циклон образуется при движении воздушных масс в область низкого давления, образованную обычно влажным воздухом. В центре области низкого давления воздушные массы поднимаются вверх (рис. 19а). Сила Кориолиса закручивает движущейся воздух и создает турбулентность. По мере подъема скорость уменьшается и давление увеличивается, воздух охлаждается, образуется облачность. На снимках из космоса зоны циклонов напоминающие спиральные галактики, имеют характерный вид.

Высокое давление, создаваемое сухим плотным воздухом вблизи земной поверхности, способствует образованию антициклона. Воздух из этой зоны растекается вниз, увлекая воздушные массы из верхних слоев тропосферы (рис. 10б). Растекающийся воздух закручивается кориолисовой силой, что приводит к образованию вихрей. Сухому воздуху антициклонов всегда сопутствует ясная погода.

Существует заблуждение, что влажный воздух имеет большую плотность, чем сухой. Это неверно, так как молярная масса воды 18 кг/моль меньше, чем молярная масса воздуха – 29 кг/моль. На рисунке показано движение воздуха в циклоне и антициклоне и изменение давления с высотой (пунктир).

Рис. 19. Вертикальные вихревые потоки

Размеры таких вихрей изменяются от сотен до тысячи километров, время «жизни» от суток до нескольких месяцев и даже лет.

Рассмотренная модель глобальных движений воздуха довольно упрощенная. Достоинство этой схемы в том, что она дает представление о формировании климата планеты и возможность прогнозировать перенос загрязнений и других выбросов на большие расстояния и их влияние на климат.

Загрязнение атмосферы. Изменение состояния атмосферы происходит в результате действия естественных причин, таких, как извержение вулканов, увеличение солнечной активности, а также причин искусственного происхождения – выбросов в атмосферу вещества и энергии человеческим обществом. Масштабы этих выбросов (Табл.2) и их влияние на атмосферу стали сопоставимы с естественными факторами, а в некоторых случаях уже превзошли их.

Выбросы в атмосферу изменяют ее химический состав, распределение солнечной радиации, распределение температуры. Наиболее существенные изменения климата и погоды могут быть связаны с влиянием «парникового эффекта» и разрушением озоносферы.

«Парниковый эффект». Радиационный режим атмосферы в большой степени зависит от присутствия оптически активных компонентов, таких, как углекислый газ, озон, аэрозоли и водяной пар. Изменения их в составе нарушает распределение инфракрасного излучения, Особую роль играет в этом углекислый газ, поскольку он способен поглощать и излучать инфракрасную радиацию в диапазоне длин волн около 15 мкм, где водяной пар прозрачен для ИК излучения. Как показано на рисунке 20, основная часть солнечной коротковолновой радиации преобразуется атмосферой и поверхностью в тепловое длинноволновое излучение, которое большей частью уходит в космос. Загрязненный воздух с повышенной концентрацией CO₂ задерживает часть теплового потока в атмосфере, в результате чего и начала повышаться ее температура. При малом содержании CO₂ этот эффект мал, но при увеличении концентрации это может привести к повышению температуры атмосферы. Эффект этот существовал всегда, однако его вклад в энергетический баланс атмосферы не был велик, что и отражалось в небольших колебаниях средней температуры атмосферы. С начала XX века концентрация CO₂ возросла примерно с 290 частей на миллион до 340 частей на млн., т. е. на 17 %. В последние годы этот процесс пошел быстрее (рис. 21). Главный вклад в увеличение концентрации CO₂ дает сжигание минерального топлива тепловой энергетикой, промышленностью и транспортом, в меньшей степени сжигание растительности.

Рис. 20. Схема «парникового эффекта»

Если использование горючих ископаемых будет продолжаться такими же темпами, как сейчас, годовой прирост 2,5 %, то удвоение содержания CO₂ в атмосфере произойдет к середине XXI века. Это приведет, к усилению глобального потепления в среднем на 1,5–4,5 °C. Еще большее потепление ожидается в полярных широтах.

Рис. 21. Рост концентрации CO₂

Кроме CO₂ к «парниковому эффекту» приводит увеличение концентрации других компонентов. Суммарный эффект за счет удвоения концентрации Н₂O, СН₄, SO₂, HNO₃ может достичь 12 °C.

Климатический анализ, сделанный учеными для северного полушария, показал, что до 5O-х годов прошлого столетия среднегодовая температура имела отклонения больше – меньше, а с середины 7O-х годов замечен рост средней температуры, который, как предполагается, сохранится до середины следующего столетия, причем этот рост выходит за пределы колебаний температуры, наблюдавшихся ранее (рис. 22).

Предполагается, что наблюдаемое повышение температуры в результате «парникового эффекта» уже привело к ряду заметных явлений. К их числу относят таяние ледников и отрыв огромных айсбергов от ледников Антарктиды в 1936, 1987 и 2015 годах. Площадь самого большого из них равна 1800² км, что примерно равно половине Московской области или площади государства Маврикий. С повышением средней температуры связывают и увеличение влажности климата районов Северного полушария расположенных выше 45-й параллели, катастрофические разливы рек в разных странах и России, продолжительные засухи, охватившие огромные районы ниже этой широты, например в Средней Азии и зоне Сахеля в Африке.

Рис. 22. Изменение средней температуры Северного полушария

У атмосферы есть одно уникальное качество, отличающее ее от других составляющих окружающей среды, являющихся ресурсами. Атмосфера, а точнее атмосферный воздух, не принадлежит никому и не является собственностью какого-либо государства, предприятия, частного лица. Она принадлежит всему человечеству и каждому человеку в отдельности. Это единственный ресурс, которым мы пользуемся бесплатно. В поэтических образах человек сопоставлял свободу со свободой дышать.

Чрезвычайно важны коллективные и личные усилия каждого человека по сохранению атмосферы как нашего общего достояния.

Элементы физики гидросферы. Гидросфера Земли включает в себя все водные запасы: океаны, моря, реки, озера, подземные воды. Вода – одно из главных условий жизни на Земле. Существование и воспроизводство живых организмов и человека немыслимо без воды. Нет жидкости, которой можно было бы заменить воду в живом организме. Можно заменить пластмассой живую кость, можно сделать искусственное сердце из металла и пластмассы, но ничем нельзя заменить воду.

Вода образовалась в процессе породообразования при кристаллизации гранитной магмы, изливавшейся из вулканов в докембрийский период миллиард лет тому назад. В магме содержится до 1 % воды. Вода и ее основное хранилище Мировой океан играют главную роль в формировании климата нашей планеты.

Мировой океан включает в себя все океаны и сообщающиеся с ними моря. Масса воды в Мировом океане – 1,37×10³¹ кг. Если бы Земля имела правильную сферическую поверхность S_пов, то была бы равномерно покрыта водной толщей с глубиной:

h = М_воды/S_пов ρ_вода = 2 750 м.

Из-за неровностей земной поверхности вода покрывает 70,8 % земной сферы. Переход суши к океанскому дну имеет для всех материков характерный профиль (рис. 23), состоящий из шельфа и абиссаля.

Шельф – мелководье с плавным понижением 1,5–2 м на километр, простирающееся вокруг континентов на 80–100 км. Следующее за шельфом резкое понижение называется абиссалем его ширина 20–40 км. В среднем океанская глубина колеблется от 4 до 6 км.

Рис. 23. Схема зоны шельфа

В некоторых местах имеются глубоководные впадины до 12 км. Уровень океана менялся несколько раз за геологическую историю Земли. Так, в период последнего оледенения его уровень падал на 150 м ниже современного.

Химический состав океанской воды не постоянен. Среднее содержание солей 35,2 г на I кг воды. Это катионы Na+, К+, M++, Са++, Cr+, анионы Cl—, Br—, SO₄—, Mo₃ и др.

Роль океана в формировании климата планеты обусловлена рядом факторов: океан – это огромный резервуар тепла; основная часть водяных паров поступает в атмосферу с поверхности океана; океанские течения переносят огромное количество тепловой энергии; отражательная способность океанской поверхности существенно влияет на тепловой баланс Земли.

Температура океанской воды уменьшается с глубиной. Если за температуру поверхности принять среднегодовую температуру 15 °C, то на глубине около 2 км она уменьшается до 2–3 °C независимо от широты. Такой высокий температурный градиент – 6 град/км обусловлен тем, что солнечная радиация прогревает воду всего лишь до глубины 100 м, при этом не возникает перемешивания, так как плотность теплой воды меньше. Перемешивание воды происходит при ночном или сезонном охлаждении поверхности. В этом случае возникает конвекция, опускающая охлажденную воду вниз. Этот процесс обусловлен тем, что средняя температура океанской воды 3,5 °C почти в 4 раза меньше сред ней температуры поверхности. Поэтому перемешивание океанских вод, вызываемое ветром, всегда вызывает похолодание.

Рис. 24. Направление ветра и течения воды

Основная причина океанских течений – ветры, и если бы не было материков, как в простой модели ветров, обсуждавшейся выше, то было бы легко предсказать направление океанских течений. Расположение и форма материков, острова, обширные полярные бассейны холодных, подпресненных вод – все это чрезвычайно усложняет моделирование океанских течений. При прогнозировании направление водных потоков в океане сопоставляют с картой реальных ветров и их характеристиками: скоростью, средней температурой, шириной воздушного потока. На основании этих данных оказывается возможным объяснение характера тех или иных течений.

При движении ветра над поверхностью воды в ней за счет силы трения F_тр возникают сдвиговые напряжения (τ). Уравнение переноса импульса через границу раздела дается выражением:

τ = – η(dv/dz)

η – коэффициент вязкости. С учетом турбулентности движения воды оказывается, что соотношение между скоростью ветра v_вет над поверхностью воды и скоростью перемещения жидкости v_вода. имеет вид:

v_вода = 0,013v_ветра

Этот результат не является неожиданным. Вполне естественно, что эти две скорости прямо пропорциональны друг другу и совпадают по направлению. Если с первой частью этого утверждения все ясно, то со второй дело обстоит сложнее, так как на поток воды действует еще сила Кориолиса – F_кор. И, если ветер будет дуть в меридиональном направлении, то под действием силы Кориолиса течение в Северном полушарии будет отклонено до 45° вправо, а в Южном на ту же величину влево. Причем с ростом глубины век тор скорости будет поворачиваться все больше, пока направление движения потока не изменится на обратное. Теория этого необычного явления была разработана шведским ученым В. Экманом. Глубина, на которой происходит поворот век тора скорости на обратный, определяется коэффициентом характерной глубины:

k = (ωSinj)/v,

где ω – угловая скорость вращения земли, j – угол географической широты.

Энергия, переносимая океанскими течениями огромна. Ее использование решило бы многие энергетические проблемы. Приближенно ее можно определить из простых рассуждений: умножим плотность кинетической энергии течений ρv/2 на площадь океанов, пропорциональную R² и на коэффициент характерной глубины k, получим:

E_кин = ρv²R²k = 10¹⁸ Дж

Действительно, это огромная энергия, наверняка хотя бы часть ее может быть использована.

Основные океанские течения Гольфстрим и Бразильское в Атлантике, Куросиво и Восточно-Австралийское в Тихом Океане образуются пассатами, но дальнейшее их развитие связано с положением материков. Расстояния переноса воды океанскими течениями велики (Рис. 25). Так, например Куросиво циркулирует по всей площади Тихого Океана от берегов Америки до Японии. Локальные загрязнения акватории, например морскими буровыми установками или сбросом балластных вод из судов, будут переноситься течениями от одного континента к другому. Это особенно актуально сейчас, когда расширяется шельфовая добыча нефти. Только в Северном море работает более 300 нефтедобывающих платформ. За время их эксплуатации уже произошли десятки аварий с выбросами нефтепродуктов в море. Две аварии особенно тяжелые, когда в 1983 году платформа опрокинулась в море, и вторая весной 1988 года, повлекшие за собой выброс нефтепродуктов в море и человеческие жертвы.

В связи с загрязнением Мирового океана уместно привести высказывание знаменитого норвежского путешественника Тура Хейердала: «Поскольку океан не выходит из берегов, хотя все реки мира непрестанно заполняют его водой, мы бессознательно воспринимаем его как некий заколдованный котел, сколько не лей, не наполнишь доверху. Мы забываем, что роль стока в океане играет испарение с его поверхности. При чем испаряется чистая вода, а яды и прочие отходы остаются».

Рис. 25. Схема основных океанских течений; теплое ; холодное – – -

Человечество в своей эволюции прошло путь от приспособления к окружающей среде к формированию искусственной среды, которую в XX веке стали называть антропосферой. Масштабы создания антропосферы стали таковы, что человек перестал быть гармоничной частью биосферы, выйдя за пределы ее ресурсных циклов. Такие возможности человек получил благодаря научно – техническому прогрессу и особенно научно-технической революции, второй половины XX столетия, позволившей перейти к колоссальному потреблению природных ресурсов. Результатом такого потребления явилась реальная перспектива ресурсного голода. В ряде стран он уже проявился как продовольственный голод, в других как дефицит энергетический, в третьих как водный кризис.

Существенным отличием антропосферы от биосферы является и то, что эта среда искусственная: с искусственным климатом, искусственными средствами коммуникации и транспорта, новыми искусственными составляющими окружающей среды: электромагнитной и акустической сферами, загрязнением среды.

Предвижу возражения по поводу искусственного климата, что, мол, нельзя путать климат с условиями в помещении. А как же, это не климат! Человек в этих условиях проводит: 8 часов на работе, 8 часов сон, 4 часа на питание и гигиену. Итак, на общение с естественной средой остается 4 часа. А вы проводите 4 часа на воздухе ежедневно? Конечно, нет. Так что приходится признать, что мы обитаем в условиях искусственного климата.

Обсудим кратко некоторые факторы, характеризующие антропосферу: демографический взрыв, потребление ресурсов, электромагнитосферу и акустический фон.

Демография антропосферы. Рост народонаселения в конце XX века является беспрецедентным в истории человечестве. На рисунке 26 показаны особенности демографической ситуации, дающие нужную информацию для ее анализа и выводов о возникших проблемах.

Существует ряд факторов, формирующих глобальные экологические проблемы.

Рис. 26. Демографическая пирамида

1. Рост населения начал происходить такими темпами, что это получило название «демографический взрыв». Выразительный рисунок 25 наглядно представляет ситуацию.

В 1830 году население составляло 1 миллиард. Второй миллиард появился через 100 лет, а дальше пошло сокращение этого интервала почти в 10 раз! Из рисунка видно, что рост населения имеет экспоненциальный характер.

Этот фактор темпа указывает на остроту проблемы, так как резко он опережает возможности обеспечения такого количества людей благоприятными условиями для жизни.

2. Прирост населения чрезвычайно неравномерно распределен по регионам Земли, он минимален там, где имеется наибольшая возможность обеспечить его в экономически развитых странах и максимален в развивающихся странах. Прогноз на 2000 год показал, что 90 % прироста придется на развивающиеся страны. Прогноз оказался правильным. Во многих из таких стран эта проблема становится не просто серьезной, а драматической.

3. Быстрый прирост населения нарушает возрастное соотношение населения. В мире увеличивается число детей, подростков и пенсионеров, особенно в развивающихся странах. Это приводит к возрастанию нагрузки на трудоспособную часть населения. Доля детей до 15 лет в большинстве развивающихся стран увеличивается до 49–50 %, доля пожилых людей старше 65 лет увеличилась с 10 до 15 %, в отдельных странах даже больше.

4. В распределении населения по территории стран мира происходят нежелательные изменения. Идет процесс урбанизации с преимущественной концентрацией населения в крупных городах. Число городов с населением более миллиона увеличилось с 185 в 1975 году до 439 в 2000 году и это опять наиболее характерно для развивающихся стран. Из 86 городов с населением более 4 миллионов только 25 будут располагаться в развитых странах и 61 в развивающихся. Например, население Мехико с 16 миллионов в 1984 году увеличится до 30 миллионов в 2025 году. В Монголии с населением 1 миллион 866 тысяч в 1985 году 26 % [1] населения жило только в Улан-Баторе, столице республики.

5. Обеспечение растущего населения продуктами питания и сбыта, развитие инфраструктуры отстает от роста населения в развивающихся странах. Наиболее объективным показателем этого является внутренний валовой продукт (ВВП). Разрыв в соотношении ВВП на душу населения между развитыми и развивающимися странами не сокращается, а увеличивается с 1:11 в 1959, до 1:13 в 1979 и около 1:18 в последние годы. Растущее население неизбежно оказывает возрастающее давление на биосферу, что приводит к нарушению природных ресурсных циклов и трофических цепей в экосистемах. Результатом этого являются либо гибель, либо «взрыв» отдельных популяций животных и насекомых, например взрывоподобное размножение саранчи. Для популяции культурных животных характерно быстрое размножение с последующей стабилизацией численности.

Показательна история с баранами, завезенными в Австралию в 1835 году. Стабилизация наступила при численности баранов порядка 7 миллионов голов из-за истощения пастбищ. Аналогичная ситуация сложилась и у нас в Калмыкии, где был превышен предел обеспечения кормами овец. По расчетам специалистов калмыцких степи способны прокормить около 745 тысяч голов. Фактически в степях содержится 1653 тысяч овец и 200 тысяч сайгаков. Калмыцкие степи оказались перегружены животными более чем в два раза. Результатом явился падеж более чем 400 тысяч овец осенью 1987 года.

Может возникнуть вопрос, «Причем здесь физика?». Задача физики обеспечить жизнь и развитие человечества условиях устойчивого развития и сохранения устойчивой окружающей среды.

Истощение природных ресурсов. Существование человеческого общества и его развитие возможно только за счет потребления природных ресурсов. Будущее цивилизации зависит от того, за счет каких ресурсов будет она развиваться показано на схеме.

Структура и характер потребления ресурсов антропосферой отличаются от их расходования в биосфере. Потребление ресурсов в биосфере имеет циклический и безотходный характер. В антропосфере эффективность потребления ресурсов около 2–3 %, поэтому процесс не имеет циклического характера и идет по пути истощения ресурсов. К тому же значительная часть ресурсов, идущих на потребности общества, невозобновимые и исчерпываемые. Получается, что запасы различных ресурсов, накапливаемые природой за миллионы лет, человечество растрачивает за десятки лет. На языке термодинамики это процесс необратимого рассеяния энергии с постоянным повышением энтропии.

Минеральные ресурсы, особенно металлы – основа развития современной промышленности. Таблица 7 дает достаточно хорошее представление об обеспеченности металлами и прогноз на 2000 год [1]. За основу взяты данные об оцениваемых запасах на 1976 год и темпы потребления. Обеспеченность мировых потребностей металлами и отношение запасов в 1976 г. к потребностям.

Таблица 7

Потребление металлов

Судя по этим данным, видно, что при существующем в 1976 г. уровне потребления в 2000 году возможно возникновение дефицита для ряда полезных ископаемых, таких, как, например, серебро, коэффициент обеспеченности – 0,6, асбест -0,5, ртуть – 0,9. В то время как запасы железа и алюминия достаточно велики – 5,1 и 6,2. Однако не следует думать, что в потребности на серебро, олово и ртуть возникает кризисная ситуация. Нужно учитывать изменение структуры потребления материалов и развитие новых технологий на базе научных открытий, например, кино и фотопромышленность с конца 80-х резко сократили потребление серебра за счет применения электронных носителей информации. В машиностроении уже происходит уменьшение металлоемкости конструкций благодаря использованию материалов с повышенными прочностными характеристиками и композитных материалов. Так, например, в 1880 году удельная мощность локомотива характеризовалась величиной порядка 1000 кг/л. с, в 1900 году – 100 кг/л. с, в 1950–25 кг/л. с, а в 1980 уже 14 кг/л. с! Этот пример – прекрасное лекарство от пессимизма по поводу истощения минеральных ресурсов, он показывает одно из направлений рационального природопользования. Другой путь – регенерация отходов, использование вторичных ресурсов. Россия в этом деле далеко не в первых рядах.

Главный и основной ресурс человеческого общества – продукты питания удобно оценить в массе углерода. Годовые потребности для одного человека в углероде для всех видов жизнедеятельности – 0,5 тонн. Вся продукция биосферы, включая сельское хозяйство, дает 5 тонн на человека в год, сельское хозяйство – 0,8 тонн. Практически уже сейчас общество в состоянии прокормить почти вдвое большее население, но это, к сожалению, не выполняется из-за низкой эффективности переработки сырья, нарушения принципа социальной справедливости, трудностей доставки и распределения.

Следовательно, по углеродному биоресурсу предел возможного роста населения существует и он не столь уж далек, если сохранится нынешний темп роста.

Решение ресурсной проблемы, как следует из этого краткого обзора, возможно только при использовании во всех сферах человеческой деятельности достижений научно-технического прогресса, прежде всего физики, химии, биологии, а также рационального планирования развития.

Энергообеспение антропосферы. «Движенье – счастие мое! Движенье» – поет мельник в известной песне Франца Шуберта. Без движенья нет жизни, нет развития. Чтобы крутились жернова у веселого мельника нужна энергия воды, чтобы «крутилась» современная цивилизация требуется использование всех видов энергоресурсов Земли и энергии Солнца.

Кстати, о песне мельника. Я сомневался, будет ли эта фраза понятна молодежи? От того что это сомнение имеет основание становится несколько грустно, так как прослеживается параллель между деградацией окружающей среды и деградацией культуры. Природная среда все больше заменяется обедненной и загрязненной искусственной, классическая музыка вытесняется дешевым суррогатом поп-музыки.

Итак, в природе все движется. Движутся реки, океанская вода, воздушные потоки, материковые плиты, материя в трофических цепях, биосфера в своем развитии. Удивительный, загадочный механизм! Удивительна его устойчивость и экономичность. Совсем незначительная часть солнечной энергии требуется для его действия. Примерно один процент солнечной энергии нужен для создания и поддержания в движении всего разнообразия биологических видов.

Человек тоже был частью этого удивительного механизма. Почему был? Потому, что человеческая популяция вышла из-под контроля природных энергетических циклов и создала свою сферу деятельности и потребления энергии – антропосферу. Характерная особенность антропосферы – ее развитие основано, прежде всего, на потреблении исчерпаемых источников энергии. Когда это изменится, она будет полностью отвечать определению В. Вернадского: ноосфера – это сфера разума.

Развитие цивилизации и вознесение человека на все более высокие ступени независимости от природы требует все больше и больше ресурсов, в том числе, энергии. Больше независимости – больше энергии. Здесь уместно провести параллель с движением судна в воде. Наращивание скорости корабля примерно от 10 км/час до 40 км/час пропорционального увеличению мощности двигателя. Увеличение скорости сверх этой величины требует уже квадратичного увеличения мощности (рис. 27). В итоге получится, что двигатель возит себя самого.

Похожая закономерность сохраняется пока и в развитии цивилизации. Чем больше комфорта и предметов потребления, тем больше нужно для этого материалов и энергии.

Традиционные источники энергии ограничены и возникла альтернатива: либо ограничить свои потребности и энергопотребление, либо найти новые источники энергии. Четкого понимания, как решать эту проблему, пока еще не сформулировано. Так, например, провозглашать глобальную политику сокращения потребностей безнравственно по отношению к развивающимся странам, где большинство людей еще не ели досыта, увеличивать производство энергии – значит прийти к энергетическому кризису.

Рис. 27. Зависимость v = f(p)

Это глубокая и сложная проблема, перерастающая из научно-технической в социально-политическую. Пока, видимо, нужно двигаться по двум направлениям: умерить потребности, где это возможно (например, сокращение вооружений), и в то же время вести поиски новых источников энергии.

Есть и третий путь. Уже говорилось выше, что эффективность использования природных ресурсов исключительно низка, для некоторых стран – около 2 %. Значит, вместе с неиспользованными 90 % выброшена и энергия, затраченная на их добычу, переработку, транспортировку и т. п.

Развитие малоотходных и безотходных технологий – одно из важнейших направлений в решении энергетической проблемы. Некоторые страны достигли в этом направлении значительных успехов, например Швеция, Япония, США, Сингапур, Германия.

Для оценки энергетической ситуации, ее прогнозирования и понимания ее связи с экологическими проблемами и физикой нужно сделать короткий экскурс в прошлое. С точки зрения энергетики развитие цивилизации можно разделить на три этапа:

1. Древние цивилизации и средневековье – эпоха мускульной силы.

2. XIV–XIX века – эпоха пара.

3. XX век и дальше – эпоха электричества.

Высокий уровень градостроительства, техники и культуры Древней Греции и Древнего Рима, который нас восхищает, был обусловлен дешевым источником энергии – мускульной силой рабов. В Древней Греции в период расцвета Афин благосостояние 34 тысяч свободных граждан обеспечивалось трудом 300 тысяч рабов, а примерно 17 миллионов свободных римлян эпохи Нерона обслуживались 130 миллионами рабов. Если учесть, что средняя мощность человека 40 Вт, то энергообеспеченность одного гражданина древней цивилизации равнялась примерно 0,3 кВт. Для современного человека около 2 кВт. Не столь уж большая разница, если учесть, что нас разделяют тысячелетия. Но в то же время нужно учитывать, что в рабовладельческом обществе это была обеспеченность кучки элиты, а 2 кВт – это средняя мощность на каждого современного жителя Земли. Из этого сопоставления можно было бы ожидать процветания для каждого человека в современном мире. Но, увы, социальное неравенство, угнетение, гигантские военные расходы – все это сохранилось и до наших дней. Лишь в справедливом обществе эти 2 кВт могут быть реальным достоянием каждого человека, если мы исключим большую часть нерациональных потерь.

Если темпы современного роста населения и потребления энергии сохранятся, то к 2000-му году общее энергопотребление удвоилось. Вместе с этим следует ожидать и удвоения в загрязнении окружающей среды, что и подтверждается данными таблицы 2. За последнее столетие производство энергии выросло примерно в 12 раз, а ее количество на одного человека примерно в 4–5 раз (рис. 28).

Рис. 28. Потребление энергоресурсов

По оценке экспертов за период 1900–2000 гг. израсходовано 10 % мировых топливных ресурсов. Если сохранится нынешний темп их использования, то мировые запасы минерального топлива будут исчерпаны к 2080 году, для нефти это произойдет уже в 2030 году. Оптимисты, однако, считают, что на Земле и в нашей стране в частности, много еще неразведанных и неиспользованных ресурсов. Однако они не учитывают при этом труднодоступности оставшихся ресурсов, возрастание стоимости их добычи и вред, наносимый окружающей среде при их разработке.

Например, транспортировка 1 тонны нефти в пределах Европейской части стоит примерно 400 рублей, доставка этого же количества из Тюмени уже обходится в 1000. Вызывает тревогу нарушение равновесия природы северных районов при разработке месторождений в зоне вечной мерзлоты (Тюменские, Ямальские месторождения и другие), загрязнение Северного моря в связи с расширяющейся добычей шельфовой нефти.

Потенциальные энергетические ресурсы, как показано в таблице 8, превышают извлекаемые запасы почти в 3,6 раза, но значительная доля их не может быть добыта на современном уровне технологии.

Таблица 8

Мировые запасы минерального топлива (в 10¹¹т-эквивалентах угля),% – доля в общем балансе)

В целом мировые запасы энергоносителей не так уж малы, и есть надежда и уверенность в том, что за оставшееся до их истощения время будут найдены новые альтернативные источники. Однако, нужно учесть еще два фактора – неравномерность распределения ресурсов на Земле и рост цен на них. Вследствие этого некоторые развивающиеся страны испытывают очень острый энергетический дефицит, угрожающий их политической стабильности. Например, в США живет 6 % мирового населения, а потребляет оно более 30 % мирового энергопроизводства, в то время как Индия с ее 15 % мирового населения потребляет лишь 3 %.

Потребление энергии на душу населения изменяется в очень широких пределах, и по нему можно достаточно хорошо оценить уровень экономического развития страны.

Особенно ярко это выражается в потреблении энергии на душу населения (в кг угольного эквивалента):

США, Канада – 11 000, Англия, ФРГ, Россия – 5 000 Турция, Бразилия – 700, Эфиопия, Малави – 50

Следует обратить внимание на резкую разницу в уровне потребления энергии в первой линейке стран в сравнении со второй. Особенно впечатляют данные для Эфиопии, Малави и ряда других африканских стран близких к такому уровню. Ситуация для этих стран усугубляется и тем, что основным энергоресурсом для сельского населения являются древесина и навоз. Из-за нехватки топлива вырубаются деревья и кустарник, что приводит к опустыниванию и невозможности возобновления этих в принципе возобновимых ресурсов. Сжигание навоза влечет за собой снижение плодородности почвы.

Для нас особенный интерес представляет производство энергии в СССР и России, энергообеспеченность хозяйства и влияние энергетики на окружающую среду.

В нашей стране производство электроэнергии всегда было одним из основных направлений народного хозяйства. Основные этапы развития энергетики СССР – это план ГОЭЛРО 20-х годов, строительство мощных гидростанций в 60–70-х годах, строительство атомных станций, современная программа развития энергетики определена в «Энергетическая стратегия России до 2030 года». В ней ставится задача восстановить темпы развития до уровня СССР развивать инновационные технологии повышения эффективности производства и потребления энергии.

Оценить динамику развития электроэнергетики и подумать о ее перспективах лучше всего, анализируя данные производства электроэнергии по пятилеткам [9], рис. 29.

Рис. 29. Производство электроэнергии в СССР

Первый график показывает динамику валового производства электроэнергии по пятилеткам с 30-х годов до 1990 г. Из его анализа можно сделать некоторые выводы.

1. Страна вступила в войну с фашизмом и победила в ней, имея довольно скромную энергетическую базу. В 1937 году Германия произвела электроэнергии в 1,6 раза больше, чем СССР В начале войны это соотношение увеличилось за счет ресурсов союзников и оккупированных стран.

2. Темп развития энергетики в послевоенные годы резко возрастал.

3. Особенно активным является десятилетие с 1970 по 1980 год. За это время выработано электроэнергии почти в 2 (!) раза больше, чем за 40 предшествующих лет.

4. Основным производителем электроэнергии (70–80 %) до настоящего времени остаются тепловые электростанции, работающие на газе, каменном угле и жидком топливе. Прирост этой составляющей с 1975 года начал уменьшаться в связи с мерами по экономии органического топлива и охране окружающей среды.

5. Вклад гидроэнергетики, несмотря на большие капитальные затраты, не очень велик: около 30 % до 1980 года. Характер развития этой отрасли вряд ли изменится в сторону существенного увеличения в связи с ограниченностью гидроресурсов и рядом негативных последствий экологического характера.

6. Развитие ядерной энергетики в 1970–75 годах набирало темпы. Ее доля существенно увеличилась за 5 лет (1980–85 гг.) от 0,4 до 14 %. К 1990 году ее вклад должен возрасти до 21 %, а к 2000 году уже превысил 30 %.

Энергетическая программа СССР и ее реализация обеспечивала уверенное развитие социалистического хозяйства.

Эти выводы могут быть дополнены при анализе развития структуры электроэнергетики, второй график (рис. 28). Эти графики отличает две особенности. Во-первых, они выполнены не в виде ломаной линии, а в форме гладкой кривой для того, чтобы лучше проследить общие тенденции в динамике развития. Во-вторых, сделан прогноз до 2000 года, исходя из развития за 15 лет с 1970 по 1985 год.

Эти выводы дают полное основание гордиться успехами страны в энергетике и в то же время ставят ряд важных вопросов.

Нужно ли сохранять такую динамику развития энергетики? Нужно ли так много энергии? Каким отраслям отдать приоритет? Какие перспективы развития у новых источников энергии? Какое давление оказывает энергетика на окружающую среду?

Для ответа на эти вопросы рассмотрим кратко принцип действия и экологичность различных видов энергетики.

Тепловая энергетика снабжает общество электроэнергией (70 %) и теплом для технологических и бытовых целей (около 30 %). Соответственно этому существует три типа энергетических установок: ТЭЦ – теплоэлектроцентраль для комбинированного производства электроэнергии и тепла, ТЭС – производство электроэнергии, котельные – только для получения горячей воды и пара. Принцип действия всех этих установок заключается в преобразовании химической энергии топлива в тепловую и электрическую. Технологические схемы ТЭЦ и ТЭС отличаются незначительно.

Принципиальная схема ТЭЦ

Рис. 30. Движение потоков энергии в ТЭЦ

Как видно из этой упрощенной схемы устройство современной ТЭЦ довольно сложно. Причем, нужно учесть, что ряд систем не показан, как, например, система очистки газов.

Мощности ТЭЦ и ГЭС постоянно росли, вместе с этим усложнялось оборудование и увеличивалась интенсивность его использования. Так, температура пара выросла с 100 °C до 600 °C, давление пара выросло с 10 ат начала века до 240 ат. Закритические параметры пара стали основным фактором повышения мощности силовых установок. Нетрудно представить сложность и многообразие физических процессов в такой системе. Все усилия по повышению эффективности ТЭЦ позволили достичь пока довольно скромного КПД порядка 37 %. Дальше, слово за физикой.

Гидроэнергетика. Использование потенциальной энергии воды насчитывает тысячи лет. Водяные колеса разных типов применялись еще в древних цивилизациях Азии и Востока. Наибольшее развитие они получили в XVIII и середине XIX века, став основным приводом для мельниц, станков, текстильных машин и т. п. В настоящее время гидроэнергия используется в основном для получения электроэнергии. Мировое производство гидроэлектроэнергии составляет примерно 21 %. Доля ГЭС в энергетике СССР в 1985 году – 14 %, в России в 2011 году – 15,2 %. ГЭС являются весьма эффективным производителем энергии. Так в СССР на долю ГЭС приходилось немного более 2 % всего персонала энергетики и 40 % всей прибыли.

Общая мощность всех действующих в 1985 году в мире ГЭС была около 460 ГВт с годовым производством порядка 1750 ТВт. ч, что составляло примерно 35 % всего мирового гидропотенциала. Это довольно высокий процент, если учесть, что оставшиеся гидроресурсы расположены, как правило, в труднодоступных районах. В Европе и Северной Америке использовано около 70 % гидроресурсов, в Латинской Америке примерно 27 %, в Азии – 2.2 %, в Африке всего – 4,3 %.

Считается, что наиболее экономично строить ГЭС высокой мощности. В мире насчитывается около 130 станций; мощность наиболее крупных достигает 13 ГВт. Как правило, используется два типа турбин: радиально-лопастные, обычно с большим диаметром рабочего колеса до 10 м и радиально-осевые с диаметром колеса до 7 м, их КПД выше и они могут работать при значительном колебании напора воды от 45 до 120 м.

Для получения значительного напора воды и аккумулирования энергии стремятся строить станции с высокими плотинами, высота, например, Ингурской ГЭС достигает 300 м, площади водохранилищ крупных ГЭС достигают нескольких тысяч квадратных километров.

Таблица 9

Данные наиболее крупных ГЭС на 1982 г. [10]

Ядерная энергетика. Интересно отметить, что в брошюре Р. Б. Ахмедова «Традиционная энергетика», изданной в 1986 году издательством «Знание», нет раздела, посвященного ядерной, или как ее чаще называют, атомной энергетике. Эта отрасль автором не отнесена к традиционным источникам энергии. Но если судить по ее вкладу, то уже в 1985 году производство энергии на АЭС в СССР почти сравнялось с ГЭС, а в ряде стран значительно опередило.

Число энергоблоков в 1985 было 365 в 25 странах, 10 из которых развивающиеся, строилось еще порядка 200. В 1986 году на АЭС было выработано 253 млн Вт. час, что составило 16 % мирового энергопроизводства. Для получения такого количества энергии на ТЭС нужно было бы сжечь 230 млн. т органического топлива!

В 2015 году число энергоблоков выросло до 449 с общей мощностью 392 млн. кВт. Предполагается очень существенный рост мощностей АЭС во всех без исключения регионах мира.

Однако нужно заметить, что катастрофы на АЭС в США, Три Майл Айленд 1979, СССР Чернобыль 1986, Япония Фукусима 2011 внесли в этот прогноз заметные коррективы. Тем не менее развитие ядерной энергетики продолжается и она вышла на авансцену в производстве энергии. Приведенные цифры показывают, что эта отрасль за короткий отрезок времени с 1970 года приобрела устойчивое развитие и уже может называться традиционной наряду с гидроэнергетикой.

У развития ядерной энергетики есть свои ограничения и препятствия, связанные с особенностями физических процессов в ядерном реакторе, с технологией производства энергии и воздействием на окружающую среду.

В основном АЭС используют изотоп урана U235, которого в природе довольно мало (содержание его в природной урановой руде – около 0,7 %. Для получения цепной управляемой реакции природный уран приходится обогащать до 2–3 %. Кстати, такой обогащенный уран может применяться только для энергетики и непригоден для производства ядерного оружия. Количество урана, участвующего в делении в энергетическом реакторе в течение года около 1–2 % остальную часть топлива приходится перерабатывать. Эти особенности ограничивают применение реакторов на медленных нейтронах, использующих U235.

Реакторы-размножители на быстрых нейтронах лишены этого недостатка. В них не только не выгорает U238, а наоборот, производится новое горючее Ри 239, кроме того они работают при более высокой температуре и их КПД выше. На первый взгляд действие этого типа реактора противоречит законам природы, так как напоминает вечный двигатель. Противоречия нет, происходит явление аналогичное крекингу сырой нефти в легкогорящий бензин.

Преимущество этих реакторов еще и в том, что запасы U238 и Th232 на Земле довольно велики и у этих реакторов значительно большие перспективы, чем у работающих на уране-235. Однако, несмотря на известные достоинства таких реакторов большинство действующих и строящихся АЭС используют уран-235. Связано это с особенностями, усложняющими проектирование, строительство и эксплуатацию реакторов-размножителей. Особенности заключаются в том, что для цепной реакции на быстрых нейтронах не нужен замедлитель, и значит объем реактора меньше, а температура активной зоны выше, чем в реакторах на медленных нейтронах. Большое тепловыделение и требование минимального замедления нейтронов приводят к необходимости использования таких теплоносителей, как например, жидкий натрий и калий, а это усложняет конструкцию и обеспечение безопасности. В СССР в 1973 г. в г. Шевченко была построена АЭС на быстрых нейтронах с тепловой мощностью 1000 МВт, на Урале работает Белоярская АЭС – 816 МВт.

Технологический цикл работы АЭС обоих типов, показанный на рис. 31 имеет много общего.

Рис. 31. Технологическая схема АЭС

Из рисунка видно, что сложный процесс преобразования энергии и управления реакцией деления сопровождается целой системой циклов по подготовке топлива, обработке и захоронению отходов, очистке отработанной воды и газов. Стоимость электроэнергии, полученной на АЭС ниже, чем произведенная другими типами станций несмотря на большую сложность процесса получения энергии и высокие капитальные затраты. Использование реакторов размножителей позволит еще более увеличить этот эффект. Важно учесть и экологическую эффективность АЭС. При безаварийной работе это самые чистые в экологическом отношении станции. Количество топлива, используемого АЭС, чрезвычайно мало по сравнению с ТЭЦ и ТЭС. Так, для работы ТЭС мощностью 1 млн. кВт требуется 10 тыс. т каменного угля в сутки; для работы АЭС такой же мощности нужно только 100 кг уранового топлива в сутки.

Однако, несмотря на все достоинства ядерной энергетики деления ядер урана и даже гипотетическое исключение аварийности, эта отрасль не имеет далеких перспектив из-за ограниченности запасов урана и необходимости захоронения отходов.

Термоядерная энергетика. Энергетика синтеза ядер гелия из ядер водорода при температуре 10⁸К теоретически имеет наибольшие перспективы. Технические трудности получения высокотемпературной плазмы порядка 10 К и достижения достаточного времени ее удержания принципиально уже преодолены и осуществление управляемой реакции синтеза ожидается в ближайшие 5–7 лет. Достичь этого удалось благодаря блестящей идее советских физиков-академиков И. Е. Тамма и А. Д. Сахарова об использовании тороидального магнитного поля для удержания высокотемпературной плазмы (реактор Токамак).

Традиционные методы удержания высокотемпературной плазмы, по образному выражению Д. А. Франка-Каменецкого, были аналогичны попыткам вскипятить воду в стакане изо льда.

Исследовательские работы на реакторах типа Токакмак ведутся в 29 странах.

Достоинства этого вида энергетики известны – это неограниченные запасы изотопов водорода в природе, отсутствие радиоактивных отходов и высокая энергетичность реакции. Термоядерный реактор мощностью 1 ГВт будет сжигать всего 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. В литре обычной воды содержится столько дейтерия, что количество получаемой энергии при синтезе эквивалентно сжиганию 300 л бензина.

Энергетика и ее давление на биосферу. Существующее производство энергии связано с интенсивным потреблением энергоресурсов, ведущим к их истощению, с обширным загрязнением окружающей среды и ее деградацией.

Наибольший вред наносят тепловые электростанции и котельные загрязняющие окружающую среду газообразными продуктами сгорания, аэрозолями, золой и шлаками, выводимым теплом. В состав дымовой смеси входят оксиды азота NO_x – 18 %, оксиды углерода СО_х – 12 %, диоксид серы SO_2–0,2 %, вода ~1 %, взвешенные частицы и десятки и даже сотни соединений с малой концентрацией. Воздействие этих выбросов на живые организмы имеет сложный характер и нормативы на выбросы (ПДК предельно допустимые концентрации) еще не сформировались окончательно, они отличаются в разных странах (см. таблица 10) [11].

Глядя на эту таблицу и видя очень жесткие нормативы в некоторых странах, не нужно обольщаться тем, что именно там воздух чище всего. Как правило, ведомства обходят эти санитарные нормы, «выбивая» временно согласованные ПДК, объясняя это экономической необходимостью.

Таблица 10

Показатели среднесуточных ПДК для ряда стран

Газообразные NO₂ и SO₂ соединяются с влагой в атмосфере, образуют кислоты, выпадающие с дождями. Деградация лесов и закисление почв в результате этого явления стали острой проблемой для многих промышленно развитых стран, в том числе и России. Прошли те годы, когда люди любили мыть голову дождевой водой. Большие сложности возникают с отходами топочной золы и шлаками, занимающими под хранение большие территории, загрязняющими почву и воды при размывании золы дождями и уносе ветром. Так, ТЭЦ мощностью 1 ГВт сжигает в сутки 10 тыс. т каменного угля. Даже при, зольности 30 % (это не очень плохой уголь) ее отходы составляют почти 3 тыс. т золы в сутки или около 9 млн. т золы в год. Куда ее девать? Очень сложная и важная проблема, учитывая, что в перспективе основным топливом для ТЭЦ будет уголь с высокой зольностью. Кроме газов, аэрозолей и золы в окружающую среду выбрасывается огромное количество тепла Q_заг с топочными газами Q_газ, отработанной водой О_вода, золой и шлаками Q_TB (рис. 32).

Q_заг = Q_газ + Q_вода + Q_тв

Q_заг связано с КПД станции η и ее мощностью N:

Q_заг = Q_п(1 – η) = N/η (1 – η),

где Q_п – подводимое тепло.

Отсюда, повышение КПД станции ведет к уменьшению, теплового и других видов загрязнений. Возможности повышения КПД термодинамического цикла ТЭЦ еще далеко не исчерпаны, физикам и инженерам здесь есть о чем подумать.

Для работы ТЭЦ с 1 ГВт требуется 1,5 км³ воды в год.

Для всех ТЭЦ и ТЭС России это составит почти 200 км³. Вот откуда возникла астрономическая цифра (таблица 2) тепловых загрязнений природных вод. Из-за повышения температуры развиваются водоросли, снижается содержание кислорода в воде, а вместе с ним и интенсивность окислительных процессов и способность водной среды к самоочищению. Многие реки, на которых расположены крупные тепловые и атомные станции, не замерзают из-за большого сброса тепла.

Гидроэлектростанции долгое время считались экологически чистыми производствами, так как они не дают вредных выбросов. Однако это не так. Строительство ГЭС деформирует окружающую среду, так как при этом создаются огромные водные бассейны (таблица 9), заливаются плодородные пойменные земли и лесные массивы, с поверхности водохранилищ происходит интенсивное испарение воды. Известно, что площадь всех искусственных водоемов в СССР была равна территории Франции.

Рис. 32. Выбросы тепла ТЭЦ

Американскими учеными установлено, что сооружение высотных плотин и накопление больших объемов воды повышает сейсмичность в районе станции. В США после заполнения водохранилища на реке Колорадо с 1937 по 1947 годы случилось более 1000 землетрясений разной силы, ранее сейсмичность в этом районе не наблюдалась, аналогичные явления отмечены ими в Индии и других районах земного шара.

Скорость воды при сооружении плотин резко падает, при этом снижается растворение кислорода в воде и способность реки к самоочищению. Особенно большим изменениям подвергаются экосистемы рек при сооружении каскадов ГЭС: Ангарско-Енисейский каскад состоит из 12 ступеней, Волжско-Камский из 14, на Днепре сооружено 6 станций. Планируется сооружение каскада из 5 ГЭС на реке Катунь, на Алтае, что вызвало резкую оппозицию общественности. Протесты общественности и экологов в некоторых случаях достигают цели. Так было прекращено строительство Обской и Туруханской ГЭС.

Ядерная энергетика стала новым фактором в развитии антропосферы. Число действующих и строящихся энергоблоков приближается к 1000. Вместе с увеличением числа АЭС возросло и число аварий на них. Наиболее значительными и опасными были аварии на станции Три-Майл Айланд (штат Пенсильвания, США) в 1979 году, на Чернобыльской АЭС (Украинская ССР) в 1986 году, на АЭС Фукусима 1 в Японии в 2011 году. По образному выражению Ю. В. Сивинцева [11]. Авария на ЧАЭС не только взрыв четвертого блока, но это еще и взрыв всеобщего интереса к проблемам действия излучения на живые организмы! К этому можно добавить, что это взрыв общественного интереса к ядерной энергетике в целом и связанным с нею экологическим проблемам.

В оценке отношения к ядерной энергетике можно выделить противоположные позиции: одна эмоционально алармистская (пресса и особенно западная, партия зеленых в ФРГ), другая слишком уж спокойная, как у Ю. В. Сивинцева, который в заключении своей интересной и дельной книжки приводит правило курчатовцев: «Излучения не нужно бояться, но следует к нему относиться с должным уважением». Все верно, но и надо бы добавить, что речь в этом правиле идет о, контролируемом излучений. В Чернобыле же мы имели дело с «дьяволом», вышедшим из-под контроля. С аналогичной позицией я встретился во время, посещения Ленинградской АЭС в 1984 году. В беседе с одним из руководителей станции я спросил его о том, что не слишком ли опасно столь близкое соседство АЭС такого типа с многомиллионным городом? Он ответил, что именно это и доказывает полную безопасность станции.

Не нужно преуменьшать опасность ядерной энергетики, но не нужно и преувеличивать. Система безопасности, разработанная еще в 60-х годах, практически исключает возможность серьезных аварий. Опасность крупной аварии типа расплавления реактора, по мнению американского физика-ядерщика Г. Сиборга, равна вероятности столкновения всех самолетов, находящихся в воздухе над каким-либо стадионом, где проходит матч и стадион полон. Техника позволяет исключить аварии, но не люди. При работе с ядерной техникой нужны очень высокий профессионализм и чувство ответственности. Именно недостаток этих качеств у некоторых членов персонала ЧАЭС и привел к катастрофе, в случае Фукусимы это был просчет проектировщиков.

Чернобыльская авария чрезвычайно тяжелый урок, поэтому необходимо уделить ему большее внимание. Реактор РБМК уран-графитовый, одноконтурный, кипящего типа, количество урана – 192 т, охлаждающая вода протекает через активную зону под давлением 7 МПа и температуре 289 °C через 2400 труб. При экспериментировании с реактором произошло нарушение в подаче охлаждающей жидкости, температура в реакторе быстро поднялась, система автоматической остановки реактора не сработала, так как была отключена! Произошел тепловой взрыв, с которым выбросило несколько тонн урана и радиоактивные элементы конструкции, потом реактор начал гореть. Пар, газы и аэрозоли попали в высокие слои атмосферы и были частично унесены за пределы СССР. Основному заражению подверглась территория города Припяти, самой станции и тридцатикилометровая зона вокруг станции. Погибло 28 человек, острой лучевой болезнью были поражены 237 человек, выселены были все жители, около 100 тыс., из 30-километровой зоны заражения. В результате принятых мер, захоронения аварийного реактора в гигантском саркофаге и дезактивации всей территории заражения удалось ввести станцию в действие через год после аварии. Убытки огромны, велик и моральный ущерб, нанесенный катастрофой. Пересмотрены все проекты строительства АЭС, прекращено, строительство Краснодарской, Одесской, Минской, Чигиринской АЭС, пятого и шестого блоков Чернобыльской АЭС. Многие страны сократили планы строительства АЭС, Норвегия полностью закрыла свою программу ядерной энергетики.

Выброс радиоактивности в результате аварии не единственная опасность, связанная с ядерной энергетикой. Происходит постоянное накопление радиоактивных отходов, надежное захоронение которых представляет довольно сложную проблему, если учесть, что, например, только в США уже накоплено 20000 т и ежегодно добавляется 2000 т.

Огромное количество теплой воды, сбрасываемой АЭС в водоемы, приводит к их тепловому загрязнению, уменьшению содержания кислорода в воде. Практически все водоемы, на берегах которых расположены АЭС, не замерзают на большой протяженности даже в самые сильные морозы. Все эти факты подтверждают ту идею, что дело не в том, что плоха ядерная энергетика, дело в людях и в том, что человечеству приходится платить все более высокую цену за развитие цивилизации по пути наращивания потребления и традиционных технологий.

В опасности ядерной энергетики есть и положительный фактор. Развитие ядерной энергетики и связанное с этим увеличение числа АЭС делает обороноспособность стран, имеющих ядерные станции, более низкой. Понимание этого факта играет существенную роль в борьбе за ликвидацию ядерного оружия и укрепление мира. В статье «Катастрофическое высвобождение радиоактивности» [12] показано, что взрыв ядерного оружия над ядерным реактором приведет к его разрушению, в результате чего поражающее действие ядерного оружия будет многократно усилено (рис. 33). На схеме показана возможность распространения радиоактивных осадков после гипотетического разрушения реактора в 1 ГВт ядерным оружием мощностью в 1 мегатонну при ветре около 25 км/час. Пунктиром показана область, в которой доза облучения равна 10 рем (бэр) через месяц после атаки, в заштрихованной области эта доза сохранится через год. Предельно допустимая доза 2 рем (бэр) в течение года. Для сравнения: доза, получаемая при рентгеновской флюорографии 0,01 рем за доли секунды, естественный радиоактивный фон грунта на уровне моря равен 0,075 рем за год.

Рис. 33. Зона заражения при аварии АЭС

Картина становится особенно впечатляющей, если учесть, что на территории, например, ФРГ, показанной на схеме, и некоторых других стран размещено довольно много коммерческих реакторов (темные точки).

Воздействие радиации зависит от многих факторов, источника, его активности, типа излучения, окружающей среды и ее состояния, объекта облучения. Например, некоторые виды пауков почти не восприимчивы к радиации. Для живого организма важно еще – внешнее это облучение или внутреннее.

Рисунок 34 взятый из уже упоминавшейся книжки Ю. В. Сивинцева, дает четкое представление о характере воздействия излучения и единицах его измерения.

Рис. 34. Действие излучения на вещество

Активность источника определяется в кюри, 1 кюри = 3,7×10¹⁰ распадов в секунду. Излучение источника ионизирует окружающий воздух. Степень ионизации или экспозиционная доза характеризует поле излучения. За единицу экспозиционной дозы принят 1 Рентген (Р), 1Р = 2×1028 пар ионов/см³ возд.

Воздействие излучения на вещество оценивается поглощенной дозой, энергией, поглощенной единицей массы вещества. Смысл этой величины очень прост: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект. За единицу измерения принят в системе СИ Грэй, 1Гр = 1 Дж/кг., и внесистемная единица Рад от английского выражения radiation absorbed dose, 1 Гр = 100 Рад.

Воздействие радиации на живые организмы характеризуется другой величиной – эквивалентной дозой, измеряемой в бэр (биологический эквивалент рада), в иностранной литературе эта единица называется рем (rem – roentgen equivalent man) 1 бэр =KK × 1 рад (KK – коэффициент качества излучения), КК имеет разные значения в зависимости от типа излучения: для α и β-излучения он равен 1, для протонов и нейтронов – 10, для α-частиц 20.

Установлено, что выживание при облучении исключено, если доза составляет 500–600 бэр в течение одного, двух дней. При дозе от 200 до 400 бэр выживание возможно, но его вероятность мала, даже если, проводится лечение. При облучении в 400 бэр в течение суток смертность составляет более 50 %. При массовом облучении населения за такое же время дозой в 100 бэр неизбежно общее заболевание и некоторое число смертных случаев.

Воздействие α, β и γ излучений на живые организмы проявляется по-разному, общее заключается в том, что все они ионизируют вещество.

Радиационная опасность α и β излучения велика только вблизи от источника или при попадании радиоактивного эле мента внутрь организма.

Наиболее опасно для живых организмов γ – излучение из-за его высокой проникающей способности.

Ионизация в зависимости от энергии излучения может сопровождать также и такие явления, как фотоэффект, Комптон-эффект и образование электрон-позитронных пар.

При фотоэффекте (рис. 35а) фотон выбивает из атома электроны, находящиеся на нижних оболочках. Происходит это в том случае, если энергия γ кванта больше энергии связи электрона с ядром (Е_св) и энергия выбитых фото – электронов достаточно велика, чтобы вызвать ионизацию соседних атомов.

Рис. 35. Действие γ-излучения на атомы

При облучении вещества γ-квантами с энергией от 0,3 до 5 Мэв из атома выбиваются так называемые электроны отдачи и вторичный γ-квант с частотой hν (рис. 35б). Это явление называется эффектом Комптона и происходит оно на любых атомах.

При энергии γ-квантов выше 5 Мэв возможно образование электрон-позитронных пар (рис. 35в). Энергия, необходимая для образования электрона, согласно формуле Эйнштейна:

E = mc²,

равна 0,51 Мэв, следовательно, минимальная пороговая энергия необходимая для образования пары, равна 1,02 Мэв. Избыток энергии гамма-кванта сверх этой величины проявляется в форме кинетической энергии пары.

Все эти явления приводят к ионизации вещества, степень которой зависит от энергии излучения. Ионизация может привести к необратимым изменениям в живой материи, ее структуре и жизнедеятельности.

Грамотность в отношении воздействия радиоактивного излучения на живые организмы, понимание и знание в связи с этим правил и норм радиационной санитарии должны быть неотъемлемой частью образования современного человека.

Нужно быть реалистами в понимании, что ядерная энергетика будет развиваться. Следовательно, всегда будет существовать возможность выхода радиации в окружающую среду. Это новые условия и новая реальность XXI века.

Энергосбережение. Развитие современной энергетики в ее традиционных формах ограничено истощением природных ресурсов, загрязнением и деформацией окружающей среды, что вредно сказывается на здоровье и жизнедеятельности человека и состоянии биосферы в целом. В связи с этим необходимо формирование новой энергетической политики по двум главным направлениям: 1) экономия энергоресурсов и энергии, 2) поиск и разработка альтернативных источников энергии.

Известно, что ресурсоемкость и энергоемкость многих современных технологий велика и существуют потери всех видов ресурсов из-за недостатков в организации производства и расточительного отношения к энергии, сырью, материалам. Такие потери могут быть показаны на простом примере. Подсчитаем, например, сколько мы теряем, если один из 5 кранов в нашей квартире подтекает струйкой диаметром всего 2 мм. В сутки теряется около 250 л (рис. 36). Для города с населением около 150 тыс. человек на эти потери нужно израсходовать порядка 2,2×10⁵ кВт. час или почти 900 тыс. рублей в год. Стоимость воды в эту сумму не входит. Если с этой позиции оглянуться вокруг и присмотреться ко всем видам потерь, то увидим бесполезно утекающие реки энергии, приносящие не только материальный ущерб, но и огромный моральный вред, особенно молодому поколению. Проблема с водой была актуальна еще совсем недавно, 7–10 лет назад. Введение счетчиков на воду сразу сократило бытовые и производственные потери.

Рис. 36. Потери воды

В связи с приведенным примером полезно обратить внимание на содержание физических задач, решаемых в школе и вузе. Кого не охватывала тоска от труб с втекаю – щей и вытекающей водой, поездов, идущих из точки А в точку В, лодок, плывущих под углом к течению? А вот, если решая задачу на теплопроводность, обратить внимание учащихся на городские теплотрассы, над которыми снег тает даже в лютые морозы из-за потерь тепла и попытаться оценить эти потери не только в джоулях, но и в рублях, то явление теплопроводности предстанет совсем в ином виде. Окажется, что оно существует не изолированно, где-то на страницах учебников, в каком-то придуманном мире, а рядом с нами.

Рис. 37. Темпы развития энергетики

Примеры успешного ресурсосбережения имеются и у нас, и за рубежом. Большие успехи достигнуты в Германии и Швеции за счет эффективного использования вторичных ресурсов. Энергоемкость технологических процессов снижается при этом в 2–4 раза. Особенно впечатляющие изменения произошли в энергетике США. Из графика на рисунке видно, что планируемый в конце 60-х годов темп развития энергетики был очень похож на наш (см. рис. 37). В середине 70-х произошел спад вызванный мировым энергетическим кризисом. Открытие нефти на Аляске и прокладка за 2 года трансконтинентального нефтепровода через Канаду позволили приостановить спад и стабилизировать производство энергии. Однако после периода стабилизации производство энергии не возросло, а начало падать в начале 80-х годов. В статье, посвященной проблемам энергетики США [13], показано, что явление это произошло в результате разработки и проведения в жизнь широкой национальной политики ресурсо– и энергосбережения. Аналогичная картина характерна для энергетики Японии, ФРГ, Франции и Швеции. Важно отметить, что шведские специалисты в анализе энергетики Швеции большое внимание уделили популяризации знаний по экономии энергоресурсов и роли образования в этом процессе.

Ядерная зима. Развитие ядерной физики и ядерной техники позволило создать и накопить в мире огромное количество ядерного оружия с общим потенциалом около 25000 мегатонн. Это соответствует примерно 2,5 миллионам бомб сброшенных на Хиросиму в 1945 году. Использование даже части этого потенциала, помимо прямых потерь от радиации и ударных волн, может привести к катастрофическим изменениям климата и разрушению биосферы.

Для оценки этих потерь были разработаны несколько математических моделей в ФРГ в 70-х годах П. Крутцером в институте им. М. Планка, в начале 80-х годов в США группой П. Сагана и в 1982 г. в СССР модель «Гея» в Вычислительном центре АН СССР (акад. Н. Н. Моисеев). В моделях были использованы несколько сценариев ядерной войны с вовлечением разного количества оружия и с учетом разных факторов искусственного и естественного происхождения.

Моделировалось влияние выделившейся при взрыве тепловой энергии на поверхность суши, на распределение температур в атмосфере и океане, на движение воздушных масс, на отражательную способность атмосферы.

В результате моделирования были получены прогнозы на краткосрочные и долгосрочные изменения климата и воздействие этих изменений на растительный и животный мир, на человека. Естественно, что при моделировании такой сложной системы, как биосфера, был введен ряд упрощений и исключены некоторые факторы. Так, напри – мер, в американской модели не были учтены горизонтальные переносы воздушных масс, ветры, влияние океана как теплового резервуара, сезонные колебания температуры.

Советская модель, напротив, включала океанические процессы, но содержала больше упрощений в атмосферных явлениях. Однако, несмотря на значительные различия в моделях, результаты прогнозирования, как отмечает академик Н. Н. Моисеев, оказались довольно близкими.

События, происходящие после массированного обмена ядерными ударами, развиваются, согласно этим моделям, следующим обрезом. При наземном или атмосферном взрыве на высоте около 1 км в воздух будет выброшено примерно 325 млн тонн пыли. За пылевым облаком последуют развивающиеся городские и лесные пожары. Так, тепловой удар бомбы, взорванной на высоте I км и мощностью I Мгт, вызывает пожары на площади радиусом 10 км, т. е. более 300 км²!

Интенсивность городских пожаров с выбросом тепла и дыма превышает лесные пожары на такой же площади. Если плотность горючего материала в лесах около 20 кг на квадратный метр, то в городах она в 5–20 раз выше.

Огромное количество тепла, выделяющегося при городских пожарах и вентиляционный эффект, создаваемый высокими зданиями, приводят к образованию огненных смерчей торнадо, температура в центре которых настолько высока что начинает гореть металл и железобетон. Пожары, которые могут длиться около месяца, поднимут до 400 млн тонн пыли и дыма на высоту от 5 до 20 км., рис. 38.

По расчетам на моделях, даже 100 млн тонн дыма уменьшают приток солнечного тепла на 95 % как это показано на рисунке 38, вследствие чего нарушается тепловой банане распределения энергетических потоков о биосфере.

В результате этого в первые месяцы после начала войны произойдет локальное похолодание с падением температуры до -25 °C, а в отдельных районах и до -40 °C.

Рис. 38. Эффект пожаров

С течением времени это похолодание примет глобальные масштабы из-за переноса пыли и дыма в южное полушарие. Сажа, поднявшаяся в верхние слои атмосферы, будет поглощать солнечное тепло и нагревать стратосферу. Это приведет к изменению распределения температуры по высоте так, что слои воздуха на высотах 5–15 км окажутся более нагретыми, чем приповерхностный воздух, рис. 39. Изменится атмосферная циркуляция, особенно в районе экватора, где вертикальные потоки воздуха нагретого сушей, исчезнут совершенно. Две ячейки Годлея в экваториальной зоне объединятся в одну (рис. 40). Вместе с этим уменьшится и перенос влаги вверх и выпадение осадков.

Рис. 39. Аномалия температуры

Рис. 40. Деградация атмосферных ячеек

Ядерное похолодание приведет к ядерной засухе.

С другой стороны, резкое повышение температуры воздуха на высотах около 5 км приведет к таянию ледников в высокогорных районах, в том числе и в Антарктиде.

Другим последствием воздействия огромного количества сажи и аэрозолей на верхние слои атмосферы будет разрушение озоносферы, что повлечет за собой исчезновение некоторых животных и растительных видов и деградацию других, рис. 41.

Рис. 41. Причинно-следственные явления экосистемы

Итоги, полученные при моделировании, полезно представить в виде схемы, показывающей взаимную связь в цепочке катастрофических событий.

В описанных моделях рассматриваются изменения только в физических явлениях в биосфере. Однако нельзя, не упомянуть о многочисленных химических реакциях, которые будут развиваться и в момент взрыва под воздействием тепла, радиации и давления, а также после взрыва в огне пожаров. В результате этих реакций образуется большое число различных соединений, в том числе токсичных.

Антропогенные составляющие ноосферы. Эволюция человека в течение довольно значительного исторического интервала около 25 тысяч лет проходила в довольно устойчивой природной среде, физические составляющие которой определялись постоянным гравитационным полем, относительно стабильными температурным, магнитным и электромагнитным полями. Эволюция выработала приспособляемость человека к некоторым колебаниям этих составляющих, в то же время эта приспособляемость к изменению внешних условий расширилась благодаря использованию продуктов цивилизации: жилища, средств отопления, одежды и т. п.

Развитие цивилизации привело к тому, что к природным составляющим внешней среды добавились компоненты искусственного происхождения. Это электромагнитное поле (ЭМП) в широком диапазоне длин волн и акустический фон. Современный человек с момента своего рождения постоянно находится в «океане» радиоизлучений и различных шумов и звуков. Действие этих факторов при больших значениях напряженности ЭМП и интенсивности шумов отрицательно сказывается на здоровье и работоспособности человека. Там, где эти факторы трудноустранимы, требуется защита человека от их воздействия.

Электромагнитная среда. Провода линий электропередач, электропроводка в бытовых и производственных помещениях, многочисленные радиостанции, радиопередатчики, локаторы самолетов и спутников, аэродромные локаторы и даже бытовые электроприборы являются источниками ЭМП и электромагнитных волн. Эффект их действия на биосистем различен и зависит от интенсивности и частоты. Например, в поле микроволнового излучения можно зажарить цыпленка, а тарелка при этом останется холодной. Жители домов в Риге и Одессе, расположенных вблизи радиостанций, жаловались на плохое самочувствие, на странные искры, проскакивающие между трубами центрального отопления и стенами.

Воздействие ЭМП на человека изучено пока плохо и почти не освещалось в печати до недавнего времени из-за боязни взволновать общественность, а также из-за большого интереса военных к этой проблеме.

Электромагнитная искусственная среда слагается из постоянных электрических и магнитных полей, электромагнитных полей низкой (промышленной) частоты и радиоизлучений в диапазоне частот от 30 кГц до 5 ГГц. Воздействие статических полей на биосистемы, как правило, локализовано вблизи источника, так как их интенсивность очень быстро убывает с расстоянием.

dE = k_эл(dq/r²) и dB = k_маг (Idl/r²),

где к_эл и к_маг – коэффициенты пропорциональности для электрического Е и магнитного В полей.

По санитарным нормам, применяемым в СССР и теперь в России (кстати, самым жестким в мире), пороговой для человека является напряженность I кВ/м. Для мощных ЛЭП расстояние этого порога от проводов колеблется от нескольких десятков до сотен метров. Влияние этих полей на человека было установлено в экспериментах с добровольцами. Было обнаружено, что даже краткое пребывание под проводами ЛЭП в течение шести дней (три раза по 15 минут) вызывало расстройства невралгического характера, ухудшение памяти и работоспособности.

Электромагнитные волны в отличие от статических полей распространяются на любые расстояния вплоть до космических и их воздействие на человека интенсивнее и опаснее. Излучения ЭМП линий электропередач и всевозможных промышленных установок на очень низких частотах (ОНЧ) по интенсивности оказалось сопоставимым с уровнем геомагнитной активности. По данным американского ученого А. С. Фразер-Смита оказалось, что поле ОНЧ излучения изменяется с периодичностью в 7 дней.

Эти колебания ЭМП были сопоставлены с недельной периодичностью в деловой активности человеческой деятельности и получили название «уикэнд-эффект».

Как показали исследования американских геофизиков, поле ОНЧ выходит далеко за пределы земной атмосферы. Волны ОНЧ по магнитосферному волноводу проходят через ионосферу и возвращаются на Землю. На рисунке 42 показано, что на пути вдоль магнитной силовой линии ОНЧ-излучение взаимодействует с частицами радиационных поясов. При этом, ОНЧ-излучение может усиливаться за счет поглощенной энергии частиц, может происходить выброс частиц в атмосферу из геомагнитной ловушки и могут возникать стимулированные ОНЧ-излучения, генерируемые возбужденными частицами.

Рис. 42 ОНЧ-излучение в магнитном поле Земли

Расположение области повышенной интенсивности ОНЧ-излучения между поясами Ван-Аллена позволяет сделать предположение о том, что зазор между радиационными поясами и структура ионосферы связаны с электромагнитным полем антропогенного происхождения. Радиочастотное поле стало постоянно нарастающим фактором окружающей среды. Для того чтобы убедиться в его присутствии, достаточно включить радиоприемник и покрутить ручку настройки. Часть антропогенного радиоизлучения уходит в космос, но большая часть в результате отражения от ионосферы образует плотную «радиосферу» до высот порядка 100 километров. Для космического наблюдателя Земля «шумит» на радио частотах более 30 МГц, так как радиоволны на низких частотах экранируются магнитосферой. Околоземное пространство, рисунок 43, заполнено в основном коротковолновым излучением из-за отражающей способности ионосферы, обусловленной колебаниями плазмы.

Частота плазменных колебаний ω_пл может быть вычислена из простой модели колебаний электронного газа относительно газа ионов

ω_пл = (4πn_ee²/m_e)^1/2,

где n_е и m_е концентрация электронного газа и масса отдельного электрона. Радио волны с частотой ω < ω_пл отражаются от слоя плазмы. Это свойство сигналов с амплитудной модуляцией используется для дальней радиосвязи. Сигналы с частотной модуляцией и телевизионные сигналы с частотой более высокой, чем ω_п, свободно проходят через ионосферу. Поскольку частота плазменных колебаний пропорциональна n^1/2 – концентрации электронов, то изменение концентрации в результате воздействия естественного или искусственного происхождения влияет на качество приема радиопередач и электромагнитный фон, окружающий человека.

Рис. 43. Радиошум Земли

В основе воздействия ЭМП на живой организм лежит взаимодействие электрической и магнитной составляющих ЭМП со связанными и свободными электронами, микроскопическими электрическими и магнитными диполями, кровью, клеточным раствором, нервными клетками и волокнами.

В воздействии ЭМП на живой организм можно выделить ряд эффектов: 1) прямое воздействие: разрушение, нагрев, нарушений функций организма; 2) косвенное воздействие через нервную систему и всевозможные трудновыделяемые побочные эффекты! 3) информационное воздействие.

По оказываемому эффекту излучения также разделяют на ионизирующее и неионизирующее.

К ионизирующим относятся такие, у которых энергия кванта достаточно велика для разрыва межмолекулярных связей или ионизации атома. Энергия кванта, например, в миллиметровом диапазоне при А = I мм, меньше энергии теплового движения молекул при комнатной температуре:

hλ = 1,17×10–³ эВ и кТ = 2,53×10–² эВ.

Эта энергия оказывается значительно меньше энергии электронных переходов (1–20 эВ), меньше энергии активации (0,2 эВ) и энергии водородных связей (2–10–10 эВ). Но энергия кванта превосходит энергию вращения вокруг молекулярных связей (10–^3–10–⁴ эВ), энергию куперовских пар (10–^4–10–⁶ эВ), энергию магнитного упорядочения (10–^4–10–⁸ эВ). Из этих данных видно, что миллиметровое излучение может оказывать залетное влияние на функционирование живых организмов, особенно при большой интенсивности или при многоквантовых процессах, характерных для когерентных колебаний.

К ионизирующим излучениям относятся радиоволны в диапазоне длин волн от 1 до 103 м, микроволны от 10–2 до 1 м и стационарные электрические и магнитные поля.

Взаимодействие ЭМП с биосистемами характеризуется параметрами излучения (частота, скорость распространения волн, когерентность, степень поляризации) и физическими свойствами биосистем (диэлектрическая и магнитная проницаемость, глубина, проникновения, электропроводность, коэффициент отражения от поверхности).

Глубина проникновения ЭМП в ткань зависит от частоты и интенсивности излучения. Для электрической составляющей она определяется из уравнения для составляющих электрического и магнитного поля в среде:

E(y) = E₀expiω[t-(εμ)1/2z]

где Е₀ – пограничная величина (рис. 44), ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемость, ω – циклическая частота (ω = 2πν).

Интенсивность магнитной составляющей также уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону. В уравнения для Е(у) входит величина:

р = 2πν(εμ)1/2,

где р – это характерное расстояние, на котором амплитуда колебаний ЭМП уменьшается в е-раз (2, 72). Например, при λ = 10 см (v = 3 ГГц) глубина проникновения в мышечную ткань и кожу равна 15 см, при λ = 8 мм (v = 37,4 ГГц) величина р = 0,3 мм!

Уменьшение глубины проникновения с уменьшением длины волны ЭМП сохраняется до тех пор, пока длина волны значительно превышает размеры клеток. При очень коротких длинах волн р начинает возрастать. Пример этого – большая проникающая способность рентгеновского и гамма-излучения.

Рис. 44. ЭМП в живой ткани

Оценка глубины проникновения ЭМП в живую ткань это лишь малая часть обширной и сложной проблемы, включающей в себя большое число различных физических явлений, зависящих от множества факторов.

Фактор антропогенной электромагнитной среды Является новым как для живых организмов, так и для науки. В Большой Советской Энциклопедий в статье «Магнитобиология» содержится фраза достаточно хорошо иллюстрирующая состояние проблемы о воздействии ЭМП на биосистемы: «…отсутствие общепризнанной теории первичного физико-химического механизма биологического действия магнитных полей и разрозненный характер большинства исследований тормозят развитие магнитобиологии».

Акустический фон. Шумы и звуки, создаваемые ветром и движением воды, голосами людей и животных, были тем естественным фоном, на котором проходила эволюция человеческого организма. Интенсивность естественного акустического фона колеблется от 20 до 30 децибел. Научно-технический прогресс внес в этот фон свой вклад, загрязнивший окружающую среду и вредно влияющий на здоровье людей, шум транспорта, многоголосье людей в городах, гуд заводских цехов, музыка из окон, лязг, стук, скрип, грохот. Лавина звуков обрушивается ежедневно на человека.

Рис. 45. Шкала интенсивности звуков

Воздействие звуков и шумов на человека и другие живые организмы имеет сложный характер. К тому же следует учитывать, что звуки одинаковой интенсивности оказывают разные эффекты на различные виды животных и людей разных возрастных и профессиональных групп.

Соответственно, по вредности воздействия звука на человека выделяются четыре производственные категории.

Четвертая категория – наиболее напряженная по условиям труда. В нее входят диспетчеры аэропортов, водители автомобилей (профессионалы), руководители крупных коллективов. Порог акустической, нагрузки для этой группы – 50 децибел.

Третья категория – рабочие кузнецких и ткацких цехов, школьные учителя, люди работающие в три смены. Для них предельная нагрузка 50 децибел.

Вторая и первая категории – рабочие, крестьяне, учащиеся, для них допустимый фон – 70–80 децибел.

Каждый лишний децибел приводит к потере производительности труда на 1 %, увеличивает риск потери слуха на 1,5 % и на полпроцента сердечно-сосудистых расстройств.

По данным американской статистики, почти три миллиона американце» постоянно подвергаются шуму, превышающему 90 децибел, более 500 тысяч – выше 100 децибел. Слуха лишается каждый восьмой. Дети, живущие в шумных районах и занимающиеся в классах, выводящих на шумные улицы, хуже занимаются, менее дисциплинированны и даже отстают в умственном развитии.

Еще в середине 50-х годов советский врач А. Мясников показал четкую связь между гипертонией и воздействием шума.

Кроме интенсивности при оценке физиологического действия звуков нужно учитывать и частотные характеристики.

Рис. 46. Шкала звуковых частот (Гц)

Вредным может оказаться даже шум, не воспринимаемый на слух. Спектр Акустических колебаний очень широк от 0 до 10¹³ Гц (Рис. 46) и лишь сравнительно узкая полоска включает в себя диапазон слышимых звуков.

Среди слышимых звуков выделяют: музыкальный тон, созвучие (музыкальный звук), шум и взрыв. Музыкальный тон характеризуется гармоническими колебаниями, рис. 47. Созвучие – результат звучания нескольких музыкальных инструментов, сложение нескольких гармонических колебаний. Шум – нерегулярные колебания, смесь многочисленных колебаний примерно одинаковой интенсивности, но с различными частотами, Взрыв – кратковременное и сильное звуковое воздействие с большим числом частот.

Рис. 47. Типы звуков

Нормальный человек слышит звуки в пределах определенной области, ограниченной порогом слышимости и болевым порогом. При одинаковом звуковом давлении и интенсивности воспринимается звук по-разному. Наиболее широкий диапазон воспринимаемых интенсивностей приходится на частоту 1000 Гц, рис. 48. Эта частота используется при аппаратурном определении интенсивности звуков.

Действие инфразвуков известно по усыпляющему эффекту, оказываемому на водителей и пассажиров в движущихся автомобилях и поездов. Значительная часть аварий и катастроф на автомобильных и железных дорогах приходится на заснувших водителей. Примером такой аварии могут служить столкновение поездов и автомобилей на дорогах.

В последние годы в большинстве стран, имеющих протяженные железные дороги, в кабине локомотива устанавливается устройство, стимулирующее бодрствование машиниста (антисон) или останавливающее состав, если машинист не реагирует на прибор. Действие ультразвуков замечено операторами промышленных УЗ-дефектоскопов и врачами, часто проводящими УЗ-терапию или диагностику по резкой и болезненной ломоте суставов рук. Ультразвук используется в медицине как стерилизующее средство, он способен разрушать и приостанавливать развитие микроорганизмов. Звуки, издаваемые сиреной с частотой выше 100 кГц, губительны для мелких животных и различных насекомых.

Рис. 48. Звуковое давление

Губительно действуют звуки как низких, так и высоких частот на рыбных зародышей в икринках и мальков рыб. В связи с этим в СССР наложен запрет на движение маломерных судов по рекам в период нереста.

Нарастающие транспортные потоки в городах постоянно повышают уровень шума примерно на децибел в год. Так, уровень шума на оживленных магистралях обычно составляет 75 децибел, а в часы пик может превышать 100, в то время как для районов жилой застройки он не должен превышать 53, а внутри помещений 40 децибел. В связи с этим в ряде стран санитарные правила предусматривают установку третьего стекла в окнах, выходящих на шумные улицы. Третье стекло устанавливается на расстоянии нескольких миллиметров от второго, рисунок 48. Стандартное спаренное окно ослабляет шум на 20 децибел, рамы с третьим стеклом на 49. Известно большое число мер, применяемых в производстве и быту для уменьшения уровня шума. Например, для всех людей, занятых в шумных производствах, является обязательным применение звукопоглощающих наушников, вдоль железных дорог и автотрасс устанавливают шумозащитные стены в пределах поселений.

Однако изоляция от шума это всего лишь полумеры. Бороться нужно с причиной, а не следствием. В задачу современной физики входит разработка теоретических основ для конструирования машин и механизмов с малым уровнем шума. При этом необходимо учитывать, что снижение уровня шума создает не только комфортные условия для труда и жизни, а дает ощутимей экономический эффект, так как шум это бесполезно растраченная энергия и снижение работоспособности людей. В связи с этим в процессе изучения физики полезно составление и решение задач с оценкой интенсивности шума и расходуемой на него энергии.

Рис. 49. Изоляция от шума

Исследование распределения звуков и измерение их интенсивное доступно сейчас любому учебному заведению и даже отдельным людям. Для этого достаточно иметь портативный магнитофон с индикатором уровня записи. Для оценки интенсивности звука достаточно проградуировать шкалу индикатора в децибелах.

Хорошим примером соединения физики и технологии в этом направлении является создание поездов на магнитной подвеске и турбовентиляторных авиационных двигателей, приходящих на смену турбокомпрессорным, применение автомобильных глушителей нового типа, использующих явление интерференции для гашения шума.

Краткие итоги. Итак, влияние электромагнитного и акустического полей на человека. Один из главных вопросов в проблеме электромагнитного загрязнения: является ли оно неизбежным и неустранимым спутником цивилизации, нужно ли разрабатывать средства защиты от него?

Электромагнитное загрязнение стало, как и «парниковый эффект» и разрушение озонового слоя, глобальным фактором, так как оказывает воздействие на любого человека планеты, где бы он ни находился.

Проблема шума менее острая, так как шум все же локализован в больших городах, в производственных помещениях, вблизи транспортных магистралей. Но в тоже время нужно учитывать что в мире сохраняется тенденция к концентрации людей в гигантских городских конгломератах, где шум становится неизбежным спутником жизни.

Пока неизвестно, к каким эволюционным изменениям приведет влияние этих двух факторов на человека, к худшим или к лучшим. Но известно их губительное влияние на живые организмы. Поэтому для сохранения существующего вида homo sapiens необходимо их устранение.

Такие перспективы вроде бы наметились с изобретением и применением световодов и переходом части телевидения и связи на кабельные оптоволоконные линии, замена электроннолучевых мониторов телевизоров и компьютеров на жидкокристаллические, плоские, замена ламп накаливания на светодиоды. Эти и подобные примеры использования новых достижений физики для создания новых технологий имеют и плюсы и минусы.

Исторический опыт показывает, что человек очень изобретателен в создании средств как для своего блага, так и для своего уничтожения.

«Озоновая дыра». Под таким названием с 1985 года получила всеобщую известность проблема, возникшая в связи с деградацией озонового слоя над Южным полюсом. Роль озона O₃ в жизни биосферы известна. Он защищает все живое от опасного ультрафиолетового излучения Солнца. При отсутствии такой зашиты вряд ли было бы возможно развитие на Земле органической жизни, а при исчезновении озона жизнь может быть быстро разрушена. Озоносфера (Рис. 50) представляет собой слой воздуха содержащий озон на высотах от 10 до 50 км с максимальным содержанием озона между 20 и 25 километрами. Концентрация его столь мала, что если бы находящийся в этом слое озон привести к нормальному давлению в 760 мм рт. ст, то его толщина составила бы слой около 3 мм. Распределение озона зависит от циркуляции воздушных потоков. Озон формируется в экваториальной части стратосферы на высоте около 40 км и оттуда распределяется по толщине атмосферы и к полюсам благодаря атмосферным циркуляциям.

Рис. 50. Озоносфера

Существуют сезонные колебания концентрации озона: весной его концентрация возрастает, осенью падает. Защитные свойства озона связаны с тем, что он сильно поглощает излучение Солнца на длинах волн меньше 290 нм, приходящихся на ультрафиолетовую часть спектра, опасную для человека. В результате этого явления температура озоносферы выше, чем прилегающих слоев атмосферы.

Разрушение озоносферы привело бы к перераспределению потоков энергии в атмосфере, к повышению температуры тропосферы и усугублению «парникового эффекта». Изменения в озоносфере были замечены английскими учеными, проводившими исследования атмосферы Антарктиды с 1979 по 1985 год. По их данным содержание озона над Южным полюсом за этот период уменьшилось на 40 %, а в октябре – ноябре упало почти на 90 %. Область с пониженной концентрацией озона было название «озоновая дыра». На рисунке 51 показана динами развития «дыры» (заштрихованная область) за 15 лет.

Рис. 51. Развитие озоновой «дыры»

После открытия этого явления предполагалось, что оно характерно только для области над Южным полюсом. Анализ атмосферных данных для всей Земли в целом показал, что аналогичная «дыра» меньших размеров возникает и над Северным полюсом, а концентрация озона в северных широтах падает со скоростью 1,5–2 % в год.

Сложившаяся ситуация не может не вызывать тревоги, так как разрушение озоносферы может привести к неожиданным последствиям по влиянию на глобальный климат и здоровье людей. Существует ряд гипотез, пытающихся дать объяснение возникновению «озоновой дыры».

Атмосферная гипотеза. Основой этой гипотезы послужил факт сезонных изменений в озоносфере Антарктиды, что безусловно связано с географическими особенностями этого континента. Антарктические массы воздуха вращаются против часовой стрелки с окружной скоростью около 100 км/час на высотах от 7 до 30 км (рис. 52). При этом в начале полярного лета в сентябре – октябре воздух внутри циркуляции прогревается, поднимается вверх, в стратосферу, и теряет озон. В конце года этот обедненный озоном воздух опускается вниз, что воспринимается как «озоновая дыра». После обнаружения «озоновой дыры» над Северным полюсом, где нет подобной циркуляции, эта гипотеза отпала.

Рис. 52. Атмосферная модель

Азотная гипотеза. Согласно этой гипотезе, атмосферный азот ионизируется под влиянием солнечной активности, ионизированный азот окисляется кислородом воздуха, а оксиды азота, в свою очередь, разрушают озон. Но измерения, проведенные в верхних слоях атмосферы, не обнаружили повышенного содержания азота. Кроме того, одиннадцатилетний цикл солнечной активности как раз заканчивается к концу 80-х годов и, следовало бы в связи с этим, ожидать повышения содержания озона. Но наблюдается обратное явление. Таким образом, и эта гипотеза, пытающаяся найти естественные причины разрушения озоносферы, оказалась несостоятельной.

Антропогенная гипотеза. Наиболее достоверной считается гипотеза, объясняющая разрушение озоносферы воздействием хлор фторуглеродных соединений, выбрасываемых в огромных количествах в атмосферу. Ежегодное производств таких соединений – фреонов около 700 тысяч тонн, они используются в качестве хладоагентов в домашних холодильниках и вагонах рефрижераторах, в лакокрасочной, парфюмерной и пищевой промышленности. Достоинства фреона велики, он не токсичен, не горит, химически пассивен. Последнее из этих свойств обеспечивает его «живучесть» в природной среде и дает возможность подняться в озоносферу, где он разлагается под действием ультрафиолетового излучения Солнца. При этом освобождается хлор, являющийся катализатором гибели озона.

Однако и эта гипотеза не является бесспорной; требуется теоретический анализ, моделирующий физико-химические процессы атмосферных явлений, совместные усилия ученых на международном уровне.

Международное сообщество приняло меры для прекращений утечки фреонов в атмосферу. В 1985 году 36 стран подписали Венскую конвенцию, обязывающую сокращение производства фреонов. Советский Союз ратифицировал ее в 1987 году одним из первых, хотя на его долю приходится не самая большая часть производимых в мире фреонов. Согласно Венской конференции, государства, подписавшие ее, обязаны к 1999 году сократить производство фреонов в два раза по сравнению с 1986 годом.

В 1987 году начато совместное советско-американское зондирование атмосферы с помощью советских лидаров и приборов, изобретенных американским ученым Д. М. Розеном, поднимаемых на шарах-зондах.

До настоящего времени (2015 год) пока не сформировалась общепринятая гипотеза о возникновении озоновых «дыр». Доминируют две точки зрения: природная, обусловленная 100-летним циклом колебаний концентрации озона и техногенная. Возможно, что и нет необходимости приводит к чему-то одному такое сложное явление. Ведь на концентрацию озона влияют несколько факторов, как природных, так и антропогенных. Возможно, что кто-то из читающих эту книгу внесет и свой вклад в эту проблему.

Решение экологических проблем современной цивилизации возможно лишь при использовании достижении научно-технического прогресса и особенно современной физики.

Физика и ее развитие на стыках с различными науками, например химией, биологией, кибернетикой и геологией, дает возможности найти альтернативные решения большого числа экологических проблем, а особенно связанных с загрязнением биосферы, изменением биосферных явлений, истощением ее ресурсов, производством энергии, транспортом и т. п.

Альтернативная энергетика. Давно известно, что человечество должно экономить энергоресурсы и произведенную энергию. Однако, это не означает, что нужно уменьшить ее производство. Экономия предполагает более эффективное использование энергоресурсов и произведенной энергии. А это значит, что нужно разработать такие двигатели, чтобы на 10 литров бензина проехать не 100 километров, а 100–300, чтобы не тратить электроэнергию на снятие стружки с обрабатываемой детали в течение часов, а найти другой способ достижения нужного размера. И конечно нельзя мириться с расхлябанностью, когда впустую горят лампочки, крутятся станки, течет вода, уходит тепло, гниет в хранилищах урожай, на производство которого затрачены сотни тысяч тонн горючего; с разбросанным повсюду металлом, на производство которого израсходованы миллионы киловатт-часов электроэнергии.

Я на всю жизнь запомнил привычку моего деда, рязанского крестьянина, переселившегося в Москву от перегибов коллективизации 30-х годов, собирать в ладонь хлебные кройки со столе и отправлять в рот. Хлеб ведь не только зерно, а затраченный труд, горючее, материалы. А, сколько его пропадало и еще пропадает из-за несовершенства технологий и недостатков организации при уборке, хранении, транспортировке, переработке, использовании?

Экономия ресурсов – важное направление, но оно в принципе не решает экологическую проблему истощения энергоресурсов. Как нефть ни экономить, все равно она когда-нибудь кончится, не через 30, так через 50 лет. Проблема остается!

Другое, более перспективное направление в решении экологических и энергетических проблем – поиски альтернативных источников энергии. Многие из них известны и активно разрабатываются. Это термоядерная энергетика, кислородно-водородное топливо, гелиоэнергетика, использование энергии земного тепла морских течений, приливов, волн, ветра, тепловой энергии океана, биогаза.

Энергетика ядерного синтеза. Большие надежды человечество возлагает на получение энергии при синтезе легких ядер изотопов водорода.

Главных причин у этих надежд две: практически неисчерпаемые запасы горючего и практически полное отсутствие радиационной опасности. К тому же полностью отсутствует опасность ядерного или теплового взрыва.

Первыми теоретическую основу энергетики ядерного синтеза заложили советские ученые О. Лаврентьев, А. Сахаров, И. Тамм, Л. Арцимович.

Трудности заключаются в том, что для получения энергии в больших масштабах при управляемом синтезе ядер необходимо создать чрезвычайно высокую температуру около 10⁸ К в достаточно большой массе реагирующего вещества и поддерживать ее в течение довольно большого промежутка времени. Длительного, разумеется, в масштабах микромира. Если принять, что мощность термоядерного реактора должна быть примерно равна мощности реактора деления и технологически разумный объем активной зоны составляет около 100 м³, то из критерия Лоусона для устойчивости реакции следует:

ρτ > 10²

при Т = 10⁸К получим значение плотности ρ высокотемпературной плазмы и время т удержания температуры:

ρ_min = 10²⁰ м^-3 и τ > 1 с

Выполнение всех этих условий является чрезвычайно трудной научной и технической задачей.

Известно довольно много реакций синтеза на легких ядрах. Для их осуществления требуются очень высокие температуры для преодоления барьера кулоновского отталкивания при сближении ядер. Ясно, что чем меньше заряд ядер, тем меньше температура. К таким ядрам относятся изотопы водорода: протон – ₁Н¹, дейтерий – ₁Н² и тритий – ₁Н³. Для управляемого синтеза наиболее подходящими являются реакции:

1. ₁H² +₁H² = ₁H¹ + ₁H³ + 4 МэВ

2. ₁H² + ₁Н² = ₂He³ + ₀n¹ + З.З МэВ

3. ₁Н² + ₁H³ = ₂Не⁴ + ₀n¹ + 17,6 МэВ

Реакция 3 наиболее энергетически выгодна, но 1 и 2 предпочтительнее, так как в них участвуют только дейтерии, запасы которого на Земле практически неисчерпаемы, в океанских водах около 4×10¹³ т.

Работы по созданию энергетического термоядерного реактора ведутся уже много лет в России, США, Англии, Франции, ФРГ и некоторых других странах. Предполагается, что уже в 2020 году будет запущен первый энергетический реактор. Возможно, что этот срок несколько приблизится в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости.

Важное достоинство термоядерной энергетики заключается в том, что ее, воздействие на окружающую, среду будет значительно меньше, чем от АЭС существующего типа, поскольку не будет необходимости в сооружении заводов по подготовке высокоактивного топлива и переработке радиоактивных отходов. Отпадет необходимость в захоронении продуктов реакции, т. к. конечный продукт некоторых из этих реакций – гелий совершенно безвреден и будет использован в других отраслях науки и техники. Таким образом, термоядерная энергетика будет представлять пример безотходного производства.

Опасность может представлять радиация, наведенная нейтронами, и утечка трития, излучателя β-частиц с периодом полураспада 12,3 года. Необходимо изучение в плане биологической опасности магнитных полей высокой плотности, создаваемых для удержания высокотемпературной плазмы. Существенную проблему будет представлять сброс в окружающую среду большого количества теплой воды, образующейся при охлаждении некоторых узлов энергетической установки и теплоносителя. Температура этой воды недостаточно высока для ее использования в хозяйственных целях.

Гелиоэнергетика. На Землю постоянно падает огромный поток солнечной энергии 10¹⁸ кВт в год, в основном в виде ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Это количество более чем в 20 000 раз превышает общее энергопотребление человечества. Плотность потока солнечной энергии (СЭ) на границе атмосферы 1,35 кВт/м², на поверхности Земли колеблется от 0,25 до 1 кВт/м² в зависимости от широты.

Незначительная часть этой энергии – чуть больше 1 % преобразуется биосферной «машиной» в биомассу всех существующих на Земле микроорганизмов, растений и животных. Около 30 % солнечного потока отражается в космос. Оставшаяся идет на поддержание круговоротов воды, воздушных масс, нагрев суши и океанских вод и возвращается в космос в преобразованном виде в форме потока инфракрасного излучения атмосферы и поверхности планеты (рис. 16).

Естественно возникает вопрос, почему же человечество до сих пор не использовало этот поток энергии, который буквально падает в наши руки с неба.

Дело в малой плотности солнечной энергии в сравнении с традиционными энергоносителями: дровами, углем, нефтью, газом, ураном, которые к тому же легко транспортировать и хранить. Другие трудности состоят в зависимости потока солнечной энергии от географических координат места, от времени года, суток, от погоды.

В последние годы интерес к использованию солнечной энергии значительно вырос, солнечные преобразователи стали использоваться от приготовления пищи кочевниками в пустыне до питания, энергосистем спутников и космических станций, домов и поселений. «Поля» солнечных электростанций (СЭС) можно видеть в США, Европе, Африке и Азии. Особенно активны в этом направлении Китай и Индия. Россия пока в начале пути.

В разработках по солнечной энергетике можно выделить три этапа:

1. Необходимость создания автономного энергоснабжения космических аппаратов (с середины 60-х годов и по настоящее время).

2. Поиски альтернативных источников энергии для производства, транспорта и быта в связи истощением традиционных.

3. Поиски источников энергии, не загрязняющих окружающую среду (с середины 70-х годов).

Специально можно выделить особый интерес к использованию солнечной энергии в развивающихся странах, имеющих ограниченные энергетические и материальные ресурсы, для обогрева, приготовления пищи, локального электро – и водоснабжения.

В основе всех солнечных энергетических установок используются, как правило, три процесса: теплопередача, концентрация в оптических системах, преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую.

Выбор типа преобразователя зависит от характера потребностей. Классификация методов преобразования в зависимости от назначения потребления энергии представлена в таблице.

Таблица 11

Методы преобразования тепловой энергии

Почти 30 % всей производимой энергии и добываемого топлива расходуется на получение низкотемпературного бытового и промышленного тепла. Для этих целей можно наиболее эффективно использовать солнечные преобразователи. Не надо думать, что использование солнечной энергии может решить все энергетические проблемы. Прогноз показывает, какую часть от всех потребностей в промышленно развитых странах можно обеспечить преобразованием солнечной энергии: 50 % от общего производства электроэнергии, 25 % от производимого тепла, 10 % электроэнергии передаваемой на большие расстояния.

Масштабы преобразования солнечной энергии в электрическую в настоящее время еще малы. Доля СЭ в мировой энергетике в 2014 году была всего 0,33 %, однако, темпы ее развития очень высоки, прогноз на 2050 для СЭ – 27 %. Некоторые страны уже закрыли ядерную энергетику, снижают долю топливной и развивают СЭ. В Германии СЭ уже составляет 21,1 % от общей. По такому пути идут Китай, Италия, Япония, США. В России эта доля ничтожна, около 1 %.

Большинство имеющихся бытовых и промышленных преобразователей являются либо экспериментальными для отработки наиболее эффективной технологии, либо уникальными, как энергосистемы космических станций. Наибольшие успехи достигнуты на полупроводниковых пленочных преобразователях, но они пока дороги и КПД еще не очень велик. Проблема остается открытой, и необходимо продолжение поисков. Решение, вероятно, находится где-то на стыке физики, химии и биологии.

Для оценка современной ситуации в преобразовании солнечной энергии, рассмотрим некоторые основные способы, тем более, что в учебниках физики школы и вузов этому вопросу практически не уделено внимание.

Преобразование солнечной энергии в тепло. Этот способ известен с тех пор, как человек стал строить жилища, использовать собирающие зеркала и линзы.

По древней легенде Архимед сжег вражеский флот, направив на корабли противника свет, отраженный от сотен зеркал. Более прозаическое и мирное изобретение француза Де Сосюра, теплица, более 200 лет служит людям и находит все более широкое применение. Принцип действия теплицы очень прост (рис. 53). Солнечный свет свободно проходит через стекло и нагревает грунт, превращаясь в тепловое излучение, которое наполовину возвращается стеклом обратно в теплицу. Температура повышается до тех пор, пока не установится равновесие между энергией, поступающей в форме видимого света, и тепловой энергией, излучаемой в инфракрасной области.

Рис. 53. Схема теплицы

Известно, что наилучшей поглощательной и излучательной способностью облает абсолютно черное тело. Приближая поглотитель к этому идеалу, можно повышать температуру внутри устройства и увеличивать эффективность η преобразователя.

η = (ΔТ /Т₁)×100%

где ΔТ = Т₁ – Т2, Т₁ – температура внутри преобразователя, Т₂ – внешняя температура. Очевидно, что чем выше температура внутри, тем выше КПД преобразователя. Энергия, поглощенная и излученная в соответствии с законом излучения абсолютно черного тела Стефана-Больцмана, пропорциональна Т⁴. Длина волны вторичного теплового излучения, в согласии с законом Вина, тем короче, чем выше температура поглотителя.

λ_maxТ = b, b = 2898 мкм К.

Отсюда следует, что при обычной рабочей температуре теплицы, около 50 °C, максимум теплового излучения приходится на длины волн вблизи 9,1 мкм. Следовательно, повышение температуры внутри теплицы ведет к уменьшению длины волны инфракрасного излучения, для которого стекло становится прозрачным. Границей повышения температуры является 50 °C, выше которой значительная часть тепла будет уходить в окружающее пространство. Таким образом, теплица самостоятельно удерживает комфортную температуру для растений. Иногда это называют эффект авторегулирования.

Другой важный фактор, влияющий на эффективность такого преобразователя, – поглощательная способность стекла. Стекло хорошо пропускает внутрь видимый свет и поглощает большую часть энергии в красной и инфракрасной области спектра. Световая энергия сосредоточена в основном, в интервале длин волн от 0,4 до 2,5 мкм, а максимум энергии при температуре 50 °C приходится на длину волны 0,55 мкм, которая не случайно соответствует зеленому цвету растений.

Рис. 54. Сотовый нагреватель

Имеется много способов, повышения эффективности такого типа преобразователей. Для увеличения площади поглощающей поверхности ее делают в виде пчелиных сот. В этом случае рассеянное тепловое излучение многократно отражается и поглощается стенками ячеек нагревателя (рис. 54).

Наиболее употребительны преобразователи солнечной энергии в тепло с жидким или газообразным теплоносителем (рис. 55). Покрывающее стекло металлизируют и делают полупрозрачным, для поглощающей поверхности подбирают материал, наиболее хорошо поглощающий свет. В них реально достигается температура 150–200 °C.

Такого типа преобразователи используются для обогрева жилища, нагрева воды в открытом бассейне, работы в цикле холодильника, опреснения воды и устанавливаются обычно на крыше здания.

Рис. 55. Проточный нагреватель

Солнечная электроэнергетика. Существует два способа преобразования солнечной энергии в электрическую: 1. Прямой, 2. Применение промежуточных звеньев. Из всех многочисленных вариантов выделились два: из прямых – фотоэлектрический, из косвенных – термодинамический.

Термодинамические преобразователи имеют три основных элемента: концентратор солнечной энергии, нагреватель, турбогенератор. Концентраторы – это малопоглощающие поверхности, выполненные в форме различных зеркал: плоских, параболических, фасетчатых. Вся такая система обеспечивает получение пара для работы турбогенератора. Какие-либо выводы по развитию этой технологии сделать пока еще трудно из-за небольшого времени и малых масштабов использования термодинамических преобразователей. Эксперименты по их использованию начались с середины 70-х годов. Из всех вариантов, как наиболее перспективный начинает выделятся метод собирающей башни и поля зеркал (рис. 56). Было построено несколько опытных электростанций такого типа: самая крупная мощностью 6,5 МВт в США (Калифорния). В СССР в Ашхабаде в 1985 году был осуществлен пуск первой электростанции с концентраторами с пиковой мощностью 90 кВт, в 1987 году в Ереване начата опытная эксплуатация солнечной ТЭЦ. Достоинства таких станций велики, но и недостатки очевидны, они не мобильны, занимают большую площадь.

Рис. 56. Метод башни

Полупроводниковые преобразователи оказались наиболее перспективным устройством для преобразования солнечной энергии в электрическую. С 70-х годов около 100 зарубежных фирм и несколько исследовательских центров в СССР начали вести разработки в этом направлении.

В США в национальной программе по энергетике фотопреобразователям отдан приоритет. В России гелиоэнергетика еще не входит в приоритетные отрасли экономики. Исследования в этом направлении и применение солнечных преобразователей идут в основном пока в частном секторе.

Основой энергетического эффекта солнечных элементов является движение фотоэлектронов и дырок в полупроводниковом р-n переходе под действием встроенного поля (рис. 57). Эффективность такого элемента из кристаллического кремния или германия обусловлена тем, что он работает в диапазоне длин волн от 0,35 до 1,1 мкм, охватывающем широкую часть спектра от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной. Теоретически достижимый КПД кремниевого элемента равен примерно 28–30 % из-за потерь солнечной энергии на отражение, нагрев материала, сопротивление току, не все фотоны поглощаются полупроводником. Реально достижимый КПД современных кремниевых элементов около 19 %, серийно выпускаемых 10–12 %. Не нужно, однако, думать, что это плохие показатели, сравнив их с КПД ТЭЦ, достигающих 40 %. В солнечных элементах КПД означает, что от солнечного потока отбирается и преобразуется в электрическую энергию 10–19 %, а для ТЭЦ это означает, что 60 % природного топлива бесполезно изъято, сожжено и в виде загрязнителей выброшено в окружающую среду.

Рис. 57. Р-n преобразователь

Для новых материалов с регулируемой зонной структурой и с использованием концентраторов солнечной энергии теоретический КПД может быть приближен к 90 %.

Достоинство фотоэлементов еще и в малой материалоемкости и в удобстве их монтажа и использования. Так, толщина пленки из аморфного кремния равна примерно I мкм, а из диселенида меди-индия около 0,1 мкм. Такие преобразователи удобно монтировать на полимерную основу и изготовлять в виде рулонов пленки, которую можно, например, наклеить на оконные стекла, крыше автомобиля или на крыльях самолета.

Главное, что задерживает широкое использование фотоэлектрических преобразователей – высокая стоимость, хотя, в результате интенсивных исследований, достигнут заметный прогресс. В 1974 году стоимость 1 кВт/час от модуля солнечных элементов была 350 руб. (в ценах 2015 г.), в 2015 году этот показатель упал до 35 руб., т. е. в 10 раз! Стоимость энергии, полученной на ТЭЦ, 4 руб за 1 кВт/час. Однако, несмотря на высокую стоимость энергии, полученной таким способом, имеются отрасли, где это приемлемо. Например, обеспечение космических аппаратов, добыча воды в пустыне и засушливых районах, изолированные поселения и предприятия, автоматические световые и радиомаяки в морях и океанах.

Главное достоинство всех фотоэнергетических преобразователей прямого и косвенного тина заключается в том, что их работа не нарушает энергетические потоки и круговороты энергии и вещества в биосфере (рис. 58). Эта особенность позволяет рассматривать этот метод как наиболее эффективный с экологических и экономических позиций.

На рисунке показано влияние энергопроизводства на тепловое равновесие биосферы: а) тепловое равновесие биосферы нарушается повышением ее температуры при использовании ископаемых горючих материалов и ядерной энергии, б) использование солнечной энергии не вносит дополнительного тепла в биосферу.

Рис. 58. Тепловое равновесие биосферы.

1. Поток солнечного излучения. 2. Излучение в космос. 3. Т_норм – среднегодовая равновесная температура. Ем – мировое энергопотребление

У человечество есть еще очень большие возможности для получения энергии из других природных, практически неисчерпаемых источников; тепла земных недр и океана, энергии океанских течений, приливов, волн, ветра. Физики разработали теоретическую базу для их использования.

Геотермальная энергия. Если солнечная энергия падает на нас с неба, то геотермальная находится у нас под ногами. Остается только нагнуться и взять ее. Поток этой энергии огромен. За год к поверхности Земли поступает 4×10¹⁷ кВт/час тепловой энергии или 90 % обусловлено теплопроводности пород литосферы, 10 % поступает вместе с лавой, горячим паром, водой и газами. Верхняя часть земной коры имеет температурный градиент 20–30 °C на 1 км глубины, в некоторых местах 1 °C на 20–30 м.

На Земле довольно много мест, где имеются термальные источники и большие температурные градиенты. Это часть районов Камчатки, Кавказа, Крыма, Исландии, Новой Зеландии и США, а также других стран, имеющих на своей территории горные массивы. Все ГеоТЭС, используют естественные термальные воды с температурой от 90 до 200 °C и давлением пара от 3 до 6 МПа, Используется эффект резкого падения давления в потоке воды, выходящей на поверхность. Вода при этом вскипает и превращается в пар из-за резкого падения давления. Пар после отделения от воды в сепараторе направляется в турбогенератор. Используются также и двухконтурные циклы, где термальная вода превращает в пар жидкость с меньшей температурой кипения, циркулирующую во втором контуре. В качестве такой, жидкости может быть использован фреон или пропан, пары которого и будут вращать турбину. Фреон в настоящее время изымается из обращения в связи с его губительным действием на озоносферу.

В местах, где нет выхода термальных вод, но имеется высокотемпературное поле вблизи от поверхности, в качестве теплоносителя используют поверхностные или грунтовые воды. Вода закачивается в полость высокотемпературного слоя (рис. 59), образовавшийся пар с высокими параметрами по другой скважине подается на турбогенератор. ГеоТЭС значительно экономичнее других типов электростанций, капитальные затраты на их строительство составляют примерно 1/3 от ТЭС они могут работать без обслуживающего персонала в автоматическом режиме, стоимость энергии на 1/3 меньше, чем на станциях другого типа. В настоящее время в мире работает около 40 ГеоТЭС.

Рис. 59. Геотермальная ТЭС

Первая ГеоТЭС была построена в 1904 году в Италии. Наибольшего прогресса в этой области достигли США, в 1985 году на долю ГеоТЭС приходилось более 2 % общего энергопроизводства. Наиболее крупная ГеоТЭС мощностью 500 МВт действует в США, в Калифорнии. В СССР в 1966 была построена Паужетская ГеоТЭС мощностью 44 МВт и Мутновская 63 МВт, в России работают 4 ГеоТЭС и проектируются три, наиболее мощная Мутновская-2 на 360 МВТ.

Доля геоэнергетики (%) в общем балансе страны: США – 0,5, Россия – 0,05, Исландия – 30, Филлипины – 27!

Таблица 12

Динамика развития геоэнергетики мира (МВт)

Таблица дает возможность сделать важные выводы о развитии этого сектора энергетики: это перспективный сектор энергетики, производство геоэнергии в ряде стран с 1970 года выросло от десятков до сотен раз.

Вклад геоэнергетики в мировое производство энергии в 2015 году составлял 10709,7 ГВт или 3 % от общего.

Развитие геотермальной энергетики могло бы быть более, активным, если бы не сдерживалось рядом причин.

Во-первых, это особенности расположения. Геотермальные районы, как правило, сейсмически активны и удалены от потребителя.

Во-вторых, термальные воды обычно сильно минерализированы и коррозионкоактивны, вследствие чего водотоки и трубопроводы быстро изнашиваются и подвергаются быстрому обрастанию солями.

В-третьих, ГеоТЭЦ представляют и экологическую опасность, если они работают на закачиваемой воде, так как возникает проблема хранения и переработки отработанных вод, насыщенных солями; кроме того, необходима очистка выходящих вод от попутных газов.

Тем не менее преимущества ГеоТЭЦ перед ТЭЦ довольно очевидны.

Ветроэнергетика. Человечество в течение тысячелетий почти до XX века довольно интенсивно пользовалось энергией ветра для мореплавания, помола зерна, подъема воды и многого другого. В XX веке использование ветра практически прекратилось в связи с появлением тепловых двигателей и электромоторов. Однако в связи с истощением доступных запасов нефти и загрязнением окружающей среды интерес к ветроэнергетике в последние годы возродился и, вероятнее всего, будет расти.

Началом развития ветроэнергетики можно считать; 1850 год, когда датчанин Ла Кур построил первый ветрогенератор. Сегодня в Дании действует более 2000 ветроэнергоустановок, Дания является основным экспортером этого вида генераторов. Активно развивается ветроэнергетика в Швеции, отказавшейся от ядерной энергетики. В США планируется в ближайшие 10–15 лет довести производство ветроэнергии до уровня ядерной энергетики.

В СССР в 1931 году была построена самая крупная по тем временам ВЭС мощностью 100 кВт с диаметром крыльчатки 30 м. Ветроэнергетики России выдает 18 МВт и находится в начальной стадии активного развития.

На Земле имеются обширные районы, где постоянно дуют устойчивые ветры, например экваториальная зона пассатов (рис. 18). Эффективность использования энергии ветра в значительной степени зависит от конструкции ветрогенератора, а именно крыльчатки. Чаще всего разработки ведут на четырех основных типах пропеллеров.

Для достижения равномерного вращения при переменной скорости ветра лопасти делают с автоматически изменяемым шагом, а вал соединяют с инерционным аккумулятором в виде маховика. Наиболее распространены 2–3-х лопастные ветрогенераторы, диаметр лопастей некоторых из них достигает 60 метров.

Рис. 60. 1,2. одно – и многолопастные роторы, 2. Ветряк Дарье с вертикальной осью, 3. Ветряк Савониуса

Разумеется, не вся энергия ветра может быть преобразована в электрическую. Известна эмпирическая формула, связывающая мощность воздушного потока и скорость ветра с электрической мощностью на выходе электрогенератора:

Р = (kρv)²S/2, где Р – мощность в кВт,

где k = 0,2–0,5 коэффициент эффективности турбины, ρ – плотность воздуха 1,225 кг/м³, v – скорость потока воздуха в м/с, S – площадь ветрового потока.

Теоретически достижимый КПД ветрогенератора равен примерно 60 %, а с учетом различных потерь и неравномерности воздушных потоков его величина колеблется в пределах 15–20 %. В настоящее время нет технических препятствий, ограничивающих широкое применение ветроэнергетики в ближайшем будущем с вкладом до 10–15 % в общее энергопроизводство.

Энергия океана (энергия прилива). Огромное количество энергии содержится в океанских приливах, общий потенциал которой оценивается в 1 млрд. кВт. На Земле имеется около 25 мест, где уровень подъема воды очень высок. На востоке Канады уровень воды поднимается до 20 м, в Магеллановом проливе до 13 м, на Аляске до 12 м, в России на побережье Белого моря в Мезенской губе до 9 м. Казалось бы удобный источник почти даровой энергии. Не совсем так. Трудностей довольно много. Связаны они с периодичностью приливов (чередование максимума и минимума – 6 час 12 мин), с распределением энергии на большом протяжении вдоль берегов, с коррозионной активностью морской воды, удаленностью от потребителя, Тем не менее, приливные электростанции (ПЭС) созданы и довольно успешно работают: во Франции на берегу Атлантического океана мощностью 240 МВт с 1966 года, в США ПЭС «Мен» – 20 МВт, в России в около Мурманска мощностью 240 кВт с 1968 года, в Южной Корее на берегу Желтого моря 255 МВт.

Стоимость 1 кВт-часа энергии на ПЭС пока примерно в два раза дороже, произведенной на обычных электростанциях. Связано это с большими капитальными затратами на строительство. Конструктивно у ПЭС (рис. 61) много общего с ГЭС. Часть побережья отгораживается плотиной, в тело которой монтируются турбогенераторы. Например, на ПЭС «Ранс» во Франции установлены 24 турбины с диаметром колеса 5,35 м. Наиболее эффективны турбины реверсного типа, работающие в прилив и отлив.

ПЭС не загрязняют окружающую среду, потребляют практически неисчерпаемую энергию океана. Однако и они имеют экологические минусы, так как при сооружении протяженных плотин наругается водный режим прибрежных вод, а по опубликованным выводам американских специалистов значительное использование приливной энергии приведет к заметному замедлению вращения Земли. Весьма неожиданный и настораживающий вывод!

Рис. 61. Приливная ЭС

Волновая энергия. Морские и океанские волны представляют, пожалуй, более заманчивый источник неисчерпаемой энергии, чем приливы. Общие запасы оцениваются около 3 млрд. кВт. Для волновых электростанций, в отличие от приливных, не нужно искать специальное место, так как волны высотой до 3–4 м наблюдаются почти вдоль любого морского и океанского побережья. Эти станции не требуют сооружения протяженных плотин и не нарушают прибрежную экосистему (рис. 62).

Рис. 62. Волновая ЭС

Интерес к волновой энергетике заметно вырос. Особенно это заметно по количеству выданных, авторских свидетельств. Об одном из них, выданном в 1984 году белорусскому школьнику, рассказало советское телевидение. Разработка таких проектов представляет благодатную почву для студенческого научного проектирования и других творческих работ, например, дипломных.

Все типы установок и идеи по волновым преобразователям можно объединить в две основные группы:

• Использование вертикального перемещения воды для вращения зафиксированных относительно поверхности воды турбогенераторов;

• Использование горизонтального перемещения воды.

Наибольшее распространение и внимание в разработках получили преобразователи первого типа, так как их работа не зависит от направления ветра.

В одном из таких преобразователей вода поступает в вертикальную трубу и сжимает находящийся в ней воздух, который, вырываясь наружу, вращает турбину. При спаде волны вода в трубе опускается и засасывает воздух, когда вода опять начнет подниматься, цикл повторится. Периодичность действия такого преобразователя колеблется от 5–6 секунд до 1–2 минут.

Достоинство его в том, что турбогенератор не контактирует с агрессивной морской водой.

В настоящее время такие волногенераторы используется чаще всего для энергоснабжения навигационных буев и радиомаяков. Япония начала их эксплуатацию в 1965 году, несколько позже была построена опытная волновая электростанция мощностью 125 кВт с перспективой до 1250 кВт. Работы по созданию станций такого типа ведутся в России, Швеции, США, Англии и других странах. В Норвегии в 1985 году около Бергена построена первая станция такого типа мощностью 200 кВт, там в дальнейшем предполагается установить серию таких агрегатов и значительно увеличить мощность.

Трудности по созданию волновых электростанций связаны с неравномерностью их работы, биологическими и другими загрязнениями рабочих органов и водопропускных каналов (обрастание водорослями, ракушками, солями), разрушением вследствие коррозии и т. п. Достоинство их в полной экологической чистоте и возможность работы в автоматическом режиме.

Рис. 63. Градиентная ЕС

Тепловая энергия океана. Весьма заманчиво использовать колоссальный запас тепловой энергии океана. Идея о термодинамическом преобразователе, работающем за счет градиента температуры глубинных и поверхностных вод, была высказана еще в 1801 году французским ученым Д'Арсонвалем. Принципиальная схема такого преобразователя, рисунок 63, проста. Поверхностные вода (1), нагретые до 25–30°, поступают в камеру испарителя (2), где она вскипает при пониженном давлении; образовавшийся пар подается на турбогенератор (3), отработанный пар конденсируется в камере (4), охлаждаемой глубинными водами (5) с температурой 4–5 °C, подаваемыми с глубины около километра.

В другом варианте теплая вода в теплообменнике нагревает низкокипящую жидкость (6), например фреон, аммиак или пропан с температурой кипения 20–25 °C при нормальном давлении. Отработанные пары после конденсации снова возвращаются в теплообменник. Достоинство метода в постоянстве температурного градиента, независимости его от погоды и в экологической чистоте. Кроме того, на станциях, работающих по первому варианту, вместе с электроэнергией получается и пресная вода. Пока электро – станции такого типа находятся в стадии разработок и исследований. Имеется, насколько известно, одна действующая установка на Филиппинах мощностью 20 кВт. На Филиппинах давно действует программа по привлечению школьников и студентов к экологическим проектам.

ΔT = T_{поверхн} – T_глуб = const

Краткие итоги. Описанные в этой главе традиционные и альтернативные источники энергии далеко, не исчерпывают их полного списка и новых способов преобразования энергии этих источников в электрическую, тепловую, механическую. Например, значительное количество энергии можно получить, перерабатывая бытовой мусор и биомассу экскреций животных, причем количество этого вида биомассы, согласно таблице 1, будет возрастать. Другие примеры альтернативных источников энергии – это использование градиента солености морской воды, кислородо-водородное топливо, вода как заменитель топлива в двигателях сгорания.

Современная учебная физика, ее программы, учебники и учебные пособия ориентированы пока еще на энергетику потребления, да и сама энергетика и ее физические принципы занимают в программах и на страницах учебников довольно скромное место.

Физика и производство.

Эффективность технологий. Опасная экологическая ситуация, складывающаяся в мире, это прежде всего результат чрезмерного общественного потребления и потребительского характера технологий. Растущее общественное потребление связано с ростом населения и увеличением потребления вещей и благ и увеличением разнообразия потребляемых благ. Двадцать миллионов наименований – такова номенклатура, выражаясь бюрократическим языком, современного производства. В этот список входит все, что сделано руками человека: подводные лодки и булавки, атомные реакторы и капуста, доменная печь и чулки, пуговицы и танки, напитки и бензин, книги и автомобили, ноутбуки и шариковые ручки, колбаса и ботинки и т. д. и т. п.

Современная технология такова, что производство всего множества вещей и благ связано с огромными потребностями в природных ресурсах и огромными отходами и потерями материалов и энергии. И в итоге оказывается, что из всего, что взято у природы, используется в среднем 2–3 % (см. схему, рис. 64). Это современная эффективность мирового производства.

Рис. 64. Отходы и потери производства

Из этой упрощенной схемы видно, что каждый этап технологического процесса сопровождается отходами и потерями материалов и энергии. Возьмем, например, изготовление вала автомобиля. При добыче железной руды до 85 % поднятой из недр природы идет в отвалы, часть железа теряется со шлаком при его восстановлении в доменном процессе, часть отливки или поковки уходит в стружку при изготовлении вала резанием и т. д. Известно, что в некоторых отраслях черной металлургии до 40 % металла уходит в стружку. К сожалению, нет также полной гарантии, что изготовленные изделия, например, водопроводные трубы будут использованы эффективно.

Потери материалов связаны и с плохим хозяйствованием. Например, до 50 % срубленного леса у нас в стране теряется при его заготовке, транспортировке и храпении. Миллионы тонн цемента, зерна и квадратных метров стекла теряются в процессе производства и транспортировке, плохом хранения и нерациональном использовании.

В чем же заключается роль физики в развитии ресурсосберегающих технологий?

В основе любого технологического процесса лежат физические явления. Например, до того как поршень станет деталью автомобильного двигателя он участвует в длинной цепочке физических процессов: флотация при обогащении руды, плавлении руды и кристаллизации металла, изготовлении из полученной отливки различных марок металла введением в его кристаллическую решетку легирующих добавок, центробежном литье или литье под давлением заготовки, механической или какой-то другой обработке заготовки.

Нужно сказать, что физика неплохо поработала на протяжении особенно последних десятилетий для уменьшения материало– и энергоемкости технологических процессов.

Красноречиво свидетельствуют об этом изменение удельной мощности локомотивов. В 1880 году отношение массы локомотива к мощности равнялось примерно 1000 кг/л. с, в 1900 г. – 100 кг/л. с, в 1950 г. – 25 кг/л. с, в 1980 г. – 14 кг/л.с. Повышение удельной мощности на два порядка (!) за сто лет безусловно, не обошлось без использования достижений физики.

Если характерной чертой экономического роста со времен первой промышленной революции было потребление сырьевых материалов, то в последние годы наметилась другая тенденция – экономический рост продолжается при стабилизированной добычи сырья и производстве сырьевых материалов [14]..

Примеров материало– и энергоснабжения на основе использования достижений физики можно привести довольно много. Приведу только некоторые примеры.

Физика твердого тела:

• развитие теории строения и свойств твердого тела, теория дислокаций (повышение устойчивости материалов к тяжелым нагрузкам);

• получение синтетических и композитных материалов (синтетические алмазы);

• фотоэффект в полупроводниках (солнечные элементы);

• создание теоретической основы для разработки больших интегральных схем (БИС);

• открытие высокотемпературной сверхпроводимости.

Электродинамика:

• теория токов высокой частоты (скин-эффект, обработка материалов ТВЧ);

• термические эффекты сверхвысоких частот (приготовление пищи, обеззараживание; стимулирование биопроцессов, вулканизация);

• транспорт на магнитной подушке;

• магнитное удержание высокотемпературной плазмы;

• сварка металла и полимерных материалов.

Оптика:

• создание светопроводящих стеклянных волокон с малым коэффициентом поглощения;

• создание лазеров, развитие голографии;

• электронно-оптические системы (плоские экраны и др.)

Ядерная физика – ее доля в ресурсосбережении уже достаточно полно описана в главе 4 и предшествующей части этой главы.

Обсудим несколько подробнее вклад кристаллофизики, физики высоких давлений и физики полупроводников в ресурсосбережении.

Вклад физики в ресурсосбережение наиболее ощутим по связи кристаллофизики с металловедением и металлургией. Пример с повышением удельной мощности локомотивов в этом отношении наиболее показателен.

Для придания металлам требуемых свойств в них вводят легирующие добавки, подвергают различной обработке – механической, термической, электромагнитной, лазерной, радиационной и т. п.

Свойства твердых тел определяются структурой кристаллической решетки и типом межатомных связей. Введение легирующих добавок и изменения числа дислокаций, их распределение позволяет в широких пределах управлять свойствами твердых тел. Известно, что введение небольшого количества углерода в пластичное железо превращает его в сталь. Насыщение углеродом стальной поверхности на глубину 0,5–1 мм придает металлу твердость, ничтожные добавки других элементов повышают коррозийную стойкость и сопротивление истиранию.

Рис. 65. Эпюра напряжений

Свойства металлов зависят в значительной степени от числа, распределения и подвижности дислокаций. Особенно отчетливо проявляется роль дислокаций в пластической деформации металлов и разрушении. Разрушение металлов под нагрузкой задолго до стандартного предела прочности объясняется возникновением поверхностных микротрещин, кончик которых внутри металла является концентратором напряжений и буквально как клин раздирает металл. Эпюра напряжений на рисунке 65 показывает, что при растяжении однородной пластины напряжения одинаковы там, где материал однороден (а). Там, где возникла трещина, напряжение резко возрастает (б). Однако, в реальности ожидаемого разрушения при появлении такой трещины не наблюдается, так как в реальном кристалле существуют дислокации, они смягчают опасный уровень напряжений (в). По обе стороны от кончика трещины возникают малые области концентрации напряжений сдвига, что приводит к образованию большого числа дислокаций и сдвигу в направлении под углом 45° к кончику трещины. Сдвиг как бы округляет кончик трещины и снимает опасную концентрацию напряжений. Но, из-за того, что дислокации нарушили в этой области нормальные межатомные связи, это место становится чувствительным к воздействию агрессивных растворов и жидкостей. Это причина того, что некоторые металлы, вязкие на воздухе, могут растрескаться, если их облить под нагрузкой морской водой.

Кстати, этот опыт очень эффектно и достаточно просто проводится с помощью обычного школьного пресса.

Исследования в области физики высоких давлений оказались весьма эффективными в разработке ресурсосберегающих технологий, Одно из этих достижений – синтез искусственных алмазов, осуществленный в СССР в 1958 году под руководством физика академика Н. Верещагина. Интересно, что «отец» физики высоких давлений, английский физик П. Бриджмен, в своей замечательной книге «Физика высоких давлений» не предполагал искусственного синтеза алмазов при высоком давлении.

Алмаз, один из лучших материалов для изготовления режущего инструмента, фильер для волочения проволоки и выдавливания сложных профилей и т. п. Его удивительные свойства связаны с особенностями структуры, отличающими его от слоистого мягкого графита, рис. 66. Прочность алмаза обусловлена четырьмя ковалентными связями, направленными друг к другу под углом 109°28'и образующих прочную тетраэдрическую структуру. В графите атомы углерода находятся в состоянии sp² гибридизации, связаны не четырьмя, а тремя связями, создающими прочные слои слабо связанные между собой. При давлении 8×10³ МПа и температуре 1500 °C в процессе кристаллизации из углеродного сырья образуются алмазы. Таким же образом удается получить из графитоподобного нитрида бора кристаллы боразона с алмазоподобной решеткой. Нитрид бора – второй после алмаза материал по твердости.

Рис. 66. Структуры графита

Использование алмазного инструмента при бурении скважин позволяет использовать одну коронку вместо 30–40 с резцами из твердых сплавов. При обработке камней, керамики, бетона алмазным инструментом производительность труда повышается в 15 раз.

При большом давлении и высоких температурах образуются материалы с необычными физическими свойствами, например металлы, способные поглощать большое количество водорода и аккумулировать его, металлы с изотропной прочностью и магнитопроводностью, высокотемпературные сверхпроводники, металлокерамические материалы. При газо– и гидроэкструзии под высоким давлением выдавливаются профили практически любых форм, и в том числе из трудно деформируемых материалов, например вольфрама. Получение сложных профилей традиционными методами либо невозможно, либо исключительно материалоемко.

Использование импульсных давлений, получаемых при взрыве, электрическом разряде в жидкости, импульсе магнитного поля позволяет получать детали сложных форм, упрочнять поверхность, сваривать однородные и разнородные материалы, дробить материалы, очищать поверхности, ускорять реакции синтеза и т. п. Это можно показать в опыте с электрическим разрядом от высоковольтного источника в ванне с дистиллированной водой.

К достижениям физики углерода относится создание искусственных макромолекул углеродных нанотрубок, диаметром десятков нанометров и длиной несколько сантиметров (рис. 67). В природе таких систем нет. В их производстве используется высокие давления и температуры, газообразная гелиевая среда. Они обладают особыми механическими, электрическими и оптическими свойствами. Добавление углеродных трубок резко улучшает механические свойства композитных материалов. Из них, например, делают винты вертолетов.

Рис. 67. Углеродная трубка

Другой пример революционного переворота в технологии и ресурсосбережении дает применение физической электроники и в развитии вычислительной и информационной техники (рис. 68).

Рис. 68. Миниатюризация элементной базы

Этот процесс стал возможен благодаря успехам кристаллофизики и изобретению в 1948 году Джорджем Бардиным транзистора и последовавшей вслед за этим замене элементной базы ЭВМ и всей радиоэлектроники с вакуумных ламп на полупроводниковые приборы. Особенно поражает уменьшение материалоемкости на одну выполняемую элементом функцию.

Если вес электронной лампы около 70 г, то в современной БИС (большая интегральная схема), на одну функцию приходится едва 10^3–10⁵ г.! Важно заметить, что в лампе используются различные материалы: металлы, стекло, пластик и др. Материальной базой является, в основном, кремний, полученный из песка. В нижней части рисунка 68 дано сравнение объема и веса ЭВМ примерно одного и того же класса 60-х и 90-х годов. Если ЭВМ «Урал-1» пятидесятых годов весила несколько тонн и ее собственный объем был порядка 30 м³, то современная микро-ЭВМ Искра-226 или японская «Ямаха» имеют размеры бытового телевизора и весят около 10 кг.

Первый персональный компьютер был создан в СССР в 1964 г. инженером Арсением Гороховым, г. Омск.

Изобретение 3D печати сложных изделий и практически 100 % использование сырья при 0 % отходов, пример революционного прорыва в ресурсосбережении.

Особое значение проблема отходов приобретает для нашей страны, так как из-за сырьевого богатства у нас мало внимания уделяется переработке отходов производства и быта. Огромное количество отходов, скопившееся на свалках больших городов, создало серьезные санитарные, территориальные и экономические проблемы. У городских хозяйств не хватает сил для благоустройства городов, так как большая их часть отдана уборке отходов. Вывоз отходов для таких городов как Москва, Петербург обходится около 700 рублей за 1 т.

Думаю, читателю захочется узнать, сколько тонн отходов в день набирается в вашем поселении и сколько стоит вывоз! Посчитайте! Это не физика, но не так уж далеко от физики, если хорошо подумать.

По определению Д. И. Менделеева, отходов вообще не должно быть, так как отходы одного производства являются сырьем для другого. Поле деятельности для физики чрезвычайно обширно, потребность в идеях и новых принципах огромная, но пока приоритет в создании малоотходных технологий принадлежит химии.

Экологичный транспорт. Первое, что бросается в глаза при взгляде на туристскую карту любого промышленно развитого государства – это сеть транспортных магистралей, плотной паутиной, покрывающих территорию страны. Если к этому еще добавить авиационные линии, трубопроводы для нефти, воды и газа, линии электропередач, то из-под этой плотной 'сети будет едва пробиваться цвет, которым окрашена страна на карте. Экономическое и социальное развитие современного общества немыслимо без расширения транспортной сети и увеличения ее плотности. С одной стороны, это развитие – необходимость и достоинство, с другой – поглощение земель и загрязнение окружающей среды. В этой отрасли, как и в промышленности, общество встретилось с жизненно важной необходимостью поиска альтернативных решений, ибо традиционный путь развития приведет его в тупик.

Эффективность транспортных систем. Любое транспортное средство преобразует один вид энергии в другой. При этом, согласно закону термодинамики, неизбежны потери, т. к. КПД любой машины не может быть равен 100 %. Например, в автомобиле химическая энергия топлива превращается в кинетическую энергию движения и неизбежную энергию потерь. Одно из важных направлений в решении проблемы давления транспорта на окружающую среду это снижение потерь и повышение коэффициента полезного действия.

Е_{топливо} = Е_{движение} + Е_потери

В среднем энергия потерь для всех видов транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания составляет более 70 %, в них входят потери на трение, рассеяние тепла, вибрацию, шум, неполное сгорание топлива в двигателях тепловых машин и т. п. Следовательно КПД всех типов тепловых двигателей пока не более 30 %.

η = Е_дв / Е_топ

Все потери материала и энергии загрязняют окружающую среду, одни из них локализуются вблизи транспортного средства, такие, как тепло, вибрации; другие, как шум и отработанные газы могут распространяться на большие расстояния. Двигатели внутреннего сгорания стели сейчас одним из главных загрязнителей атмосферы, их вклад примерно 30 %. А так как число автомобилей растет, то растет и количество опасных загрязнителей. Первый автомобиль появился в 1885 г., в 1900 г. их было 6200; в 1972 г. – 250 миллионов; в 1986 г. – 500 млн; в 2015 г. уже 1 млрд.! Это значит, что при среднесуточном расходе горючего 30 литров (очень скромно) за сутки они сожгут 30 миллиардов литров. Это без учета авиации, водного и железнодорожного транспорта. Особенно опасны продукты сгорания этилированного бензина, содержащие соединения свинца. Общее количество разных химических соединений в выхлопе автомобиля около 40.

Заблуждение думать, что электрический транспорт не загрязняет окружающую среду. Для того чтобы подать электроэнергию поездам, троллейбусам, трамваям и метро, нужно сжечь топливо на ТЭЦ или АЭС, перегородить плотинами реки.

Необходимо учитывать, что помимо загрязнения окружающей среды и расходования исчерпаемых запасов органического топлива транспорт требует огромное количества земли для сооружений автомобильных и железных дорог, аэродромов, морских портов и т. п. Изымаются из употребления миллионы гектаров, в основном равнинных и плодородных земель, вырубаются сотни тысяч гектаров леса. Только дорога Москва – Петербург, если принять ее ширину за 100 метров с учетом полосы отчуждения, при длине около 7000 км занимает площадь 70 000 га. При средней урожайности 30 ц. с га потери составят 21000 т зерна, при 200 ц/га картофеля – 140000 т картошки.

Решение экологических проблем, создаваемых транспортом, заключается в уменьшении расхода топлива, шумов, вибрации, выбросов в атмосферу ядовитых газов и разработке альтернативных видов транспорта.

Физика разумеется не решит все эти проблемы, но ее роль в создании новых видов транспорта, типов двигателей и движителей, как показал исторический опыт является определяющей. Достаточно вспомнить, какую роль сыграла термодинамика в развитии и совершенствовании тепловых двигателей, а электродинамика – электрического транспорта.

Повышение экономичности тепловых двигателей характеризуется повышением КПД. Как известно, КПД тепловых машин, работающих по циклу Карно, определяется температурой нагревателя Т₁ и холодильника Т₂

η = ((Т₁ – Т₂) / Т₁) / 100 %.

Если температура холодильника Т₂ = 300К, а температура камеры сгорания, сделанной из стали, Т₁ = 700 К, то теоретический КПД будет равен 57 %. При использовании жаростойкой керамики температуру в камере сгорания можно поднять до 1300 К, КПД поднимется до 80 %. Даже для идеального цикла и при использовании материалов, позволяющих поднять температуру сгорания до верхнего предела, потери составят 20 %. КПД реальных двигателей значительно меньше. Для дизеля его наибольшее значение примерно 35 %, а для карбюраторного двигателя 25 %. Если рассматривать КПД с экономических и экологических позиций, как эффективность преобразователя энергии в цепи энергоноситель – транспорт, то он окажется еще меньше. Например, КПД цепи нефть – бензин – автомобиль равен примерно 4,2 %, а КПД цепочки: энергоноситель – электростанция – электропоезд – 6,1 %.

Альтернатива повышения эффективности транспорта в использовании солнечной энергии непосредственно в автомобиле; в применении магнитной подвески и линейных электродвигателей; в применении пневмотранспорта; создании приемлемых по стоимости и длине пробега элетромобилей и т. п. Большинство работ в научных и производственных коллективах ведется сейчас по совершенствованию существующих тепловых машин. Это перспективное направление, так как при исчерпании нефти, можно будет пользоваться газом, синтетическим горючим и водородным топливом. Переход автомобильного транспорта на газ уже произошел. В нашей стране впервые в мире использовано водородное топливо на самолете ТУ-154.

У тепловых машин еще долгая жизнь! Примером такого развития является возврат к идее двигателя внешнего сгорания, изобретенного Стирлингом еще в 1816 году. Двигатель работает по циклу из двух изотерм и двух изохор (рис. 69). Рабочее тело азот или гелий под давлением около 10 МПа находится в цилиндре и во время работы не заменяется как в обычных ДВС, а изменяет объем при нагревании и охлаждении за 4 такта: сжатие, нагрев, рабочий ход, охлаждение. Достоинство двигателя Стирлинга еще и в том, что в рабочей камере не происходит процесс горения. Износ деталей и шумность двигателя много меньше и он экономичнее обычных ДВС. На рисунке 70 показан двигатель Стирлинга использующий солнечную энергию.

Рис. 69. Цикл Стирлинга

Рис. 70. Двигатель Стирлинга

Повышение экономичности обычных ДВС уже достигнуто за счет применения электронного зажигания, инжекции топлива, сферических камер сгорания, турбонаддува, вихревой продувки, дожигания несгоревших газов и многого другого.

Если в 60-х годах двигатель легкового автомобиля мощностью в 75 л.с. расходовал 10–12 л бензина на 100 км пробега, то сейчас расход горючего для таких же автомобилей передовых фирм типа «Рено», «Ниссан», «Лада» уменьшился почти в два раза. Поставлена задача довести расход горючего для массового микролитражного автомобиля до 1 л на 100 км. Опытные автомобили ряда зарубежных фирм уже приблизились к этому идеалу.

Значительную роль в повышении экономичности и экологичности играет улучшение аэродинамики автомобиля. На 15 % уменьшился расход горючего у автомобилей зарубежных производителей и Волжского автозавода при переходе к новой форме кузова за счет уменьшения лобового сопротивления и уменьшения турбулентностей сзади автомобиля.

Альтернативой замены тепловому двигателю, которая, вероятно, все же произойдет, будут либо электрический двигатель, работающий от солнечных элементов, либо электрический на аккумуляторах, либо комбинированная система с тепловым и электрическим двигателем. Прогресс в этом направлении уже произошел. Подтверждение этому успех электромобиля фирмы «Дженерал моторс» в 1987 году в гонке через Австралию, было пройдено более 3000 км со средней скоростью около 70 км/час. Этот успех был достигнут не только благодаря эффективным солнечным элементам, но и использованию мощных малогабаритных электродвигателей с новыми магнитными материалами с высокой плотностью магнитного поля.

В том же 1987 году впервые совершил успешный полет самолет с солнечной силовой установкой. Пленка с солнечными элементами служила одновременно для обтяжки крыльев и фюзеляжа. В 2016 году швейцарский солнцелет впервые пересек Атлантический океан.

Экологичность таких силовых установок и средств транспорта в экономичном использовании традиционных топлив, а также в неисчерпаемости солнечной анергии, отсутствии вредных выбросов и шума, малой материалоемкости и энергоемкости.

Примеров поиска новых экологичных преобразователей энергии для транспорта можно привести довольно много. В любом бюллетене по изобретениям, реферативном журнале по двигателестроению можно встретить большое число разработок и описаний уже созданных двигателей с оригинальным использованием различных физических явлений и процессов. Одна из таких оригинальной разработок показана на рисунке 71.

Рис. 71. Оригинальные преобразователи энергии

Это преобразователь (рис. 71а), у которого поршни с встроенными магнитами являются возбудителями электромагнитной индукции, при этом исключается механические звенья, имеющиеся у обычных мотор-генераторов.

Оригинальный импульсный электродвигатель (рис. 71б) экономичнее аналогичного по параметрам традиционной конструкции и меньше по размерам за счет создания высокой плотности магнитного потока.

Компания «Форд моторе» разработала силовую установку для автомобиля с прямым преобразованием тепла в электроэнергию (рис. 72). В качестве рабочего тела используется жидкий натрий, заполняющий одну часть пространства, разделенного на две части керамической пористой перегородкой, через которую могут проходить ионы натрия, но не электроны. Электроны создают ток во внешней цепи с электродвигателем 1. В высокотемпературной части системы жидкий натрий испаряется с поверхности электрод и затем конденсируется стенке при условии Т₁ > Т₂. Электромагнитный насос 2 возвращает натрий в горячую часть. Это устройство может использовать любой источник тепла с температурой 700 °C или больше. КПД независимо от размеров установки составляет 30–40 %.

Рис. 72. Теплоэлектрический генератор.

1 – электродвигатель, 2 – ЭМ насос, Т1 > Т2

Большие перспективы в развитии транспорта связывают с применением линейных электродвигателей в поездах на магнитной или воздушной подвеске. Такой транспорт является действительно революционным, так как в нем по-новому решается сразу несколько задач. В качестве двигателя линейный асинхронный электродвигатель, роль движителя выполняет бегущее электромагнитное поле, вместо опоры на колеса – магнитное поле.

Принципиальная схема такого поезда показана на рисунке 73, где: 1 – рельс, аналог ротора; 2 – обмотка статора; 3 – электромагнит подъема; 4 – направляющий рельс; 5 – каркас дороги.

Рис. 73. Магнитный поезд

Экологичность транспорта обусловлена отсутствием вредных выбросов в атмосферу, шума, вибраций; более высоким КПД в связи с отсутствием механического трения в двигателе и движителе, меньшей материалоемкостью и энергоемкостью. Необходимость сооружения такой линии на эстакаде может вернуть городскому и сельскому хозяйству значительные земли, занятые под железнодорожное полотно.

Все это вместе взятое даст возможность довольно быстро окупить высокие капитальные затраты на сооружение дороги такого типа. Экспериментальные монорельсовые дороги уже более десяти лет действуют в США, Японии, ФРГ, Швейцарии и Австралии. Имеется и у нас опытный участок в Москве.

Трудности в развитии монорельсового транспорта связаны с необходимостью установки тяжелых электромагнитов для. обеспечения магнитной подвески и рассеяния энергии из-за тепловых потерь. Создание новых магнитных материалов позволит преодолеть эти трудности.

Физические основы мониторинга. В решении экологических проблем центральное место занимает мониторинг – система мер по наблюдению за состоянием окружающей среды и прогнозированию ее изменений под действием антропогенного и природных факторов. Основные объекты мониторинга: атмосферный воздух, природные воды, литосфера и почвы, экосистемы.

Качество окружающей среды определяется набором параметров, которые не должны при внешнем воздействии выходить за определенные пределы. Выход параметров за эти пределы может вызвать необратимые изменения в экосистемах и биосфере и их разрушение. К параметрам, определяющим состояние окружающей среды, относятся: температура, давление, влажность, напряженность магнитного и электрического полей освещенность, концентрация различных элементов и соединений в атмосфере, воде и почве, радиоактивное излучение. Количество химических элементов и их соединений в окружающей среде лимитировано величиной предельно допустимой концентрации (ПДК).

Система глобального и локального мониторинга, его объектов, показателей и организаций, его осуществляющих, приведена в таблице.

Из приведенной системы видно, какую сложную организационную, научную и техническую проблему представляет собой осуществление мониторинга окружающей среды.

Таблица 13

Система мониторинга окружающей среды

В своей научной, производственной и педагогической деятельности физик-педагог имеет дело с исследованием к контролем объектов, которые, как правило, локализованы и доступны для наблюдения. Например, измерение температуры или силу света источника.

Объекты биосферы рассредоточены и динамичны и, как правили, не очень удобны для измерения. Концентрации загрязнителей очень малы, и их определение требует зачастую аналитических методов, что в полевых условиях недоступно. Даже такое простое дело, как наблюдение за температурой воды в реке, оказывается не столь простым, как может показаться на первый взгляд. Не представляет никакой сложности разовое измерение температуры воды в реке. Но если эти измерения нужно проводить систематически, в любое время года и на значительном расстоянии от места работы или жизни, то задача становится довольно сложной. Нужно еще учесть массу факторов: изменение уровня воды, замерзание воды зимой, передачу информации на расстояние и ее запись, защиту приборов от естественного разрушения и от злоумышленников и т. п.

Еще большую сложность представляет наблюдение за состоянием озоносферы. Для этого нужно проводить измерения с высокой точностью не в лабораторных условиях, а на высотах около 30 км.

Наиболее полную информацию о состоянии биосферы дают наблюдения с искусственных спутников Земли, как пилотируемых, так и беспилотных. Космическая техника в сочетании с вычислительными средствами является базой современного экологического мониторинга.

Мониторинг в России основывается на системе стандартов по охране природы, которые содержат требования к аппаратуре для наблюдения за качеством окружающей среды, к порядку отбора проб, природоохранную терминологию. Еще нельзя считать, что система мониторинга уже сформировалась. Например, из-за отсутствия ПДК на многие загрязнители, недостатка в чувствительной и доступной аппаратуре, приборов для экспресс-анализа.

В системы стандартов входит девять групп стандартов, соответствующих охраняемому объекту. Например, «Охрана природы. Атмосфера имеет номер 17.5, Охрана природы. Гидросфера – 17.1.2. Полное обозначение стандарта означает «Охрана природы. Гидросфера. Показатели состояния и правила таксации рыбохозяйственных объектов». Номенклатура показателей санитарного состояния принята в 1978 году и усовершенствована в 2017 г.

Мониторинг гидросферы. Основным критерием качества воды является ее пригодность для использования человеком с пищей, для санитарно-гигиенических целей, отдыха, спорта. В СССР и теперь в РФ состояние воды определяют по двум категориям водопользования (рис. 74).

Рис. 74. Категории водопользования

Загрязнение воды лимитируется ПДК для первой категории водопользования ПДК установлено на 640 веществ, для второй на 147. Уровень ПДК зависит от категории водопользования. Так, например, для человека присутствие аммиака в воде не является опасным до уровня 2 мг/л, для рыб этот уровень уже высокотоксичен, и ПДК для водоемов 2 категории – 0,05 мг/л.

Требования к качеству воды определяются по ряду показателей:

• взвешенные вещества

• плавающие примеси (на поверхности воды)

• запахи, привкусы

• окраска

• температура (в °С).

• реакционная способность, кислотность (в рН)

• минеральный состав (в мг/л)

• количество растворенного кислорода

Контроль качества воды по многим показателям, например кислотность, содержание микроэлементов, чаще всего осуществляется методами аналитической химии. Однако в последние годы в связи с необходимостью осуществления глобального мониторинга и связанного с этим дистанционного контроля качества окружающей среды все большее значение приобретают физические методы мониторинга.

Наиболее просто определяется количество взвешенных частиц по интенсивности проходящего света. Количество органических молекул в воде можно определить по вращению плоскости поляризации с помощью поляризационных приборов, имеющихся в каждой физической лаборатории. Большинство органических молекул обладают дипольным моментом и оптически активны.

Ионы металлов обнаруживают по исследованию электропроводности загрязненной воды.

Один из наиболее важных показателей качества воды – водородный показатель (рН) наиболее точно определяется потенциометрическим методом. Водородный показатель (рис. 74) характеризует кислотность водных растворов и является исключительно важной величиной, он определяет границы жизнедеятельности организмов в естественных водах. Знание рН для воды и умение его определять является нужным делом в связи с тем, что загрязненность дождей кислотами в последние годы становится обычной даже для отдаленных от промышленных зон районов. Для чистой воды рН = 7, при добавлении кислоты рН становится меньше 7, при добавлении щелочи больше – 7.

Например, рН дождей в Европе и США иногда достигал 1,5, что соответствует почти концентрированной кислоте.

Значение рН воды для живых организмов хорошо видно на рисунке 75.

Рис. 75. Шкала рН

Мониторинг включает также и прогнозирование качества окружающей среды на основе данных контроля. Один из таких методов позволяет прогнозировать распределение примесей в речной воде при сбросе сточных вод предприятием. В основе метода заложено решение дифференциального уравнения в частных производных, описывающего диффузию, конвекционный перенос и окисление сброшенных в реку веществ:

v_x(∂C/∂x) + D_y (∂²C/∂y²) + kC = 0

где v_x – скорость течения, С – концентрация загрязнителя, D_y – коэффициент диффузии, k – коэффициент окисления. Первый член описывает перенос загрязнителя со скоростью v_x, второй – его диффузию за счёт разности концентраций, третий – скорость распада вследствие окисления.

Рис. 76. Схема решения задачи по распределению концентрации загрязнителя в реке методом плоской сеточной модели

На рисунке 76 показано, что выше точки сброса концентрация примесей различных веществ определяется фоновой концентрацией – С_ф. Ниже точки сброса концентрация примесей С₀ резко возрастает и вниз по течению постепенно уменьшается за счет переноса течением, диффузии и действия механизма окисления. Методика решения этой вычислительной задачи разработана в Ленинградском технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности в 1985 г.

Мониторинг атмосферного воздуха. Развитие методов прогноза погоды, охраны окружающей среды существенно зависит от знания физических параметров земной атмосферы и закономерностей их пространственной и временной изменчивости. К этим параметрам относятся: температура, давление, плотность атмосферы, влажность и содержание газовых компонентов, характеристики ветров и аэрозоли.

Основными показателями, регламентирующими качество воздуха, являются ПДК, установленные для 200 элементов и соединений, хотя в воздух их выбрасывается несколько тысяч из многочисленных источников. Двести выбранных веществ представляют наибольшую опасность для здоровья человека и состояния биосферы.

ПДК существуют двух типов: для рабочих помещений ПДК р.з. (определяются на высоте 2 м над уровнем пола) и для населенных пунктов ПДК а.в. причем:

ПДКр..з. > ПДКа.в.

Качество воздуха определяется таким образом, чтобы концентрация (С) вредных примесей составляла на территории предприятия:

ПДКр.з. < ПДКа.в.

Первое неравенство вполне понятно в связи с тем, что в производстве заняты, как правило, здоровые люди, находящиеся в рабочих помещениях 7–8 часов. В населенных пунктах, кроме здоровых людей зрелого возраста, живут дети, больные, старики, для которых даже кратковременное вдыхание загрязненного воздуха может оказаться опасным. Известны случаи, когда в разных городах мира, например, Лондоне и Лос-Анджелесе за рубежом и Караганде и Киришах в нашей стране, из-за сильного загрязнения воздуха погибли люди.

Существует довольно много методов контроля за качеством воздуха, использующих различные физические явления и принципы, но задачу получения быстрой и достоверной информации о состоянии воздушной среды решен – ной считать нельзя, особенно для обширных районов.

Определение температуры воздуха. Для измерения температуры используются жидкостные и газовые термометры, контактные явления в металлах и полупроводниках, зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры, изменение параметров спектра ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР-термометры), преобразователи инфракрасного излучения в электрические сигналы с помощью электронно-оптических преобразователей и фотоумножителей (рис. 77).

Особое внимание в термометрии уделяется повышению точности определения температуры и дистанционным методам измерения. Измерения температуры атмосферы осуществляется методом лазерного зондирования (лидар) при подъеме приборов на шарах зондах, ракетах, самолетах, дронах.

Данные о температуре атмосферы можно получить из характеристик вращательного спектра комбинационного рассеяния (КР) молекул азота и кислорода по температурной зависимости интенсивности некоторых линий. Наиболее эффективно использование интенсивностей двух участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния, для нескольких линий N₂ и O₂.

I(T) = I(I_o)exp(α/T + β)

где I – интенсивность, α и β – экспериментально определяемые параметры. В этом методе используется лидар в котором для выделения интенсивностей чисто вращательного спектра КР смеси N₂ и O₂ используется двойной монохроматор. Возбуждение спектров КР осуществляется лазером на парах меди на длинах волны 510,6 нм мощностью до 10 Вт.

Рис. 77. Лидар – зонд ЭОП – оптико-электронный датчик, умножитель, РП – регистратор, ВН – блок высокого напряжения

Результаты лидарных измерений температуры по этой методике приведены на рисунке 78.

Рис. 78. Лидарные данные температуры

Сплошная кривая показывает изменение температуры с высотой по данным зондовых измерений, горизонтальные черточки – результат лидарных измерений. Время измерения температурного профиля лидаром около 20 минут. Длина черточки определяет доверительные интервалы значений температуры.

Эти данные свидетельствуют о том, что использование лидаров в сочетании с космической техникой позволит вести сканирование температуры атмосферы и получать температурные карты значительных районов за сравнительно небольшие промежутки времени.

Аналогичная задача уже достаточно давно решена по определению температуры поверхности Земли при фотографировании в инфракрасной области, спектра.

Определение загрязнений в атмосфере. Наиболее сложным делом оказалось определение аэрозольного состава, концентрации примесей различных газов. Основная трудность связана с малой концентрацией этих составляющих. Например, ПДК в России для диоксида азота NO₂ – 0,85 мг/м³, для аммиака NH₃ – 0,20 мг/м³, для оксида свинца PbO₂ – 0,0007 мг/м³.

Содержание примесей в атмосфере определяется, в основном, в лабораторных условиях в электронных газоанализаторах. В фотокалорических или фоторезисторных газоанализаторах исследуются спектры излучения сжигаемого воздуха из специально отобранных проб. В кондуктометрических газоанализаторах измеряется электропроводность электролитов в зависимости от состава и количества растворенных в них газов.

Рис. 79. Лидарная локация загрязнений

Наиболее перспективными являются разработанные в последние годы методы лазерной локации с помощью лидаров. Например, метод дифференциального поглощения дает возможность дистанционно определить состав и количество газовых примесей и аэрозолей. В этом методе сравнивается поглощение лазерного излучения на двух частотах: одной опорной и другой, настроенной на частоту резонансного поглощения молекулы загрязнителя. При сравнении рассеянных сигналов, вернувшихся в приемник, можно найти долю поглощения излучения загрязнителем и таким образом оценить его концентрацию, рисунок 79а. Точность измерения зависит от высоты загрязненной области от поверхности Земли, На рисунке 79б приведена экспериментально полученная зависимость интенсивности сигналов поглощения и опорного, вернувшихся в приемник. Метод позволяет измерять примесь NO₂ при концентрации одной части на миллион на расстоянии в несколько километров на длине волны 300 нм.

Аэрозоли играют важную роль в формировании радиационного поля в атмосфере процессах погодообразования, различных физико-химических явлениях. Аэрозоли в значительной степени определяют альбедо атмосферы, имеют важное значение в процессе радиациионного обмена в системе атмосфера – океан – космос.

В СССР для мониторинге атмосферы были созданы: уникальная система, включающая в себя стационарный многочастотный лидар, двухволновой поляризационный лидар на автомобиле, двухволновой самолетный лидар. Автоматическая обработка данных осуществляется с помощью ЭВМ «Электроника-60» [15]. Эта система была использована в советско-болгарских исследованиях загрязнений атмосферы аэрозолями над промышленными центрами.

Исследования показали (рис. 786), что выбросы заводских труб способны пробивать первый инверсионный слой, выше которого они накапливаются под следующим слоем, усиливая загрязненность атмосферы.

Сложной задачей является определение химического состава аэрозольного вещества. Для этих целей используется информация об эмиссионных спектрах, возникающих при испарении и ионизации вещества высокоэнегетическим излучением газового лазера с длиной волны генерации 10,6 мкм, длительностью моноимпульса 1 мкс и энергией до 500 Дж[16].

Формирующая трек зеркальная оптика обеспечивает зондирование в атмосфере лазерной искры до 250 м от источника. Свечение лазерной искры, включающее эмиссионный спектр атомных паров и ионов аэрозольного вещества и газов, составляющих атмосферу, воспринимается тем же телескопом и проектируется на входную щель дифракционного спектрометра.

Еще один из физических методов контроля состояния атмосферы основан на взаимодействии аэрозольных частиц, находящихся в отобранной пробе, с потоком β-частиц или рентгеновским излучением. О количестве и составе аэрозолей дает информацию спектр поглощения β-частиц, прошедших пробу. Более точные данные получаются при облучении пробы рентгеновскими лучами.

По характеристическому излучению можно определить состав аэрозоля, по его интенсивности – концентрацию элемента [17].

Исследование загрязнения атмосферы позволяет контролировать ее состав в населенных пунктах, в рабочих помещениях. Контроль за состоянием атмосферы позволил сделать ряд важных выводов, влияющих даже на формирование внешней политики государств: загрязнения, выброшенные в атмосферу, могут распространяться на значительные расстояния и высоты и сохраняться в атмосфере продолжительное время, сжигание топлива в энергетических установках является основным источником кислотных дождей, концентрация CO₂ приобрела тенденцию к стабильному возрастанию, уменьшение концентрации озона обусловлено антропогенным фактором, выбросами соединений хлора, фтора и азота.

Мониторинг почвы. Почва – одно из главных национальных богатств любого государства. От ее состояния и «здоровья» зависит благополучие народа» Контроль за ее состоянием представляет собой важную национальную задачу большой организационной и технической сложности. Особенно сложную для больших государств таких, как Россия с различными климатическими зонами, огромным разнообразием ландшафтов и почв и большой площадью культивируемых земель.

В России площадь обрабатываемой пашни составляет 130 млн. га, в США – 190 млн. га, в Индии – 170 млн. га. Почва по своей структуре, составу, динамике происходящих, в ней процессов представляет более сложную систему, чем, например, атмосферный воздух или природная вода. Достаточно полное представление о состоянии почвы можно получить при анализе ее физических параметров, химического состава, жизнедеятельности множества живых существ, обитающих в ней. Состояние почвы изменчиво вследствие влияния окружающей среды. В ней происходят изменения как улучшающие ее состав, например, накопление гумуса, так и ухудшающие ее состояние, такие, как ветровая и водная эрозия, засоление.

Жизненно важной стала необходимость знания о состоянии почвы особенно теперь, когда мировые почвенные ресурсы почти исчерпаны. В эпоху НТР в использование включены почти все запасы плодородных земель и обрабатываются они, главным образом, с привлечением мощной техники, химических удобрений и ядохимикатов, водной мелиорации. Интенсивное культивирование плодородных земель, в частности ирригация, приводит не только к повышению урожайности, но и к ухудшению качества земель и потере плодородия. Например, постоянный полив черноземных почв приводит к подъему грунтовых вод с глубины 8–10 метров к поверхностным слоям и постепенному их засолению. Происходит уплотнение почвы и слипание ее в глыбы при механической обработке. Такая почва плохо проницаема для корневой системы растений. Подобные явления происходят сейчас на многих землях Украины и Молдавии. В Средней Азии расширение ирригации вместе с повышением урожайности привело к эасолонению и подтоплению огромных площадей.

Механическая обработка почвы, а особенно глубокая вспашка, применяемая у нас почти повсеместно, независимо от климатических условий и качества почвы, ведет к ухудшению качества почвы, выносу песчаных и глинистых слоев на поверхность, уплотнению почвы, истиранию в пыль ее верхнего слоя. Результатом такой обработки является деградация почвы, приводящая к снижению урожайности и пыльным бурям. Об этом уже давно предупреждал народный академик Т. С. Мальцев, разработавший принципиально новую технологию обработки почвы. Кстати, в США его методом безотвальной вспашки обрабатывается около 40 % земли, у нас примерно 10 %. В результате недостаточно грамотного культивирования земель и отсутствия полной и объективной информации о их состоянии под угрозой деградации у нас находится почти 120 млн. га(П2) используемых земель. Поэтому, несмотря на усилия по повышению урожайности за счет применения большего числа механизмов, активной химизации и ирригации, средняя урожайность по зерновым у нас 16–20 ц с гектара, значительно ниже, чем в Скандинавских странах (40–50 ц с га), где почвы, в среднем, более бедные, чем у нас.

Эрозия почвы и недостаток в осадках вызвали особенно катастрофические последствия в районе Сахеля в Северной Африке. По данным ЮНЕП угрозу опустынивания испытывают более 100 стран, около 850 миллионов человек живут на площади, составляющей 35 % земной поверхности, находящейся на грани опустынивания. Это так называемые аридные, семиаридные и субгумидные зоны. В настоящее время около 21 млн. га ежегодно приходит в состояние, близкое к бесплодию или полного бесплодия. Прогнозы до 2000 года показывали, что потери в таких масштабах будут продолжаться, если страны мира не усилят противоэрозионные меры. Мониторинг входит в число этих мер.

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1936–1990 годы и на период до 2000 года было записано: «Повысить действенность государственного контроля за состоянием природной среды и источниками загрязнения, улучшить техническое оснащение этой службы эффективными автоматическими приборами и оборудованием». В России в связи с изменением строя четкой программы по мониторингу земель пока не разработано.

В планах ЮНЕСКО и ЮНЕП по использованию ресурсов биосферы задачи мониторинга определяются следующим образом: мониторинг необходим для обеспечения базы научных исследований, понимания изменений, происходящих в окружающей среде, организации рационального природопользования.

Данные глобального мониторинга и модельные исследования позволили сделать вывод о том, что постоянное повышение температуры вследствие «парникового эффекта» вызвало увеличение влажности в районах выше 45° северной широты и усиление процесса опустынивания в районах, ниже этой параллели. Современная климатическая ситуация 2000–2017 годов подтверждает прогноз.

Для инвентаризации состояния почв, растительного покрова широко используются методы экспериментальной физики.

Космическая фотосъемка в видимой и инфракрасной частях спектра дает информацию о засоленности, эрозированности, влажности и температуре почвенного покрова. Особенно это эффективно для оценки состояния аридных и субаридных зон, пустынь, полупустынь и степей, так как растительный покров в этих зонах в меньшей степени маскирует состояние почвы. Для определения засоленности исследование ведется в радиодиапазоне, так к влажные засоленные почвы отличаются большей электропроводностью и повышенным значением радиояркостных температур. Влажные почвы лучше распознаются не в видимых лучах, а в ближней инфракрасной области (0,3–1,3 мкм). Съемка в инфракрасном диапазоне длин волн 8–14 мкм наиболее удобна с использованием космической техники, так как именно в этом диапазоне атмосфера прозрачна для большей части инфракрасного излучения земной поверхности. В интервале 3,5–4,0 мкм зондирование поверхности возможно проводить только ночью, когда тепловое излучение Земли не искажается отраженным солнечным излучением. Поглощение части теплового излучения атмосферой дает полезную информацию о вертикальном распределении температуры и загрязнении атмосферы.

При определении температуры поверхности важно знать, какие температуры предполагается измерять, так как от этого зависит выбор аппаратуры. Для съемки участков с небольшим градиентом температуры около 20 °C наиболее информативным является диапазон 8–13 мкм. Объекты со значительным превышением температуры над фоном (заводы, пожары, вулканы, транспортные средства и т. п.) лучше различаются в интервале 3,2–4,0 мкм. Поэтому наиболее эффективным при мониторинге поверхности является использование многоканальной аппаратуры.

Основной частью такой аппаратуры является тепловой приемник-датчик, в котором происходит преобразование теплового излучения в электрический сигнал. Все такие приемники можно разделить на две группы: тепловые и фотоэлектрические.

В тепловых приемниках датчик нагревается при поглощении излучения и преобразует нагрев либо в изменение сопротивления (болометры), либо в изменение электродвижущей силы термопары, либо в изменение поверхностного заряда (пирометры), либо в изменении объема газа.

В фотоэлектрических датчиках используется свойство полупроводников изменять проводимость под воздействием излучения, если энергия фотона превосходит ширину запрещенной зоны:

Е _{запр. зоны} ≤ hν

Из этого условия следует, что с увеличением длины волны интенсивность сигнала в приемнике будет уменьшаться. При некоторой длине волны приемник становится нечувствительным к излучению. Например, для кремния и германия этой границе соответствуют длины волн 1,1 и 1,8 мкм, для ареенида индия – 3,2 мкм. Как уже было сказано, наиболее удобной для наблюдения за поверхностью является область 8–12 мкм. Для работы в этом интервале были выращены кристаллы тройных соединений типа теллурид ртути-кадмия HgCdTe, для которого граница чувствительности варьируется от 1 до 30 мкм.

При регистрации инфракрасного излучения необходимо учитывать фоновые переходы электронов в кристалле полупроводника, поэтому для регистрации фотонов с низкой энергией необходимо исключить тепловой фон датчика. Для этого используется охлаждение датчика, в одних случаях до температуры жидкого азота 77 К, в других – до температуры жидкого гелия 4,2 К.

Информация, полученная в широком спектральном диапазоне с использованием спутников серии «Космос» и американского «Лендсат», созданного специально для ресурсных исследований, показала что инвентаризация почв и сельскохозяйственных культур на большой территорий из космоса точнее, чем полученная наземными методами и даже авиаразведкой. Спутник «Лендсат» используется, в частности для сравнительной оценки урожайности таких стран, как например, Россия, Канада, Китай, Австралия и других.

Дистанционные методы космического или авиационного зондирования исключительно удобны, они могут дать одновременно обширную многопараметровую информацию. Однако для почвы во многих случаях эти данные могут считаться лишь оценочными из-за экранирующего влияния растительности, атмосферы и других побочных факторов. Кроме того, они дороги и доступны не каждой стране.

Дистанционные методы зондирования при всех своих достоинствах вовсе не исключают прямых наблюдений и измерений. Прямая термометрия почвы дело довольно простое и вряд ли требует специального описания.

Запас влаги в почве лабораторным способом определяется при взвешивании двух достаточно однородных проб, одинаковых по массе (20–33 г) и взятых с одной глубины. После высушивания одной из проб в термостате при температуре 105 °C в течение 30 минут они взвешиваются на аналитических весах. Влажность вычисляется из соотношения:

r=(m_c/m_B) 100%

где m_с – масса сухой и m_в – масса влажной почвы.

Способность удерживать влагу у разных почв различна. На глинистых почвах большая часть дождевой воды уносится в виде поверхностного стока, песчаные почвы легко промываются водой. Влага в почве находится не в виде капелек, как думают многие, а существует в виде пара между комочками земли. Легко сделать вывод о том, в какой почве содержится больше влаги – рыхлой или плотной.

Количество влаги, необходимое для обеспечения развития и достаточно высокой производительности растительных культур, характеризуется нормальной влажностью. Для разных почв она различна.

Таблица 17

Зависимость нормальной влажности от типа почвы

Запас воды (В) в почве рассчитывается по формуле В = (Vρ/100) r,

где V – объем почвы, ρ – плотность, г – влажность.

Данные о влажности почвы могут быть также получены из измерений электропроводности и диэлектрической проницаемости (рис. 80). Достоинство этих методов в том, что они дешевы, могут проводиться достаточно быстро и в полевых условиях. Диэлектрическая проницаемость и соответствующее ей содержание влаги определяется по разбалансу моста, содержащего в своих плечах емкости и индуктивности.

Рис. 80. Измерение влажности почвы. Сх-проба грунта, Сп-подстроечный генератор, 1 – генератор высокой частоты, 2 – ноль индикатор, Li-индуктивности

Почва, которая может обеспечить устойчивое плодородие, должна отвечать многим и непростым требованиям, в том числе и по плотности. Считается, что комфортные условия для корневой системы, существования полезных микроорганизмов и насекомых обеспечивает почвенный слой, где не более 50 % объема занимает твердая фаза, от 12 до 25 % заполнено воздухом и остальная часть объема приходится на воду с растворенными в ней питательными веществами. Реакция почвенного раствора (рН) должна быть слабокислой или близкой к нейтральной.

Плотность культивируемой почвы прежде всего зависит от характера ее обработки. Почвы наших сельхозугодий испытывают огромную нагрузку многочисленных орудий, транспортных и тяговых средств. Число проходов сельхозмашин за сезон определяется технологическими картами: для зерновых должно быть 8–10 проходов, для кукурузы 10–16, для сахарной свеклы 12–14, для картофеля 10–12, для однолетних трав 6–7. К этому нужно добавить, что вес и мощность сельхозмашин и тракторов год от года растет. Достаточно напомнить многократно критиковавшиеся в печати трактор «Кировец-700» и кормоуборочный комбайн "КС – 100" и введенные ограничения на такую технику.

Мировая практика и опыт наших передовых земледельцев показывают, что оптимальным является применение гусеничных тракторов средней мощности (до 75 л.с.) и применение таких методов культивирования, как безотвальная обработка, севооборот, биологических средств защиты и т. п.

Для физика в проблеме сохранения почв и повышения их продуктивности – непочатое поле деятельности. Примером этого могут служить исследования о динамике влагообмена между атмосферой и почвой. По результатам которых выдвинута обоснованная гипотеза о том, что влажность почвы обеспечивает главным образом парами воды, содержащимися в атмосфере, а не дождями. Разработана оригинальная модель влагообмена, включающая в себя влажность воздуха, парциальное давление водяного пара в атмосфере и почве, энергию Солнца, теплопроводность и теплоемкость почвы.

Выводы, сделанные на основе предлагаемой модели, указывают на возможность повышения продуктивности почв без применения минеральных удобрений и искусственного орошения даже в засушливых районах.

Развитие методов инструментального мониторинга биосферы широко использует достижения современной теоретической и экспериментальной физики. Как видно из сделанного выше краткого обзора, особенно эффективны методы дистанционного зондирования, использующие для измерения различных параметров окружающей среды практически все диапазоны электромагнитного спектра.

В школьном и вузовском лабораторном практикуме достаточно приборов для мониторинга окружающей среды в лабораторных и полевых условиях. Часть таких приборов может быть самостоятельно изготовлена учащимися и студентами из доступных комплектующих.

Физические основы действия очистных аппаратов.

Иной читатель, прочитав название этого параграфа, поморщится, так как сочетание физики и очистки для многих еще плохо совмещаются в сознании. Ведь физика – это возвышенная наука о строении мира и замечательных открытиях, и вдруг какая-то очистка, свалки, помойки.

Этот стереотип отношения к вещам характерен не только для физики и процесса обучения, а для всей нашей социально политической системы ряда десятилетий.

Провозгласив лозунг «Вперед к коммунизму» в СССР стали считать, что главное на этом пути – сделать больше тракторов, чем США, Англия и Франция вместе взятые (и делаем), повернуть на Юг северные реки, построить БАМ.

А ремонт стульев и текущих кранов, очистка отбросов и выбросов, переработка отходов – это что-то незначительное, недостойное великого движения и происходить должно попутно, само собой. В современной России к этим делам пока сохраняется похожее отношение.

Так и в Физике, строя гигантские ускорители и реакторы, осваивая Космос, мы в эйфории увлечения высокой наукой можем пропустить момент, когда экологический катаклизм проглотит нас вместе с лозунгами, ускорителями и обилием тракторов.

Не подумайте только, то автор против высокого лозунга и замечательной науки, избави бог. Я за чувство меры и понимание реальности.

Надеюсь, читатель простит мне столь затянутое вступление, но мне хотелось еще раз сделать акцент на том, что мы в процессе познания порой забываем его конечную цель, познание – ради блага человека и сохранения окружающего нас мира.

В решении экологической проблемы есть только один путь – рациональное использование природных ресурсов. Основа этого – малоотходные и безотходные технологии и гарантированная очистка всевозможных выбросов от вредных для живых организмов примесей. Очевидно, что на данном этапе научно-технического прогресса более актуальна проблема очистки, так как до создания в достаточно большом объеме малоотходных и безотходных технологий еще далеко (будем реалистами). Ситуация с очисткой выбросов легко просматривается из Таблицы 2. Судя по гигантским масштабам загрязнений и быстрому их возрастанию, можно сделать выводы: во-первых, очищаются не все выбросы, во-вторых, очистка, если она и существует, далека от совершенства, в-третьих, мы не всегда знаем, что сделать с отдельными видами выбросов, как их утилизировать и где захоронить.

Есть, однако, отдельные отрасли, где выбросы в окружающую среду должны быть исключены, на 100 %, это ядерная энергетика и химическое производство, имеющее дело с особо токсичными веществами. Но даже в этих отраслях, как нам известно из печати, происходят взрывы, выбросы, утечки. Примеров более чем достаточно. За время существования мировой ядерной энергетики произошло около трех тысяч аварий, наиболее тяжелые из них на Чернобыльской АЭС, Три Майл Айленд АЭС (США), Фукусима-1 и Фукусима-2 (Япония). Выбросы калийных соединений в Днестр в – 1983 году на Украине и отравление Рейна в 1966 году в результате аварии хранилища токсичных отходов в Базеле (Швейцария) надолго вывели экосистемы этих рек из равновесия. Авария на химическом заводе фирмы Юнион Карбайд в Бхопале (Индия) стоила жизни нескольким тысячам человек, разливы нефти вблизи буровых платформ и танкеров. Подобная ситуация показана нам во французском фильме' «Красная зона». Такие аварии привлекают внимание общественности своей драматичностью и внезапностью.

Не менее, а более опасны постоянные даже небольшие выбросы токсичных газов и жидкостей, соединений тяжелых металлов и ядохимикатов, фреона и моющих средств.

Опасность этих выбросов не только в их токсичности, а в том, что они замаскированы на фоне окружающей среды, и мы их порой даже не замечаем, т. к. они не убивают наповал на месте. Опасность постоянных выбросов в том, что действие их замедленно, но верно. Они медленно накапливаются в трофических цепях и внезапно «взрываются» в каком-то звене или сказываются в последующих поколениях, поражая генетический аппарат.

Признаки такого действия мы уже ощущаем на увеличении числа детских послеродовых патологий и повышении детской смертности.

Количество выбросов многих производств таково, что даже довольно высокая степень очистки, например 99 %, не обеспечивает достаточной чистоты выбрасываемых в атмосферу газов. Так, при начальном и довольно обычном для многих производств количестве всевозможных примесей – 50 г/м³ воздух после очистки на 99 % будет содержать 0,5 г/м примесей, например пыли. Это очень много при сравнении с ПДК для ряда, газов и соединений: так, ПДК для SO_2–0,05 мг/м³, для NO_2–0,85 мг/м³, для NH_3–0,20 мг/м³. При этом еще нужно учесть, что многие очистные сооружения работают с отклонением от нормы.

Приведенные цифры и примеры показывают серьезность проблемы очистки выбросов промышленности, сельского хозяйства и быта. Дело это сложное и очень дорогое. Стоимость очистки выбросов ряда предприятий до допустимой концентрации часто приближается к стоимости предприятия, а иногда и превосходит ее.

Серьезность проблемы выбросов требует привлечения солидных научных сил для разработки эффективных и дешевых средств очистки газов, жидкостей и твердых тел от вредных для живого организме примесей.

Очистка газообразных выбросов. Загрязненный воздух, прошедший через топочные агрегаты ТЭЦ, печи цементного завода, двигатель автомобиля, домны, содержит в себе большое число твердых частиц (аэрозолей), газов, капелек жидкости. Отделение этих примесей от воздуха дело довольно сложное и особенно для газов.

В очистке воздуха от аэрозолей довольно успешно применяются различные физические методы. Наиболее широко распространены аппараты центробежного действия (циклоны), электростатические и механические фильтры.

В циклоне частицы аэрозолей под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам аппарата, где они под действием сил трения и сил тяжести осыпаются вниз в бункер-накопитель (рис. 81). Эффективность очистки в циклоне в значительной степени зависит от его диаметра, так как сила, отбрасывающая частицы на периферию воздушного потока к стенке аппарата, обратно пропорциональна радиусу циклона:

F = mv²/R.

На следующей стадии очистки воздуха после циклона могут быть использованы различные фильтры, чаще всего их изготовляют из ткани в форме рукавов, поэтому они называются рукавные. Пример, фильтр пылесоса или автомобиля. Эти фильтры дают очень высокую степень очистки, но имеют существенный недостаток – высокое сопротивление, а следовательно и высокую энергоемкость. Эти фильтры необходимо периодически очищать от пыли и заменять, замена делается примерно раз в год.

Рис. 81. Схема циклона

При большом объеме выходящих газов и пыльного воздуха, около 100 м³/час, с сильным загрязнением мелкодисперсной пылью, например цементное производство, эффективно применение электрических фильтров.

Принцип их действия прост: аэрозоли в потоке газа ионизируются под действием высокого напряжения, а потом ионы собираются на соответствующие электроды, как это показано на рисунке 82а.

Рис. 82. Электростатический фильтр

Ионизация аэрозолей происходит вследствие действия на пылинки коронного разряда, поляризации в электрическом поле и ускоренном движении в неоднородном поле, соударения с быстро движущимися электронами и молекулами (рис. 82 б). Коронирующие электроды делаются в виде гребенки из заостренных штырей, собирающие электроды в форме сеток или набора пластин. На собирающие электроды подается напряжение около 30–45 кв.

При внешней принципиальной простоте устройства и действия электростатические фильтры сложное устройства, требующее для изготовления специальных материалов и высокой культуры обслуживания.

Еще одним методом использования электрических сил для очистки воздуха от мелкой и трудноулавливаемой пыли является электрокоагуляция. В аппарате поток загрязненного пылью воздуха разделяется на две части в двух каналах, в которых пылинки приобретают заряды разного знака. После этого их соединяют опять. Под действием кулоновских сил разнозаряженные частички притягиваются, коагулируют до значительных размеров и оседают далее либо в инерционном канале, где их скорость резко падает, либо в циклоне. Таким способом на предприятиях «Ураласбест» собирается и используется до 100 т пыли в час.

Очистка воды от примесей. Загрязненные воды содержат, как правило, огромное количество примесей, обладающих различными физико-химическими свойствами. Например, технологическая вода машиностроительного предприятия может быть загрязнена маслами, твердыми частицами, растворенными солями, ионами тяжелых металлов, кислотами и т. п. Не менее сложен состав канализационных стоков жилого сектора города, которые в дополнение к названным компонентам, содержат еще и моющие средства, труднорастворимые жиры и прочее.

Обилие разнородных компонентов определяет сложность очистки жидких сбросов. Очистные сооружения, как правило, представляют собой многоступенчатые системы, использующие физические, химические и биологические методы.

На первой ступени очистной системы отделяются крупные твердые предметы и частицы, например куски дерева или пластмасс, тряпки, на второй, мелкие частицы (песок, кусочки металлический стружки), далее идет отбор масел, органики, потом отделение растворенных солей, ионов металла и т. п.

Самый простой способ очистки воды отстаивание, механизм которого состоит в отделении примеси от воды в поле гравитационных сил. Процесс отстаивания может происходить в неподвижной жидкости и в потоке.

Движение взвешенных частиц в вязкой жидкости впервые рассмотрел Рэлей, он предложил для силы трения полуэмпирическую формулу:

Fтр = μR_eη²/ρ

где ρ – плотность частицы, η, – коэффициент динамической вязкости, μ – коэффициент сопротивления, R_e – число Рейнольдса, характеризующее режим обтекания частицы (ламинарный, промежуточный, турбулентный) (рис. 83). Для простого случая осаждения шарообразных частиц диаметром d (меньше 1 мм) в ламинарном режиме сила трения определяется по формуле Стокса:

F_тр = 6πηrv,

скорость осаждения из суммы сил, действующих на частицу:

v = (gd²/18η) (ρ – ρ_ж).

Аналогичное явление исследуется в стандартной лабораторной работе по курсу молекулярной физики. Однако движение дробинки в масле является плохой моделью реального явления, так как скорости осаждения частиц взвеси значительно ниже, к тому же по мере осаждения происходит коагуляция, т. е. укрупнение частиц за счет довольно сложного механизма взаимодействий Ван-дер-Ваальса. Кроме того, в реальных условиях в воде взвешены, как правило частицы разного размера.

Рис. 83. Метод отстаивания

Рис. 84. Динамика осаждения

Процесс осаждения хорошо иллюстрируется графиком (рис. 84), на котором показана зависимость количества взвеси, перешедшей в осадок от времени. Очевидно, что в начале осаждения (15–20 мин) выпадение осадка происходит довольно активно, в дальнейшем, после времени t_i, процесс замедляется, так как, во взвеси остаются мелкие частицы, на осаждение которых сильное влияние оказывает тепловое движение молекул жидкости. Количество взвеси, полностью перешедшей в осадок, описывается уравнением:

q_i = p_i – t_i (dP/dt), где dp/dt = tgα

В реальных условиях при необходимости очистки больших количеств воды, осаждение осуществляется в потоке. Например, очистка стоков ливневой канализации. В этом случае каждая частица находится в сложном движении, характеризуемом несколькими составляющими вектора скорости: v_г – горизонтальная, v_B – вертикальная, и w – вертикальная составляющая, подчиняющаяся закону случайных явлений Гаусса. Следовательно, размеры отстойника для гарантированного осаждения большей части взвеси будут определяться этими тремя составляющими вектора скорости. Длина отстойника из простых геометрических соображений определяется по формуле:

l = (hv_r)/ k(v_в – w)

где к – экспериментальный коэффициент, вводимый при определении среднего значения v_r.

Наиболее эффективны при механической очистке воды гидроциклоны, дающие возможность отделения и отбора фракции с различной плотностью. Вспомним эффект чаинок в чашке, если вращать воду, они собираются в центре.

Осаждение взвеси еще не решает проблему до конца, так как осадок нужно периодически удалять из системы, отделять от него воду, перерабатывать или захоранивать, если он сильно токсичен или трудно поддается переработке.

Примером такой проблемы являются гигантские количества лигнина, удаляемого из сточных вод любого целлюлозно-бумажного комбината. На Байкальском ЦБК он складируется в виде желеобразной массы в огромных хранилищах на в скалистых берегах Байкала. Опасность заключается в том, что район Байкала сейсмичен и при значительном землетрясении хранилища могут быть прорваны и сотни тысяч тонн линина хлынут в Байкал, создавая на своем пути селевые потоки. Результатом такой аварии будет гибель байкальской экосистемы.

Проблема переработки миллионов тонн лигнина, постоянно накапливающегося на многочисленных ЦБК страны, еще не решена. Ее решение даст стране сотни миллионов рублей экономии. Одним из способов деструкции лигнина является его обработка радиоактивным излучением.

Рис. 85. Метод осмоса

Широкое применение опреснения воды находит явление осмоса в различных проявлениях (прямой и обратный осмос, электроосмос или электродиализ). Осмос, как известно, заключается в избирательном прохождении некоторых молекул через пористые перегородки. Происходит это от того, что., например в водном растворе NaCl молекулы воды связаны ионами Na⁺ и Cl^-, поэтому их подвижность меньше, чем в чистой воде. В результате этого вероятность перехода воды из части В в А больше (рис. 85), и концентрация раствора в А будет понижаться. Уровень раствора поднимается до некоторой высоты, соответствующей осмотическому давлению Р₀. Равно оно:

Р₀ = nkT,

где n – концентрация молекул растворенного вещества, k – постоянная Больцмана.

Это явление наблюдали многие из нас, купаясь в пресной и морской воде. В пресной воде открыть глаза больно, а в морской – нет, так как солевой состав морской воды и жидкости внутри глаза примерно одинаков.

Если же приложить давление к поверхности раствора в части сосуда А, то чистая вода будет перетекать в В. Таким образом из морской воды можно «выдавливать» чистую воду. Давление должно быть порядка 5 МПа (50 атм). Этот метод широко используется в странах с засушливым климатом и выходящих на море, например в Саудовской Аравии для опреснения морской воды.

Электрические методы очистки воды применяются достаточно широко. Давно известен электролиз водных растворов солей, когда на электродах при прохождение тока через раствор осаждаются ионы металла и ионы кислотного остатка.

Это явление описывается законом Фарадея:

M = A/b × q/F

где, А – атомная масса, b – валентность элемента или соединения, q – количество электричества, F – число Фарадея. Из этой формулы легко найти силу тока и время для полного выделения, например, меди из раствора медного купороса. При этом можно сравнить стоимость меди и стали при получении в электролизе и традиционной выплавке. Стоимость одной тонны медного литья 300 000 руб., стального литья – 150 000 руб. Если рассчитать стоимость выделения одной тонны меди при электролизе по формуле Фарадея, то окажется, что электролитический метод дешевле, при промышленной цене за электроэнергию – 3,8 руб. за 1 кВт. Кстати, на этом явлении основан получивший широкое распространение метод электрошлаковой плавки.

Однако, метод электролиза, рис. 86а, не дает высокой очистки, так как продукты выделения а электродах будут опять диффундировать в растворе и образовывать молекулы соли. Для предотвращения диффузии обратно в раствор продуктов осаждения электроды окружают полупроницаемой перегородкой-мембраной (рис. 86б) из ионообменных смол. Действие мембраны таково, что она пропускает ионы только в одном направлении к тому же, каждая мембрана проницаема только для катионов или анионов. В результате такой односторонней избирательной проницаемости мембран концентрация солевых компонентов в средней части устройства будет уменьшаться.

Рис. 86. Метод электролиза

На практике применяются аппараты, состоящие из множества камер (до 100), дающие возможность очищать проточную воду. Электродиализ применяется в тех случаях, когда очистку нужно провести быстро в течение нескольких часов.

Очищенную воду, прошедшую все стадии очистки, целесообразно не сбрасывать в водоемы, а снова использовать в технологическом процессе или быту. Применение таких систем оборотного водопользования является единственным решением экологической проблемы водных ресурсов. Имеются отдельные примеры оборотного водопользования в энергетике, химической промышленности, машиностроении, автотранспорте (мойка машин), но эти примеры пока еще не складываются в систему рационального водопользования. Оборотное водопользование должно стать повсеместной нормой в нашем народном хозяйстве.

Любому делу, чтобы оно было завершено и сделано хорошо, должно предшествовать Знание, знание глубокое с большой буквы. В своих повседневных делах мы очень часто видим, как нарушается это золотое правило. Особенно это ощутимо в нашем отношении к природе.

Прогресс общества осуществлялся и пока еще осуществляется в основном за счет потребления ресурсов и знание направлено на то, как их взять больше и быстрее. Для этого мы создали гигантские экскаваторы высотой с десятиэтажный дом, пробурили землю на километры вглубь, опустились на дно самой глубокой впадины океана и. т. д. и т. п.

Такой путь развития мы назвали «научно-технический прогресс» для его обеспечения мы сформировали глубокие знания о природе вещей, о структуре вещества, о взаимодействии структурных элементов, о свойствах вещества.

Мы можем сказать, что создание физической картины мира, в основном, завершено, за исключением лишь нескольких мозаичных фрагментов. Это огромное достижение человечества, и мы гордимся им, но к гордости примешивается горечь за неразумное и однобокое использование этого достижения, так как большую часть этого могучего арсенала знаний и богатство человеческого опыта мы направляем на то, чтобы как можно больше взять у природы и эффективнее уничтожить друг друга.

Сейчас, мы начинаем осознавать необходимость изменения курса в развитии цивилизации. Этот курс должен быть направлен на рациональное и сбалансированное природопользование. Выйти на этот путь удастся лишь в том случае, если овладеем экологическими знаниями и сумеем глубоко понять то, что мы и природа – единое целое, а не антагонисты, стоящие по разные стороны барьера.

Материал, изложенный в этой книге может быть использован учителем школы и преподавателем физики ВУЗа на уроках и лекциях, при составлении задач с экологической направленности, в экспериментальном практикуме – лабораторном и полевом, при написании рефератов и дипломных работ, в проектировании.

Вопросы, задачи и эксперименты с экологическим содержанием для 7–9 классов можно найти в пособиях автора в серии «Физика. Человек. Окружающая среда – 7», – 8, – 9, выпущенных издательством «Просвещение» до 2004 года и рекомендованных Министерством образования РФ для средней школы.

1. Диличенский Г. и др. Глобальные проблемы современности. – М. Мысль. 1981.

2. Brubaker S. То life on Earth. Man and his Environment in Perspective. Baltimore-London. 1972.

3. Гиренок Ф. И. Экология, цивилизация, ноосфера. – М. Наука. 1987.

4. Вернадский В. И. Размышления натуралиста. – М. 1977.

5. Агес П. Ключи к экологии. Ленинград. 1982.

6. Иващенко В. Земля. //. Новый мир. № 1. 1986.

7. Горшков В. Г., Дольник В. О. // Успехи физических наук. Вып. 3. 1980.

8. Рыженков А. П. Радиационный баланс Земли. Физические проблемы экологии. № 18. – М. МГУ. 2012.

9. Рыженков А. П. Изучение энергетики. //Физика в школе. № 1. 1986.

10. Кларк Р. Более чем достаточно. – М. Энергоатомиздат. 1984.

11. Сивинцев Ю. В. Радиация и человек. – М. Знание. 1987.

12. Fetter S. Taipick N. Catastrophic relies of radioactivity. // Scientific American. № 4. 1984.

13. Marlay S. Energy conservation strategy. // Science. № 46. 1984.

14. Голдовская Л. Ф. Химия окружающей среды. – М. Мир. 2005.

15. Каулов Б., Кирх В. // Гидрология и метеорология. Т. 30. Кн. 1. 1987.

16. Беляев Е. В., Годлевский А. П. //Квантовая электроника. С. 1510. Т. 5. Вып. 12. 1978.

17. Шоу Р. //Физические методы контроля атмосферы. В мире науки № 2. 1987