Земцов А.Н., кандеол.-мин.наук,

докторант Института истории естествознания и техники РАН

Глобальное потепление или тепловое загрязнение среды?

Взгляд на историю взаимоотношений науки, промышленности и общества: основные этапы и смыслыдаты

С той поры, как В.И.Вернадский ввел представление о  технологической  цивилизации как силе геологического масштаба, пренебрегать глобальными предупреждениями, основанными на современных научных данных, стало недопустимым. Отметим основные даты, связанные с развитием представлений В.И.Вернадского.

В предисловии к «Трудам по минералогии» (Вернадский, 2002, стр. 7) М.И.Новгородова отмечает, что уже в 1884 г. (Вернадскому 21 год) он специально выделяет «химические реакции, происходящие на земном шаре». В 1913 году Вернадский пишет, что без учета роли газов, «которые были выброшены из минералогии под влиянием увлечения кристаллографией …невозможно понимание химических процессов земной коры» (там же, с. 14). Вернадский впервые ставит вопрос о химических процессах в земной коре.

В этой же работе Вернадский выделяет деятельность человека в качестве фактора геологического масштаба (§§ 26-29), формулируя это следующим образом: «химическая работа человечества должна сделаться интенсивнее; оно будет вынуждено концентрировать руды, т.е. быстро производить природную геологическую работу, идущую медленно … с его (человека – А.З.) появлением разрушительная роль энергии, сосредоточенной в живом веществе, увеличилась» (там же, с. 43).

Исследователь творчества В.И.Вернадского Г.П.Аксенов отмечает, что в одном из писем 1894 г. ученый пишет об «общей схеме химической жизни Земли, производимой энергией Солнца» (Аксенов, 2001, с. 97).

Сущность подхода В.И.Вернадского к проблемам геологии и геологического времени сформулирована им работе 1911 г. о творчестве М.В.Ломоносова. Это - «метод единства геологического процесса, накапливания во времени явлений ныне совершающихся в земной коре» (Вернадский, 1911, с. 147).

В законченном виде Вернадский сформулировал идею о влиянии человечества на геохимические процессы в шестой лекции по геохимии, прочитанной в Петрограде в Академии наук 23 июня 1921 г. В настоящее время анализ роли газов в пористой части земной коры с учетом их перехода в надкритическое состояние привел к концепции газосферы Земли (Аблесимов и др., 1983).

Современные представления о глобальном воздействии хозяйственной деятельности человека на окружающую среду являются развитием подхода и идей В.И.Вернадского.

Оценим без претензий на точность контуры проблемы.

Оценка суммарного потребления топливного эквивалента приводится в докладе Генерального секретаря ООН «Энергетика и транспорт» Комиссии по устойчивому развитию, выступающей в качестве подготовительного комитета Всемирной встречи на высшем уровне по устойчивому развитию совокупное мировое коммерческое потребление первичной энергии составило в 1999 году 8,5 млрд. т. нефтяного эквивалента (мтнэ), из них 40% приходилось на нефть (то есть около 3,5 млрд. т.).

На жителя Земли в среднем приходится около 1,5 т. условного топлива (нефтяного эквивалента) в год, или 1,5 кВт мощности – такова средняя энерговооруженность жителя планеты (Земцов, 2003), при том, что разброс этой величины, по данным доклада, для разных стран составляет 10 раз. Близкая величина приводится в авторитетном российском источнике: см. Химическая энциклопедия, в 5-ти томах, том 3, 1992, статья «Нефть», с. 231 – потребление около 3 млрд. т. нефти в год по планете. В пересчете на нефтяной эквивалент добыча газа  может достигать 30% энергии потребляемой нефти.

Окисление такого количества нефти (содержащей 80-90% углерода с атомной массой 12,011) дает более 10 млрд. т. CO2 (молекулярная масса около 44), так как окисление единичной массы углерода требует 2,66 единиц массы кислорода.

Сколько СО2 содержится в «природной» атмосфере планеты? При массе атмосферы около 5,15 х 1015 т. (БСЭ, т. 2, 1970), содержании CO2 по массе в той части атмосферы, которая хорошо перемешивается - 4,6 х 10–4 (Химическая энциклопедия, в 5-ти тт., том 5, 1998) имеем 2,37 х 1012 т. или 2370 млрд. т. СO2 в атмосфере планеты. Тогда 10 млрд. т. СО2, образующегося при окислении органического топлива ежегодно составит 1/237 или примерно 0,5% от атмосферного СO2.

Помимо нефти и газа сжигаются другие виды органического топлива, прежде всего уголь и дрова, что позволяет удвоить полученную величину. Необходимо также учесть вклад газовой компоненты, но все эти поправки не изменят порядка величины: в среднем более 2 т. СО2 на жителя Земли в год.

Но диоксид углерода - газ парниковый – отсюда опасность глобального потепления.

Критики отмечают, что ряд наблюдений температур в основных пунктах имеет длину в несколько десятков лет, а изменчивость природных процессов имеет гораздо более длинные тренды. То есть, для вывода о роли «глобального отопления» в «глобальном потеплении» аргументов пока недостаточно. Данные геологии, с другой стороны, свидетельствуют о том, что в некоторые прошлые эпохи концентрация СО2 в атмосфере была значительно выше, что вызывало увеличение зеленой массы, рост скорости синтеза кислорода и последующее уменьшение концентрации СО2, то есть колебания в климатической системе Земли. Очевидно, что длина ряда наблюдений должна превышать длительность подобных «системных» эффектов.

В 1973 год произошел первый в истории энергетический кризис в масштабе экономики всей планеты. Приведем цитату из описания этого кризиса в БСЭ:

«…Для защиты своих национальных интересов и проведения согласованной политики (нефтедобывающие страны) создали в 1960 Организацию стран-экспортеров нефти (ОПЕК), а в 1968 — Организацию арабских стран-экспортеров нефти (ОАПЕК).

К началу 70-х гг. ОПЕК и ОАПЕК выросли в силу, противостоящую нефтяному картелю. Опираясь на рост национально-освободительного движения, национализацию нефтяных компаний в ряде стран (Алжир, Ливия, Ирак), а также, учитывая резкое повышение спроса на энергетическое сырьё на мировом капиталистическом рынке в ходе циклического подъема капиталистической экономики в 1972—73, страны ОПЕК резко увеличили нажим на нефтяные монополии. Во время военных действий на Ближнем Востоке в октябре 1973 арабские страны ввели выборочное эмбарго на экспорт нефти в США и некоторые другие капиталистические государства.

В этих условиях страны ОПЕК подняли цену на нефть в 4 раза.  Западные государства приняли ряд мер, направленных на ослабление их зависимости от импорта нефти путем расширения разработки собственных природных ресурсов топлива (в первую очередь угля, а также нефти в Северном море и на Аляске), экономии нефти и увеличения ее стратегических запасов, расширения исследований по освоению альтернативных источников получения жидкого топлива (из угля, сланцев, битуминозных песчаников) и других видов энергии (солнечной, ядерной, геотермальной и др.), объединения усилий для борьбы с ОПЕК, для ее раскола.

Действие этих факторов в сочетании с низкими темпами восстановления капиталистической экономики после кризиса 1974—75 помешало ОПЕК противостоять инфляции и привело к фактическому снижению цен на нефть». (БСЭ, 3-е изд., том 30, 1978, статья «Энергетический кризис»).

 

Энергетический кризис привлек внимание к общим геохимическим  характеристикам энергетических технологий цивилизации, прежде всего по отношению к климатической системе планеты. В какие годы формировались основные представления о проблеме?

 «В области физической климатологии к середине 20 в. оформилось представление о тепловом балансе земной поверхности и атмосферы как о физической основе климата …Человечество пока еще не может существенно влиять на климат путем непосредственного изменения физических механизмов климатообразующих процессов… Индустриальная деятельность человеческого общества приводит к возрастанию содержания в воздухе углекислого газа, промышленных газов и аэрозольных примесей. Постоянно возрастает и приток тепла в атмосферу за счет сжигания горючего …в глобальном масштабе они (антропогенные изменения – А.З.) еще незначительны.в близком будущем можно ждать их значительного возрастания». (статья «Климат», том 12 (1973), с. 305-308, автор С.П.Хромов).

В статье «Воздух» (том 5 (1971), сс. 252-253, автор В.Л.Василевский) утверждается, что загрязнение воздуха в районе больших городов «понижает солнечную радиацию, дошедшую до поверхности земли». Скорость роста концентрации СО2 в атмосфере в этой статье оценивается величиной, при которой удвоение концентрации может произойти за 500 лет.

К 1973 году представления о глобальных изменениях климата под влиянием антропогенных факторов были уже намечены, но еще не развились. Интересно, что роль аэрозолей стала очевидна раньше, чем вклад газовых компонент в процессы энергопереноса. Доминировало представление о связи климата с солнечной активностью, заложенное еще в начале 20 века.

Одной из ключевых дат в истории проблемы стал 1972 год, год первой Всемирной конференции по проблемам окружающей среды в Стокгольме. За год до этого в Массачуcетском технологическом институте (США) был издан отчет по проекту «Воздействие человека на климат», в 1974 г. переведенный и изданный на русском языке (цит. по Химия нижней атмосферы, 1976, сс. 292, 307). Основные данные по увеличению концентрации СО2 в атмосфере за период 1958-1971 годы были получены в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайских островах,  расположенной на склоне действующего вулкана в одной из наиболее тектонически активных зон земного шара.

Историю интереса международного научного сообщества к указанным проблемам изложим, следуя работе (Последствия ядерной войны…, 1988). В 1969 году был создан SCOPE (Scientific Committee on Problems of Environment) в рамках Международного совета научных союзов (МСНС). Первой задачей SCOPE «была подготовка доклада по глобальному мониторингу окружающей среды для Стокгольмской конференции ООН по среде обитания человека». По мере накопления результатов, в 1982 г. Генеральная ассамблея МСНС приняла резолюцию, в которой говорилось:

«Ввиду необходимости осознания общественностью возмож­ных последствий гонки ядерных вооружений и для научно обос­нованной оценки физических, биологических и медицинских последствий широкомасштабного применения ядерного оружия предписать Исполнительному комитету МСНС создать специ­альную комиссию для изучения этих последствий и подготовки отчета, предназначенного для самого широкого распространения и представляющего собой бесстрастное, объективное, автори­тетное и легко доступное для понимания описание воздействия ядерной войны (в том числе ограниченной) на организм чело­века и другие компоненты биосферы» (цит. соч., с. 14).

Проблема глобального потепления была переведена в плоскость «опасности ядерной войны». С 1984 года начинаются регулярные международные встречи ученых и специалистов по проблеме воздействия цивилизации на экосистемы.

С чем, то есть с каким природным процессом можно сравнить интенсивность сжигания ископаемого топлива? Рассмотрим масштабы поступления тепловой энергии из недр Земли. Величина эта определяется  с трудом и не очень надежно (по градиенту поля температур и теплопроводности слоев горных пород), точные цифры до сих пор не получены, несмотря на огромный объем геофизических исследований.

Однако данные, приводимые в БСЭ, 3-е изд. том 6 (1971), в статье «Геотермика», в целом не устарели (сравни Жарков, 1983) . Средний тепловой поток через поверхность Земли на различных геологических структурах составляет величину менее 0,1 ватта через кв. метр (для сравнения – от Солнца на кв. метр верхней границы атмосферы поступает около 1,37 кВт (в полторы тысячи раз больше; Физическая энциклопедия, 1994) . С учетом площади поверхности Земли 510,2 миллиона квм получаем теплопотери в 51,02 х 1012 Вт или, при численности населения Земли около 5 млрд.человек, примерно 10 кВт на каждого жителя планеты. Средняя энерговооруженность жителя Земли сегодня составляет 1,5 киловатта на человека (смыше),  а на отопление жилья каждого жителя России расходуется в среднем более 1 киловатта (Национальный доклад…, 2002; Земцов, 2003).

Другой масштаб для сравнения – активность извергающихся вулканов. В год вулканы суши выносят на поверхность Земли более 1 куб. км раскаленных горных пород. При величине удельной теплоемкости около 1 Дж/граммрад, плотности около 3 г/куб.см этот объем содержит  3.1018 Дж тепловой энергии, что соответствует тепловому потоку порядка 0,002 Вт/кв.м, что примерно в 50 раз слабее геотермального потока (Мархинин, 1985; Раст, 1982). При этом, однако, в работе (Вулканы…, 1986, с. 6) утверждается, что «несмотря на небольшую величину, возмущения в земной климатической системе после вулканических извержений могут быть зарегистрированы, поэтому их вкладом в климатический процесс пренебрегать нельзя».

Конечно, речь идет только об отдельных  вулканах, находящихся в состоянии извержения, их суммарный вклад в геотермальный тепловой поток невелик, но для нас важнее другое – хозяйственная деятельность человека в промышленно развитых странах[A1]  уже превзошла по масштабу вулканическую активность и сравнялась с общим геотермальным потоком.

Существенно, что мы сравниваем достаточно стабильный, слабо флуктуирующий уровень выделения СО2 объектами промышленности с природной системой – вулканической активностью, для которой выделенный масштаб (среднегодовая производительность) является, скорее всего фоновым, то есть масштаб флуктуации значительно превышает средние значения, превосходя их, в виде «пиковых» явлений и выбросов, на порядки, как по суммарной энергии явлений, так и по интенсивности (мощности процесса).

Можно сформулировать следующий вывод: суммарное энергопотребление жителей промышленно развитых стран сравнимо с тепловым потоком из недр планеты. Было бы наивно считать, что это не сказывается на климатической системе планеты. Следовательно, увеличивать поступление тепловой энергии в атмосферу (тепловое загрязнение среды) мы не имеем права. А значит, и Киотский протокол 1997 г. нашей стране следует ратифицировать, оберегая среду нашего общего обитания.

Приведенные выше оценки стали возможны по мере накопления геофизической информации о процессах в земной коре и энергопереносе в атмосфере (газовой оболочке) планеты.

Представляется возможным достаточно уверенно указать научно-историческую эпоху, когда накопление подобной информации перешло в новое качество – конец 1970-х годов, период быстрого развития космических исследований и методов дистанционного зондирования поверхности и атмосферы планеты из Космоса. Незадолго до этого разразился первый мировой энергетический кризис.

В свете изложенной выше истории отношений науки и общества к проблеме загрязнения среды обитания представляет интерес отрывок из книги «Западня глобализации», который приведен ниже (см. Приложение).

Глобализация – сложное и многогранное явление. В определенном смысле глобализация является следствием объединения промышленных систем разных стран и регионов. Авторы книги – известные в Германии публицисты – анализируют глобализацию и ее возможные последствия с разных сторон. Приводим отрывок, посвященный борьбе транснациональных корпораций с принятием международных нормативов по выбросу в атмосферу так называемых парниковых газов (Киотский протокол 1997 года). Трудности понимания современной научной картины взаимодействия технологической цивилизации и окружающей среды отражаются в политических и экономических интригах вокруг подготовки международных документов.

Выводы:

Экологическое движение есть часть процесса глобализации, установить историческую последовательность выделения основных понятий затруднительно. Совместное обсуждение проблем хозяйственной деятельности цивилизации экологами и политиками продуктивно (Земцов, 1994). В некотором смысле обобщенные экологические представления есть научное самовыражение глобализации.

С позиций истории науки выделяются следующие даты и периоды формирования основных парадигм по рассматриваемой проблеме:

1784 – доклад Б.Франклина о возможности изменения климата в результате катастрофического вулканического извержения;

1840-1850 гг. – работы Ч.Дарвина о значении для биосферы вертикальных движений земной коры, связанных с вулканизмом и о роли ледниковых периодов, как важных факторов изменчивости среды;

Середина 19 века, Россия: работы Гельмерсена Григория Петровича (1803 — 1885) и Кропоткина Петра Алексеевича (1842-1921), в которых впервые в российской науке указано на значение ледниковых периодов в истории Земли.

ок. 1900 г. – идеи Вернадского о глобальном характере химических процессов в земной коре и роли газов;

1945-1970 – развитие представлений о роли аэрозолей о основных механизмах  энергопереноса в атмосфере,

1972 – Стокгольмская конференция ООН,

1973 – начало мирового энергетического кризиса и перестройки промышленных систем развитых стран.

Середина 1980-х годов. Проблема глобального воздействия на среду обитания путем выбросов в атмосферу переносится в сферу доказательства «неприемлемой опасности» возможного ядерного конфликта

Тезис о глобальном потеплении, несмотря на его недостаточную обоснованность, может соответствовать реалиям экологической оценки предсказываемой опасности. Суммарная энерговооруженность цивилизации сегодня сравнима с потоком геотермальной энергии из недр планеты, на что было обращено внимание в начале 1980-х годов (см. Бялко, 1983). Следует ограничивать рост энергопотребления, причем во всех, а не только в промышленно развитых странах.

Основной проблемой технологических систем России является избыточное потребление энергии и низкий КПД тепловых машин и устройств. Ратификация Киотского протокола (1997) может служить интересам переориентации промышленности и бизнеса от нефтедобычи к развитию энергосберегающих и иных высоких технологий.

Автор выражает искреннюю признательность коллегам В.Г.Барскому и А.Г.Назарову за плодотворное обсуждение обозначенных в данной публикации проблем.

Литература:

Аблесимов Н.Е., Бердников Н.В., Липатов В.Г., Талтыкин Ю.В. Газосфера Земли // Тихоокеанская геология. 1984. № 5. С. 110- 113.

Аксенов Г.П. Вернадский. – М.: Молодая гвардия, 2001 – 484 с. (Серия «Жизнь замечательных людей»)

Бялко А.В. Наша планета – Земля. М.: Наука, 1983 – 208 с. (серия «Библиотечка Квант», выпуск 29)

Вернадский В.И. Несколько слов о работах Ломоносова по минералогии и геологии. Отдельный оттиск из «Трудов Ломоносова в области естественно-исторических наук». – С.-Петербург, 1911. – с. 143-149

Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. – Ленинград, Гидрометеоиздат, 1986. – 256 с.

Вернадский В.И. Труды по минералогии. – М.: Наука, 2002 – 606 с.

Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет.- М.: Наука, 1983. – 416 с.

Земцов А. Победоносная «Гринспис»?//Новое время (еженедельник), 1998, № 48, с. 2-3

Земцов А.Н. Энергосбережение в строительстве и стоимость теплового прожиточного минимума.//«Современные строительные конструкции: Окна и двери», № 5, 2003, стр. 24-26

Национальный доклад: Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса. Книга 2. – Москва: Министерство промышленности, науки и технологий РФ. – 2002  - 109 с.

Мархинин Е.К. Вулканизм. – М.: Недра, 1985. – 288 с.

Раст Х. Вулканы и вулканизм. – М.: Мир, 1982 – 344 с.

Физическая энциклопедия. В 5 томах. – М.: Большая российская энциклопедия, Том 4, 1994, стр. 580

Химия нижней атмосферы. М.: Мир, 1976. – 408 с.


 [A1]