Дмитрий Шабанов: Что отражается в чашке кофе?

Автор: Дмитрий Шабанов

Опубликовано 12 июля 2011 года

В прошлой колонке мы перечислили источники, пополняющие энергию утренней чашки кофе, как и энергию множества других процессов и результатов деятельности нынешнего человечества. Вот они:

• термоядерная энергия Солнца, преобразованная:

• современным фотосинтезом (наша пища, биомасса для сжигания);

• фотосинтезом в прошлые эпохи (горючие ископаемые);

• атмосферой и гидросферой (энергия ветров, рек и течений);

• солнечными батареями;

• термоядерная энергия предыдущих поколений звезд (ядерная энергия распада тяжелых элементов; часть тепловой энергии недр Земли);

• энергия распределения масс и импульсов в эпоху формирования Земли (выделение тепла вследствие гравитационной дифференциации планеты) и при образовании системы Земля-Луна (энергия приливов).

Ядерная энергия вносит свой вклад в проходящие на поверхности Земли процессы (известен даже естественный ядерный реактор, который действовал в геологическом прошлом), но непосредственно использует эту энергию один-единственный вид. Наш. Это одна из уникальных наших особенностей, но, вероятно, еще не самая важная.

Какой из источников энергии дает ее современному человечеству больше всего? Ископаемое топливо. Рассказать о его значении? "Нефть - кровь экономики"; "газовая труба - главное оружие России"; "действительная причина войн последних десятилетий - передел рынка энергоносителей и колебания цен на нефть": вы слышали все это.

В чем главная разница между использованием энергии современного и ископаемого фотосинтеза? На болотах каменноугольного периода росли родственники современных хвощей, плаунов и папоротников. В них шли те же процессы, что идут и сейчас. И сегодня отмершие части растений попадают на дно водоемов, богатых органикой. У дна, под слоем ила, где нет свободного кислорода, идут трансформации отмершей биомассы. Образование торфа - довольно быстрый процесс. Уголь получается за большее время...

Для нас сейчас важны две грани отличий современного и ископаемого фотосинтеза. Во-первых, потребление продуктов современного фотосинтеза ограничено его интенсивностью; потребление горючих ископаемых зависит от эффективности их добычи и сжигания. Во-вторых, продукты современного фотосинтеза - возобновимый ресурс. Ископаемое топливо - невозобновимый.

Грубо говоря, на 1 квадратный сантиметр внешней поверхности планеты, перпендикулярной солнечным лучам, падает чуть меньше двух калорий в минуту. Атмосфера что-то фильтрует, а что-то рассеивает; растения преобразуют в энергию химической связи около одной тысячной части попавшей на них солнечной энергии. Итого, возможная продуктивность фотосинтеза на планете - конечная величина, имеющая верхний предел. Естественно, реальная продукция биосферы далеко до него не дотягивает: на значительной части поверхности суши не хватает воды, на значительной части поверхности океана не хватает элементов минерального питания.

Потребители продуктов современного фотосинтеза преобразуют не больше энергии, чем ее фиксируется - конечно, в пересчете на определенный период времени. Деревья в лесу растут летом, а печку дровами топят зимой, однако на круг годовое потребление ограничено продукцией. Да, можно сжигать больше дров, чем нарастает леса, но в пересчете на столетие ограничение останется в силе.

Человечество обошло это ограничение благодаря ископаемым! Горючие ископаемые лучше и удобнее древесины - раз. Ископаемое топливо концентрируется в определенных местах - два. Копай шахту и вынимай слой за слоем уголек - топливо, которое не зависит от того, шумят над ними леса или перевеивается песок пустыни.

И тут выясняется, что уголек - невозобновимый ресурс. Это существенно? Весьма. Ручей, бегущий от горных ледников, будет течь, пока в горах будет выпадать снег зимой и дождь летом. Конечно, со временем прекратится и это (Земля находится сейчас примерно на середине своего жизненного пути), но думать об этом пока рано. Ручей, вытекающий из о-о-чень большой цистерны, обречен иссякнуть, когда она опустеет.

Виды, существующие благодаря ручейку современного фотосинтеза, потенциально могут оставаться в этом состоянии неограниченно долго. Условия будут меняться, потребуются какие-то изменения, но можно надеяться, что подобные организмы смогут вести относительно постоянный образ жизни и в достаточно далеком будущем.

Человечество, главным источником энергии которого являются невозобновимые ресурсы, уже в силу этого находится в переходном состоянии. Можно спорить о сроке, в течение которого источники нашей энергии кардинально изменятся; само такое изменение неизбежно. Сейчас мы (по очень грубой оценке) сжигаем за год столько горючих ископаемых, сколько их образовывалось за миллион лет.

Да, кстати, а источники ядерной энергии - они ведь тоже невозобновимы? Да. Но исчерпать их нелегко. Есть весьма редкие изотопы, доступность которых сильно ограничена, и есть относительно распространенные, запаса которых, как говорят, хватит весьма надолго.

Вернемся к чашке кофе. Кажется, есть решение. Греть утренний кофе на костре, а не на газовой плите (ну и, может быть, на электроплите, питаемой то ли от АЭС, то ли от ветряков) - и наши правнуки окажутся способны наслаждаться тем же ароматом? Увы. Дело в том, что производство кофе и сахара, тех самых веществ, которые мы потребляем, потребовало большего "расхода" ископаемой энергии топлива, чем современной энергии растительного фотосинтеза.

Поля под плантацию кофе и сахарной свеклы вспахали - с использованием энергии ископаемого топлива. В землю внесли удобрения, полученные за счет энергии ископаемого топлива. Воду для полива доставляли с расходованием энергии ископаемого топлива. Энергия ископаемого топлива потребовалась и на то, чтобы произвести средства защиты растений, и на то, чтобы их применить. Сбор урожая происходил с использованием энергии ископаемого топлива. Обработка - тоже. Вы догадываетесь, какая энергия использована для обжарки зерен и для очистки сахара? А как кофе и сахар попали оттуда, где они были выращены и обработаны, к вам? Нагрев кофе при его приготовлении - капля в море энергетических расходов на его получение. Кстати, этот кофе нагревается в строениях, возведенных с использованием энергии ископаемого топлива. Поддержание необходимого теплового режима, доставка воды, отведение отходов, освещение - все это осуществляется в большой мере благодаря той же по происхождению энергии.

Строения - строениями, вернемся к кофе с сахаром. Какую по происхождению энергию извлечет из него наше тело? Ту, что была накоплена в результате фотосинтеза, идущего на плантации или на поле. А куда делась энергия ископаемого топлива? Потрачена (очень неэффективно, кстати) на поддержание этого основного процесса. Представьте себе ребенка, который может ходить только за руку со взрослым. Работу по перемещению тела ребенка выполняют его собственные мышцы, но условием этого является перемещение взрослого, более энергозатратный процесс. Вас удивляет, что естественный (и древний) процесс фотосинтеза я сравниваю с маленьким ребенком? Речь идет не о фотосинтезе как таковом, а о его реализации в наших хрупких и неустойчивых агроэкосистемах: только отвернись, и все пойдет не так, как надо...

Энергетические субсидии - затраты энергии извне, поддерживающие основной процесс и способствующие повышению его эффективности. Самый простой вид субсидий - энергия мышц человека, обрабатывающего поле (или, к примеру, мышц муравья-листореза, возделывающего свой грибной огород). С соляркой для дизельного двигателя трактора или комбайна поступают намного более мощный поток энергии. Надежных оценок соотношения основного (фотосинтез) и вспомогательного (субсидии) потоков у меня нет, но есть основания не сомневаться в их серьезной диспропорции. В 70-е годы в США "вспомогательный" поток был в 10 раз мощнее "основного" (для получения 1 калории пищи тратилось 10 калорий субсидий); сейчас диспропорция существенно обострилась.

Поэтому, если мы сегодня откажемся от энергии из невозобновимых источников, завтра мы не просто останемся без утреннего кофе - под угрозой окажется выживание существенной части человечества в силу резкого уменьшения количества доступной пищи. Но послезавтра (фигурально говоря), отказаться от этих источников нас заставит суровая действительность. Что же делать?

Обосновать ответ в этой колонке я уже не успею, но важную для себя мысль продекларирую. Назад пути нет. Вера, что образ жизни наших прадедов спасет современное человечество, не выдерживает никакой критики. Перед нами открыт только один путь. Вперед. В отношении производства энергии это означает освоение возобновимых или практически неисчерпаемых источников энергии достаточной мощности - солнечных ли, термоядерных ли, не знаю.

Разговор об уникальных особенностях нашего вида закончен? Только начат...