WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Издание девятое, исправленное и дополненное Рекомендовано Министерством образования ...»

-- [ Страница 8 ] --

Клонирование эукариотных (ядерных) генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагмен ты геномов животных и растений для их анализа кло нируют именно в микроорганизмах. Для этого в каче стве молекулярных векторов — переносчиков генов — используют искусственно созданные плазмиды, а так же множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.

С помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии для иден тификации некоторых микробов позволяют следить за их распространением, например, внутри больницы или при эпидемиях.

Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое —улучшение уже существующих вакцин и создание комбинированной вакцины, т. е. состоящей из нескольких вакцин. Второе направление — получение вакцин против болезней:

СПИДа, малярии, язвенной болезни желудка и др.

За последние годы генные технологии значитель но улучшили эффективность традиционных штаммов продуцентов. Например, у грибного штамма-продуцен та антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, Л1П т/и кодирующих экспандазу, активность которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15 — 40%.

Проводится целенаправленная работа по генетичес кой модификации свойств микробов, используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промыш ленности, пивоварении и виноделии, чтобы увеличить устойчивость производственных штаммов, повысить их конкурентоспособность по отношению к вредным бак териям и улучшить качество конечного продукта.

Генетически модифицированные микробы прино сят пользу в борьбе с вредными вирусами, микробами и насекомыми. Вот примеры. В результате модификации тех или иных растений можно повысить их устойчи вость к инфекционным болезням. Так, в Китае устойчи вые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращи вают уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, карто фель и кукуруза, устойчивые к грибкам.

В настоящее время трансгенные растения про мышленно выращиваются в США, Аргентине, Канаде, Австрии, Китае, Испании, Франции и других странах.

С каждым годом увеличиваются площади под трансген ными растениями (рис. 8.5, стр. 472). Особенно важно использовать трансгенные растения в странах Азии и Африки, где наиболее велики потери урожая от сорня ков, болезней и вредителей и в то же время больше всего не хватает продовольствия.

Не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению еще не известных эпидемиологам заболеваний и других нежелательных последствий? Практика показывает, что генные техно логии с начала их развития по сей день, т. е. в течение более 30 лет, не принесли ни одного отрицательного последствия. Более того, оказалось, что все рекомби нантные микроорганизмы, как правило, менее виру лентны, т. е. менее болезнетворны, чем их исходные формы. Однако биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Более правильно говорить так:

вероятность того, что это случится, очень мала. И тут, как безусловно положительное, важно отметить, что все виды работ с микроорганизмами строго регламен тированы, и цель такой регламентации — уменьшить 39, Площади пол трансгенными растениями (не считая Китая) Среди промышленно выращиваемых трансгенных растений доля устойчивых к гербицидам составляет 71% устойчивых к вредителям — 22%, устойчивость к гербицидам и вредителям — 7% Основные культуры трансгенных растений (посевы в 1999 г.):

соя — 54%, кукуруза — 28%. f?

хлопок — 9%, рапс — 9%, картофель —0,01% Рис. 8.5. Трансгенпые растения сегодня вероятность распространения инфекционных агентов.

Трансгенные штаммы не должны содержать генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект.

• 8.10. Проблема клонирования Родился ягненок, генетически неотличимый от особи, давшей соматическую клетку. Может быть, со матическая клетка человека способна породить новый 472 полноценный организм? Клонирование человека — это Глава 8. Естестестественно-научные аспекты технологий шанс иметь детей для тех, кто страдает бесплодием;

это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходят в негодность;

наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном — воспроизвести ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте таких воз можностей. Подобными аргументами в 1997— 1998 гг.

были переполнены различные источники массовой ин формации во многих странах.

По принятому в науке определению, клонирова ние — это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Воспро изведенные копии обладают идентичной наследствен ной информацией, т. е. имеют одинаковый набор генов.

В ряде случаев клонирование живого организма не вызывает особого удивления и относится к отработан ной процедуре, хотя и не такой уж простой. Генетики получают клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза — беспо лым путем, без предшествующего оплодотворения.

Естественно, те особи, которые развиваются из той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. В на шей стране блестящие работы по подобному клониро ванию выполняют на шелкопряде. Выведенные клоны шелкопряда отличаются высокой продуктивностью по выработке шелка и славятся на весь мир.

Однако речь идет о другом клонировании — о по лучении точных копий, например, коровы с рекордным надоем молока или гениального человека. Вот при та ком клонировании и возникают весьма и весьма боль шие сложности.

Еще в далекие 40-е годы XX в. российский эмбри олог Г.В. Лопашов разработал метод пересадки (транс плантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948 г.

он отправил в «Журнал общей биологии» статью, на писанную по материалам своих экспериментов. Одна ко, на его беду, в августе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, по воле партии утвердив шая беспредельное господство в биологии агронома Т.Д. Лысенко, создателя псевдонаучного учения, и на- _..„ бор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассы- т/и пан, поскольку она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном раз витии организмов. Эту работу забыли, а в 50-е годы XX в. американские эмбриологи Бриггс и Кинг выпол нили сходные опыты, и приоритет достался им, как это иногда случалось в истории российской науки.

В феврале 1997 г. сообщалось о том, что в лабора тории шотландского ученого Яна Вильмута в Рослин ском институте (Эдинбург) разработан эффективный метод клонирования млекопитающих, и на его осно ве родилась овца Долли. Говоря доступным языком, овца Долли не имеет отца — ей дала начало клетка матери, содержащая двойной набор генов. Известно, соматические клетки взрослых организмов содержат полный набор генов, а половые клетки — только половину. При зачатии обе половины — отцовская и материнская — соединяются и рождается новый организм.

Как же производился опыт в лаборатории Яна Вильмута? Сначала выделялись ооциты, т. е. яйцеклет ки. Их извлекли из овцы породы Шотландская черно мордая, затем поместили в искусственную питатель ную среду с добавлением эмбриональной телячьей сыворотки при температуре 37 °С и провели операцию энуклеации — удаления собственных ядер. Следующая операция заключалась в обеспечении яйцеклетки ге нетической информацией от организма, который над лежало клонировать. Для этого наиболее удобными оказались диплоидные клетки донора, т. е. клетки, не сущие полный генетический набор, которые были взя ты из молочной железы взрослой беременной овцы. Из 236 опытов успешным оказался лишь один — и роди лась овечка Долли, несущая генетический материал взрослой овцы. После этого в различных средствах информации стала обсуждаться проблема клонирова ния человека.

Некоторые ученые считают, что практически не возможно возвратить изменившиеся ядра соматичес ких клеток в исходное состояние, и при этом обеспе чить нормальное развитие той яйцеклетки, в которую их трансплантировали, и на выходе дать точную копию._. донора. Но даже если все проблемы удастся решить и т/т все трудности преодолеть (хотя это маловероятно), кло нирование человека нельзя считать научно обоснован ным. Действительно, допустим, что трансплантирова ли развивающиеся яйцеклетки с чужеродными донор скими ядрами нескольким тысячам приемных матерей.

Именно нескольким тысячам: процент выхода низкий, а повысить его, скорее всего, не удастся. И все это для того, чтобы получить хотя бы одну единственную рож денную живую копию какого-то человека, пусть даже гения. А что будет с остальными зародышами? Ведь большая их часть погибнет в утробе матери или разо вьется в уродов. Представляете себе — тысячи искус ственно полученных уродов! Это было бы преступле нием, поэтому вполне естественно ожидать принятия закона, запрещающего такого рода исследования как в высшей степени безнравственные. Что касается мле копитающих, то рациональнее проводить исследования по выведению трансгенных пород животных, геноте рапии и т. п.

Контрольные вопросы • Что такое технология?

• В чем различие естественно-научных знаний и техноло гий?

• Что представляют собой современнее информационные технологии?

• Для чего нужна унификация информационных техноло гий?

• Какова история развития вычислительных средств?

• Охарактеризуйте поколения электронных вычислитель ных машин и их функциональные возможности.

• Назовите характеристики первых отечественных ЭВМ.

• Назовите параметры самого мощного суперкомпьютера.

• В чем заключается ограниченность возможностей персо нальных компьютеров ?

• Каковы возможные пути повышения информационной плотности записи?

• Как устроен Интернет и каковы его возможности?

• Где применяются вычислительные средства ?

• Приведите цифры, характеризующие объем накапливае мой человечеством информации.

• Каковы сходства и различия между памятью человека и памятью ЭВМ?

• Как можно повысить информационную плотность записи?

Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ • Отчего зависит качество записи и воспроизведения звука и изображения?

• Охарактеризуйте голографическую память.

• Что такое нейронные сети?

• В чем заключается идея создания квантового компьютера ?

• Каковы принципы работы и потенциальные возможности альтернативных компьютеров ?

• При каких условиях мультимедийные системы способ ствуют развитию интеллекта?

• Дайте краткую характеристику микроэлектронных и на ноэлектронных технологий.

• Назовите основные этапы развития твердотельной элект роники.

• Охарактеризуйте способы повышения степени интегра ции.

• Какой закономерности подчиняется темп роста числа элементов интегральных схем?

• Какие операции составляют основу нанотехнологий ?

• Назовите основные особенности лазерного излучения.

• В чем заключается специфика работы различных лазе ров?

• Как осуществляется волоконно-оптическая связь?

• Где применяются лазерные технологии ?

• В чем сущность голографического изображения?

• Что такое распознание образов?

• Охарактеризуйте кратко историю развития ракетно-кос мических технологий.

• Назовите перспективные направления развития косми ческой индустрии.

• На чем основаны биотехнологии ?

• Поясните механизм превращения растительных отходов в ценные продукты.

• В чем заключается метод иммобилизации ферментов ?

• Из каких операций состоит генная технология ?

• Приведите примеры, подтверждающие реальную пользу от генных технологий.

• В чем заключается потенциальный риск при внедрении в практику генных технологий?

• Что такое клонирование?

• К каким последствиям может привести клонирование че ловека ?

Глава ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ • 9.1. Энергия - источник благосостояния Слово «энергия» в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным пред ставлениям, энергия — это общая количественная мера разных форм движения материи. Различают ме ханическую, тепловую, химическую, ядерную и другие виды энергии. Превращение одного вида энергии в другой подчиняется фундаментальному закону сохра нения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате тех или иных изменений состояния материальных систем (горения топлива, падения воды и т. п.). Работоспособность сис темы, т. е. способность ее совершать определенную ра боту при переходе из одного состояния в другое, опре деляется энергией. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, гото вится пища, обогреваются жилища, освещаются ули цы и т. д.

В природе существует множество форм энергии;

ею обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Миро вой океан, атмосфера, земные недра, Солнце, атом ные ядра и т. п. (рис. 9.1, стр. 478). Несмотря па ог ромное разнообразие форм энергии, для ее произ водства используются в основном несколько видов источников: ископаемое топливо (нефть, природный Д Энергия движения *v;

j электростатическая энергия Рис. 9.1. Различные формы энергии Глава 9. Естественно-научные проблемы современной энергетики энергия ветра и Солнца уголь гидроэнергия Рис. 9.2. Источники энергии газ, уголь);

ядерное топливо;

возобновляемые источ ники: вода, ветер, Солнце (рис. 9.2).

Развитие экономики, уровень благосостояния лю дей находятся в прямой зависимости от количества потребляемой энергии, на которой основаны многие виды трудовой деятельности. Для добычи руды, вып лавки из нее металла, для строительства дома и т. д.— везде нужна энергия. Энергетические потребности постоянно растут, потребителей энергии становится все больше — все это приводит к необходимости уве личения объемов производимой энергии.

Природные энергоресурсы при рациональном их потреблении и эффективной системе управления мо гут стать одним из основных источников развития эко номики и процветания. В качестве примера можно на звать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Здесь по строены большие города, по внешнему облику и инф раструктуре очень похожие на многие города такой развитой страны, как США. Проезжая, например, по городу Абу-Даби — столице Арабских Эмиратов, уто Часть IV.

пающсй в ковровой зелени и многокрасочных цветах,-— трудно поверить, что этот город, как и многие другие города Эмиратов, вырос на пустынной земле, сквозь песчаную толщу которой с большим трудом пробива ется верблюжья колючка. Такие города — эдемские уголки Арабских Эмиратов — выросли очень быстро, за каких-то двадцать-тридцать лет. Было бы ошибочно думать, что только благодаря нефти — основному ис точнику энергии — можно преобразовать пустынную землю. Продуманное государственное управление вместе с хорошо отлаженной системой образования, включающей религиозное воспитание, играют при этом не менее важную роль в развитии Арабских Эмиратов.

Очевидно, невозобновляемые энергоресурсы: нефть, газ, уголь — небезграничны. В естественных условиях они формировались сотни миллионов лет, а будут ис черпаны в течение десятков — сотен лет при современ ных темпах их потребления. Поэтому наряду с рацио нальным использованием энергии необходимо искать ее новые виды источников и повышать эффективность преобразования и потребления энергии.

9.2. Преобразование энергии Способы преобразования энергии. Потребляемая энергия производится в результате преобразования других видов энергии. Различают три основных спосо ба ее преобразования. Первый из них заключается в получении тепла при сжигании топлива (ископаемого или растительного) и потреблении его для обогрева ния жилых домов, школ, промышленных зданий и т. п.

Второй способ — преобразование заключенной в топ ливе тепловой энергии в механическую работу, напри мер, сжигание продуктов нефти обеспечивает движе ние различных видов транспорта: автомобилей, трак торов, поездов, самолетов и т. д. Третий способ — преобразование тепла, выделяемого при сгорании топ лива или делении ядер, в электрическую энергию с пос ледующим ее потреблением для различных целей. Элек троэнергия производится и при преобразовании энер гии падающей воды, ветра и Солнца. Она играет роль своеобразного посредника между источниками энер Глава 9. Естественно-научные проблемы современной энергетики Рис. 9.3. Использование основных источников энергии гии и его потребителями (рис. 9.3). Как деятельность посредника на рынке ведет к повышению цен, так и потребление энергии в виде электричества приводит к росту ее цены из-за потерь при преобразовании. В то же время в ряде случаев невозможно эффективно ис пользовать энергию, не превратив ее в электрическую.

Так, до открытия электричества энергия падающей воды (гидроэнергия) приводила в движение прядильные ма шины, мельницы, лесопилки и т. д. После преобразова ния гидроэнергии в электрическую сфера ее приме нений значительно расширилась: стало возможным по требление се на значительных расстояниях от источника. Электрическая энергия как посредник иг рает важную роль и при преобразовании ядерной энер гии.

Ископаемые виды топлива в отличие от гидроисточ ников долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, нередко и высушенный торф сжигались для обогревания жилых, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное масло, полученное 31 С.Х.Карпенков —КСЕ путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по настоящему раскрыт потенциал угля как бесценного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и работы различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями на угле. В начале XX в. уголь стали сжи гать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.

В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно даст тепло и свет, является одним из основных источников электроэнер гии и механической энергии для обеспечения огром ного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое орга ническое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства мно гих видов полезной и ценной продукции.

Химические процессы и преобразование энергии.

В недалеком прошлом во многих странах основным источником энергии был каменный уголь. Однако с течением времени добыча нефти возрастала, и к сере дине XX в. потребление нефти и угля сравнялось. Трех кратное увеличение населения в прошлом веке сопро вождалось приблизительно десятикратным увеличени ем потребления всех видов энергии.

Химические процессы — сжигание нефтепродук тов, природного газа и угля — обеспечивают производ ство значительного объема энергии во всем мире.

Световая и тепловая энергии преобразуются в элект рическую также путем химических превращений.

Химические технологии лежат в основе создания вы сококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических устано вок. Следовательно, прогресс в развитии энергетики во многом зависит от достижений современной химии.

Первая энергетическая установка промышленного масштаба — паровая машина — была создана во вто рой половине XVIII в. английским изобретателем Джей мсом Уаттом (1736 —1819). Тепловая энергия в ней пре вращалась в механическую работу. С паровой машиной долгое время конкурировало водяное колесо. Гораздо по лпп зднее — к середине XIX в.— была разработана гальва 40 ническая батарея — первый источник электрического Глава 8. Естественно-научные проблемы современной знергетики тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной связи немецкий электротехник и промыш ленник Вернер Сименс (1816— 1892) изобрел в 1866 г.

динамомашину — генератор тока, ставший отправной точкой для новых исследований и разработок многочис ленных источников электрического тока. Электроэнер гия в те времена производилась в небольших количе ствах и была слишком дорогой. Так, алюминий и маг ний, полученные электрохимическим путем в середине XIX в., стоили дороже золота и платины. С модерниза цией генератора электрического тока энергия постепен но дешевела, что способствовало бурному развитию химической промышленности.

При превращении электрической энергии в теп ловую была достигнута довольно высокая температу ра — около 3500 °С, что ранее не удавалось получить никакими другими способами. Это позволило выпла вить в чистом виде многие металлы и синтезировать не существующие в природе соединения металлов с углеродом — карбиды. Кроме того, на химических за водах стали внедряться электролитические технологии в крупных промышленных масштабах. Применение электрического тока способствовало развитию разных отраслей химической промышленности, производящей многообразные синтетические неорганические матери алы.

В настоящее время химическая промышленность — одна из самых энергоемких отраслей. Количество энер гии, необходимое для промышленного производства различной продукции, зависит от ее вида, что наглядно представлено на рис. 9.4 (см. стр. 484), где даны энер гозатраты Q, выраженные в тоннах природной нефти на 1 т продукта. Например, для производства 1 т кар бида кальция или хлора требуется не менее 3500 кВт • ч электроэнергии. Расход электроэнергии на производ ство алюминия и магния составляет 14—18 кВт«ч на 1 т. В общих затратах на производство многих видов про мышленной продукции на долю электроэнергии при ходится 18 — 25%. Для карбида кальция затраты на элек троэнергию составляют почти половину его себестои мости, для поливинилхлорида и полиэтилена 35 — 50%, для ацетальдегида 45 — 70%. С каждой тонной азотного удобрения в землю «закапываются» почти 14 000 кВт • ч _ 4ои энергии.

При дальнейшем развитии химической промыш ленности и всех видов производства чрезвычайно важ на задача рационального потребления электроэнергии.

• 9.3. Эффективность производства и потребления энергии Долгое время считалось, что сравнительно невы сокая эффективность преобразования тепловой энер гии в полезную работу обуславливается несовершен ством самого механизма преобразования. С развитием термодинамики стало ясно, что существует принципи альное ограничение полного преобразования всей теп ловой энергии в полезную работу. Такое ограничение следует из фундаментальных законов термодинамики и обуславливается необратимостью тепловых процессов.

К настоящему времени значительная часть всевозмож ных усовершенствований, направленных на повыше ние эффективности производства электроэнергии с ис пользованием пара, в основном уже осуществлена.

Если КПД первых паровых машин составлял 2 — 5%, то КПД современных энергетических систем — тепловых электростанций, работающих на том или ином виде топ лива и вырабатывающих пар для последующего преоб разования его энергии посредством турбогенератора в электрическую,— составляет более 40%. Атомные элек тростанции также вырабатывают пар, подаваемый в турбогенераторы. Их КПД не превышает 32%, а это оз начает, что только 32% тепловой энергии, выделяющей ся при делении урана, преобразуется в электрическую.

Производство электрической энергии даже с при менением современных энергетических систем сопро вождается большими потерями тепла. Особенно вели ки потери тепла, когда электрическая энергия снова преобразуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Существенными потерями сопро вождается и передача электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия ведутся работы по синтезу новых материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями.

Уже синтезированы высокотемпературные сверхпро водящие материалы. Однако для передачи электро энергии нужны такие проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах.

К большим потерям приводит и потребление элек троэнергии в химической промышленности. Например, энергетический КПД для процесса синтеза аммиака составляет 25 — 42%, для обычных способов получения винилхлорида — 12%, а для его синтеза из NO — всего лишь 5 —6,5%. В некоторых случаях высокотемператур ные химические процессы сопровождаются потерями энергии до 60 — 70%. Энергетические потери в хими ческом производстве обусловливаются чаще всего объективными причинами, связанными с уровнем раз вития не только химических технологий, но и есте ствознания в целом. Однако есть и субъективные при чины. Одна из них — сравнительно недавно разраба тывались методы превращения веществ с высоким процентом выхода конечной продукции без учета энер гетической эффективности технологических процессов.

Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов — одна из важнейших задач совершенство вания химических технологий/Возможны разные спо собы ее решения: оптимизация химических реакций, 4ой уменьшение числа стадий технологического процесса, снижение температуры и давления реакционного про цесса, приближение химических процессов к биологи ческим и, наконец, разработка новых технологий. Про блема энергосбережения охватывает не только хими ческие процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта, включающий весь ма важные стадии — добычу и первичную переработ ку природного сырья.

Новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепен но решать проблему энергосбережения. Конечно, на всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Такие меры известны— это оптимизация производственных процессов, утилизация рассеянно го тепла, улучшение изоляции и герметичности, опти мизация процессов испарения и конденсации и т. д.

Сохранение энергетических ресурсов — неотъемлемая и важнейшая задача всех отраслей материального про изводства.

9.4. Тепловые электростанции В настоящее время существенная доля электроэнер гии производится на тепловых электростанциях, где при сжигании ископаемого топлива получаются тепло и пар, подаваемый на турбогенераторы, вырабатываю щие электроэнергию. В качестве топлива используются уголь, нефтепродукты (обычно мазуг) или природный газ, а на атомных электростанциях — ядерное горючее.

Принципы работы различных электростанций во многом совпадают, отличаясь лишь способом получе ния тепла от первичного источника —- органического либо ядерного топлива. При сжигании топлива или де лении атомных ядер выделяемое тепло используется для нагревания воды и получения пара (рис. 9.5). По лученный пар с высокими температурой и давлением подается на турбину, вращающую якорь генератора электрического тока. Отработанный пар с понижен ными температурой и давлением, покидая турбину, на правляется в конденсатор, через который пропуска Глава 9. Естественно-научные проблемы современной энергетики Сжигание топлива или деление атомных нлер Рас. 9.5. Схема тепловой электростанции ется охлаждающая вода для превращения пара в воду.

В процессе конденсации пара охлаждающая вода на гревается и сбрасывается в водоем, откуда она посту пала, либо пропускается через градирни для охлаж дения и повторного использования в конденсаторе.

Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и тепловой цикл снова повто ряется.

КПД современной тепловой электростанции — около 40%. На электростанциях на органическом топ ливе охлаждающей воде передается около 75% тепло вых отходов, а остальное неиспользованное тепло от водится через дымовые трубы. Тепловые сбросы на атомных электростанциях передаются в основном воде, охлаждающей конденсаторы.

Громадное количество производимой электричес кой энергии неизбежно влечет за собой сброс чрез вычайно больших объемов тепловых отходов в ок ружающую среду— реки, водоемы и атмосферу.

Сбрасываемое тепло приводит к тепловым загрязне ниям окружающей среды. Тепловое загрязнение (пре имущественно воды) сопровождает процесс охлажде ния открытого типа, при котором охлаждающая вода поступает из внешнего резервуара (бассейна реки, во доема) и затем в нагретом состоянии после использо Ч а с т ь IV. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ II ЭКОЛОГИИ вания для конденсации пара возвращается в тот же ре зервуар, откуда она поступала. Охлаждение другого типа — с замкнутым циклом, когда тепло, получаемое охлаждающей водой, рассеивается в атмосфере при помощи градирен (башен, в которых вода охлаждается путем разбрызгивания и испарения)— приводит к тепловому загрязнению в основном атмосферы. Теп ловое загрязнение и воды, и атмосферы нарушает жизнедеятельность экосистем. Кроме того, тепловые электростанции — источник колоссального количества углекислого газа, диоксида серы и других газов, заг рязняющих атмосферу. Все это означает, что производ ство энергии на тепловых станциях — не самый луч ший и эффективный способ. В этой связи продолжает ся поиск более эффективных источников энергии.

• 9.5. Повышение эффективности энергосистем Способы повышения эффективности производства энергии. Известно несколько способов повышения эффективности производства электроэнергии: созда ние тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов, применение комбинированного способа про изводства электроэнергии, создание магнитогидроди намических установок (МГД-генераторов), разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.

На тепловых электростанциях с утилизацией теп ловых отходов тепло, полученное при сжигании топли ва или цепной реакции деления и энергетически не выгодное для превращения в электрическую энергию, используется для обогревания жилых, общественных и промышленных зданий и т. п. Такие станции произ водят и электроэнергию, и тепло.

При комбинированном способе получения элект роэнергии в парогазовых установках (ПГУ) (рис. 9.6) к обычной тепловой системе подключается газовая тур бина, подобная той, которая применяется в двигателях самолетов. В ПГУ газовая турбина приводится в дви жение потоком газов — продуктов сгорания керосина или природного газа — и вращает якорь электрогене ратора, вырабатывающего электрический ток. При этом в электричество преобразуется около 25% тепло вой энергии сжигаемого топлива. Горячие газы, поки дающие газовую турбину, нагревают паровые котлы, и полученный пар подается на паровую турбину. Эффек тивность ПГУ достаточно высока. Например, постро енная в 1999 г. в Коттаме (Великобритания) ПГУ ТЭС на 350 — 400 МВт имеет термический КПД около 60% (планируется получить и выше 60%). Для сравнения от мстим, что термический КПД введенного в эксплуата цию в 1980 г. Костромского энергоблока на 1200 МВт составляет около 39%. Специалисты считают, что к 2005 — 2010 гг. термический КПД удастся повысить для угольных энергоблоков до 60% (сейчас он не превыша ет 50%) и до 75% для энергоблоков на газе с минималь ными выбросами оксидов азота, серы и золы. Такие довольно высокие показатели будут достигнуты при дальнейшей модернизации газовых турбин, систем га зификации и горячей очистки синтез-газа, топливных элементов и комбинированных технологий, при разра ботке перспективных материалов и систем эффектив ного управления всеми технологическими процессами производства электроэнергии.

Один из способов повышения эффективности про изводства энергии — применение МГД-генераторов.

Сущность его заключается в следующем. В образующи еся при сгорании топлива горячие газы добавляется металлический калий, который легко ионизируется с образованием заряженных частиц. Поток горячего газа с заряженными частицами в виде низкотемпературной плазмы направляется в специальный канал, окружен ный катушками с током, создающими магнитное поле.

При движении и перераспределении заряженных ча стиц в магнитном поле возникает электрический ток, который снимается с помощью электродов, располо женных вдоль канала. После выхода из канала горя чие газы используются для получения пара, направля емого в турбину, соединенную с генератором, дающим электрический ток. В МГД-системе происходят два про цесса: один из них — энергия электропроводящей низ котемпературной плазмы напрямую преобразуется в электрическую, а другой — тепловая энергия превра щается в электрическую. Предполагается, что комби нация МГД-генератора с обычной теплоэлектрической системой позволит получить КПД до 65%. Работы по практическому применению МГД-генераторов для про изводства электроэнергии ведутся с конца 50-х годов XX в. Однако пока достигнут КПД не выше 40%, поэто му они не нашли широкого промышленного примене ния для производства электроэнергии.

Проблемы прямого преобразования энергии. Пря мое преобразование химической энергии в механичес кую происходит, например, при сокращении мышц.

Подобное преобразование удалось имитировать в ла бораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая под влиянием щелочей растягивает ся вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а под дей ствием соляной кислоты сокращается. В результате такой деформации пленка может совершать полезную механическую работу. Для возбуждения процессов сжатия и расширения в лабораторных моделях при менялись коллагенные белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций.

Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в разработанных срав нительно недавно химических лазерах, в которых ато _ п п мы возбуждаются за счет энергии химических реак ции ций. Однако КПД такого преобразования очень низок.

Приведенные способы прямого преобразования энер гии вряд ли найдут применение для промышленного производства энергии.

Электроэнергия на тепловых электростанциях производится по известной схеме: химическая энер гия топлива — тепловая энергия ~> механическая > энергия — » электроэнергия. При прямом преобразова нии химической энергии в электрическую повыша ется КПД и экономятся природные ресурсы. Поэто му по мере истощения ископаемых энергоресурсов и повышения требований к экологической чистоте энергетических установок и транспорта как одного из основных потребителей энергоресурсов, вклад хими ческих источников электроэнергии с прямым преоб разованием в общие энергоресурсы с течением вре мени будет возрастать. Предполагается, что производ ство, например, автомобилей с электрохимическими источниками энергии существенно возрастет уже в ближайшем будущем (рис. 9.7).

Устройства с прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фона рика, и различного рода аккумуляторы. В предложен ных сравнительно недавно топливных элементах так же происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Принцип их действия ана логичен принципу действия электрохимических эле ментов. Однако электроды топливных элементов слу 2000 2020 2040 2060 2080 2100 годы Рис. 9.7. Рост производства автомобилей с разными источниками энергии Ч а с т ь IV. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ Катод Анод Рис. 9.8. Водород-кислородный топливный элемент жат катализатором и не принимают непосредственно го участия в выработке электроэнергии. Так, в водо род-кислородном топливном элементе топливо окисля ется на аноде, высвобождая электроны (рис. 9.8). В ре зультате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготавливается из пористого ни кель-керамического сплава с включением никелевых ча стиц, а катод — из того же сплава с включениями час тиц серебра. Из 1 кг водорода в водород-кислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. В таком элементе образуется вода, а не вред ные выхлопные газы. Почему же они широко не вне дряются и не приходят на смену бензиновым двигате лям? Ответ на этот вопрос включает пока нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Во-пер вых, водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать. Во-вто рых, безопасные хранение и транспортировка водоро да требуют дальнейших технических усовершенство ваний. Тем не менее, в 1999 г. фирма BMW выпустила первые модификации автобусов и легковых автомоби лей на водороде и построила для них в аэропорту Мюнхена (Германия) первую водородную автозапра 482 вочную станцию. Совсем недавно фирма «Дженерал Глава 9. Естественнонаучные проблемы современной энергетики Моторс» разработала легковой автомобиль с двига телем на водороде. Одна его заправка обеспечивает пробег 800 км. Такой двигатель отличается высокой экономичностью — его КПД достигает 85%, что при мерно в 2 раза превышает КПД бензинового двигате ля. При этом водородный двигатель не дает вредных выбросов — отработанным продуктом является вода.

Для широкого внедрения водородных двигателей необходимо решить проблему дешевого производства водорода. Возможно, в ближайшем будущем ее удастся решить, если водород подобно нефти будет извлекать ся из недр Земли. Проведенные недавно исследования наших соотечественников-геологов показали, что в результате электромагнитного зондирования на глуби не 5—6 км наблюдается аномальное явление, которое, как предполагается, связано с наличием бескислород ных сплавов и соединений на основе кремния, магния и железа. Если такое предположение подтвердится при глубинном бурении, то откроется возможность качать горячий водород прямо из Земли, ведь при взаимодей ствии кремния и магния с водой выделяются водород и тепло. Для этого достаточно пробурить две скважи ны — в одну закачивать воду, а из другой извлекать нагретый водород. Это позволит в большом количестве производить дешевые энергоресурсы — водород и сопутствующее тепло, и тогда водородная автозаправ ка станет обычным делом.

В последние годы все больше внимания уделяется не только автомобилю с водородным двигателем, но и электромобилю. Не так давно фирма BMW продемон стрировала новый электромобиль на основе серно-на триевого аккумулятора. Он набирает за 20 с скорость 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет 270 км. Однако рабочая температура серно-натриево го аккумулятора сравнительно высокая — около 350 "С, что сопряжено с дополнительными мерами безопас ности.

Первые электромобили появились не сегодня, не вчера, а гораздо раньше. Например, в США к началу XX в. выпускалось 38% автомобилей с электрическим приводом и питанием от батарей. К 1912 г. американ ские компании ежегодно производили примерно 6000 _п„ электромобилей. Длина их пробега без подзарядки была HuiJ не так уж мала и для нашего времени — 80 км. Свое образный электропривод нашел применение в совре менном самом большом грузовике мира — самосвале с грузоподъемностью 330 т и общей массой 500 т. Мощ ный двигатель (3000 л.с.) вращает электрогенератор, а в ступицах его колес смонтированы электродвигатели.

Такой гигант успешно работает в одном из карьеров Вайоминга (США).

Разрабатываются и легкие электротранспортные средства: электромопеды, электророллеры, мини-элек тромобили — на никель-металлогидридных аккумуля торах, обладающих в 2 — 3 раза большей удельной энер гоемкостью, чем свинцово-кислотные.

В настоящее время создаются топливно-гальвани ческие элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом из воздуха, анодом — алюминиевая плас тина, а электролитом — водный раствор поваренной соли. Электрический подзаряд такому элементу не нужен — энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла.

КПД такого процесса около 80%, и при окислении при обычной температуре 1 кг алюминия выделяется при мерно столько энергии, сколько при сгорании на воз духе при очень высокой температуре 1 кг каменного угля. Достоинств у таких источников энергии много — простота конструкции, полная безопасность эксплуа тации и хорошие удельные энергетические характери стики. Недостаток, в основном, один — дороговизна анодного материала, которая определяется, главным образом, большой энергоемкостью его производства.

Такой недостаток можно свести к минимуму при вне дрении новой технологии производства алюминия (рис. 9.9). При ее промышленном освоении алюминий и его сплавы станут намного дешевле.

Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энер гии в электрическую. Литий-йодные батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных размерах батареи получить сравнитель но большую емкость и увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах.

Рис. 9.9. Технология производства алюминия Срок их службы — около 10 лет, что гораздо больше, чем у обычных батарей.

При разработке новых модификаций преобразова телей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при сни жении себестоимости вырабатываемой электроэнергии.

• 9.6. Гидроисточники и геотермальные источники энергии В последнее время возрастает интерес к неорга ническим источникам энергии, т. е. источникам, в ко торых не принимает участие химический процесс — горение. К ним относятся гидроисточники (гидроэлек тростанции, гидроаккумулирующие электростанции, приливные электростанции), геотермальные источни ки, гелиоисточники, ветроустановки и атомные элект ростанции.

Гидроэлектростанции. Принцип работы гидро электростанций основан на преобразовании потенци альной энергии падающей воды в кинетическую энер гию вращения турбины, связанной с генератором, преобразующим кинетическую энергию в электричес кую. Первые гидроэлектростанции относились к про точному типу: вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для них требуется боль шой перепад уровней реки, например как на Ниагар ском водопаде, где и была построена первая гидроэлек тростанция подобного типа. На современных гидро электростанциях возводятся громадные плотины для Часть IV.

Рис. 9.10. Схема гидроэлектростанции (вверху) и турбогенераторный агрегат (внизу) увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины (рис. 9.10). Плотина не только создает вместилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энер гия воды, что приводит к возрастанию кинетической энергии вращения турбины и в конечном результате — к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направ ляется на вращающиеся лопасти турбины, соединен ной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов.

КПД гидроэлектростанций— 60 — 70%, т.е. 60 — 70% энергии падающей воды преобразуется в электричес кую энергию.

В России построено более 100 гидроэлектростан ций, которые вырабатывают существенную часть всей 496 производимой электроэнергии. Современные гидро электростанции — это сложнейшие технические со оружения. Построенная при содействии российских специалистов Асуанская плотина (Египет) включена в список выдающихся инженерных сооружений XX в.

Плотина Асуанской гидроэлектростанции обеспечива ет 90% потребностей Египта в воде и 50% в электро энергии.

Сооружение гидроэлектростанций обходится доро го. Они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на «бесплатном топливе». Первоисточником гидроэнергии служит Солнце, испаряющее воду из океанов, морей, озер и рек. Водяной пар конденсирует ся в виде осадков, выпадающих в возвышенных местах, с которых конденсированная вода стекает вниз в моря.

Гидроэлектростанции встают на пути стока и преобра зуют энергию движущейся воды в электрическую.

Однако гидроэлектростанции, особенно мощные, нарушают экологическое равновесие. Плотины и во дохранилища выводят из сельскохозяйственного обо рота затопленные земли, площадь которых при строи тельстве гидроэлектростанций на равнинных реках чрезвычайно велика, так как естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количества паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных по годных условий. Плотины отрицательно влияют на качество воды, накапливаемой в водохранилищах. В за висимости от сезона накопленная вода может содер жать мало растворенного кислорода и оказаться небла гоприятной средой для рыб и других живых организ мов. Кроме того, спускаемая вода разрушает русло реки. Тем не менее гидроэлектростанции, построенные на реках с естественным перепадом уровня воды — на реках с водопадами, горных реках,— наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде.

Гидроаккумулирующие электростанции. Такие электростанции служат для аккумулирования избыточ ной энергии, когда потребление электроэнергии пада ет, например, ночью. При аккумулировании вода пере качивается из нижнего водоема в верхний (рис. 9.11, стр. 498). При этом поступающая извне электрическая энергия преобразуется в потенциальную энергию воды 32 С. X. Карпенков — КСЕ -НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ Рис. 9.11. Гидроаккумулирующая станция в верхнем водоеме. В часы пиковой нагрузки в элек тросети вода из верхнего водоема через гидроагрега ты перетекает в нижний, и запасенная потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую. Первая в нашей стране мощная гидроаккумулирующая элек тростанция введена в эксплуатацию в 2000 г. в Под московье.

Эффективность гидроаккумулирующих электро станций не очень высокая: только примерно две трети энергии, потраченной на накачку воды, возвращается обратно в электросеть. Строительство таких станций требует больших капиталовложений, поэтому они не получили широкого распространения. Обсуждаются идеи гидроаккумулирования энергии с использовани ем подземных водоемов естественного происхождения.

Приливные электростанции. Морские приливы, долгое время оставаясь загадкой, приводили к мысли, что их громадную энергию можно использовать. Мор ские приливы — это периодические колебания уровня моря, обусловленные силами притяжения Луны и Сол нца вместе с центробежными силами, вызванными вращением системы Земля — Луна и Земля — Солнце.

Характер морских приливов определяет в основном самая большая из таких сил — лунная. Обычно прили вы и отливы бывают два раза в сутки. Максимальный уровень воды называется полной водой, минималь ный — малой водой. Полная вода в открытом океане составляет около 1 м, у берегов — до 18 м (залив Фанди в Атлантическом океане).

Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Одна из разыовид Глава 9. Естественно-научные проблемы современной знергетики ностей приливных электростанций состоит из плоти ны с встроенными в ее придонной части турбогенера торами. Подобная приливная электростанция сооруже на в 1967 г. на реке Ране во Франции, где полная вода достигает 13 м. При открытых донных затворах плоти ны уровень полной воды по обе стороны плотины оди наков. В начале отлива поток воды, обращенный к суше, пропускается через турбогенераторы, вырабатываю щие электроэнергию. При малой воде затворы закры ваются до тех пор, пока разница уровней не станет достаточной для эффективной работы турбогенерато ров. Затем поток полной воды пропускается через тур богенераторы в направлении к суше. Цикл повторяет ся, и таким образом энергия вырабатывается при от ливе и приливе.

Построенные приливные электростанции во Фран ции, России, Китае доказывают, что приливную элек троэнергию можно производить в промышленных масштабах. Выработка энергии на них не требует топ лива, и себестоимость ее сравнительно низкая. Одна ко стоимость строительства приливных электростан ций относительно высока: она примерно в 2,5 раза больше стоимости сооружения гидроэлектростанции той же мощности. Одно из преимуществ приливных электростанций в том, что они наносят минимальный ущерб окружающей среде.

Геотермальные источники энергии. С давних пор люди знают о стихийных проявлениях гигантской энер гии, таящейся в недрах земного шара. Память челове чества хранит предания о катастрофических изверже ниях вулканов, унесших миллионы жизней и неузна ваемо изменивших облик некоторых мест обитания на Земле. Достаточно вспомнить гениальную картину К. Брюллова, изобразившего гибель античного города Помпеи при извержении вулкана Везувий в 79 г. от Рождества Христова (ил. 9.1). Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками челове ка. Правда, о непосредственном использовании энер гии вулканических извержений говорить не приходит ся: человек пока не может обуздать такую непокорную стихию, да и, к счастью, извержения происходят не 32' везде и не так уж часто. Но все же это проявления неисчерпаемой энергии, таящейся в земных недрах, крохотная доля которой находит выход через огнеды шащие жерла вулканов.

Маленькая европейская страна Исландия (в пере воде — «страна льда») полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочислен ные исландские теплицы получают энергию от Земли, других источников энергии в Исландии нет. Но эта страна очень богата горячими источниками и знаме нитыми гейзерами — фонтанами горячей воды, выры вающейся из-под земли. И хотя не исландцам принад лежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще древние римляне к знаменитым ба ням — термам Каракаллы — подводили воду из-под зем ли), жители этой маленькой северной страны эксплуа тируют подземную котельную очень интенсивно.

Но не только для отопления черпают люди энер гию из глубин земли. Уже давно работают электростан ции, использующие горячие подземные источники.

Первая такая электростанция, совсем еще маломощ ная, была построена в 1904 г. в небольшом итальянс ком городке Лардерелло, названном так в честь фран цузского инженера Лардерелли, который в 1827 г. со ставил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины — 360 тыс. кВт. В Новой Зе ландии подобная электростанция работает в районе Вайракеи, ее мощность 160 тыс. кВт. В 120 км от Сан Франциско в США производит электроэнергию геотер мальная станция мощностью 500 тыс. кВт.

В нашей стране горячими источниками особенно богаты Камчатка и Курильские острова — районы со временного вулканизма. Источники, фонтанирующие паром и кипятком, известны в этих краях давно (неко торые из них описаны еще в 40-х годах XVIII в. россий ским исследователем Камчатки СП. Крашенинниковым, 1711 — 1755), однако разведочное бурение началось там С П лишь в 1958 г, В районе реки Паратунки была сооруже П D U на первая в нашей стране геотермальная электростан U Глава 9. Естественнонаучные проблемы современной энергетики ция, а с 1967 г. на Паужетских термальных источниках в 200 км от Петропавловска-Камчатского действует геотермальная электростанция мощностью 15 тыс. кВт.

В 1997 г. на Камчатке введены в эксплуатацию Верхне Мутновская геотермальная электростанция (12 МВт) и в 2002 г. еще два энергоблока (по 25 МВт каждый).

По весьма приближенным оценкам:, запасы тер мальных вод (от 50 до 250°С) нашей страны составляют не менее 20 млн м3 воды в сутки. Этот огромный резерв экологически чистой и возобновляемой тепловой энер гии может заменить чрезвычайно большое количество органического топлива. Одна из самых мощных сква жин в Дагестане (в селе Берикей) дает огромный при ток горячей воды, используемой для обогрева. В год эта скважина выносит с водой 330 т иода и 450 т брома (это примерно 3% мирового производства брома). В нашей стране почти весь бром и большую часть иода добыва ют из подземных вод. Все это свидетельствует о боль ших перспективах развития геотермальной энергетики.

• 9.7. Гедиознергетика Солнце обладает колоссальным запасом излучае мой энергии. Земля получает лишь небольшую ее часть— около 2 • 1017 Вт, и ее вполне достаточно для обеспечения многообразных форм жизни и биосфер ных процессов на Земле. Предполагается, что эффек тивное использование солнечной энергии начнется после воспроизведения природного процесса — фото синтеза. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже производится фотохимическая диссоциа ция воды. Образующийся при этом водород — превос ходный энергоноситель: из известных нерадиоактив ных веществ он обладает самой высокой энергоемко стью. В процессе фотосинтеза в зеленых растениях из энергетически бедных соединений — диоксида угле рода и воды —- образуются сложные по структуре и богатые энергией органические вещества, из которых синтезируются жиры, белки, целлюлоза и т. п.

Совсем недавно предложен несколько необычный способ использования солнечной энергии. Смесь, со-.._.

стоящую из размолотого магнетита и угольного порош- и III Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО- НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ ка, облучали сфокусированным солнечным светом и нагревали до 1200 °С. В результате химической реак ции образовались водород и оксид углерода. Из них можно синтезировать, например, метиловый спирт — превосходное топливо. КПД такого процесса достаточ но высок — 47,6%.

В последние десятилетия гелиоэнергетические про граммы разрабатываются более чем в 70 странах •— от северной Скандинавии до выжженных пустынь Афри ки. Создаются различные устройства для преобразова ния солнечной энергии. Появились транспортные сред ства с «солнечным приводом»: гелиовелосипеды, гелио мопеды, моторные лодки, яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, сравниваемые вчера с забавным автоаттракционом, сегодня пересека ют страны и континенты со скоростью, почти не уступа ющей скорости обычных автомобилей.

Одно из перспективных направлений гелиоэнерге тики связано с разработкой фотоэлектрических элемен тов, преобразующих энергию электромагнитного излу чения в электрическую. Первыми преобразователями, созданными около сорока лет назад, были полупровод никовые элементы, названные солнечными батареями.

На ярком солнечном свете 1 м2 современных солнеч ных батарей обеспечивает мощность 100 — 200 Вт. Сол нечные батареи обладают высокой надежностью и дол говечностью, особенно при эксплуатации на борту кос мических аппаратов (ил. 9.2). Они используются и в земных условиях, однако их широкое внедрение сдер живается относительно высокой себестоимостью.

В настоящее время разрабатываются энергоуста новки с высокоэффективными преобразователями на основе монокристаллического кремния и арсенида галлия с концентраторами солнечного излучения и системой слежения за Солнцем, которые позволят су щественно уменьшить их себестоимость.

Можно привести немало примеров применения солнечных батарей. В течение нескольких лет немец кий поселок Франитцхютте, расположенный на окра ине Баварского леса, полностью питается энергией от гелиоэнергетической установки из 840 плоских солнеч ных батарей общей площадью 360 м2. Мощность каж дой батареи 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток Ullc обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, кото рая подзаряжается в те часы, когда солнца в избытке.

В Штутгартском университете (Германия) сконструиро ван самолет с мотором на солнечных батареях, распо ложенных на его крыльях с размахом 25 м. С грузом до 90 кг он взлетает с покрытой травой взлетной площад ки и развивает скорость до 120 км/ч. Швейцарские ученые запатентовали прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в оконные рамы вместо обыч ного стекла. Самая крупная в мире гелиоэлектростан ция работает в Швейцарии. Площадь ее солнечных ба тарей — 4500 м2, и мощность — 500 кВт, что вполне до статочно для обеспечения электроэнергией небольшого поселка. В этой стране введено в строй более 700 ге лиоустановок мощностью от 1 кВт до 1 МВт.

В последнее время интерес к проблеме использо вания солнечной энергии резко возрос: потенциальные возможности гелиоэнергетики чрезвычайно велики.

Заметим, что всего лишь 0,0125% энергии Солнца мог ло бы обеспечить все сегодняшние мировые потребно сти в энергии. К сожалению, вряд ли когда-нибудь такие огромные потенциальные ресурсы удастся реа лизовать. Одно из наиболее серьезных препятствий — низкая интенсивность солнечного излучения;

даже при оптимальных природных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения относительно невелика. Поэтому коллекторы солнеч ного излучения нужно размещать на громадной пло щади. Кроме того, сооружение коллекторов огромных размеров влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой затемненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, сопряженный с трубами с циркулирующей жидкостью. Нагретая за счет сол нечной энергии жидкость поступает потребителю. На изготовление подобных коллекторов солнечного излу чения расходуется довольно много алюминия.

Гелиоэнергетика относится к наиболее материало емким и трудоемким видам производства энергии. К со жалению, пока еще электрическая энергия, рожден ная Солнцем, обходится намного дороже производимой другими способами. Одна из важнейших задач ученых заключается в разработке способов и устройств более c n q эффективного преобразования солнечной энергии. Uu U I Ветер верой и правдой служит человеку с древних времен (рис. 9.12). Первобытные люди поднимали па руса над неустойчивым челноком из бревна. Преобла дающие западные ветры несли испанскую армаду к от крытиям и победам. Пассаты, надувая паруса больших клиперов, помогли открыть Индию и Китай и наладить торговлю с Западом. В Древней Персии появились первые ветряные мельницы. Некоторым мельницам в Голландии уже более 500 лет, и они находятся в рабо чем состоянии. Когда-то ветер был едва ли не един ственным источником энергии. В 1910 г. в России на считывался примерно миллион ветряных мельниц и приблизительно столько же водяных. А сегодня такую энергетику почему-то называют нетрадиционной.

Рис. 9.12. Ветер с давних времен приносит пользу человеку В 50-х годах XIX в. в США изобретен многолопаст ный ветряк. С его помощью вначале поднималась вода из колодцев и заполнялись водой паровые котлы. Позднее их стали использовать для производства электроэнер гии. Многолопастный ветряк с ветроколесом диамет 504 ром до 9 м развивает мощность до 3 кВт при скорости Глава 9. Естественно-научные проблемы современной энергетики ветра около 25 км/ч. В 30-х годах XX в. на территории США сооружено около 6 млн многолопастных ветроус тановок. Во многих сельских районах до введения в строй крупных электростанций основным источником электроэнергии были различные ветроустановки.

Энергия движущихся воздушных масс огромна.

Ее запасы более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсю ду на земле дуют ветры — от легкого ветерка, несу щего желанную прохладу в летний зной, до могучих разрушающих ураганов. Всегда неспокоен воздуш ный океан, на дне которого мы живем. Климатичес кие условия позволяют развивать ветроэнергетику в разных регионах нашей страны, и особенно вдоль побережья морей.

В настоящее время ветроустановки вырабатывают лишь незначительную часть производимой электро энергии во всем мире. Техника XX в. открыла новые возможности для развития ветроэнергетики. Созданы высокопроизводительные ветроустановки, способные вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре. Предлагается множество проектов ветроагрега тов, несравненно более совершенных, чем старые вет ряные мельницы, и в них используются самые после дние достижения многих отраслей естествознания.

Можно привести примеры и необычного исполь зования энергии воздушного потока. Один из амери канских изобретателей, наблюдая затем, как движу щиеся по шоссе автомобили вздымают по обочинам тучи пыли и гонят вдоль дороги легкий мусор, при шел к мысли, что можно использовать энергию пото ка воздуха. Он предложил встроить в бетонный раз делительный барьер на оживленных автомагистралях ветряные турбины, соединенные с электрогенерато ром, улавливающие энергию потока воздуха. Вырабо танную таким образом энергию можно запасать в ак кумуляторах и использовать для освещения дороги в темное время суток.

На западном побережье Дании, у городка Райс бю, построена одна из последних модификаций элек тростанции с 40 ветроустановками общей мощностью 24 МВт. Ветроустановки оборудованы электронными _п_ регуляторами, обеспечивающими равномерную выра- Уии ботку энергии независимо от скорости ветра. Датские энергетики планируют в ближайшие 30 лет полнос тью перейти на энергию Солнца, воды, ветра и био масс. В их проекте особое внимание уделяется ветро энергетике: из 5300 МВт планируемой мощности 4000 МВт составит мощность ветроустановок, распо ложенных в море. Такое их расположение позволит более эффективно использовать энергию ветра. Над поверхностью моря ветер не встречает препятствий, и его скорость больше, чем над сушей. Поэтому в море можно произвести в полтора-два раза больше энер гии, чем на суше.

Каждый источник энергии необходимо располагать там, где он дает наибольшую отдачу, максимальную выгоду. С этой точки зрения для ветроэнергетики впол не подходят труднодоступные территории Севера и побережье морей, где скорость ветра в среднем за год не менее 6 м/с, при которой ветроустановка мощнос тью 1 МВт в течение шести месяцев может произвести около 2,5 млн кВт • ч энергии, что вполне достаточно для обеспечения теплом и светом небольшого поселка.

Современная ветроустановка мощностью 1 МВт состоит из ветроколеса диаметром 48 м, установленно го на стальной конической башне высотой 40 м, на которой смонтированы агрегат для передачи мощнос ти от ветроколеса к генератору, система управления и тормозной механизм. Ветроустановка полностью авто матизирована: сама «ловит ветер» и проверяет перед запуском состояние всех узлов и агрегатов. При ско рости ветра 3,5 — 4 м/с она развивает мощность 40 — 50 кВт, а при скорости 13,5 м/с — 1000 кВт. Срок служ бы установки — 20 — 25 лет.

В 1998 г. в России насчитывалось около полутора десятков крупных и примерно 100 мелких ветроуста новок, в то время как за рубежом их общее число — более 130 тыс. В 1999 г. суммарная мощность действу ющих в 42 странах мира ветроустановок — примерно 9800 МВт. Из них 66% приходится на страны Европы, 20% — на Северную Америку, 12% — на государства Азии. В США планируют к 2020 г. увеличить производ ство ветроэнергии в 50 раз — она будет составлять rnp около 5% всей вырабатываемой в этой стране энергии 0U0 (в 1999 г. она не превышала 1%).

Глава 8. Естественно-научные проблемы современной энергетики Многие страны активно развивают ветроэнерге тику. Например, Германия по выработке ветроэнергии в последние годы приблизилась к США, а по числу фирм, производящих ветроустановки, догнала Данию.

Немецкие ветроустановки наполняют рынок Бразилии, Мексики, Китая и других стран.

Ветроустановки производят сравнительно неболь шой шум, и их металлические лопасти могут создавать помехи для радио- и телепередач. Все это можно све сти к минимуму, удачно выбрав место их расположе ния. В целом ветроэнергетику принято считать эколо гически безопасной.

• 3.9. Атомная энергетика Развитие атомной энергетики. В настоящее вре мя примерно 17% мирового объема производства элек троэнергии приходится на атомные электростанции (АЭС). В некоторых странах ее доля значительно боль ше. Например, в Бельгии и Швеции она составляет около половины, во Франции и Литве — примерно три четверти. Вклад энергии АЭС в Китае предполагает ся увеличить в пять — шесть раз (сейчас он состав ляет около 1%). Заметную, хотя пока не определяю щую, роль АЭС играют в США и России, где на долю атомной энергии приходится соответственно около и 15%.

В середине прошлого века, когда строилась пер вая в мире атомная станция в мало кому известном в то время городке Обнинск Калужской области, счита лось, что атомная энергия вполне безопасна.

Аварии на американских АЭС, а затем катастрофа в Чернобыле показали, что на самом деле атомная энергетика сопряжена с опасностью. Люди напуганы.

Общественное мнение сегодня таково, что строитель ство новых АЭС в большинстве стран приостановлено.

Исключение составляют лишь восточно-азиатские страны — Япония, Корея, Китай, где атомная энерге тика продолжает развиваться.

Однако накопленный к настоящему времени опыт и новые технологии позволяют строить ядерные реак- „ ^ торы, вероятность выхода которых из-под контроля хотя Oil/ и не равна нулю, по крайне мала. На современных АЭС (ил. 9.3) обеспечивается строжайший контроль за уров нем радиации в помещениях и в каналах реакторов, налажена высокоэффективная система автоматическо го регулирования — все это позволяет повысить надеж ность работы АЭС и свести к минимуму вероятность возникновения аварии.

Атомной энергетике предшествовали испытания ядерного оружия. На земле и в атмосфере испытыва лись атомные и термоядерные бомбы. В то же время инженеры разрабатывали и ядерные реакторы для производства электрической энергии. Приоритет по лучило военное направление — разработка реакторов для кораблей военно-морского флота и, прежде всего, подводных лодок с большим радиусом действия при длительном пребывании под водой. Американцы раз рабатывали корпусные водо-водяные реакторы, в ко торых замедлителем нейтронов и теплоносителем слу жила обычная («легкая») вода. В середине 50-х годов XX в. первая американская подводная лодка с атомным двигателем «Наутилус» прошла под льдами Ледовито го океана.

Аналогичные работы велись и в нашей стране, только наряду с водо-водяными реакторами разраба тывался канальный графитовый реактор (в нем тепло носитель — вода, а замедлитель — графит). Однако по сравнению с водо-водяным реактором, графитовый имел меньшую мощность и оказался бесперспектив ным для применения в транспортных установках.

И тогда было решено использовать его для атомной энергетики. Ядерный графитовый реактор, а точнее его турбогенератор мощностью 5000 кВт, 27 июня 1954 г.

подключили к электрической сети, и весь мир узнал, что в СССР пущена первая в мире АЭС, в разработке которой принимали участие наши соотечественники, выдающиеся ученые-физики Н.Н. Доллежаль (1899 — 2000), И.В. Курчатов (1902/03— 1960), Д. И. Блохинцев (1907/08-1979) и др.

Наряду с канальными графитовыми реакторами в нашей стране, как и в США, с середины 50-х годов XX в.

Ш разрабатывались водо-водяные энергетические реак торы (ВВЭР). Однако для них не была создана про мышлснная база. В тоже время в СССР развернулось серийное строительство реакторов большой мощнос ти канальных (РБМК) — модернизированных каналь ных графитовых реакторов. При эксплуатации РБМК неоднократно выявлялась неустойчивость их работы, для устранения которой была разработана специаль ная система автоматического регулирования. Не смотря на это, в результате нарушения регламент ных работ на Чернобыльской АЭС в 1986 г. произош ла авария.

Так нужно ли развивать атомную энергетику?

Выработка энергии на АЭС — наиболее экологически чистый способ производства энергии. Энергия ветра, Солнца, подземного тепла и т.д. не может сразу и быстро заменить другие виды энергии. Спасти нашу планету от загрязнения чрезвычайно огромным коли чеством диоксида углерода, оксидов азота и серы, выб расываемых тепловыми электростанциями, работаю щими на угле и мазуте, можно лишь с помощью атом ной энергетики. Но только при условии: чернобыльская авария не должна повториться. Для этого необходимо повысить надежность работы АЭС. Вынужденная па уза в развитии атомной энергетики должна быть ис пользована для разработки достаточно безопасного энергетического реактора.

С течением времени начинается меняться обще ственное мнение об атомной энергетике. Так, в Шве ции, где существенную долю энергии вырабатывают АЭС, еще в 1980 г. (вскоре после серьезной аварии на АЭС в США) под давлением общественности было принято решение о постепенном прекращении эксп луатации АЭС. Тем не менее в этой стране до сих пор работают 12 атомных реакторов. Предстоящее повыше ние цен на электроэнергию в связи с закрытием АЭС заставило большую часть населения Швеции переос мыслить свое отношение к атомной энергетике — при мерно 80% опрошенных отказались от своих прежних требований.

В последнее время предлагаются различные кон структивные решения модернизированных атомных электростанций, в том числе и модульные модифи кации при подземном расположении ядерного реак тора.

Рис. 9.13. Схема уранового топливного цикла Ядерное топливо. Цепная реакция деления ядер сопровождается выделением огромного количества энергии. Расчеты показывают, что 1 кг урана обладает в миллионы раз большей энергией, чем 1 кг каменного угля. Следовательно, ядерное топливо — чрезвычайно энергоемкий источник энергии. В то же время ядер ный топливный цикл — это сложнейший технологичес кий процесс (рис. 9.13).

Глава 9. Естественнонаучные проблемы современной энергетики В отличие от углеродсодержащих носителей энер гии, применяемых и как сырье для химической промыш ленности, ядерное топливо представляет практический интерес преимущественно для производства электри ческой и тепловой энергии. Огромные возможности для развития атомной энергетики открываются с создани ем реакторов-размножителей на быстрых нейтронах (бридеров), в которых выработка энергии сопровожда ется производством вторичного горючего — плутония, что позволит кардинально решить проблему обеспече ния ядерным топливом.

Как показывают оценка, 1 т гранита содержит при мерно 3 г урана-238 и 12 г тория-232 (именно они ис пользуются в качестве сырья в бридерах). При потребля емой мощности 5 • 108 МВт (на два порядка выше, чем сейчас) запаса урана и тория в граните хватит на лет. Первый опытно-промышленный реактор на быст рых нейтронах мощностью до 350 МВт построен на берегу Каспийского моря. Он производит электроэнер гию и опресняет морскую воду, обеспечивая пресной водой город и прилегающий район нефтедобычи с чис ленностью населения около 150 000 человек.

Колоссальная энергия выделяется при термоядер ном синтезе. Если при делении ядра урана высвобож дается энергия около 0,84 МэВ на один нуклон, то при термоядерном синтезе дейтерия и трития — примерно 3,5 МэВ. Следовательно, из всех реакций термоядер ные дают наибольший выход энергии на единицу мас сы «горючего». Так, по энергетической емкости коли чество дейтерия в стакане простой воды эквивалентно приблизительно 60 л бензина. В этой связи весьма за манчива перспектива управляемого термоядерного синтеза, который открывает человечеству доступ к не исчерпаемой кладовой энергии, заключенной в ядрах атомов легких элементов. Расчеты показывают, что Мировой океан содержит примерно 4 • 10 т дейтерия, что соответствует энергетическому запасу 10 МВт • год, который можно считать неограниченным. Остается только надеяться, что проблема управляемого термо ядерного синтеза в недалеком будущем будет успешно решена. []|| Желая непременно оказаться «впереди планеты всей», в бывшем СССР особое внимание уделяли ги гантским электростанциям. Непрерывное строитель ство в 1960— 1985 гг. в Сибири гигантских гидроэлек тростанций (ГЭС) при почти полном прекращении стро ительства тепловых станций привело к уродливой структуре распределения мощностей. Удельный вес ГЭС превышает 50%, а по отношению к годовому мак симуму нагрузок — 75%. В итоге половина их мощнос ти (до 10 млн кВт) никогда не используется: зимой из за недостатка водных ресурсов, а летом из-за сниже ния потребности в энергии. Обычно в незасушливые годы сбрасывается большой объем воды мимо недогру женных турбин. При этом не следует забывать о за топленных пойменных лугах, погубленной рыбе, исчез нувших селениях. Наглядный пример: за 5 лет (1984 — 1988) было сброшено воды в объеме, эквивалентном 40 млрд кВт» ч. Иная, но столь же печальная картина наблюдается в маловодные годы. В 1982 г., например, в конце многолетнего засушливого периода ГЭС Сиби ри обеспечили лишь 37,5% суммарной мощности вме сто обычных 50%, и хотя тепловые станции работали с предельным напряжением, дело дошло до того, что пришлось останавливать ряд предприятий, в том чис ле алюминиевые заводы.

География европейской части нашей страны не позволяет сооружать в ней гигантские ГЭС, поэтому строились тепловые и атомные электростанции. К со жалению, был взят курс на строительство тепловых электростанций (ТЭС) со сверхкритическими парамет рами пара. А такие ТЭС не обладают маневренностью и, значит, не в состоянии обеспечить оптимальный график электрических нагрузок. А поскольку электри чество на складе не сохранишь и его нужно вырабаты вать в тот момент, когда в нем возникает потребность, то появляются нелепые противопотоки энергии. Еже годно около 5 млрд кВт • ч перебрасывается с северо запада через центр страны на Урал, в Казахстан и Сибирь, где своя электроэнергия обходится в 2,5 — раза дешевле, а оттуда, напротив, транспортируется в европейскую часть топливо для ее производства.

Идеология «великих строек», поддерживаемая ре шениями ЦК КПСС, распространилась и на другие энергетические объекты. В 70-е годы XX в. были созда ны проекты сверхмощных энергетических комплексов государственных районных электростанций (ГРЭС) Канско-Ачинского (КАТЭК) и Экибастузского. По ди рективам партии и правительства к 1990 г. там долж ны были работать по четыре ГРЭС общей мощностью соответственно в 25 и 16 млн кВт. Но такая задача ока залась нереальной— в 1992 г. на КАТЭКе работало только два энергоблока общей мощностью 1,6 млн кВт, на Экибастузс — блок ГРЭС мощностью 4 млн кВт.

С определенным «перекосом» работали научно исследовательские ведомственные и академические институты, огромные средства тратились без объектив ного обсуждения и анализа, возникли монопольно вла деющие отраслью научно-партийные группы. В итоге тепловые электростанции (70% суммарной мощности всех электростанций) по своим технико-экономичес ким и экологическим показателям резко отстают от современного уровня, почти половина их требует за мены или модернизации в связи с физическим изно сом. В 1986— 1990 гг. произошло существенное падение мощности тепловых электростанций до 15,3 млн кВт, т. е.

до уровня, достигнутого более 30 лет назад.

В последнее время все отчетливее проявляются признаки энергетического кризиса, выход из которого возможен только при правильном, научно обоснован ном развитии энергетики.

Значение топливно-энергетического комплекса ощутилось в последнее время с особенной остротой.

Стоило только поднять цены на энергоносители, как сразу подорожали хлеб и транспорт, отопление квар тир и металл, уборка улиц и т. п. А ведь нашим отече ственным потребителям нефть, газ и уголь, не говоря об электричестве, отпускались по минимальным ценам, не идущим ни в какое сравнение с ценами на мировом рынке. Дешевая энергия (точнее, искусственно зани женная цена на нее) сделала экономически невыгод ными практически все энергосберегающие технологии.

Очевидно, дальнейшее развитие не только отечествен ной, но и мировой энергетики возмож:но только при _1(.

внедрении новых технологий, высокоэффективных ulu 33 С. X. Карпенков — КСЕ энергетических систем, современных материалов и разработке новых источников энергии.

За время развития цивилизации традиционные ис точники энергии уступали место новым. И не потому, что традиционный источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда, и тем не менее люди, однажды приручившие огонь, начали жечь дре весину. Запасы древесины не исчезли, но паровые ма шины требовали более калорийного топлива, каким оказался каменный уголь. Уголь вскоре уступает свое лидерство нефти. В наши дни основные виды топли ва — нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Во второй половине XX в. освоен новый источник энергии — ядерное топливо, которое по своей энергоемкости пре восходит все известные виды топлива.

Энергетика очень быстро аккумулирует все самые новейшие идеи, изобретения и достижения естествозна ния. Это позволит в ближайшем будущем не только по высить эффективность традиционных источников энер гии, но и развивать энергохимию, водородную энерге тику и постепенно переходить к возобновляемым и принципиально новым источникам энергии.

Контрольные вопросы • В чем заключается естественно-научное понимание энер гии?

• Почему энергию считают источником благосостояния ?

• Назовите основные способы преобразования энергии.

• Чем обусловливается необходимость п р е о б р а з о в а н и я тепловой и других видов энергии в электрическую?

• Какую роль играют химические процессы в преобразова нии энергии?

• Приведите ц и ф р ы, х а р а к т е р и з у ю щ и е затраты энергии н а п р о и з в о д с т в о р а з л и ч н о й п р о м ы ш л е н н о й продук ции?

• От чего зависит эффективность производства энергии ?

• Чему равен КПД паровой машины, тепловых электро станций, МГД-генераторов, атомных электростанций?

• В чем заключается принцип работы тепловой электро G1/I станции?

314 • Что такое тепловое загрязнение окружающей среды?

Глава 8. Естественно-научные проблемы современной энергетики • Назовите основные способы повышения эффективности энергосистем.

• В чем сущность комбинированного способа получения электроэнергии ?

• Объясните принцип действия МГД-генератора.

• Приведите примеры прямого преобразования энергии.

В чем его преимущества?

• Каков принцип работы водород-кислородных топливных элементов ?

• В чем заключаются особенности водородного двигателя ?

• Чем отличаются батареи на твердом йодном электролите от обычных?

• Назовите основные неорганические источники энергии.

• Охарактеризуйте преимущества и недостатки гидроис точников энергии.

• Каковы перспективы использования геотермальной энер гии?

• Назовите причины медленного развития гелиоэнергети ки.

• Объясните роль фотосинтеза в преобразовании солнеч ной энергии.

• Каковы перспективы развития ветроэнергетики?

• Где и когда была построена первая атомная электростан ция?

• Чем отличаются атомные реакторы разных типов ?

• Какая доля мирового производства электроэнергии при ходится на АЭС ?

• Является ли перспективным ядерное топливо ?

• Какова ближайшая перспектива развития атомной энер гетики?

• В чем заключаются особенности развития отечественной энергетики?

• Охарактеризуйте кратко перспективы развития энерге тики.

33* ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИИ Когда я прохожу мимо крестьянских лесов, которые я спас от порубки, или когда я слышу, как шумит мой молодой лес, посаженный моими руками, я сознаю, что климат немножко и в моей власти и что если через тысячу лет человек будет счастлив, то в этом не множко буду виноват и я.

А. П. Чехов • 10.1. Глобальные катастрофы и эволюция жизни Сравнительно недавно ученые, изучая микрострук туру органической материи, сделали поразительный вывод: возникновение и развитие жизни на нашей планете, если считать по Дарвину, потребовало бы много больше времени, нежели действительная исто рия, охватывающая период от первых на Земле живых организмов до вершины природы •— человека. И тут пришлось вспомнить основоположников палеонтоло гии — науки о развитии жизни на Земле — француз ских зоологов Жоржа Кювье (1769— 1832) и Жоффруа Сент-Илера (1772-1844).

В 1812 г. Кювье опубликовал первые итоги изучения своих находок под названием «Исследования об ископа емых костях». Ученый обратил внимание на то, что в земле чередуются слои, бедные и богатые останками погибших животных. При этом он обнаружил, что в каждом новом слое останки принадлежат животным другого вида, а не тем, что найдены в предыдущем и последующем слоях, т. е. не тем, которые обитали на Земле раньше или позже, разумеется, в геологическом масштабе времени.

В следующем своем научном труде — «Рассужде ния о переворотах на поверхности Земного шара и об изменениях, какие они произвели в животном цар стве» — Кювье утверждал, что ископаемые формы — 010 это либо прямые предки нынешних животных, в сущ Глава 10. Естественнонаучные аспекты экологии ности от них не отличающиеся, но сумевшие пережить все природные перевороты, либо останки окончатель но вымерших в результате случившихся переворотов форм, ничего общего с ныне живущими не имеющих.

Он полагал, что развитие четырех видов животных (по его классификации — позвоночных, членистых, мягко телых, лучистых) происходило изолированно. Однако отстаивая свои выводы, Кювье не смог убедительно показать, какие же силы вызывали на Земле столь грандиозные перевороты, чтобы быть способными обо рвать ту или иную ветвь развития жизни. Он только написал: «Какие-то силы раздробили, приподняли слои Земли и опрокинули их на тысячу ладов».

Заметил чередование ископаемых останков и Жоф фруа. Однако объяснения, сделанные Кювье и Жоф фруа, расходились настолько, что их многолетний спор привлек внимание ученых всего мира. В Париже в те годы не раз проводились диспуты соперничающих уче ных, за которыми следил весь образованный мир. Из вестен интересный эпизод. Когда в 1830 г. к Гёте при шел гость с возгласом: «Великое событие в Париже!..», Гёте нетерпеливо прервал пришедшего: «Кто же одер жал верх — Кювье или Жоффруа?» Гость же принес весть о революции в Париже, об уличных боях...

Жоффруа считал, что гибель господствовавших в определенные периоды видов животных еще не озна чала повсеместной гибели жизни вообще. Некоторые виды, занимавшие ранее подчиненное место, выжива ли. Наделенные свойствами противостоять силам при роды, которые уничтожали большую часть животного мира, они получали простор для своего дальнейшего развития. В отличие от Кювье, он видел единство орга низации и развития животного мира.

В одном лишь были едины Кювье и Жоффруа:

какие-то грандиозные силы вмешивались в эволюцию жизни, и в результате такого вмешательства появля лись более совершенные формы животных. Казалось, эволюция время от времени подвергалась действию таинственного ускорителя. Впрочем, подобную же роль может сыграть и тормоз, который замедляет или вовсе сбрасывает с «конвейера эволюции» какие-то виды, например, владевших миллионы лет Землей динозав ров, мешавших развиваться другим видам животных. О действии некоего тормоза говорит по существу и палеонтология. Чередование богатых окаменелостями горизонтов с бедными (на что первыми обратили вни мание Кювье и Жоффруа) сегодня есть истина, подтвер жденная всей историей науки об ископаемых.

Но что же могло послужить ускорителем или замед лителем эволюции? Мы не будем рассматривать вме шательство в дела развития природы ни инопланетян, ни провидения. Ограничимся известными науке есте ственными силами. Без сомнения, это были высокоэф фективные, мощные воздействия, способные, например, в короткий срок уничтожить могучее и многочисленное стадо динозавров, насчитывающее несколько сот видов — среди них были малютки весом в единицы килограммов и гиганты — массой в несколько десятков тонн. Дино завры господствовали на суше, в воде и воздухе.

Еще в давние времена (до эры динозавров) выс шие териодонты — терапсиды — приобрели многие черты строения и физиологические особенности, ха рактерные для млекопитающих: лактация, способ ды хания и питания, обоняние... Но вдруг терапсиды ис чезают. В геологических слоях более поздних, чем три асовый период, палеонтологи не находят останков терапсид. У филогенетического древа оказались обло манными крупные ветви. Однако какие-то ветви терап сид, видимо, ставшие предками млекопитающих, вы жили, ускользнув от уничтожающего удара природы.

Тем не менее несравненно чаще встречаются в поздних слоях обширные кладбища динозавров. Судя по рас копкам, именно динозавры владели планетой пример но 150 млн лет. Однако их эра неожиданно закончи лась 64,5 млн лет назад.

Возникает вопрос: почему так стремительно исчез ло с лица Земли обширное сообщество динозавров? Су ществуют различные гипотезы. Одна из них — повы шенная активность вулканов: газы и выброшенный пепел пеленой затянули небо и ослабили солнечное из лучение — динозавры не вынесли сильного похолода ния. Другая гипотеза — вспышка близкой к Земле Сверхновой звезды. В развитии этой гипотезы предпо лагается, что Земля — дитя Космоса — время от вре _,.. мени подвергается воздействию космических объектов 018 (рис.10.1.). Например,-падение крупных метеоритов мо Глава 10. Естественно-научные аспекты экологии жет кардинально влиять на развитие земной жизни.

Однако следует отметить, что вопреки такому предпо ложению два крупнейших в истории Земли вымира ния животных не совпадают по времени с метеорит ным падением, хотя в одном из случаев погибло 90 % всех видов. Кроме того, в позднем девоне произошла массовая гибель морских животных, в то время как на суше ничего похожего в тот период не наблюдалось.

Подобный удар биосфера суши получила в конце девона, когда стали доминировать лиственные расте ния, с появлением которых увеличилась эффективность поглощения солнеч ной энергии во много раз. Травояд ные получили изо билие растительно го корма, безмерно размножились, а когда пищи стало не хватать, боль шинство животных погибла от голода.

В сходных усло виях могли оказать ся и наши предки.

Первобытным лю дям охота приноси ла в изобилии мясо разнообразных жи вотных, включая мамонтов, что сде лало племена мно голюдными. Массо вое истребление животных привело к тому, что не на кого стало охотить ся. Страшный го лод опустошил тог да Землю, и выжи ли лишь те, кто начал обрабаты Рис. 10.1 Космическое вать землю, приру воздействие на биосферу Ч а с т ь I V. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ чать животных. А это свидетельствует о том, что гло бальные катастрофы могли зародиться в самой био сфере, т. е. имели земное происхождение.

К сожалению, к настоящему времени нет прямых доказательств ни внутрипланетарных, ни космических глобальных воздействий на биосферу. А это означает, что современные ученые не так далеко ушли от Кю вье, предполагавшего идею вмешательства катастроф в эволюцию жизни на Земле. Многие десятилетия идея Кювье отрицалась наукой, как, впрочем, отрица ется сейчас его гипотеза о многократном возникнове нии животного мира, ничего общего с предшествен никами не имеющего. Что же делать? Видимо, следо вать совету гениального Гёте: «Не надо застывать в сомнении, оно, напротив, должно двигать дух к даль нейшему исследованию и испытанию, и, если они проходят на более совершенной и широкой базе,— истина одержит победу».

• 10.2. Предотвращение экологической катастрофы Интенсивность воздействия на биосферу сначала преимущественно сельскохозяйственной, а затем и про мышленной деятельности людей особенно быстро на растала в последние два столетия и достигла такого уровня, когда биосфера больше не могла сохраняться в своем прежнем состоянии. Назрел кризис биосферной системы, о чем и предупреждал еще в 30-е годы про шлого века академик В.И. Вернадский. Предполагается, что из кризисного состояния самоорганизующаяся си стема выходит скачком, меняя свою структуру и облик таким образом, чтобы на новом уровне организации достичь устойчивого состояния. Обычно в точке бифур кации существует несколько возможных путей перехо да системы в новое устойчивое состояние. В условиях крайней неустойчивости развиваются флуктуации, и одна из них может подтолкнуть систему на конкретный путь перехода в новое состояние. Такой процесс носит случайный, вероятностный характер. После того, как произойдет переход, назад возврата нет — начинается новый эволюционный этап системы, определяемый стартовыми условиями совершившегося перехода.

Глава 10. Естественнонаучные аспекты экологии Наблюдаемые изменения на современном этапе эволюции свидетельствуют о том, что биосфера и че ловечество как ее составная часть вступили в кризис ный период своего развития. Кризис усугубляется многими неблагоприятными факторами. Так, впервые в своей истории человечество стало обладателем мощ нейших источников атомной энергии и токсичности — теперь за считанные минуты может быть уничтожено все живое на Земле. К счастью, осознание безумия применения подобных источников в традиционных спо собах решения межгосударственных конфликтов — в войнах — появилось раньше, чем дело дошло до само уничтожения.

За угрозой ядерного, радиационного и токсичес кого уничтожения биосферы вырисовывается другая, не менее страшная — экологическая катастрофа. В ее основе — стихийная деятельность людей, сопровожда ющаяся повсеместным массовым загрязнением среды обитания, нарушением теплового баланса Земли и развитием парникового эффекта. В ближайшей перс пективе назревает истощение жизненно важных для человеческой цивилизации сырьевых источников пла неты. К этому следует добавить демографический взрыв — очень быстрый рост численности населения с тяжелыми для биосферы последствиями.

Выход из надвигающегося экологического кризи са многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на при роду как объект бездушной эксплуатации. Активность стихийной деятельности человека во многом зависит от этических норм его поведения. По мнению митро полита Волоколамского и Юрьевского Питирима (1926 — 2003), «этические нормы поведения человека определяют как бытие, так и взаимодействие с окру жающей средой. Земля отвечает не просто неурожай ностью почвы или изменением климата на наруше ние нравственного ведения хозяйства, но и способна, накапливая отрицательное воздействие, выражать тек тоническими изменениями свою реакцию на поступки человека».

В.И. Вернадский и другие крупные ученые вселя ют оптимизм и надежду: любые трудности человече- с 1 ).

ство сможет преодолеть. Однако среди возможных ус- Del тойчивых состояний, в которые биосфера как система сможет перейти в процессе самоорганизации, есть и такие, которые исключают жизнь на Земле или суще ствование на ней человечества. А так как механизм перехода управляется случайными факторами, то ве роятность таких неблагоприятных для человека вари антов достаточно высока. Например, по случайным причинам или преднамеренно может произойти само уничтожение человечества в ядерном конфликте. К тем же результатам приведет неспособность справиться с надвигающейся экологической катастрофой. Благопри ятный выход из неустойчивого состояния — образова ние ноосферы.

Является ли в действительности переходный про цесс в точке бифуркации независящим от воли челове ка, чисто случайным явлением? Предотвратить пере ходный процесс в биосфере человек не в силах, но есть возможность свести к минимуму или исключить его неблагоприятные флуктуации, которые и подталкива ют неустойчивую систему к нежелательным для чело века вариантам перехода. Например, запрещение и полное уничтожение ядерного и химического оружия (точнее, любого оружия массового уничтожения) уст раняет флуктуацию, способную вызвать уничтожение биосферы в конфликте. Еще лучше, если будет достиг нута договоренность о значительном сокращении, а затем и полном уничтожении всех видов вооружений.

Тогда высвободятся огромные материальные, интеллек туальные и финансовые ресурсы, которые можно на править на предотвращение экологической катастро фы.

Значительно труднее решить экологическую про блему. Человечество не может и не должно отказать ся от современной цивилизации — источника благо получия и комфортных условий жизни, и в то же время создающей неблагоприятные флуктуации, способные подтолкнуть биосферу на переход, исключающий воз можность существования в ней человека. К сожале нию, некоторые подобные флуктуации пока еще до конца не выявлены, что усложняет определение спо собов их подавления. Однако совершенно ясно, что экологические проблемы возможно решать только совместными усилиями всех стран и народов. Нет Глава 10. Естественно-научные аспекты экологии сомнений, что понадобятся осознанные людьми огра ничительные меры: снижение потребления энергии, организация более экономного ведения промышлен ного производства, сокращение добычи и потребле ния важнейших полезных ископаемых. Необходимо, кроме того, изменить отношение человека к животно му и растительному миру планеты, осознать демогра фические проблемы и сделать многое другое. Успеш ное решение всей совокупности возникающих эколо гических и иных проблем невозможно без научного предвидения результатов любой природопреобразую щей и социальной деятельности людей, а также без создания налаженной системы управления и контро ля при проведении в жизнь разрабатываемых меро приятий.

Научное предвидение предполагает знание алго ритма поведения системы при действии на нее управ ляющих и возмущающих факторов. Для сравнительно простых систем, обладающих линейным откликом на возмущающие воздействия, получить такой алгоритм не представляет труда. Хуже обстоит дело с система ми, состояние которых определяется большим числом независимых параметров и параметров со сложным характером взаимосвязей. И еще хуже, когда сложная система — нелинейная и описывается функциями с разрывами. А биосфера и ее подсистемы принадлежат именно к системам такого типа, задачи управления которыми пока не решаются, но активно ведется по иск путей их решения. Скорее всего, первоначальная задача научного управления будет состоять в предот вращении разрушения биосферы на стадии ее пере хода в ноосферу, в борьбе с экологической катаст рофой. Это станет возможным лишь при условии глобального охвата основных сфер человеческой де ятельности системами предвидения, управления и контроля. На этой основе человечество обеспечит вступление в ноосферу.

• 10.3- Природные катастрофы и климат Изменение климата. Климат планеты меняется на..,.„ наших глазах. И подтверждают это природные катас- иси трофы, все чаще обрушивающиеся на Землю (ил. 10.1).

По расчетам климатологов, средняя температура пла неты в конце XXI в. поднимется на три градуса. А вы воды, сделанные при исследовании Гренландского ледяного щита, говорят о возможном повторении дра матических изменений от жаркого климата пустыни до холодов великого оледенения. Погода последнего вре мени, кажется, ни у кого не оставляет сомнения в том, что климат нашей планеты меняется. Появляются со общения о небывалых наводнениях, разрушительных циклонах, тайфунах и смерчах. По сравнению с 60-ми годами XX в., число природных стихий на планете увеличилось вчетверо, скорость ветра возросла, мате риальный ущерб, приносимый стихиями, по меньшей мере удесятерился.

Многие отмечают, что в последние несколько лет зимы стали теплее. Но только специалисты, на воору жении которых современные приборы и методы иссле дования, задолго до наших дней обнаружили признаки потепления атмосферы. Сто лет измерений массы глет черов (ледников) в Альпах показали, что количество льда уменьшилось вдвое. За эти же сто лет уровень Мирово го океана поднялся на 20 см. За последние годы темп пополнения океана увеличился, его уровень растет за десятилетие на 3 см. Мировой океан, преимущественно в тропических широтах, за последние 50 лет нагрелся в верхних слоях на 0,5 °С. Например, течение Эль-Ниньо в восточной части Тихого океана стало теплее, а посколь ку размеры этого течения огромны, оно оказывает вли яние на весь климат планеты.

В результате исследования климата в прошлом ученые пришли к выводу: Северное полушарие в XX в.

оказалось наиболее теплым за последнее тысячелетие.

За минувшие 100 лет средняя температура поднялась примерно на ГС. Если не удастся ослабить приводя щий к потеплению парниковый эффект, то в XXI в.

температура вырастет на 3 — 3,5 °С и климат планеты окажется самым теплым за несколько последних мил лионов лет.

Ученые считают, что на 95% потепление Земли вызвано деятельностью человека, а не природными процессами. Обуславливающие парниковый эффект — диоксид углерода, метан и др. — выбрасываются в ат мосферу промышленными предприятиями, транспор том и т. п.

Анализируя ледяные керны, получаемые при бу рении Гренландского ледника на различной глубине, климатологи сравнили колебания температуры за про шлое тысячелетие с теми изменениями, что происхо дят в последние годы. Увы! За десять веков такого процесса потепления, как сейчас, не наблюдалось.

Нынешнее потепление — единственное в своем роде.

Правда, сегодня оно чуть меньше, чем предвещали расчеты на компьютерных моделях, но этому найдено объяснение: оксиды серы, выделяемые производством, уменьшают прозрачность атмосферы, и в результате до поверхности Земли доходит меньше солнечной энер гии.

На изменение температуры влияют и не завися щие от человека природные процессы, например, из вержения вулканов. Так, проснувшийся в 1991 г. на Филиппинах вулкан выбросил в атмосферу громадное количество серы. И вот результат: в следующем году средняя температура атмосферы понизилась на 0,4 °С, а в 1993 -— на 0,2 °С. Между тем, в 1990 г. наблюдалась исключительно высокая температура. Однако, как по казывает оценка специалистов, основная причина по тепления — все же загрязнение биосферы.

Климат в прошлом. Примерно на три градуса теп лее было в последний раз на Земле более 100 000 лет назад. В Центральной Европе тогда было так же тепло, как теперь в Африке. Через дубовые леса на севере Европы пробирались стада слонов, в реках плескались бегемоты, на берегах отдыхали львы — все это докумен тально доказывают останки животных, найденные па леонтологами, и рисунки в пещерах на юге Франции.

Любопытно, что похолодание на три градуса про изошло в последний ледниковый период более 10 лет назад. Тогда половину Европы покрывал ледовый панцирь, уровень океана был на 120 м ниже, чем сей час, животный мир — сродни сегодняшнему арктичес кому. В истории человечества этот период отмечен распадом сложившихся крупных объединений лю дей — небольшие группы легче перемещались и ус пешнее охотились. Люди вынуждены были отступать к югу. Есть много признаков того, что поворот к холод Часть IV. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЗХ0Л0ГИИ ному климату стал «повивальной бабкой» для Homo sapiens — заставил людей больше думать и работать.

Заглянем в прошлое еще глубже. Примерно 5 млн лет назад Гималаи выросли так, что изменили направ ление ветров. Почти высохло Средиземное море. В Се верном полушарии стало холоднее, а почва получала мало влаги — дожди были редкостью. В центре Афри ки ранее пышные леса поредели, зато саванна раски нулась во всю ширь. Добывать пищу стало труднее.

Когда 10 000 лет назад закончилось последнее оледенение, растаяли гигантские массы льда, уровень Мирового океана поднялся на сто с лишним метров.

Человечество вынуждено было спасаться от нашествия океана — ведь большинство людей жило на берегах морей, занимаясь в основном рыболовством. Возмож но, эта невиданная по масштабам природная катастро фа нашла отражение в библейском сказании о потопе.

Воспоминания о невиданном наводнении есть в преда ниях и мифах многих народов. Уцелевшие в этой ката строфе были вознаграждены очень мягким и теплым климатом. Там, где сейчас лежат мертвые пески Саха ры (ил. 10.2, 10.3), в те времена росли маслины, кипа рисы, лавр. Через Северную Африку текли полновод ные реки. В Месопотамии и Египте закладывались первые древнейшие цивилизации, которые не переста ют удивлять и сегодня.

Окончание ледникового периода ознаменовалось стабильностью климата — средняя температура на планете с тех пор не отклонялась больше чем на один градус. Но изменения температуры даже в столь ма лых пределах сказались на судьбе человечества. По мнению многих авторитетных ученых, минимальное охлаждение послужило причиной великого переселе ния народов, а позже — и нашествия монголов. С дру гой стороны, повышение температуры на полградуса позволило кельтам в Шотландии выращивать виноград, а викингам — разводить скот на зеленых лугах Грен ландии. «Средневековая весна» — от 800 до 1300 г.— позволила европейцам возвести великолепные готи ческие храмы: Нотр-Дам в Париже, соборы в Реймсе, в Солсбери и других городах.

ЕПО Но вот новый поворот климата. В 1212 г. погибло ЭсО около 300 000 голландцев в результате внезапно разра Глава 10. Естественнонаучные аспекты экологии зившейся бури, вызвавшей наводнение. Снижение среднегодовой температуры только на один градус привело к тому, что Европа и многие районы других континентов погрузились на несколько веков в так называемое «малое оледенение» (оно закончилось в середине XIX в.). Лето в этот период было дождливым, зима холодная, во многих до тех пор плодородных местах не вызревали хлеба, растения болели — на ржи появились грибы-паразиты. Люди, потреблявшие хлеб из такого зерна, заболевали вялостью мускулатуры.

Начался страшный голод. Средняя продолжительность жизни сократилась на 10 лет. Многие селения выми рали, города опустели. Предполагается, что именно такие условия способствовали эпидемиям чумы, не раз опустошавшей села и города. Европа потеряла пример но 25 млн человек. Многие ученые связывают случив шиеся беды с изменениями климата.

Долгосрочные прогнозы. Результаты исследований с применением математических компьютерных моде лей не оставляют сомнения в том, что при сохранении выбросов в атмосферу на прежнем уровне первым пострадает от большой жары Южное полушарие. Там станет гораздо суше, чем теперь. Повышение темпе ратуры на два градуса уменьшит и без того скудные осадки на 10%. Пруды высохнут, почва растрескается, возникнут пустыни в Южной Испании, Греции, на Среднем Востоке, не говоря уже о захвате африканс кими пустынями новых тысяч квадратных километров ныне еще живых мест. Южные штаты США будут напоминать сегодняшние пустыни Аризоны и Невады.

В то же время в Северном полушарии станет теп лее и более влажно. Германия, например, приблизится по климатическим условиям к теперешней Италии. На месте вечной мерзлоты в Сибири будет дозревать пшеница, а на берегах Балтийского и Северного мо рей появятся тропические растения. Значит ли это, что в таких местах наступят райские времена? Климато логи не столь уж оптимистичны. Потепление будет со провождаться частыми дождями, не всегда благопри ятными для сельского хозяйства. 120-летняя погодная статистика позволяет заключить, что в Северном полу шарии изменяется пропорция между дождями и сне- _ гом. Европейцы должны будут свыкнуться с зимними дождями и с засушливым летом. Жителям Севера придется встретиться с новыми для них инфекциями, до сих пор распространенными в южных широтах.

Тропическая малярия, желтая лихорадка — эти болез ни в последние годы расширили свои территории в Южной Америке, Азии и Африке. По оценкам голлан дских ученых, в новых климатических условиях еже годно до 80 млн жителей Севера могут стать жертвами опасных для жизни заболеваний, пришедших с Юга.

Столкновение населения северных широт с неизвест ными ему болезнями — одна из серьезнейших проблем климатических перемен.

Кому же парниковый эффект принесет пользу, а кому убытки? На этот вопрос еще, пожалуй, никто не может ответить определенно, хотя изменение климата — уже не научная гипотеза и не только показания чувстви тельных приборов, а явление, развертывающееся у всех на глазах. Западные специалисты отваживаются делать некоторые прогнозы. Северные государства — Россия и Канада — смогут увеличить производство пшеницы на 30%, тогда как, например, в таких южных государ ствах, как Пакистан или Бразилия, нате же 30% умень шится урожай. Вернее сказать, перемены климата уда рят с одинаковой силой как по Югу, так и по Северу.

Бури еще неведомой силы будут атаковать не только экватор, но и средние широты. Ученые прогнозируют шторм (циклон), которого еще не было на Земле: он будет способен сокрушить небоскребы Нью-Йорка или Токио и в считанные секунды уничтожить то, что создавалось несколькими поколениями людей.

Особую настороженность климатологов вызывают тропические циклоны, образующиеся в зонах, где тем пература поверхности океана превышает 26 °С. Рань ше такие зоны занимали сравнительно небольшие площади, но при продолжающемся нагреве атмосфе ры области, порождающие циклоны, могут стать уст рашающе большими. И тогда циклоны выйдут за пре делы тропической зоны, станут появляться в океане у берегов Европы или в пределах Средиземного моря.

Подобный циклон уже возникал и достиг Ирландии, правда, в ослабленном виде.

... В последнее время зимние бури особенно часто ста ULO ли посещать Европу — континент не защищен горами Глава 10. Естественно-научные аспекты экологии ВПЛОТЬ до Урала.Раньше основным препятствием на пути сильных ветров с Атлантики был антициклон, такой мас сивный, что он, как высокий хребет, рассекал ветры с океана и направлял на юг и на север. В последние годы этот антициклон из-за мягких зим ослабел и не сдержи вает ураганы с запада. Области низкого давления стали проникать в Центральную и Восточную Европу. Ежегод но могут повторятся опустошительные наводнения той же силы, какую они продемонстрировали весной 1997 г., затопив многие большие города Европы. Правда, некото рые специалисты одну из причин наводнений объясня ют тем, что реки искусственно спрямлены и перегоро жены плотинами и из-за этого потеряли подготовленные природой места разливов. Есть и другая причина разгу ла водной стихии. Все чаще в Европе зимой идет дождь, а не снег. Многие возвышенности всю зиму остаются без снежных покровов. При потеплении снег тает не мгно венно, а постепенно, дождевая же вода скатывается в ложбины и русла без задержки.

Жители долин рек и морского прибрежья с при ближением потепления будут страдать от затоплений в разные времена года. В некоторых странах уже об суждаются законы, запрещающие строительство жи лья в местах, подверженных стихийным катастрофам.

Однако подобное законодательство в той или иной степени приемлемо для стран, занимающих большие площади. А что делать такой стране, как Бангладеш с ее населением в 115 млн, расположенной в глубокой и протяженной долине реки Брахмапутры, сливающей ся затем с Гангом (обе реки являются крупнейшими реками планеты), к тому же здесь вода будет поступать не только из верховьев реки, но и из моря? Такой воп рос остается пока без ответа.

Потепление климата поднимет уровень Мирового океана за счет таяния ледников в горах, уменьшения ледяной шапки Антарктиды и температурного расши рения воды. Наступающий океан в наступившем столе тии отнимет у суши вдоль берегов примерно 5 млн км2 — это половина площади Европы.

По подсчетам ученых, защита от наступающего океана густонаселенных низменных берегов, примор ских городов и портовых сооружений обойдется в це- _„_ лом миру без малого в 500 млрд долл. Оплатить столь ULU 34 С. Х.Карпенков —КСЕ большие расходы, вероятно, смогут лишь индустриаль ные страны — развивающимся странам они не по карману. Развитые страны могут выделить для защиты своих берегов определенную долю совокупного наци онального дохода. Жителям же, например, Мальдивс ких островов, на которых самая высокая точка возвы шается всего на 3 м над уровнем океана, придется расплачиваться более чем третью валового националь ного дохода. Они будут вынуждены переселяться в более безопасные места.

Равновесие климата. Новейшие изыскания па леоклиматологов дают основания утверждать, что компьютерные модели рисуют неполную, размытую картину того, что ожидает человечество, когда пар никовый эффект скажется в полной мере. Об этом свидетельствуют результаты многолетней работы экспедиций на Гренландском ледяном щите. Пробу рено 3 км льда — последние слои льда отложились на каменную скалу 250 000 лет назад. Важные сведе ния дают мельчайшие воздушные пузырьки, вклю ченные в лед. По соотношению двух изотопов кисло рода в воздухе такого пузырька можно судить, при какой температуре воздух был заключен в лед при его образовании.

Исследуя пузырьки воздуха, находящиеся в слоях льда, имеющего возраст 125 000 лет, климатологи сде лали сенсационное открытие. Обнаружилась странная закономерность: средняя температура в течение деся ти лет внезапно упала на 14 °С. Так продолжалось лет, затем так же внезапно температура вернулась в прежнее состояние, и надолго. Но после этого опять так же резко наступили холода. Температура несколь ко раз «прыгала» таким образом то вниз, то вверх.

Выводы гренландской экспедиции, проводимой евро пейцами, вызвали у некоторых ученых сомнения.

И американские исследователи в той же Гренландии на расстоянии 30 км от европейской скважины пробу рили свою и зарегистрировали те же необъяснимые прыжки температуры.

Гренландия — это своеобразная кухня европейс кой погоды. Следовательно, весь континент через де _«п сятилетия то погружался в северосибирскую стужу, то Dull разогревался до тропической жары. Полученные ре Глава 10. Естественно-научные аспекты экологии зультаты заставили всерьез задуматься всех климато логов. Температура в теплый период превышала сегод няшнюю среднюю глобальную температуру всего на три градуса. В этом смысле тот период — некий аналог ожидаемого повышения температуры из-за парнико вого потепления Земли. Что же произойдет, если по добное потепление приведет к такому же нестабиль ному состоянию климата — скачкам от холодных пе риодов к очень теплым? Тогда европейцам придется то приспосабливаться к жизни в пустыне, то замерзать, как мерзли неандертальцы во времена великого оле денения. Такая перспектива, конечно, страшнее, чем все другие сценарии предполагаемого развития кли мата на Земле (правда, не все ученые разделяют эту точку зрения). К всеобщему потеплению растения при способиться еще могут, как и вообще сельское хозяй ство, но к резкому изменению высокой температуры на низкую — несомненно, нет.

Исследователи предполагают, что драматический сценарий климата может быть вызван изменениями атлантических течений. В Атлантике в районе Ислан дии—Гренландии вращается, можно сказать, «тепло вой вал». Поверхностный поток, несущий в 20 раз больше воды, чем все реки Земли,— известный Голь фстрим,— в этом месте остывает окончательно, пово рачивает вниз и течет на юг. Там вода, нагреваясь, всплывает вверх и снова течет на север, неся с собой огромное количество тепла. Океан чрезвычайно чув ствителен к изменениям климата. Например, циркуля ция Гольфстрима может остановиться, если на каком либо участке его пути, предположим, остывшая вода Гольфстрима не сможет, как обычно, опуститься на севере ко дну из-за того, что ее разбавит пресная вода растаявших ледников и она потеряет соленость и ста нет легче,— а это может случиться при потеплении кли мата. Тогда природная «машина» для переноса тепла на север остановится. Европа по климату превратится в Аляску, и это будет продолжаться до тех пор, пока северная часть Гольфстрима не станет опять солонее.

Только в последние 10 000 лет не было ощутимых помех в установившемся равновесии климата, оказав шегося стабильным. Но никто не знает причин этого!.

Человечеству предоставилась счастливая возможность ии I 34' Ч а с т ь IV. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ жить в таких исключительно стабильных климатичес ких условиях, и оно должно помнить: производя те или иные действия, связанные с вторжением в биосферу, нельзя нарушать установленное самой природой рав новесие климата.

• 10.4. Парниковый эффект и кислотные осадки Парниковый эффект. В результате многогранной деятельности человека в атмосфере возрастает содер жание многих газов и их примесей. Некоторые из них — диоксид углерода, метан, водяной пар и дру гие — пропускают падающий на поверхность Земли солнечный свет, нагревающий ее, и в тоже время эк ранируют длинноволновое тепловое излучение Зем ли. При этом тепло медленно накапливается в бли жайшем к поверхности Земли атмосферном слое. Так возникает парниковый эффект, вызывающий гло бальное потепление.

Первую научную работу о парниковом эффекте опубликовал в 1896 г. шведский физик и химик С. Ар рениус (1859— 1927). Анализируя изменение состава атмосферы при промышленном сжигании угля, он пришел к выводу, что в результате деятельности че ловека может произойти радикальное изменение по годы в глобальных масштабах. Из его расчетов сле довало, что при увеличении содержания диоксида уг лерода в атмосфере вдвое температура на Земном шаре может повыситься в среднем на 4 — 6 °С (по зднее он уточнил: эти цифры были несколько завы шены). Известные в то время методы исследований не позволяли экспериментально подтвердить выво ды ученого. В результате регулярных измерений кон центрации диоксида углерода в атмосфере, начав шихся в середине XX в., установлено: с течением времени концентрация этого газа в атмосфере мед ленно возрастает.

В 80-х годах прошлого века на советской антар ктической станции «Восток» при глубоком бурении и анализе химического состава воздушных пузырь.. ков в слое льда обнаружено изменение концептра U L ции диоксида углерода за 160 тыс. лет. При этом кос U Глава 10. Естественнонаучные аспекты экологии венным путем определялось изменение температу ры за тот же период времени. При сопоставлении по лученных данных выявлена корреляция изменений концентрации диоксида углерода и температуры. В ре зультате сделан вывод: за указанный период време ни диоксид углерода вносил заметный вклад в парни ковый эффект.

К настоящему времени известно, что парниковый эффект обуславливается в основном диоксидом угле рода. Однако и другие газы: хлорфторуглерод (фреон), метан, пары воды (на большой высоте), соединения азота, озон — все вместе вносят существенный вклад в парниковый эффект — около 50%. Постепенное со кращение производства фреонов с целью защиты озонового слоя в определенной степени способствует замедлению парникового эффекта. Основные источ ники метана — рисовые поля, болота, отходы живот новодства и т. п. Соединения азота образуются при раз ложении биомассы, сгорании угля и нефтепродуктов и сохраняются в атмосфере длительное время — более 150 лет, а метан — 14 лет.

Согласно данным, полученным с помощью спутни ковой системы, уровень Мирового океана в последнее время ежегодно поднимается на 1 — 3 мм. Предполага ется, что это связано с общим потеплением климата, причем не только с таянием льдов, но и с термическим расширением воды. Систематические наблюдения по казывают: в последние десятилетия появились призна ки общей тенденции — климат на Земле теплеет. Есть и другие доказательства такого вывода. Так, относи тельно недавно в водах, омывающих Антарктиду, ко раблю впервые удалось пройти вокруг острова Джей мса Росса. До сих пор проливы там были закрыты мо нолитными льдами. Льдина площадью в 4,2 тыс. км откололась от остального массива льда: температура в этих местах на 2,5 °С превысила среднюю многолет нюю. Предполагается, что началось таяние южной полярной шапки планеты.

С течением времени средняя температура поверх ности нашей планеты колеблется, но прослеживается тенденция ее повышения (рис. 10.2, стр. 534), которое можно объяснить, прежде всего, ростом количества •.-„ сжигаемого топлива. Рекордным по потреблению ис- uuu Ч а с т ь IV. ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ Рис. 10.2. Повышение температуры поверхности Земли 1950 1960 1970 1980 1990 2000 г.

копаемого топлива был 1996 г.— израсходовано около 8 млрд т условного топлива. В следующем году было сожжено примерно на 500 млн т условного топлива больше, чем в 1992 г., следовательно, увеличился и выброс в атмосферу продуктов горения. Хотя в 1996 г.

температура на нашей планете понизилась на 0,08 "С, но в среднем в последнем десятилетии прошлого сто летия наблюдалось потепление.

Для восстановления нормального состава атмосфе ры важное значение имеет биогеохимический круго ворот углерода с участием растительности. Различные растения, в том числе и крупные лесные массивы, часто называемые легкими Земли, поглощают диоксид углерода и поставляют кислород, столь необходимый всему живому. Однако в наше время таким легким на несены серьезные, опасные раны, и их необходимо за лечивать. Только в период с 1980 по 1995 г. истреблено около 180 млн га леса. Это площадь такой страны, как Мексика! Следует, однако, отметить, что в тропичес ких широтах рубка леса несколько замедлилась, и, кроме того, во многих странах периодически произво дится посадка молодого леса.

Интенсивное развитие промышленности и, прежде всего, рост производства автотранспорта ведет к непрерывному повышению концентрации диоксида углерода в атмосфере — в XX в. она уве личилась на 20%. Как это может сказаться на про дуктивности биоты — исторически сложившихся комплексов живых организмов? Предполагается, что 534 общая продуктивность биоты не изменится, но про Глава 10. Естественнонаучные аспекты экологии изойдет ее перераспределение по различным гео графическим зонам.

Известные оценки глобального экологического состояния нашей планеты носят дискуссионный ха рактер. Окончательные выводы делать очень опасно.

Возникает вопрос: является ли наблюдаемое потепле ние естественным процессом или это проявление уси ливающегося парникового эффекта? Многие климато логи считают: парниковый эффект есть — это бесспор но. Учитывать его безусловно надо, но говорить о неизбежности трагедии не следует. Человек может и должен сделать многое, чтобы предотвратить надвига ющуюся экологическую катастрофу или, по крайней мере, смягчить нежелательные последствия наблюда емых явлений.

Кислотные осадки. Кислотные осадки являются одним из основных источников загрязнения окружаю щей среды. Кислотные соединения (преимущественно производные оксидов серы и азота, хлористого водо рода и др.) образуются, естественным образом во вре мя грозы, при извержении вулканов, в результате жиз недеятельности бактерий. Но все же ощутимая масса кислотных соединений содержится в выбрасываемых газах автомобильного транспорта, теплоэлектростан ций, различных плавильных печей и т. п.

Кислотными осадками называются атмосферные осадки, для которых водородный показатель рН ниже 5,6 (для нейтральных растворов рН = 7, а для щелоч ных — выше 7).

Систематические наблюдения показывают, что в некоторых местах выпадают осадки, приближающие ся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущер ба от них огромны. Обнаруживаются все новые фор мы их проявления. Если вначале оценивался вред, приносимый кислотными дождями преимущественно озерным и речным экосистемам, то в дальнейшем ста ли учитываться и такие их последствия, как поврежде ние зданий, мостов и других сооружений. Труднее всего оценить влияние кислотных осадков на живую природу, в том числе и на здоровье человека. Особен но большой вред наносится озерам, вода которых не содержит щелочных соединений, способных нейтрали-..д..

зовать кислотность. В кислой воде озер замедляется fluu щ^*?т*^& >' '' Vfx* У**\ л Рис. i0.3. Распространение кислотных осадков Глава 10. Естественнонаучные аспекты экологии рост растений и водорослей, сокращаются или вообще исчезают популяции рыб. Кислотные осадки снижают плодородие почвы и, как следствие, падает урожай ность культурных растений. Нейтрализация окислен ной почвы путем внесения гашеной извести или мела требует больших материальных затрат.

Кислотные соединения, попадая в атмосферу, вне зависимости от их природы распространяются на сравнительно большие расстояния от их источника (рис. 10.3). Они выпадают в виде дождя, снега (мок рые осадки) или аэрозолей (сухие осадки).

Сравнительно высокий уровень кислотных загряз нений дают тепловые электростанции, работающие на угле, содержащем серу с повышенной концентраци ей, которая при сжигании превращается в газообраз ный диоксид серы и выбрасывается из дымовых труб.

В атмосфере такой газ медленно реагирует с парами воды, образуя серную кислоту.

Образование оксидов азота, их химическое превра щение и выведение из атмосферы — довольно слож ный процесс. Азот и кислород при высокой температу ре в силовых установках, доменных печах и автомо бильных двигателях и превращаются в оксид азота NO, при окислении которого образуется диоксид азота, а затем при взаимодействии его с водой — и азотная кис лота. Основным источником диоксида азота является не топливо, а содержащийся в воздухе азот, если тем пература горения превышает 1000 °С.

Для уменьшения содержания оксидов серы и азо та в атмосфере применяются разные методы. Так, при сжигании угля производится предварительное его из мельчение с последующим промыванием водой, что позволяет удалить 25 — 50 % серы. При гидрировании нефти и нефтепродуктов с повышением давления со держащаяся в них сера переходит в соединение H2S, легко отделяемое от сконденсированного топлива.

Сравнительно недавно предложен высокоэффективный метод очистки: сжигание топлива в виде смеси угля и известковой пыли при температуре 800 — 900 °С;

при этом удаляется до 90% серы и одновременно предотв ращается образование оксидов азота. С применением катализаторов можно произвести дальнейшую очист ку. Для обезвреживания выхлопных газов автомобилей применяются различные способы очистки: частичный уц/ возврат выхлопных газов, применение обедненной топ ливной смеси, использование катализаторов и др.

Химический анализ состава атмосферы, внедре ние высокочувствительных приборов для определения концентрации газовых примесей в воздухе, изучение динамики основных атмосферных реакций и создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осад кам,— вот важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды.

10.5. Сохранение озонового слоя Озоновому слою Земли посвящено сравнительно много публикаций: в одних утверждается, что озоно вый слой исчезает быстро и необратимо и жить чело вечеству осталось недолго, а в других — авторитетное успокоение: озоновые дырысуществовали всегда, и это нормальный естественный процесс, на который чело вечество никак повлиять не может. Так что же проис ходит на самом деле с атмосферным озоном?

Озон О 3 — аллотропная модификация кислорода — представляет собой едкий, слегка голубоватый газ. Его молекула состоит из трех атомов кислорода. Озон — одна из наиболее важных составляющих атмосферы Земли. С экологической точки зрения наиболее ценное его свойство — это способность поглощать опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Сол нца. С другой стороны, он сильнейший окислитель (по просту яд), способный отравлять ту самую флору и фауну, которую защищает, находясь в стратосфере. От равляющее действие озона приносит пользу при очи стке воды от болезнетворных организмов: озонирова ние воды — один из лучших способов ее очистки. Кро ме того, озон обладает свойством парникового газа, влияющего на изменение климата.

С точки зрения различных функций и свойств один и тот же по химическому составу озон можно условно разделить на «плохой» и «хороший». «Плохой» озон, г-- входящий в состав фотохимического смога, поразив УиО шего многие крупные города, находится в приземном Глава 10. Естественно-научные аспекты экологии слое тропосферы и, достигнув определенных концен траций, представляет опасность для всего живого.

Однако основная часть озона сосредоточена в стра тосфере, расположенной над тропосферой на высоте 8 км над полюсами, 17 км над экватором и простираю щийся вверх на высоту примерно 50 км. Это — «хоро ший» озон: он защищает все живое от опасного ульт рафиолетового излучения.

Проблемы разрушения озонового слоя и образо вания городского смога часто обсуждаются в сред ствах массовой информации, и это дает повод пола гать, что в атмосфере Земли содержится слишком много озона. Действительно, его может оказаться слишком много в тропосфере, где он наносит вред флоре и фауне, и слишком мало там, где он выполняет защитную функцию. В целом же общее количество озона в атмосфере сравнительно мало: если его сжать до плотности воздуха у поверхности Земли, то полу чится слой толщиной примерно 3,5 мм. Концентрация озона в атмосфере зависит от географической широ ты, высоты, времени года, активности Солнца, техно генного воздействия и т. п. Естественные ее колеба ния могут достигать 25%. Распределение озона по высоте представлено на рис. 10.4, где концентрация дана в условных единицах, соответствующих давле нию в миллипаскалях (мПа). В стратосфере сосредо точено 90% всего озона, 10% — в тропосфере, частич но в смоге. Больше всего озона находится на высоте Высота, км 5 1015 20 Концентрация озона Рис. 10.4. Распределение озона в атмосфере по высоте Часть IV.

20 — 25 км, где его концентрация превышает 30 мПа, что соответствует примерно 1 молекуле озона на 100 000 молекул воздуха.

В процессе развития жизни на Земле совершенно случайно оказалось, что озон, образовавшийся в древ ней земной атмосфере, и клетки живых организмов по глощают биологически опасное коротковолновое излу чение Солнца в одном и том же диапазоне длин волн 230 — 290 нм. Опасное воздействие ультрафиолетового излучения на живую клетку заключается в том, что оно повреждает молекулы ДНК, поглощающие его сильнее, чем молекулы белков клетки. С формированием озоно вого слоя появилась, может быть, единственная воз можность во Вселенной для развития большого разно образия живых форм, включая человека. Поэтому весь ма важно представлять механизмы образования и разрушения озона.

Основной источник озона в атмосфере — молекуляр ный кислород О9, который под действием ультрафиоле тового излучения распадается на атомы. Атомы кислоро да О вступают в связь с молекулами Оо, и при этом об разуются молекулы озона О 3. Атомарный кислород попадает в атмосферу на высоте выше 20 км при рас щеплении молекул кислорода ультрафиолетовым излу чением с длиной волны не более 240 нм. В нижние слои атмосферы такое излучение не проникает, и здесь атомы кислорода образуются в основном при фотодиссоциации диоксида азота под действием мягкого ультрафиолетово го излучения с длиной волны более 300 нм (рис. 10.5).

u"U Рис. 10.5. Разрушение озона оксидами азота Главе 10. Естественно-научные аспекты экологии Поскольку связь атома О с молекулой О 2 в озоне слабая, то достаточно видимого света, чтобы молекула озона распалась на исходные составляющие. Если бы после образования озона можно было изолировать солнечное излучение, то озон сохранялся бы в атмос фере довольно долго. Так оно в действительности и происходит: накопленный за день в стратосфере озон за ночь не распадается.

Ускорению естественного распада озона способству ет его взаимодействие с частицами, содержащими С1, Вг, NO, ОН, среди которых наиболее опасны хлор и бром и особенно хлор, входящий в состав различных видов фре онов. При взаимодействии атомов хлора с озоном обра зуется оксид хлора и кислород (рис. 10.6). Несмотря на.

то, что диссоциации молекул фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости образования молекул озона при солнечном излучении, один атом хлора может разрушить сотни тысяч молекул озона. Происходит цеп ная реакция, включающая множество звеньев. Этот ме ханизм разрушения озона имеет антропогенный харак тер: фреоны стали производиться человеком во второй половине XX в. и широко использоваться в качестве хла дагентов в холодильниках, пенообразующих агентов в огнетушителях, аэрозольных наполнителей, при химичес кой чистке одежды, при производстве пенопластов и т. п.

Молекулы фреонов довольно устойчивы, плохо раство ряются в воде и легко проходят тропосферу, достигая стратосферы, где сконцентрирован озон.

Cl + CF-,Ct O3+ Cl — * C I O + t О t CIO —-» CL + O j Puc. 10.6. Разрушение озона соединениями хлора Характерный прием разрушения озонового слоя Земли — это антарктическая озоновая дыра, в которой истощение озона составляет более 50%. После осозна ния последствий разрушения озонового слоя антропо генными источниками сделаны важные шаги — при няты Венская конвенция (1985 г.) и Монреальский протокол (1987 г.), запрещающие производство озоно разрушающих веществ. По мере сокращения их про изводства в последнее время отмечается некоторая стабилизация в содержании озона в стратосфере и даже тенденция к его восстановлению. Расчеты пока зывают, что процесс восстановления озона будет про исходить в течение всего текущего столетия. Ускоре ние этого процесса — еще один важный шаг в реше нии сложной проблемы сохранения озонового слоя.

• 10.6. Водные ресурсы и их сохранение Необходимые для жизнедеятельности всего живо го водные ресурсы — это соленая вода океанов и мо рей, пресная вода озер, рек и подземных источников.

Гигантский объем воды сосредоточен в ледниках — около 30 млн м3. Существенная доля водяных паров образуется при естественном испарении поверхност ных вод.

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.