Енергетика біосфери

Глава 7. ЕНЕРГЕТИЧНА ОСНОВА ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ

Видатний фізик, лауреат Нобелівської премії П. Л. Капіца підкреслював, що основним фактором, який визначає розвиток матеріальної культури людей, є створення і використання джерел енергії. Водночас існують також і негативні аспекти оволодіння тими чи іншими джерелами енергії, починаючи від сили згоряння пороху до енергії розщеплення атомного ядра. Тому осягнення сутнісних вимірів розвитку енергетики, зіставлення гуманістичних та антилюдських її застосувань і є одним із актуальних аспектів дослідження екологічної культури людства.
Виробництво і споживання енергії демонструє декілька парадоксів. Насамперед це несумірність прямих енергетичних можливостей Сонця (як головного джерела енергії на Землі) та можливостей людини як користувача цієї енергії. Водночас користувач активно впливає на перерозподіл сонячної енергії, з тим щоб наблизитися в цьому плані до масштабів не тільки геологічних, а й космічних. Інший парадокс стосується цілком реальної можливості енергетичної кризи для людства, з одного боку, і наявністю "океану" вільної енергії, з іншого. В основі обох парадоксів лежить проблема ефективного та цілеспрямованого використання цієї енергії.
Існує також і декілька менш об'ємних суперечностей. Чому, наприклад, виробляючи на душу кожного із землян величезну кількість енергії, людство не змогло позбутися таких лих, як голод і холод для значної кількості людей? Чому, маючи надзвичайно ефективні засоби і джерела видобування енергії, люди часто споживають ресурси, використання яких для цієї потреби є злочином (ліс)? Ці та інші приклади свідчать про те, що проблема енергетичної основи життєдіяльності людини є проблемою не лише науки та техніки, а й соціальних наук, культури загалом.

§1. Енергетика біосфери

Головним джерелом енергії в біосфері є сонячна енергія. Певна кількість енергетичних ресурсів міститься в геофізичних та геохімічних структурах. Скажімо, йдеться про енергію атомного розпаду чи енергію хімічних реакцій. В кінцевому підсумку, звичайно, ці джерела енергії також детерміновані космогенними чинниками, однак їхні формотворення та прояви дають змогу розглядати їх як відносно незалежні від сонячної енергії. Особливо це стосується енергії хімічних реакцій, на використанні яких спеціалізується велика група організмів — хемотрофи. Однак, по суті, на Землі не існує інших джерел енергії, окрім сонячної. Функції живої речовини та біосфери в цілому полягають у засвоєнні, накопиченні, трансформації та перерозподілі цієї вільної енергії. Загалом, біосфера виконує, таким чином, і фундаментальну космічну функцію, посилюючи негентропійні тенденції і протистоячи тенденціям ентропійним. Інакше кажучи, вона вносить в універсум більшу організованість, порядок, на противагу дезорганізаційним процесам, хаосу. Людина також включена у цей кругообіг, використовуючи акумульовану енергію та речовину для розбудови свого власного світу — світу культури.
Сонячна енергія, здолавши відстань від світила до Землі, падає на поверхню планети. Одна частина її відразу відбивається атмосферою у міжпланетний простір, друга — відбивається від земної кори, нагріваючи, таким чином, і її поверхню, і атмосферу. Від оптичної щільності атмосфери залежить, скільки сонячної енергії вона поглине: прозоріше повітря завжди холодніше, оскільки погано затримує сонячне проміння, і навпаки. У свою чергу, частина затриманої енергії використовується при фотосинтезі.
Співвідношення відповідних показників визначається такими величинами: якщо взяти всю падаючу на Землю енергію за 100 % (3х1024 Дж.), то у процесі фотосинтезу акумулюється 0,1 % цієї енергії (3х1021 Дж.), для приготування їжі використовується взагалі 0,001% (1,5х1019 Дж.). Слід зазначити, що до річного показника фотосинтезу нині майже сягають сукупні енергетичні витрати людства, але це відбувається і за рахунок енергетичних ресурсів, накопичених автотрофами у минулі геологічні епохи (вугілля, нафта, газ).
Здатність біосфери акумулювати енергію досягається завдяки обставинам двоякого характеру. З одного боку, у процесі еволюції виникли специфічні макромолекули та їхні комплекси (передовсім, хлорофіл, мітохондрії тощо), які роблять можливим хімічне протікання процесів перетворення та накопичення енергії з її наступним використанням для забезпечення життєвих процесів. З іншого боку, множинність та різноманітність ієрархічно організованих біосистем біосфери, включаючи її саму, уможливлюють енергетичні потоки між дискретними утвореннями в масштабах всієї планети, сприяючи, таким чином, глобальним енергетичним змінам. Причому останню функцію біосфера як самоорганізована система може виконати тим краще, чим складнішим та різноманітнішим буде якісний склад екосистем, чим складнішим структурно та функціонально будуть біосфера та її блоки. Виявляється, що рух у такому напрямку — енергетично вигідний та конкурентоспроможний. А тому урізноманітнення видового складу біосфери — вагома підстава до винайдення засобів досягти й утримати енергетичні та інші переваги.
Загалом, як влучно відзначив відомий фізик Ервін ШрьоДінгер, автор одного з наукових бетселерів XX ст. "Що таке життя з погляду фізики?", "жити — означає всмоктувати в себе порядок з природного навколишнього середовища".
Енергетичні ресурси в біосфері не лише створюються нині існуючими організмами, а й нагромаджувалися у минулі геологічні часи. Тому реальна енергетика біосфери, а особливо енергетичні підвалини життєдіяльності людини, визначаються сукупним потенціалом вуглецю та вуглецевих сполук. Баланс різних компонентів добре простежується за даними таблиці 11.
Слід зазначити, що нинішня цивілізація живе значною мірою саме "за рахунок" енергетичного потенціалу, нагромадженого до її виникнення. Спалюючи кам'яне вугілля, нафту, природний газ, люди вводять у нинішній енергетичний баланс фотосинтетичну продуцію минулих геологічних епох. Тому інколи кажуть, що люди вже "спалили", тобто витратили, майже 200 млн років еволюції — нагромаджених за цей час розвитку органічного світу вуглецевих ресурсів.

Таблиця 11. Ресурси і запаси горючих копалин, продуктів біомаси та баланс CO2