Рубикон энергетики

Каковы же пределы развития энергетики? Есть ли у нее свой Рубикон, который нельзя переходить?

Среди ее отрицательных последствий первым названо засорение воздушного бассейна. В атмосферу Земли ежегодно выбрасываются сотни миллионов тонн различных веществ. Вот сколько их: твердых веществ — 130 миллионов тонн; двуокиси серы — 180–200; окиси углерода — 350–400; окислов азота — 60–65; углеводородов — 80–90 миллионов тонн. Выходит, что вся наша атмосфера представляет собой аэрозоль, так как содержит массу взвешенных частиц.

Источники аэрозольных частиц, проникающих в атмосферу, разнообразны. Это и сажа от сжигания угля и мусора, и некоторые отходы черной металлургии.

В целом ежегодно воздух насыщается многими миллионами тонн различных веществ. Массу аэрозольных частиц поставляют химические предприятия в процессе превращения газов в твердые тела. Так, при образовании сульфатов из двуокиси серы в воздух за тот же срок уходят 150 миллионов тонн частиц. Всего из-за деятельности человека в год в атмосферу вносится 350–400 миллионов тонн пыли. По сравнению с ее естественными источниками это еще не так много. Из-за различных природных процессов: землетрясений, деятельности вулканов, пыления почвы, попадания в атмосферу морской соли, пожаров и химических реакций — в атмосфере образуется в 10 раз больше пыли. Казалось бы, оснований для беспокойства пока еще нет. На самом деле оно имеет причины. Основные источники образования пыли расположены вблизи тех мест, где люди живут, отдыхают и работают. Там и повышена ее концентрация.

Исследователи установили, что в кубическом сантиметре парижского воздуха более 100 тысяч пылинок, а над Тихим океаном — всего 500. В две тысячи раз меньше! Это крайний случай. Тем не менее считается, что запыленность в сельской местности в среднем всего лишь в 10 раз меньше, чем в городе.

Энергетика является мощным источником ежегодного поступления в атмосферу 140–160 миллионов тонн очень вредного газа — двуокиси серы. Это следствие сжигания угля и нефти. Поступление двуокиси серы из природных источников эквивалентно 600 миллионам тонн. Значит, человеческая деятельность ответственна за четвертую часть серы, проникающей в биосферу.

Содержание в атмосфере окислов азота на 90 процентов определяется природными источниками. Но наибольшие возмущения в состав атмосферы вносит окись углерода, образующаяся в энергетических установках.

Основная часть этого вредного газа выделяется двигателями внутреннего сгорания. А это составляет около трех четвертых всего количества окиси углерода.

Вес атмосферы земного шара, состоящей в основном из азота и кислорода, равен 5 триллионам тонн (5*10^12 тонн). Поэтому поступление в нее всего каких-то сотен миллионов тонн в год различных газов, казалось бы, не может существенно изменить ее состав. И в самом деле, в результате различных физико-химических реакций, происходящих в атмосфере и при ее взаимодействии с поверхностью Земли и океанов, в ней поддерживается некоторая постоянная и небольшая концентрация вредных газов. Скажем, на миллиард частей воздуха приходится всего 1–4 части двуокиси азота или серы.

Но это только кажется, что данная величина маленькая.

В действительности она недалека от предельно допустимой для человека 30 частей серы на миллиард частей воздуха. Концентрация двуокиси серы в городах в среднем составляет уже около 15–20 частей, то есть в 20 раз больше средней по земному шару, что говорит о приближении к пределу допустимого. А во многих городах она, увы, еще выше. Так, в 1964 году в Чикаго она была уже равна 150 частям на миллиард, то есть в 5 раз превышала предельно допустимую.

Загрязнение атмосферы ведет к ухудшению здоровья, потере трудоспособности, гибели людей. Не всегда заметно, что причина заболеваний кроется в составе атмосферы. Но статистика и чрезвычайные ситуации рельефно отражают действительное положение дел. Вот одна из таких ситуаций. 5 декабря 1952 года перед взором жителей Лондона произошло нечто невероятное: солнце совершенно исчезло с небосвода. Необычайно плотный смог — смесь дыма, тумана и вредоносных газов — держался над английской столицей 3–4 дня. По официальным данным, за это время умерло более 4 тысяч человек. Английские специалисты определили, что воздух над столицей содержал несколько сот тонн дыма и двуокиси серы.

Автомобильный транспорт повышает концентрацию окиси углерода и азота до 10–20 частей на миллион частей воздуха. При определенных условиях под действием солнца в воздухе происходит длинная цепочка реакций и образуется фотохимический смог. Им в настоящее время «заражены» почти все крупные города многих зарубежных стран — Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Милан. В Токио июльский смог 1970 года привел к отравлению 8 тысяч человек. Более 400 человек пострадало 24 мая 1974 года от отравления ядовитым смогом в Токио и прилегающих к нему районах. Там при наступлении жарких и безветренных дней уже несколько раз концентрация вредных для здоровья газов поднималась выше допустимых пределов. По токийскому радио и телевидению можно услышать такие сообщения:

«Внимание! Говорит токийский центр по контролю за загрязнением воздуха. Предупреждаем жителей квартала Кото, Эдогава и Котсусина. В воздухе повысилось количество вредных веществ. Внимание! Срочно прекратить школьные занятия на открытом воздухе, детей вернуть в классы. Как можно меньше находиться на улице. Пользуйтесь автомобилями только при крайней необходимости…»

Только в 1972 году такие тревожные сообщения объявлялись 176 раз — смог угрожал жителям удушьем.

Население Советского Союза избавлено от смога; и все же есть еще города, в которых превышены предельно допустимые концентрации по некоторым газам.

Нужно сказать, что ситуация с двуокисью седы усложняется тем, что еще нет эффективных способов очистки продуктов сгорания угля и нефти.

Увеличение содержания в воздухе серы вызывает не только заболевания и смертность, но и приводит к ряду других нежелательных последствий, таких, как повышенная коррозия металлических конструкций, приносящая миллиардные убытки, кислотность дождевой воды, замедляющая рост лесов и развитие культурных растений. Есть и менее печальные последствия. Ученые из Бирмингемского университета (Англия) заявили, например, что процент натуральных блондинок (наверное, и блондинов) с каждым годом снижается. Причина — увеличение в воздухе серы, которая вызывает потемнение волос.

Пожалуй, на этом примере стоит остановиться и сказать, что один Рубикон энергетика уже перешагнула или стоит на его берегу. Нельзя ей дать перейти его.

Среди отрицательных явлений, связанных с развитием энергетики, обращает на себя внимание повышение температуры окружающей среды. В первую очередь тепловые сбросы сказываются на температуре водоемов.

Нужно сказать, что воздействие энергетики (в общем случае всей промышленности) на природу изучено пока недостаточно. Незнание же, как известно, порождает полярные точки зрения на многие проблемы, по которым хотелось бы иметь более определенные суждения, Так, по поводу подогрева воды в водоемах одни специалисты говорят, что он вреден, и называют этот процесс тепловым загрязнением, вызывающим нарушение биологического равновесия. Но вот в конце сентября 1977 года в центре ядерных исследований Карлсруэ (ФРГ) собралось одно из самых представительных совещаний: свыше 100 специалистов из различных стран.

В конце концов они пришли к довольно неожиданному выводу, что нагревание вод не должно иметь вредных последствий, наоборот, одновременное, мол, повышение температуры и содержания кислорода в воде создает благоприятные условия для развития микроорганизмов, разлагающих вредные вещества.

Совещание в ядерном центре не было случайным. Дело в том, что атомные электростанции имеют более низкий КПД, чем электростанции на органическом топливе.

Это означает, что в АЭС для выработки одного и того же количества электроэнергии не только используется больше тепла, но и больше его сбрасывается в окружающую среду.

Вопреки выводам совещания в Карлсруэ многие специалисты считают, что, по-видимому, в некоторых случаях подогрев воды в водоемах вреден. В связи с этим конструкторы стремятся разрабатывать АЭС, потребляющие минимальное количество воды. Такие АЭС будут полезны и даже необходимы там, где вообще нет воды или ощущается ее большой недостаток. Так можно избежать повышения температуры водоемов.

В настоящее время неизбежно общее повышение и температуры атмосферы в местах нахождения электростанций, промышленных предприятий или крупных индустриальных районов. А это приводит к возникновению нежелательных воздушных потоков, изменению влажности воздуха и солнечной радиации — в общем, к изменению микроклимата. Правда, плотность искусственной энергии, обусловленной деятельностью человека, пока еще невелика: всего 0,02 ватта на квадратный метр поверхности Земли. Мощность же солнечного излучения почти в 10 тысяч раз больше. И конечно, такое искусственное энерговыделение не может вызвать возмущений атмосферы планеты. Но уже есть районы, где плотность искусственного энерговыделения существенно выше и вызывает опасение. Например, на территории Японии она равна 2 ваттам на квадратный метр поверхности, то есть почти один процент от солнечного, а в Рурском промышленном районе ФРГ она выше уже в 10 раз (20 процентов от солнечного). Ясно, что такие источники энергии могут серьезно влиять на микроклимат в прилегающих районах.

Метеорологи считают, что дальнейший рост искусственного энерговыделения в районах, подобных Руру, Бельгии, юго-востоку США, скажем, на один порядок может вызывать не только значительное изменение микроклимата, но и нарушения в генеральной циркуляции атмосферы всей планеты. Таков еще один рубеж для энергетики, при приближении к которому нужно задуматься, как же быть с климатом.

Очень широко, особенно в последние годы, обсуждается вопрос об общем перегреве Земли в результате деятельности человека. Часто пишущие об этой проблеме прибегают к чрезмерному упрощению. В результате появляются статьи под устрашающими заголовками:

«Энергетика — стоп!», «Время ледников приходит» или уже упоминавшаяся «Ожидается мезозой».

Действительно, расчеты, проведенные многочисленными учеными, показывают, что повышение доли искусственного тепла до 2–3 процентов от солнечного может вызвать изменение теплового баланса Земли и ее климата. Однако, как пишет академик Е. Федоров, доля искусственного тепла, равная 2–5 процентам, — это 30–75 единиц Q в год. Как мы видели ранее, такого уровня энергетика за счет известных сейчас источников энергии достигнет лишь через 200–500 лет. Но многие исследователи справедливо отмечают, что такое изменение теплового баланса в атмосфере Земли, какое вызывается при 2-5-процентной доле искусственных источников энергии, может возникнуть значительно раньше и произойдет оно за счет изменения прозрачности атмосферы.

Говорилось уже, что при сгорании органического топлива ежегодно в атмосферу поступает около 20 миллиардов тонн углекислого газа. Концентрация его в атмосфере возрастает со скоростью 9∙10^-5 процента в год.

В 1960 году она равнялась 314 частям на миллион частей воздуха, а к 1980 году поднялась до 332. Такие концентрации углекислого газа не влияют на здоровье людей. Но хорошо известно и другое — он в атмосфере действует как стекло в парнике или оранжерее: пропуская солнечные лучи к поверхности Земли, он не выпускает обратно в космос «отраженное» тепловое инфракрасное излучение, имеющее другую длину волны. Этим и создается так называемый парниковый эффект, давший повод и основание многим говорить о перегреве Земли, таянии ледников и повышении уровня океанов.

На самом деле все не так просто. Действительно, многочисленные расчеты показывают, что, например, повышение концентрации углекислого газа вдвое, чего можно ожидать лет через 50, при неизменных других условиях в земной атмосфере может привести к повышению температуры на 1–3 градуса. С другой стороны, при запылении атмосферы за то же время ее температура может снизиться на те же 1–3 градуса. Кстати, на роль запыленности в тепловом балансе планеты также существуют различные точки зрения. Так, одни специалисты именно этим эффектом объясняют ледниковый период, вызванный попаданием Земли в плотное облако космической пыли. Другие считают, что влияние пыли на снижение температуры гораздо слабее, а ее отражательная способность меньше отражательной способности поверхности нашей планеты.

Пока за сорок лет, прошедшие с 1940 года, средняя температура нашей атмосферы не только не возросла, а, напротив, упала на полградуса.

Ответить на вопрос — до каких же пор можно развивать энергетику, чтобы выделяемое антропогенное тепло не привело к общему разогреву атмосферы, сейчас нельзя. Называемые некоторыми специалистами 3–5 процентов его от солнечной энергии, существующей на поверхности Земли, мало обоснованы. Однако их нельзя называть и безответственными. Ведь это первые оценки, скорее прикидки, и они полезны как предупреждающие о том, что над проблемой надо думать. Ведь 5 процентов — это 75 Q! Сравните: энергетика сейчас дает всего 0,3 Q. В связи с высказанным возникает и такой вопрос: правомерно ли вообще утверждать, что поступление в атмосферу дополнительного антропогенного тепла обязательно приведет к общему равномерному потеплению атмосферы?

Нет, отвечает академик Е. Федоров.

«Отнюдь не следует считать, что поступление в атмосферу дополнительного антропогенного тепла обязательно приведет к общему равномерному потеплению атмосферы и соответственно таянию ледников, повышению уровня океанов и т. д. Конечные последствия могут быть иными». Кроме изменения баланса тепла, нужно учитывать множество других факторов, влияющих на температуру атмосферы: глобальные изменения циркуляции в атмосфере, облачности, течений в океане, распределение концентрации углекислого газа и т. п. Поэтому главная проблема, которая должна волновать человека, — это изменение климата Земли, а климат может меняться и частично уже меняется не только потому, что увеличивается количество тепла, вызванного деятельностью человека. Нарушение генеральной циркуляции атмосферы и другие явления, от которых может измениться климат, способны возникнуть и при нарушении мирового водного баланса. Например, при использова-нии для орошения большой части стока рек увеличится испарение воды на континентах и перераспределится энергетический баланс атмосферы. Играет роль и изменение отражательной способности больших участков земной поверхности при посадке на обширных площадях культурных растений или просто замене их вида.

Разнообразный род деятельности человека приводит, а в дальнейшем в еще большей степени будет приводить к изменению климата в различных районах Земли.

Именно это «непланируемое» изменение и вызывает наибольшую тревогу и опасность для людей.

Увеличение потоков тепла и солнечной радиации, уменьшение осадков в засушливых районах и обратная картина в местностях с достаточным количеством тепла и влаги могут привести к серьезным нарушениям в сельском хозяйстве. При изменении климата неизбежны перестройка жилищ, коммунального обеспечения, изменения характера производственной деятельности. Сам человек также достаточно чувствителен к перемене климатических условий.

Поскольку такое непреднамеренное воздействие на климат неизбежно, нужно научиться и планомерно изменять его в нужных направлениях. Задача чрезвычайно трудная, но небезнадежная.

Уже сделаны первые шаги в воздействии на развитие облачности и образование осадков. Рассеяние низких переохлажденных облаков и туманов, применение искусственной кристаллизации капель воды для предотвращения града используются уже в течение нескольких лет в СССР и ряде стран. Эксперименты по воздействию на ураганы проводятся сейчас учеными США. Есть достаточно и других способов воздействия на климат или предотвращения его изменения. О некоторых из них мы расскажем позже.

Конечно, такие разработки потребуют дополнительных, иногда значительных затрат материалов, труда и энергии. Но, обладая достаточным ее количеством, люди смогут справиться с нарушениями климата, происходящими в результате их жизнедеятельности. Нужно только, чтобы эта энергия была достаточно «чистой», не засоряющей землю химическими, аэрозольными и радиоактивными выбросами.