Заглянем в будущее

Институт океанологии Академии наук СССР согласился провести очень трудный, нигде не проводившийся расчет: что будет с плавающими льдами и со льдами Антарктики и Гренландии при повышении средней температуры поверхности земного шара на несколько градусов? Приведет ли такое повышение лишь к определенному стационарному изменению климата и уменьшению плавающих льдов в прибрежных районах Антарктики и Гренландии или при некотором критическом нагреве вызовет прогрессивное таяние их ледников?

Решение этой задачи интересно не только для ответа на наш вопрос, но и для подхода к разработке теории ледниковых периодов и процессов потепления климата Земли. Есть много и других, более частных вопросов, как, например, строгое теоретическое обоснование появления сравнительно теплых оазисов, открытых недавно в Антарктиде.

Сейчас трудно сказать, какой именно нагрев Земли приведет к необратимому изменению ледового покрова и климата. Но думаю, что выбранная нами величина 3,5 градуса при выделении энергии всеми термоядерными и атомными станциями скорее завышена.

Сосчитаем теперь, каких же предельных значений может достичь использование ядерной энергии. Как уже говорилось, увеличение средней температуры на 3,5 градуса соответствует тому, что тепло, выделяющееся от всех ядерных установок, не должно превышать 5 процентов от общей солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли и прилегающими к ней нижними слоями атмосферы.

Солнечная энергия, падающая на земной шар, составляет 4 · 10¹³ ккал/сек. 30 процентов солнечной радиации отражается от земного шара и уходит в мировое пространство, значительная часть поглощается высшими слоями атмосферы и т. д. До поверхности планеты и примыкающей к ней части атмосферы доходит менее 50 процентов от общей энергии, посылаемой Солнцем, то есть 2 · 10¹³ ккал/сек, 5 процентов от этой энергии составляет 10¹² ккал/сек, или в год 10¹² · 3 · 10⁷ = 3 · 10¹⁹ ккал/год.

В нашем предположении именно эта энергия является максимально возможной тепловой энергией, которую допустимо получать от всех термоядерных и атомных электростанций. Сравним это число с энергией всего добываемого в год топлива (нефть, газ и уголь). Как мы видели, в год добыча их составляет 6 · 10⁹ тонн условного топлива с теплотворной способностью 7 · 10⁶ ккал/т, что дает 4,2 · 10¹⁶ ккал/год. Таким образом, от термоядерной энергии мы получим 3 · 10¹⁹/4,2 · 10¹⁶ = 700, то есть в 700 раз больше энергии, чем мы имеем сейчас. Возможно, что это число несколько преувеличено и на самом деле термоядерной энергии будет лишь в 500 или даже в 300 раз больше, чем энергии от сожженных полезных ископаемых. Но все равно это грандиозная цифра. Такого количества энергии, вероятно, будет достаточно будущему человечеству, если, конечно, население Земли, особенно за счет Юго-Западной Азии, не будет увеличиваться ежегодно в течение ближайших столетий более чем на 1,7 процента, как это имеет место сейчас.

Большие перспективы открываются перед человечеством в связи с лучшим использованием солнечной энергии. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4 · 10¹³ больших калорий. Однако даже в абсолютно чистой атмосфере рассеивается и поглощается около половины солнечного света, и до поверхности Земли доходит лишь около 50 процентов от указанной выше величины. Облака, пыль и т. п. уменьшают долю доходящей энергии примерно до 40 процентов. И все же общее количество солнечной энергии остается совершенно грандиозным, в десятки раз больше, чем то, что можно получить от «предельно» допустимого использования управляемой термоядерной реакции.

Возникновение жизни на Земле связано с появлением сперва микроскопических, а затем и весьма крупных растений, которые в процессе эволюции выработали аппарат фотосинтеза, позволяющий за счет энергии Солнца превращать углекислоту и воду в органические вещества и одновременно превращать связанный кислород в свободный. Последнее определило создание и поддержание кислородсодержащей атмосферы Земли, а также стабилизацию углекислоты в атмосфере. Все эти условия, вместе взятые, создали возможность появления животного мира.

Запасы горючих ископаемых обязаны своим происхождением растительному и в меньшей степени животному миру. В них как бы аккумулировалась солнечная энергия далеких прошлых лет. Таким образом, вся наша современная промышленность создалась в конечном счете благодаря солнечной радиации. Пища, растительная и животная, позволяющая жить и работать трем-четырем миллиардам человек, получается с помощью солнечной энергии в процессе фотосинтеза в сельскохозяйственных растениях, которые или потребляются непосредственно человеком (растительная пища), или служат кормом сельскохозяйственным животным, поставляющим нам мясо, молоко, яйца и т. п. Человек, как мускульная машина, работает с довольно большим к.п.д. превращения энергии пищи путем ее «сжигания», но не пламенного (как в котлах или двигателях), а медленного беспламенного окисления в организме. Этот к.п.д. достигает 30 процентов, то есть величины того же порядка, что и в двигателях внутреннего сгорания. К.п.д. же превращения химической энергии непосредственно в мышечную работу достигает 70 процентов, то есть почти в 1,5 раза больше, чем к.п.д. лучших электростанций. Этому не следует удивляться, так как энергетика организма совершенно отлична от промышленной и в принципе позволяет производить превращения энергии со 100-процентным к.п.д. Поразительным примером этого является превращение химической энергии в световую у светлячков.

Подобные же медленные процессы сжигания можно осуществлять и в химических системах, примером которых могут служить топливные элементы с близким к 100 процентам к.п.д. перехода химической энергии и электрическую. К сожалению, пока высокий к.п.д. достигнут только в водород-кислородном элементе, хотя в будущем, вероятно, удастся заменить дорогостоящий водород углеводородами нефти.

Значительная часть человечества сейчас недоедает, и до сих пор на земном шаре есть места, где голод частый гость. Между тем уже одно улучшение методов обработки, удобрения и ирригации имеющихся пахотных земель до наиболее высокого современного уровня (не говоря уже о расширении посевных площадей) позволило бы обеспечить высококачественное и полностью достаточное питание не только всему современному населению земного шара, но, по-видимому, и гораздо большему количеству людей. Сейчас урожаи в среднем еще низки.

Однако при достаточно высокой агротехнике, при достаточном количестве влаги и удобрений получают урожаи порядка 15 тонн сухого вещества на 1 гектар. А некоторые культуры, такие, как кукуруза, сахарный тростник и другие, относящиеся к тропическим травам, могут дать урожай до 40–50 тонн сухого вещества на 1 гектар. Если посевы предназначены непосредственно для питания людей (например, зерновые), то из указанных 15 тонн сухого органического вещества примерно 40 процентов, то есть 6 тонн, может быть непосредственно использовано для пищи людей. Если посевы предназначены для корма скота, то используются почти все 15 тонн. Но лишь небольшая часть, а именно около 10 процентов, то есть 1,5 тонны, может быть получена от сельскохозяйственных животных в виде мяса, молока, масла, сала, яиц (в расчете на сухой вес).

Оптимальный рацион человека составляет около 1 килограмма в день сухого веса пищи, причем растительная пища должна составлять примерно 750 граммов, а животная — 250 граммов. Для полного питания 3 миллиардов людей при достижении указанных выше урожаев потребовалось бы всего 130 миллионов гектаров под культуры, потребляемые человеком, и 180 миллионов гектаров под культуры для содержания сельскохозяйственных животных, а всего около 300 миллионов гектаров, или 2,2 процента от площади земной суши (не считая Антарктиды). Это в 4–4,5 раза меньше, чем занято сейчас под сельскохозяйственными угодьями. Зная, что в среднем сегодня человек питается значительно хуже, чем указано в норме, можно заключить, что средняя урожайность сейчас во много раз ниже возможной. Таким образом, поднятие общей урожайности до высоких, но вполне реальных значений дало бы возможность существующим сельскохозяйственным угодьям прокормить население значительно большее, чем сейчас.