АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Ресурсы океана

Помимо ресурсов, расположенных на континентах, человек во всё больших объёмах эксплуатирует ресурсы мирового океана. Океан используется как источник продовольствия, со дна океана извлекаются полезные ископаемые, и он изрезан огромной не­видимой сетью морских путей.

Около 1/4 всех белков животного происхождения в рационе человечества составляют «дары моря» — рыба, ракообразные и моллюски. Ещё около 1/20 нашего белкового рациона составля­ет мясо, полученное за счёт скармливания скоту рыбной муки. Этот источник белков намного богаче говядины, яиц и птицы. В прибрежных странах Азии и в Океании доля морских продук­тов в белковом рационе ещё выше и достигает 90 %. Океан даёт в 8 раз больше продуктов питания, чем пресноводные водоёмы. Почти все рыбопромысловые районы находятся на континента­льном шельфе и в мелководных морях в пределах так называе­мых прибрежных экономических зон шириною 370 км (200 мор­ских миль). Это связано с тем, что именно там сосредоточена жизнь в океане, тогда как открытый океан по существу пред­ставляет собой полупустыню (см. п. 2.3). От трети до половины расходов рыболовных судов составляют расходы на горючее, по­этому затраты «ископаемой» энергии углеводородов на получе­ние единицы пищевой энергии океана велики. Например, чтобы добыть 1 пищевую калорию мяса креветок, затрачивается около 75 калорий горючего; для пелагических рыб это соотношение составляет примерно 1:20. Заметим, что для пресноводной рыбы, получаемой в рыбоводческих хозяйствах, это соотношение близ­ко к 1:1.

С 1940 по 1970 год мировой улов океанической и морской рыбы вырос в три раза (рис. 5.20). Широко бытовало мнение, что пищевые ресурсы мирового океана почти неограничены, и продовольственная проблема может быть решена за их счёт. Этот оптимизм основывался на предположении, что ресурсы от­крытого океана сопоставимы с ресурсами шельфа. Оказалось, что это — грубая ошибка. И в тоже время в этих расчётах не принималось во внимание, что нагрузка на шельф уже превыси­ла способность экосистемы к воспроизведению стада. Поэтому в 70-е годы улов не вырос, несмотря на увеличение рыболовного флота. Стало ясно, что рыбы вылавливается слишком много, и её почти не остаётся для воспроизводства популяций. В следую­щие 30 лет улов вырос всего на 30 %, а потребление рыбы и дру­гих морепродуктов на душу населения резко упало (рис. 5.20). Проблема усугубилась тем, что многие рыбаки были вынуждены переключаться на лов малоценных пород рыбы, так как популя­ции лучших пород, таких как лосось, треска или атлантическая сельдь, были изрежены в крайней степени.

Значительный вклад в этот спад мировой добычи рыбы вне­сла экологическая катастрофа, разразившаяся у берегов Перу. Здесь в зоне апвеллинга (см. п. 2.3, рис. 2.10) у западных берегов Южной Америки образуются благоприятные условия для бурно­го роста морской биоты. С середины 50-х годов XX века здесь стало быстро развиваться рыболовство, ориентированное на лов

214 Часть II. Природопользование и экологическая безопасность

анчоусов, на долю которых в 1965—1971 гг. приходилось до 1/5 мирового улова рыбы и других морепродуктов (рис. 5.21, ввер­ху). Учёные Продовольственной и сельскохозяйственной про­граммы ООН предупреждали, что вылов анчоусов значительно превышает допустимый уровень. Дело в том, что по неизвест­ным пока причинам направление ветров над Тихим океаном иногда меняется, при этом апвеллинг у берегов Перу прекраща-

Тлаьа 5. Население и ресурсы Земли 215

ется. Это хорошо известное явление называется Эль-Ниньо. С приходом Эль-Ниньо резко падает концентрация планктона, а вслед за ней сокращается и способность популяции анчоусов к воспроизводству. Правительство Перу пренебрегло предупрежде­ниями учёных. В 1972 г. из-за чрезмерного вылова популяция анчоусов не смогла восстановиться, и уловы уменьшились сна­чала в 5, а впоследствии и в 10 раз по сравнению с допустимым уровнем! Одновременно от голода погибла масса морских птиц и хищных рыб. Страна понесла огромные убытки, природа — ещё большие. Примерно в это же время из-за неконтролируемого хищнического лова произошла деградация популяции голубого тунца в Западной Атлантике (рис. 5.21, внизу). Нет сомнений, что такова же судьба северокаспийской популяции осетра, трес­ки и сельди в Восточной Атлантике.

К сожалению, эти уроки не идут впрок, и по отношению к продовольственным ресурсам океана человечество в целом ведёт себя так же, как перуанские рыбаки в 1967—1971 гг.

Уничтожению популяций морских животных способствуют развернувшаяся в последние годы добыча нефти на континента­льном шельфе и большая транспортная нагрузка, которую несёт на себе океан. Бурение тысяч разведывательных скважин ведётся как раз на местах нереста. При авариях нефтяных платформ и нефтеналивных танкеров в море попадает огромное количество нефти, вызывающее гибель морских животных и птиц на боль­ших площадях. Кроме того, стремясь сэкономить деньги, недоб­росовестные судовладельцы занимаются промывкой танков, от­водя суда подальше от берега, чтобы их не могли поймать поли­цейские и охранные службы. Значительный ущерб шельфовым экосистемам наносят и загрязнения, поступающие с континента.

Подводя итог, нужно заметить, что разорение и загрязнение мирового океана — одна из острых проблем, плохо решаемых до сих пор.

5.10. Энергетические ресурсы. Реальна пи угроза энергетического голода?

Солнечное излучение является источником почти всей энер­гии, используемой и биосферой, и цивилизацией. Только около 1 %'используемой человеком энергии поступает от других источ-

Глава 5. Население и ресурсы Земли

217

216 Часть П. Природопользование и экологическая безопасность

ников — за счёт добычи и сжигания угля, нефти, природного газа и урана. При этом месторождения угля, нефти и газа — это тоже солнечная энергия, когда-то аккумулированная растения­ми. До сих пор развитие цивилизации основывалось на освое­нии всё новых источников энергии и характеризовалось непре­рывным ростом её потребления как удельным (на душу населе­ния — см. рис. 5.6), так и в абсолютных цифрах. До середины XX века дрова и уголь были основными источниками энергии. Начиная с этого времени, в мировом энергетическом балансе всё большую роль играют нефть, газ, а в конце XX века и атомная энергия (рис. 5.22).

Потребление ископаемых энергетических ресурсов в таких гигантских объёмах ставит перед человечеством ряд насущных и трудных вопросов:

• На какое время хватит этих ресурсов и каковы последст­
вия их истощения?

• Можно ли их заменить и чем?

• Как экономить энергию?

• Как решить проблемы загрязнения окружающей среды?

Это комплекс взаимосвязанных проблем, требующих систем­ного подхода, но, к сожалению, до сих пор слишком часто реша­емых порознь.

В табл. 5.2 приведены сроки обеспеченности основными энергетическими ресурсами для мира в целом. Оценки этих сро­ков имеют значительный разброс в зависимости от оптимизма конкретного эксперта или экспертной группы. Это связано с не­определённостью в оценках запасов, неточностью данных о по­треблении и, самое главное, в разбросе оценок коэффициента извлечения. Дело в том, что по мере истощения месторождения стоимость добычи растёт. Истратив очень много ресурсов, мож­но, например, извлечь из Земли и 99 % нефти, но нефть эта ока­жется дороже золота. При современных технологиях для нефтя­ных месторождений коэффициент извлечения редко превышает 50-60 %.

— Однако, — говорит оптимист, — в будущем будут созданы
новые технологии, и почти вся нефть будет добыта при умерен­
ных затратах.

— Нет, — отвечает пессимист, — ничего особо нового здесь
придумать нельзя, и коэффициент извлечения будет только

Таблица 5.2. Сроки обеспеченности ископаемыми энергетическими ресурсами (годы)

уменьшаться по мере того, как мы будем вынуждены осваивать месторождения с всё худшими геологическими условиями.

Примерно такая же ситуация и в оценках запасов энерго­ресурсов, в особенности нефти и газа, на континентальном шельфе.

Кто бы ни был прав, но из данных табл. 5.2 видно, что ре­сурсов углеводородного сырья, то есть нефти, природного газа и угля, человечеству хватит ненадолго. К этому добавляется ещё ряд немаловажных обстоятельств. Во-первых, сжигание огром­ных количеств угля и нефти ведёт к нарушению геохимического и теплового балансов биосферы с последствиями в виде катаст­рофического роста парникового эффекта, возможного роста озоновых дыр в стратосфере, кислотного загрязнения почв, ги­бели лесов и т. д. (см. гл. 4). Во-вторых, углеводородное сырьё, особенно нефть, нефтяные попутные газы (бутан, пропан) и природный газ, есть ценнейшее и, вместе с тем, дешёвое сырьё для производства огромного количества синтетических материа­лов, без которых человечество просто не сможет обойтись. С этой точки зрения сжигать нефтепродукты — это, по меткому выражению Дмитрия Ивановича Менделеева, всё равно что то­пить печи ассигнациями. В-третьих, массовый выход нефтераз-работок на континентальный шельф и мелководные моря может привести к полной деградации пищевых ресурсов мирового оке­ана и морей, и без того переживающих далеко не лучшие време­на (см. п. 5.9).

218 Часть II. Природопользование и экологическая безопасность

Таким образом, вопрос об эффективной замене тепловой уг­леводородной энергетики — одна из главных и неотложных проблем, стоящих перед человечеством. При рассмотрении этой проблемы необходимо учитывать, что в настоящее время только четверть ресурсов, показанных на рис. 5.22, идут на производст­во электроэнергии. Остальные используются непосредственно для производства высокотемпературного тепла в промышленно­сти, отопления и приготовления пищи в быту и коммунальном секторе, в качестве горючего на транспорте и в сельском хозяй­стве (рис. 5.23).

Существуют два взаимодополняющих способа решения проблемы исчерпания ископаемых ресурсов: снижение потреб­ления энергии (уменьшение энергоёмкости производства и быта) и отыскание альтернативных источников получения энергии.

Рис. 5.22. Мировой энергетический баланс в XX веке. Первичные источники энергии включают гидроэлектростанции, ветровые, гелиоэлектрические, геотер­мальные станции и т. д. К категории дров отнесены все виды биомассы, ис­пользуемые в качестве топлива, — сами дрова, хворост, солома, кизяк, торф и пр.; 1 ЭДж (Эксаджоуль) = 10¹⁸ Дж

Глава 5. Население и ресурсы Земли 219

На пути радикального снижения энергоёмкости развитые страны стоят уже более трёх десятилетий. За это время:

• разработаны технологии строительства «тёплых домов», в
которых удалось в несколько раз снизить потери тепла че­
рез стены и окна, что привело к снижению расхода тепла
на отопление;

• модернизация теплоэлектростанций привела к росту коэф­
фициента полезного действия паротурбинных и газотур­
бинных установок в среднем с 35 до 42 %;

• у автомобилей и сельскохозяйственной техники в среднем
на 25 % снизился расход горючего;

• сократился удельный расход энергии (на единицу продук­
ции) в энергоёмких отраслях промышленности;

• ламповая электроника (усилители, измерительная аппара­
тура, телевизоры, телефонная и радиоаппаратура) полно­
стью заменилась полупроводниковой и интегральными
схемами, что привело к сокращению удельного расхода
энергии более чем в 100 раз;

• началось массовое применение экономичных светильни­
ков с увеличенным в 10 раз сроком службы и 5-кратным
увеличением светоотдачи на 1 Вт потребляемой мощности
по сравнению с обычными лампами накаливания.

К сожалению, большинство из перечисленных новшеств пока получило распространение только в наиболее богатых и развитых странах.

220 Часть П. Природопользование и экологическая безопасность

Однако, несмотря на меры по энергосбережению, общий объём потребления углеводородных ресурсов не снижается, а продолжает расти. Совершенно ясно, что только мерами по эко­номии энергии проблему исчерпания ресурсов решить невоз­можно, и необходим переход к другим источникам энергии.

В качестве альтернативных способов получения энергии можно рассматривать

• солнечную энергетику, которая прямо или косвенно- испо­
льзует солнечную энергию, поступающую на поверхность
Земли;

» атомную энергетику.

Первый путь, безусловно, предпочтительнее с точки зрения безопасности и минимизации загрязнения природной среды. Он может реализоваться на основе нескольких технологий

• гидроэнергетика, использующая энергию падающей воды;

• ветроэнергетические установки',

• гелиоэнергетика, использующая солнечные печи для полу­
чения высокотемпературного тепла и водонагреватели для
отопления и бытовых нужд, а также прямое преобразова­
ние солнечного излучения в электрический ток с помо­
щью полупроводниковых солнечных батарей;

• переработка растительной биомассы в органическое топ­
ливо.

Гидроэнергетика уже сейчас занимает заметное место в про­изводстве электроэнергии (до 25 %). Она обеспечивает 100 % потребления энергии в Норвегии и около 75 % в Швейцарии, Австрии и Канаде. Гидроэлектростанции надёжны и имеют бо­льшой срок службы. Они не загрязняют атмосферу и позволяют накапливать паводковые воды для орошения. Во многих стра­нах значительная часть гидроэнергетических ресурсов уже осво­ена, и подходящих створов для плотин осталось мало. Тем не менее «запас» гидроэнергетических ресурсов ещё далеко не ис­черпан, особенно на равнинных реках. Вместе с тем опыт по­казывает, что расширение использования равнинных рек для строительства гидроэлектростанций не всегда оправдано, так как при этом под водохранилища уходят большие площади ценных сельскохозяйственных угодий, на не меньших площадях происходит нежелательное перераспределение грунтовых вод,

водохранилища могут быстро заиливаться, и ценные породы рыб лишаются нерестилищ. Приливные гидроэлектростанции, использующие морские приливы и отливы для выработки энер­гии, не могут сыграть существенной роли, так как на всей Зем­ле существует только около двух десятков подходящих для их

строительства мест.

Энергия ветра используется человеком с незапамятных времён. В настоящее время во многих странах разрабатываются и используются современные ветровые турбины, которые могут эффективно работать при скоростях ветра от 6 до 10 м/с. Поэто­му турбины приходится устанавливать на мачтах высотой неско­лько десятков метров, чтобы поднять над приземным инерцион­ным слоем атмосферы. Ветроэнергетические установки оправды­вают.себя только в районах с достаточно устойчивыми ветрами, поэтому их выгодно размещать на горных перевалах и на мор­ских берегах. Мощность отдельных установок колеблется в пре­делах от 10 до 1000 кВт. Слишком большие турбины ненадёжны и не могут работать при слабых ветрах. Для получения значите­льной мощности турбины группируют в ветряные электростан­ции или фермы. Они не требуют чрезмерных капиталовложений, но их основной недостаток — нестабильность работы, вызывае­мая колебаниями скорости ветра. Будучи очень эффективными в отдалённых районах со стабильными ветрами, ветряные элект­ростанции в целом вряд ли могут внести существенный вклад в мировой энергетический баланс.

Солнечная энергия может непосредственно преобразовыва­ться в тепло или электрический ток. Земная поверхность полу­чает от Солнца в среднем 165 Вт/м². Если в одно- или двухэтаж­ном жилом доме площадью в 100 м² установлено оборудование, способное утилизировать хотя бы 30 % солнечной энергии, па­дающей на крышу дома, то за сутки будет получено примерно 120 кВт-ч, то есть энергия, более чем достаточная для полного обеспечения комфортной жизни в доме. Это оборудование дол­жно включать водяной солнечный коллектор для накопления тепла и солнечные батареи для получения электроэнергии. Сле­довательно, проблема заключается в реализации соответствую­щих технологий с приемлемыми затратами. Современные сол­нечные батареи способны отдавать мощность до 60 Вт/м² при инсоляции «200 Вт/м², но стоимость их пока достаточно высо­ка — 500—1000 долларов США за 1 м². Полученная энергия дол­жна аккумулироваться, так как максимальная необходимость в

222 Часть II. Природопользование и экологическая безопасность

её использовании возникает тогда и там, где в данный момент инсоляции нет или она недостаточна. Тепло может накапливать­ся в баках с водой, а электроэнергия — в аккумуляторных бата­реях.

Наряду с бытовыми гелиоэнергетическими системами, полу­чившими уже значительное распространение в богатых регионах с солнечным и жарким климатом, в этих регионах уже построен целый ряд промышленных предприятий, работающих на солнеч­ной энергии.

Основной принципиальный недостаток гелиоэнергетики — зависимость от уровня инсоляции, которая распределяется по поверхности Земли весьма неравномерно. Поэтому в регионах, лежащих выше 45—50° широты, а также в регионах с большой облачностью она оказывается практически малоприменимой.

Трезво оценивая совокупные возможности гидроэнергетики, гелиоэнергетики и ветровых электростанций, нельзя не заме­тить, что они способны покрыть в самом лучшем случае не бо­лее половины потребностей человечества в тепле и электроэнер­гии. Использование горючих ископаемых для производства энергии должно сокращаться, так как эти ценные ресурсы весь­ма ограничены, а их сжигание ведёт к экологической и климати­ческой глобальной катастрофе.

Следовательно, у человечества нет альтернативы использова­нию атомной энергии для покрытия возникающего энергетиче­ского дефицита. Современная атомная энергетика за малыми исключениями использует реакторы, в которых топливом, слу­жит уран-235 (U²³⁵). Этот изотоп урана составляет только 0,7 % природного урана, остальное — практически полностью уран-238 (U²³⁸), в котором цепная реакция деления не развивает­ся и который ядерным топливом служить не может. При деле­нии ядер U²³³ высвобождается много энергии, превращающейся в высокотемпературное тепло. Чтобы цепная реакция пошла, не­обходимо, чтобы хотя бы один нейтрон, вылетевший при деле­нии ядра U²³⁵, попал в такое же ядро и был этим ядром захвачен (рис. 5.24).

Вероятность захвата нейтрона возрастает, если скорость ней­трона мала. Между тем нейтроны, вылетающие из делящегося ядра U²³⁵, имеют очень большую скорость (более 10^б м/с) — это быстрые нейтроны. Поэтому природный уран подвергают обога­щению, увеличивая концентрацию U²³⁵ примерно до 2,5—3 %, а сами тепловыделяющие элементы помещают в среду-замедли-

224 Часть II. Природопользование и экологическая безопасность

тель нейтронов, в качестве которой используют воду или графит. Такой реактор называют реактором на тепловых нейтронах, так как замедленные нейтроны движутся со скоростями теплового движения молекул (порядка 10³ м/с). Часть нейтронов захваты­вается ядрами атомов U²³⁸, которые после двух бета-распадов превращаются в атомы плутония-239 (Ри²³⁹). Реакторы на тепло­вых нейтронах требуют для своей работы минимального обога­щения урана и поэтому нашли широкое применение.

Плутоний Ри²³⁹, подобно U²³\ обеспечивает самоподдержи­вающуюся цепную реакцию, а потому может использоваться в качестве ядерного топлива. Таким образом, обеспечив превра­щение U^23S в Ри²³⁹, можно использовать и U²³⁸ для получения энергии. Однако в реакторах на тепловых нейтронах количество образующегося Ри²³⁹ составляет только около 70 % от «сгоревше­го» U²³⁵.

Следовательно, продолжение строительства атомных элект­ростанций с реакторами на тепловых нейтронах — тупиковый путь, ведущий к относительно быстрому истощению запасов ядерного горючего, так как запасы урана-235 очень невелики (табл. 5.2). Но ядерная технология позволяет получать ядерное горючее с избытком, превращая уран-238 в плутоний путём его облучения интенсивным потоком нейтронов в реакторах на бы­стрых нейтронах. Такие реакторы требуют большей степени обогащения ядерного топлива, но обеспечивают наработку 1,3 кг плутония из U²³⁸ на каждый кг израсходованного плуто­ния (рис. 5.24). Поэтому эти реакторы называются реактора­ми-размножителями (или бридерами от английского breeder — заводчик).

Таким образом, реальная возможность обеспечить себя прак­тически неограниченными энергетическими ресурсами и при этом избежать экологического кризиса состоит в комбинации атомной энергетики, использующей реакторы-размножители, с гидро- и гелиоэнергетикой.

Рассмотренные методы получения энергии позволяют полу­чать энергию в виде электрического тока и тепла. Однако эти виды энергии не поддаются длительному хранению, а аккумуля­торы, как термические, так и электрические, дороги и очень громоздки. Поэтому существует и до сих пор не решена пробле­ма горючего для транспорта и сельскохозяйственной техники, альтернативного нефтепродуктам.

Глава 5. Население и ресурсы Земли

В качестве одного из вариантов решения этой проблемы предлагается применение в качестве топлива водорода, для по-

лучения которого путём электролиза воды должна использовать­ся электроэнергия. Водород сжигается в топливных элементах, непосредственно преобразующих химическую энергию в элект­рический ток, питающий электропривод транспортного средст­ва. Помимо того, что водород чрезвычайно взрывоопасен, это означает, что человечеству потребуется, по меньшей мере, удво­ение установленной мощности электростанций, так как энерго­потребление транспорта равно производству электроэнергии для иных нужд (рис. 5.23). Точно та же ситуация возникнет, если удастся изобрести лёгкие и сверхёмкие электрические аккумуля­торы или использовать в качестве горючего для топливного эле­мента, например, магний или алюминий (сведения о подобных разработках появлялись в печати). Это означает гигантские до­полнительные капиталовложения в энергетику и в создание це­лой новой отрасли промышленности для производства водорода или его заменителей. Кроме того, при этом принципиальной пе­рестройке должна подвергнутся как сама автомобильная про­мышленность, так и вся сфера обслуживания автотранспорта.

Существует, однако, альтернатива столь разорительному пути. Нефть — это набор углеводородов, продукт химической трансформации когда-то существовавшей биомассы. Все необхо­димые компоненты присутствуют и в растительной биомассе се­годня, отсюда прямая возможность получения транспортного го­рючего из биомассы растений.

Растительная биомасса — самый древний вид топлива, до сих пор широко используемый во всём мире в виде дров, древес­ного угля, древесных отходов, хвороста, кизяка и обычной соло­мы (рис. 5.22). Значительные объёмы бытового мусора, сжигае­мого на мусоросжигательных предприятиях, также входят в этот список. Ещё один вид превращения биомассы в высококачест­венное топливо получил последнее время широкое распростра­нение в Китае и Индии. Растительные и другие органические остатки, в том числе нечистоты, собирают в замкнутые метан­танки, где под действием бактерий идут процессы превращения биомассы в биогаз, состоящий в основном из метана. Твёрдые остатки от процесса используются как удобрение. Эта техноло­гия хороша в странах с тёплым и жарким климатом, так как при низких температурах она почти не работает.

8 - 7841 Гальперин

226 Часть II. Природопользование и экологическая безопасность