Термодинамические ограничения экстенсивного развития

Пока энтропийный баланс Земли остается отрицательным, пока планета успевает выбрасывать накапливающийся в геосфере «мусор», до тех пор сохраняется принципиальная возможность устойчивого развития земных систем — географических, биологических и социальных.

Устойчивое развитие (sustained development) — широко используемый сейчас термин, перекочевавший из специальных экологических исследований в лексикон международной политики и средств массовой информации. Термин достаточно многогранен, но, в общем, его смысл можно передать как уверенное сохранение тенденций поступательного прогресса, надежное исключение возможности деградационных явлений, экологических и социальных катастроф.

Но обязан ли энтропийный баланс Земли оставаться отрицательным вечно? Для ответа рассмотрим динамику изменения статей баланса.

Входящий с солнечным светом поток энтропии зависит от светимости Солнца и температуры его поверхности. Из астрофизики известно, что наше светило относится к классу стабильных звезд. Результаты как теоретического моделирования эволюции Солнца, так и геологических исследований показывают, что на протяжении земной истории ни поток солнечного излучения, ни его температура не испытывали изменений, которые можно было бы назвать существенными. Такая стабильность сохранится и в течение ближайших 3–7 миллиардов лет. Поэтому входящий поток энтропии DS_вх можно считать практически неизменным.

Поток энтропии, выбрасываемой в космос, DS_вых, также не должен существенно измениться в обозримом будущем. Он зависит от средней температуры Земли T₂, изменения которой даже во времена ледниковых периодов не превышали 2–3 %[41]. В наиболее пессимистических прогнозах глобального потепления предсказывается возможное повышение температуры лишь на 5–10°. Есть еще зависимость DS_вых от состояния поверхности и атмосферы Земли, но и она находится в пределах ±5%[42]. Таким образом, и эту статью баланса можно считать почти постоянной величиной.

Наиболее динамичной составляющей энтропийного баланса Земли является производство энтропии в геосфере DS_З. Как уже говорилось, энтропия производится в ходе любого процесса. Чем интенсивнее идут процессы (лю­бые!) на планете, тем больше DS_З. Интенсивность земных процессов, высокая сама по себе (сра­в­ните изменчивые формы земной поверхности с застывшим миром нашего спутника, Луны), испытала резкое ускорение с возникновением жизни (п. 5.3.5). Не зря В.И. Вернадскийназвал деятельность живых существ одним из основных факторов геологической истории. В еще большей степени возросла скорость производства энтропии с возникновением цивилизации и выходом ее на стадию промышленного развития. В некоторых случаях рост произошел в астрономическое число раз.

Вот один пример. Каждое ядро природного урана-235 испытывает деление в среднем раз в миллиард лет. При делении высококачественная внутриядерная энергия превращается в тепловую, что связано с увеличением энтропии. Впрочем, в расчете на год производство энтропии оказывается невелико из-за большой длительности процесса.

Что делает человек? Он добывает урановую руду, обогащает ее и использует в атомном реакторе, где деление ядер искусственно ускоряется и происходит за месяцы (а в атомной бомбе — вообще за доли секунды). Если бы даже при этом производилось столько же энтропии, сколько при естественном распаде, то и тогда ускорение производства энтропии составило бы миллиарды раз. А ведь, кроме того, ускорение любого процесса приводит к увеличению полного количества произведенной в его ходе энтропии.

4.6.4. Глобальный экологический кризис: возможности преодоления

Быстрый рост производства энтропии вследствие развития цивилизации может привести к нарушению энтропийного баланса Земли. Если сумма производства энтропии в геосфере и входящего с солнечным светом энтропийного потока станет больше выходящего потока, то с каждым годом энтропия планеты в целом будет возрастать. А рост энтропии, как мы уже знаем, проявляется как увеличение беспорядка и разрушение имеющихся структур. В первую очередь разрушаются структуры, возникшие последними, находящиеся на вершине экологической пирамиды. Ну, а самой молодой из глобальных земных структур является человеческое общество.

Имеются признаки, свидетельствующие, что мы уже подошли к опасному рубежу, за которым знак энтропийного баланса планеты изменяется. Эти признаки — знакомые всем симптомы глобального экологического кризиса: загрязнение окружающей среды, уменьшение биологического разнообразия, разрушение природных механизмов саморегуляции и связанное с этим снижение устойчивости экосистем… С точки зрения термодинамики, всё это — проявления недостаточно эффективного удаления энтропии, неспособности естественного мусоропровода «Земля–Космос» справиться с нарастающим потоком отходов.

Как отсрочить, а лучше — предотвратить нарушение энтропийного баланса Земли? Поскольку проблема достаточно остра, то и решения часто предлагаются самые радикальные.

Наиболее экстремистская точка зрения заключается в том, что надо закрыть все электростанции, ликвидировать все вредные производства (а невредных производств не бывает) и фактически вернуться к натуральному хозяйству. Не говоря уже о том, что неясно, какими политическими средствами можно было бы провести в жизнь этот проект и как обеспечить с помощью натурального хозяйства существование нынешнего шестимиллиардного населения Земли, это представляется нереальным и с точки зрения более фундаментальных соображений. Во-первых, наша цивилизация — эволюционирую­щая система, а это означает, что она не просто существует в развитии, но и может существовать только в развитии. Любая попытка остановить развитие, а тем более попытка вернуться назад, означает гибель этой системы. Во-вторых, эволюция, как отмечалось в п. 1.4, есть процесс необратимый, не допускающий возвращения в однажды пройденное состояние. Максимум, чего здесь можно добиться — внешнего сходства, подобия. Можно лишь декорировать старинным фасадом современное жилье, пронизанное инженерными коммуникациями.

В более умеренных предложениях заводам и электростанциям дозволяется существовать, но лишь при условии, что они будут переведены на полностью безотходное производство. При оценке этой точки зрения надо договориться о смысле слова «без­отход­ный».

Слово «отходы» ассоциируется обычно с нежелательными химическими веществами, возникающими при производстве продукта и не входящими в его конечный состав. Но, во-первых, сам продукт после использования может превратиться в отходы (пример — пластиковые бутылки, которые занимают все большую долю в объеме бытового мусора). Во-вторых, отходы — это не только химические вещества.

Современные тепловые электростанции, особенно работающие на жидком топливе, не выбрасывают в атмосферу практически ничего, кроме углекислого газа и водяного пара. Можно ли назвать их безотходными? Нет! Даже если пренебречь тем, что накопление углекислого газа в атмосфере усиливает парниковый эффект и создает угрозу глобального потепления, не надо забывать о том, что около 60% энергии сгорания топлива сразу превращается в низкокачественную тепловую энергию с повышенным содержанием энтропии. Такая электростанция создает тепловое загрязнение окружающей среды — явление, хорошо известное экологам-про­фес­си­о­на­лам. Проявляется оно, например, в том, что температура в реке или озере, куда спускают теплую воду из охлаждающих систем электростанции, повышается. В результате исчезают ценные виды животных и растений, но появляются другие, нежелательные, с которыми приходится бороться (например, ряска). Кстати говоря, те 40%, которые вроде бы превратились в электроэнергию, в результате использования последней рано или поздно тоже приобретут форму тепловой энергии при температуре окружающей среды.

Таким образом, если требовать создания действительно безотходного производства, то эта задача невыполнима: в ходе любой деятельности энтропия, то есть отходы в той или иной форме, неизбежно производится. Если же речь идет о прекращении выброса в окружающую среду не свойственных ей химических веществ, то эта цель, в принципе, достижима. Однако рассчитывать на ее достижение в ближайшем будущем не приходится — задача слишком сложна.

Наиболее эффективным представляется путь, не связанный с какими-то сверхреволюционными идеями: путь экономии. Один и тот же продукт, удовлетворяющий потребности людей, можно про­из­вести, заплатив разную энтропийную цену. Это разрешено термодинамикой: известно, что производство энтропии при переходе системы из одного состояния в другое зависит от способа перехода. Можно, например, обеспечить автомобилю необходимый запас прочности путем усиления всех несущих конструкций избыточным металлом, а можно сделать это путем более тщательного расчета нагрузок, возникающих при эксплуатации, и соответствующей доработки конструкции. Можно строить дома, продуваемые насквозь, и потом через щели и открытые форточки отапливать атмосферу, а можно потратить чуть больше денег на качественные стройматериалы и современное инженерное оборудование жилья — и уменьшить количество энергии, необходимой для отопления, соответственно сократив производство энтропии. О величине имеющихся здесь резервов свидетельствует, например, тот факт, что расход энергии на отопление одного квадратного метра жилья в России в пять-семь раз больше, чем в скандинавских странах [43]или Канаде.

Не составляет труда продолжить список таких примеров. В развитых странах уже завершился этап научно-технической революции, связанный с переходом промышленности на материало- и энергосберегающие технологии. Переход был подстегнут энергетическим кризисом 70-х годов, показавшим, что эра дешевого сырья и энергии закончилась. С 1972 по 1985 г. средняя стоимость электроэнергии и угля в США возросла вдвое (с вычетом поправок на инфляцию), а природного газа — вчетверо. Кроме того, значительно возросли расходы на соблюдение требований природоохранного законодательства. На системы газоочистки и золоудаления современных американских тепловых электростанций приходится 40% капитальных затрат и 35% эксплуатационных расходов.

Присущие рынку обратные связи заставили задуматься о том, как повысить эффективность использования имеющихся ограниченных ресурсов. Оказывается, что возникающие здесь задачи не являются непосильными. Достаточно простые оценки говорят, что постоянное, пусть даже небольшое, снижение ресурсоемкости производства позволяет полностью снять остроту проблемы истощения запасов. К. К. Ре­бане, физик, активно разрабатывающий проблему термодинамических ограничений развития цивилизации, приводит следующий пример: чтобы запасов каменного угля в США хватило навсегда, достаточно сокращать его потребление всего лишь на 0,03% в год, или на 3,5% в столетие!

Способы повышения эффективности производства (по­ни­маемой в термодинамическом и глобально-эко­ло­ги­чес­ком смысле) не лежат на поверхности. Более эффективное производство оказывается более сложным, тоньше организованным, постоянно требующим новых инженерных и управленческих технологий. Именно поэтому тот этап современной научно-технической революции, который разворачивается на наших глазах, связан с выдвижением информации на роль главного производственного ресурса. Не угля, не стали, не нефти, а информации! В силу того, что информация — антиэнтропийный фактор, повышение информационной емкости производства можно рассматривать как тенденцию к снижению энтропийной нагрузки на геосферу, к уменьшению производства энтропии. Для обеспечения устойчивого развития важно сохранять и поддерживать эту тенденцию.

В заключение этого раздела обсудим два следующих вопроса.

Во-первых, нельзя ли поддерживать отрицательный энтропийный баланс Земли не борьбой за снижение производства энтропии, а повышением скорости удаления отходов с планеты? Этот путь представляется довольно затруднительным. В принципе, уже сейчас технически возможно загружать ракеты хотя бы самыми вредными отходами (на­при­мер, радиоактивными) и отправлять их прямиком в Солнце. Однако делать так было бы, мягко говоря, нецелесообразно. С одной стороны, стоимость выведения 1 кг груза даже на низкую околоземную орбиту составляет более $1000. Вряд ли кто-нибудь сможет оплачивать такие дорогие услуги мусорщиков. С другой стороны, каждый запуск космического аппарата сам связан с серьезным загрязнением окружающей среды. Одна из наиболее эффективных на сегодняшний день (по отношению веса полезной нагрузки к стартовому весу ракеты) система «Энергия» для вывода 100-тонного аппарата в околоземный космос сжигает 2000 тонн топлива.

Во-вторых, осознание фундаментальных ограничений на интенсивность человеческой деятельности на Земле ведет к постоянному возрастанию роли экологических соображений при обсуждении целесообразности любого крупного проекта. В качестве показательного примера можно привести проекты строительства радиомаяка для сигнализации возможным внеземным цивилизациям о нашем существовании. Во время пионерского периода исследований по проблеме внеземных цивилизаций считалось, что такой радиомаяк должна строить каждая цивилизация, как только это позволят ее энергетические ресурсы. Когда исследования вступили в фазу зрелости, было осознано, что энтропия, производимая при функционировании радиомаяка, создает такую экологическую нагрузку на среду обитания, что мириться с ней можно лишь при совершенно отчаянной нужде в общении с братьями по разуму…

4.7. Проблема «тепловой смерти Вселенной»

Установление второго закона термодинамики привело к осознанию еще одной фундаментальной проблемы мировоззренческого значения, которая получила название проблемы «тепловой смерти Вселенной». Она не нашла окончательного разрешения и до сих пор.