Природа парниковых газов и кислотных дождей. Учебное пособие

Продолжение табл. 2.1

Окончание табл. 2.1

Анализ таблицы свидетельствует, что высокоурбанизированным государствам характерны повышенная плотность населения, высокая густота автомобильных дорог и, как правило, значительный внутренний валовой продукт.

2.2. Энергетический баланс техносферы

Энергетическая программа России, предусматривавшая к 2000 – 2022 гг. рост энергосбережения в 1,5 раза, не была выполнена. Фактическое состояние экономики в 2020 г. привело к значительному перерасходу всех видов сырья и в первую очередь – минерального. Выбросы загрязняющих техногенных веществ в окружающую среду от металлургической отрасли и других производств промышленности оказались выше, чем в «застойный» период. Так, в некоторых отраслях промышленности (горная, цветная, нефтехимическая, газовая и др.) темпы производства в 2020 г. росли быстрее, чем в 80-е гг. ХХ века. При этом сле-

42

дует иметь в виду, что из 89 субъектов Российской Федерации 17 продолжают оставаться донорами (по состоянию на 2020 г.). На эти субъекты приходится основная часть добычи минерального сырья (нефть, газ и др.) и произведенного промышленного продукта, а следовательно, главная антропогенная нагрузка пришлась на эти регионы.

Эволюция общества обусловила наступление научно-технического прогресса. В основе прогресса в настоящее время находятся энергетические ресурсы. Так уж получилось, что современному обществу повезло: оно является властелином минеральных ресурсов, эксплуатация которых способствовала созданию устойчивого развития и прогрессу. В то же время известно, что развитие любой системы происходит по методу прямой и обратной связи. Связь между параметрами системы можно представить в виде положительной А и отрицательной В составляющих, т.е. А↔В. Если под А рассматривать энергетические ресурсы (нефть, газ и др.), использование которых обеспечивает прогресс и развитие общества, то противоположностью А будет В – выбросы в атмосферу, получаемые от сжигания нефти, газа и дру-

гих энергоресурсов. В данном случае возникает отрицательная сторона технологического процесса, т. е. поступление в атмосферу парниковых газов (СО2, СН4 и др.), а следовательно, влияние на температуру окружающей среды.

В нашем случае отрицательной стороной обратной связи параметров системы являются отходы в процессе использования минерального сырья обществом. Это непроизвольное формирование техносферы в составе биосферы. На основании принципа ле Шателье, согласно которому внешнее воздействие на систему частично компенсируется протеканием в ней внутренних процессов, экологи предположили качественные критерии устойчивости эволюционирующих систем. Предложены три состояния системы: устойчивое, нейтральное и неустойчивое. Считается, что система неустойчива, когда реакция процесса усиливает воздействие на окружающую среду (ОС) – положительная обратная связь. Равновесная связь между параметрами характеризуется функциональной зависимостью b = f(a), где а – параметр основного процесса, на который оказывается воздействие (в нашем случае – это окружающая среда).

43

Тривиален анализ поступления техногенных веществ в значительных объемах, но не нарушающих условия устойчивости экосистемы (В. В. Бушуев, В. С. Голубев, 2002): df (a)/da > 0. Данное условие исследователи называют «слабым» условием устойчивости, полагая при этом, что «сильное» условие устойчивости будет означать частичную компенсацию техногенного воздействия – рост а. В других случаях процесса система нейтральная: df(a)/da = 0 или неустойчива (метастабильное равновесие) df(a)/da < 0.

Таким образом, «слабое» условие устойчивости отражает современное состояние техносферы, при котором ежегодный привнос техногенного вещества в биосферу (20 Гт) не нарушает сложившийся энергетический баланс экосистемы (Э): ВНП = Э/ε0, где ε0 в общем случае зависит от экосистемы.

Правомочны два варианта развития системы: первый – интенсивный, для которого dε0/dЭ < 0; второй – экстенсивный путь развития dε0/dЭ > 0. По второму варианту энергоемкость продукции (системы) растет с увеличением экосистемы не слишком быстро. В случае интенсивного развития системы с ростом экосистемы энергоемкость уменьшается ускоренно (d2ε0/dЭ2 < 0).

Расчеты экономистов показали, что энергоемкость ВВП стран мира в тысячах долларов в год растет: в 1900 г. – 1,52; 1975 г. – 2,72; 2000 г. – 5,6; 2020 г. – 4,3; значения ε0 в это время были следующими: 1900 г. – 0,94; 1975 г. – 0,74; 2000 – 0,35; 2020 г. – 0,28. Отношение

Δε0/Δ(ВНП) начиная с 1975 г. становится стабильно отрицательным: 1975 г. – 0; 2000 г. – 0,02; 2020 г. – 0,04. По мнению ряда экологов

(Г. А. Акимова, В. В. Хаскин, 2001; В. В. Бушуев, В. С. Голубев, 2002), мировая энергетическая цивилизация перешла на интенсивный путь развития в глобальном измерении, но при анализе отдельно взятых стран эти отношения носят разный характер. Так, в России в 2015 г. энергоемкость ВВП (в т.у. т/тыс дол.) была одной из самых высоких в мире – свыше 1,2. В целом по миру она находилась на отметке около 0,4. Следовательно, в России в современных условиях продолжает действовать экстенсивный путь развития экономики, выражающийся в значительном использовании минеральных ресурсов и в больших объемах техногенных веществ, поставляемых в окружающую среду.

44

Для характеристики связи параметров техногенеза в зависимости от хозяйственной деятельности общества обратимся к данным известного эколога В. Г. Горшкова, который показал, что общее потребление человеком биопродукции составляет порядка 10 % от глобальной биопродуктивности биоты (равной JΣ = 65,5 Гт/г.). Ученый пришел к выводу, что антропогенное изъятие биопродукции i1 в рамках одной страны пропорционально населению N этой страны, т. е. i1 = aN, где а – постоянная величина, равная для мира в целом примерно

1 т/чел.·год (В. В. Бушуев, 2002). Тогда i1 = 6,55 Гт/г., N≈6·109; i2 – ве-

личина поглощения биотой антропогенного СО2 (в гигатоннах углерода за год), для мира в целом i2 = 2,36 Гт/г.; S – компенсация изъятия биопродукции, которая определяется разницей потоков S = i2 – i1, в данном случае для мира в целом S = ‒4,19 Гт/г. (отрицательная величина); i3 – устойчивость биосферы в отношении антропогенных выбросов СО2, r = i2 – i3. По расчетам В. В. Бушуева и В. С. Голубева только Австралия, Бразилия, Канада и Швеция имеют r > 0, что свидетельствует об экологической устойчивости этих стран и их способности поглощать выбросы СО2 не только свои, но и поступающие из сопредельных государств (табл. 2.2). Очевидно, этим можно объяснить нормальную экологическую обстановку на территории США и других стран. Наибольшими выбросами СО2 характеризуются США (r = ‒1,2 Гт/г. – аномальная некомпенсированность), а также Китай и Япония. В табл. 2.2 приведены показатели S0 и r0 (удельные величины для стран в расчете на единицу биопродукции Р, образуемой биотой этих стран (r0 = r/P и S0 = S/P).

Таблица 2.2

Характеристика антропогенного изъятия биопродукции, выбросов и поглощения СО2 для стран мира (В. С. Голубев, В. В. Бушуев, 2002)

Окончание табл. 2.2

Как видно из таблицы, Россия, несмотря на значительные выбросы антропогенного СО2, сохраняет экологическую устойчивость геосистемы (очевидно, за счет прогрессирующей роли биоты – лес и значительные площади на местности, не охваченные антропогенезом – российский север).

При оценке устойчивости экосистемы на региональном уровне следует принимать во внимание общие количественные данные по потокам материалов в техносфере, расчеты энергозатрат на проведение конкретных процессов, а также расчеты энергетических эквивалентов материалов и энергоемкости продукции. Общая среднегодовая картина использования энергоресурсов современной техносферой приведена на рисунке.

46

Структура (энергетического баланса техносферы в гигаваттах по Ю. С. Юсфину с соавт., 2002 г.)

Выше было сказано, что на электроэнергетику мира приходится более 25 % энергобаланса техносферы – 3520 ГВт расходуется на выработку электроэнергии и попутного тепла. До 55 % энергобаланса теряется в процессе преобразования (технологические потери). Выработанная электроэнергия и полезное тепло находятся в отношении как 2:1 от 1580 ГВт. Отрасли, производящие электроэнергию, очевидно, будут выступать по значимости и количеству поставляемого в окружающую среду техногенного вещества в зависимости от вида сырья: уголь – 42 %, нефть – 10 %, газ – 16 %, гидроэнергия – 19 %, ядерная энергия – 12 %. Суммарная мощность от сжигания всех видов топлива при различных процессах превышает 9,2 ГВт.

47

Эксплуатационные мощности в процессе потребления электроэнергии располагаются в следующем порядке: промышленное производство – 46 %, коммунальное хозяйство и сфера обслуживания – 37 %, транспорт – 17 %. Общий КПД энергетики техносферы составляет около 30 %. Считается, что данная величина представляет приблизительно 6 % продукционной мощности биосферы. Следует отметить, что эффективность использования энергетических ресурсов в России в несколько раз ниже, чем в развитых странах (табл. 2.3). Последнее порождает удорожание производства, ведет к экстенсивному пути развития и обусловливает большое количество загрязнений на межотраслевом уровне.

Таблица 2.3

Эффективность использования энергетических ресурсов в некоторых странах

Основа экономики России в 2020 г. базировалась на добыче минерального сырья. В ресурсодобывающем направлении экономики страны преобладают экстенсивный способ производства, изношенность оборудования, отсутствие новых технологий, невложение средств в обновление мощностей, а отсюда сохраняется значительный объем отходов и загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду.

Техногенез отраслей промышленности

Практика промышленного производства свидетельствует о том, что сложные многоцикловые технологии получения продукции или изделия характеризуются значительными материальными, тепловы-

48

ми, энергетическими и водными затратами. Отсюда высокое количество отходов производств и выход техногенных веществ, попадающих в окружающую среду. Причем материало-, тепло-, энерго- и водоемкость отражают не только состояние отрасли или подотрасли, а более всего характеризуют вид конкретной продукции; отсюда правомерна связь вида производства с номенклатурой изделий, количественной стороной техногенеза отходов производства, которая на практике получила название отвалов, хвостов, отходов и в целом техногенных грунтов.

В технологических цепочках изготовления изделия присутствует не только энергия процесса, но и энергия, затраченная на поддержание рабочих и служащих в рабочем состоянии (тепловая энергия). Во всех звеньях цепочки технологического процесса ‒ добыча – обогащение – металлургический передел – изготовление заготовок – сбор конструкции (машины) – эксплуатация – утилизация происходит потеря в окружающую среду сырья, воды, твердых частиц, металлов, энергии, ‒ т. е. прямое пополнение техносферы. 97 % добытого из литосферы минерального вещества в первые 2 – 4 года поступит в окружающую среду в виде техногенных веществ, остальные 3 % пополнят техносферу на элементном уровне через 5 – 12 лет в процессе эксплуатации изделия.

Глобальное экономическое развитие выступает ведущим фактором увеличивающегося объема загрязнений. Наиболее общий пока-

затель глобальной экономической динамики – валовой глобальный продукт (ВГП), являющийся суммой валового национального продукта (ВНП). ВНП стран соответствует общему количеству загрязнений, поставляемых в окружающую среду промышленностью и сельским хозяйством этих государств (В. Г. Прокачева, В. Ф. Усачев, 2002; В. В. Бушуев, В. С. Голубев, 2002).

Быстрое развитие цивилизации, рост численности населения (в 1950 г. – 2,556 млрд чел., в 2000 г. – 6,156 млрд чел., в 2020 г. – свыше

7 млрд чел.), масштабы промышленного и сельскохозяйственного производств оказывают неизбежное негативное воздействие на окружающую среду. Речь идет о выбросах в атмосферу парниковых газов в огромных неконтролируемых масштабах, что приведет, по мнению многих исследователей, к значительному потеплению и обострению сложившегося равновесия в атмосфере.

49

Последние годы (с 1999 по 2022 гг.) ознаменовались резкими климатическими коллизиями на многих континентах, характеризующимися ливневыми дождями, наводнениями, высокими температурами и засухой при повышении среднегодовой температуры воздуха до 14,61°С (2000 г.), т. е. всего за год прирост составил от 0,17 до 0,22 °С (Ал. А. Григорьев, К. Я. Кондратьев, 2001).

По мнению исследователей (C. A. Brebbica, 1999; Ю. М. Арский с соавт., 1997), жизнь современного общества находится под угрозой из-за всеобщего загрязнения окружающей среды. О масштабах техногенного загрязнения компонентов природы ярко сказано в работе академика Э. М. Галимова. Он пишет: «В конечном счете человек окажется, и уже в значительной степени оказался, в искусственном мире. Он выходит из равновесия с живой природой, перестает быть частью биологического мира. Подобно созревшему плоду, человек отрывается от древа жизни. Он более не питается ее соками. Он отчуждается от жизни с ее законами эволюции. Ни одно живое существо не может выжить вне живой природы кроме человека. Он может уничтожить все живое и продолжить существовать. Он не зависит от кислорода атмосферы, вырабатываемого растениями, ибо может добыть его электролизом. Ему не нужно мясо животных, ибо он может синтезировать любой набор аминокислот. Если он еще не достиг этого состояния сейчас, то во всяком случае приближается к нему. С этого момента существование жизни на Земле перестает быть условием его собственного существования. Он может сохранить жизнь для забавы и для развлечения в виде ландшафтных заповедников и биологических парков. Но, скорее всего, жизнь не сохранится в неволе у человека и, лишенная свободного саморегулирования, исчезнет, если только не успеет адаптироваться к человеку, но уже не как биологическому виду, а как к чужеродной стихии»

(Э. М. Галимов, 2001).

С приведенным высказыванием можно соглашаться или не соглашаться, но общий вывод настораживает: человек создал «монстра»

– техносферу, который проник во все компоненты природы и продолжает эволюционировать благодаря развитию техники и технологии производства.

50