CC BY
178
УДК 574/577:577.4
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УСТОЙЧИВОСТИ БИОСФЕРЫ
И ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОБЛЕМЫ В.Г. Петин, С.В. Белкина
ФГБУ Медицинский радиологический научный центр Министерства здравоохранения и социального развития РФ, г. Обнинск, Россия
Эл. почта: [email protected] Статья поступила в редакцию 08.12.2011, принята к печати 16.01.2012
Анализируются приложения законов термодинамики к биологии вообще и экологии в частности. Дается критический обзор представлений о причинах возникновения, существования и развития глобальных экологических проблем. Прогнозируется развитие демографических проблем в настоящем столетии. На этой основе делаются выводы о перспективах устойчивого развития биосферы и человеческого общества. Обсуждаются возможные пути преодоления глобальных экологических проблем. Подтверждается вывод о необходимости разработки новой парадигмы взаимодействия человека с окружающей средой. Ключевые слова: термодинамика, экологические проблемы, демография, энергия, климат, биосфера.
THE THERMODYNAMIC ASPECTS OF STABILITY OF THE BIOSPHERE AS RELATED TO GLOBAL ECOLOGICAL PROBLEMS V.G. Petin and S.V. Belkina
Medical Radiological Research Center of the Ministry ofHealth and Social Development of the Russian Federation, Obninsk, Russia
E-mail: [email protected]
Applications of the basic thermodynamic laws to biology in general and ecology in particular are analyzed. Views on the causes of global ecological problems are critically reviewed. A prognosis for overpopulation trends in the current century is suggested and used to draw conclusions about the prospects for a sustainable development of the biosphere and human society. Possible ways of coping with global ecological problems are discussed to confirm that a new paradigm for relationships of mankind with the environment is necessary.
Keywords: thermodynamics, ecological problems, demography, energy, climate, biosphere.
Введение
Возникновение глобальных экологических проблем и устойчивость развития биосферы могут анализироваться и качественно интерпретироваться с точки зрения основных законов термодинамики [28]. Этот раздел физики не ограничивается изучением термических процессов только для описания и оптимизации работы тепловых машин, как это было на первоначальном этапе его становления, а анализирует общие закономерности трансформации энергии на различных уровнях организации материи, включая живые системы. Термодинамика нужна для понимания существования и функционирования живых клеток, клеточных популяций, организмов, популяций животных, экосистем и биосферы в целом. Любая из перечисленных систем находится в термодинамическом неравновесии с окружающей средой, и ее существование с точки зрения термодинамики - совершенно маловероятное событие. Необходимость потока энергии через любую организованную систему в биосфере, будь это отдельный индивидуум, популяция животных либо экосистема, - главный вывод термодинамики, регламентирующий принципы и критерии существования таких систем [27]. Термодинамика неравновесных процессов является теоретической основой для исследования
открытых систем, включая клетку, живые организмы, их популяции, экосистемы и биосферу в целом [23].
Такой биофизический подход к проблемам экологии является актуальным в связи с необходимостью обобщения накопленных к настоящему времени экспериментальных и теоретических данных в области загрязнения окружающей среды и разработки основных принципов и концепций поддержания стабильности и равновесия в биосфере. Не исключено, что для обеспечения устойчивости биосферы человеку придется сменить некоторые стандарты индивидуального и социального поведения, этику и даже цели экономического развития [11]. Именно поэтому экология способна объединить людей с различными политическими и религиозными взглядами, являясь своеобразным мировоззрением и нормой поведения людей.
В данной работе с термодинамических позиций анализируются причины возникновения глобальных экологических проблем и возможности их преодоления.
Жизнь и расход энергии
Жизнь с точки зрения термодинамики - абсолютно невероятное событие [8, 27, 28]. Действительно, с термодинамических позиций, существование неравновесных с окружающей средой систем невозможно.
В соответствии со вторым законом термодинамики в этой системе должна возрастать энтропия, т.е. неопределенность и хаос, а не упорядоченность высокоорганизованных структур во времени и пространстве. Тем не менее, жизнь существует. Современные термодинамические представления объясняют существование жизни необходимостью непрерывного потока энергии через живые системы, который используется для поддержания устойчивого неравновесия между живыми организмами и окружающей средой. Для живой материи характерна огромная мощность энергетических процессов. Даже в покое 1 г тела человека трансформирует высококачественную энергию в менее качественную (в основном в тепло) в тысячи раз больше, чем 1 г Солнца! Мощность энергетических процессов на единицу веса и других живых объектов в тысячи-миллионы раз превосходит аналогичную мощность энергетических процессов, происходящих на Солнце. Следовательно, трансформация качественной энергии в менее качественную происходит в живых объектах и экосистемах не только непрерывно, но и с высокой скоростью.
Для иллюстрации необходимости непрерывного потока энергии отметим, что без пищи человек может прожить 15-30 дней, без воды - 5-10 дней, а без кислорода, принимающего участие в трансформации энергии в живых системах, - 5 минут [5]. Чтобы продемонстрировать объем работы, осуществляемой живыми организмами, стоит заметить, что даже при полном покое сердце человека перекачивает в час порядка 250 литров крови, за сутки это составит 6 тонн. Отметим, что энергетические затраты, связанные с механической работой сердца и легких, составляют лишь 10-15% энергетических затрат человека в условиях основного обмена (при полном покое). При совершении работы средней тяжести эти цифры возрастают еще в два раза. Поистине жизнь - это тяжелейшая физическая работа, требующая больших энергетических затрат!
Проанализируем закономерности трансформации энергии, общие для живой и неживой природы и определяемые первым и вторым началом термодинамики.
Связь термодинамики с экологией и биологией
Суть первого начала термодинамики сводится к тому, что энергия не возникает и не исчезает вновь, она лишь переходит из одной формы в другую. Фактически это начало представляет собой закон сохранения энергии. Естественное направление трансформации энергии заключается в превращении высококачественной энергии в энергию более низкого качества. Обратный переход возможен при затрате гораздо большей дополнительной энергии. Применение этого правила помогает понять некоторые явления окружающей нас природы, в частности, становится ясным, что на продуктивность экосистем накладываются энергетические ограничения. Из первого закона термодинамики следует, что количество энергии, поступающей в экосистему, равно сумме энергии, покидающей эту систему, и энергии, остающейся в экосистеме. Главный вывод, вытекающий из этого закона и имеющий значение для биосферы, заключается в необходимости равенства входящей и выходящей энергии для устойчивости биосфе-
ры. Следовательно, поток энергии, приходящий от Солнца, а также запасенный в ископаемом топливе, используемом человеком в качестве дополнительной энергии, должен быть равен потоку деградированной энергии, отводимой в космос.
Второе начало термодинамики состоит в том, что при любых превращениях энергии какая-то часть ее деградирует в менее качественную энергию, в том числе в тепло, которое рассеивается в более холодную окружающую среду. В этом суть второго начала термодинамики, которое также стало рассматриваться как один из основополагающих законов природы [28]. Это чрезвычайно важное положение, определяющее многие закономерности потоков энергии в различных живых системах и в биосфере в целом. При этом потери часто превышают 50%. Это значит, что эффективность трансформации энергии, или коэффициент полезного действия (КПД) большинства энергетических превращений, меньше 50%. Во многих биологических процессах КПД составляет лишь 1-10%, остальные 90-99% энергии теряются в виде деградированной энергии, загрязняющей биосферу. Ситуация усугубляется тем, что в открытых системах одновременно с деградацией энергии до форм, которые трудно использовать, происходит деградация вещества, загрязняющая биосферу [4, 22].
Объективность загрязнения окружающей среды вытекает и из теоретических представлений термодинамики. В соответствии со вторым началом термодинамики, энтропия в изолированной системе (в частности, в Солнечной системе) должна возрастать, т.е. хаос и беспорядок в ней должны увеличиваться. Вместе с тем, живые системы - высокоупорядочен-ные и высокоструктурированные образования, которые уменьшают энтропию. Это противоречие объясняется тем, что энтропия (мера беспорядка и хаоса) в открытой системе уменьшается, а энтропия внешней среды и в целом в Солнечной системе возрастает. Необходимость возрастания энтропии внешней среды и означает её деградацию. Следовательно, законы термодинамики объективно доказывают деградацию и загрязнение окружающей среды. Деградация означает постепенное ухудшение, снижение или утрату положительных качеств. Именно деградированные в процессе функционирования экосистем энергия и масса являются главными объективными причинами и источником загрязнения окружающей среды. Существуют и субъективные причины, усиливающие загрязнение и деградацию окружающей среды. Человечество нерационально использует пищевые и природные ресурсы, производя огромное количество отходов и мусора, загрязняя почву, воду и воздух, а также неэкономно потребляя энергию и выбрасывая в биосферу излишки тепла.
Принципы устойчивости биосферы
Многие авторы [2, 8, 23, 26] анализировали принципы устойчивого функционирования естественных экосистем с точки зрения экологии и термодинамики. Кратко эти положения могут быть суммированы следующим образом.
Первый принцип постулирует необходимость использования ресурсов и избавления от отходов без нарушения циклического круговорота биогенных элементов. Известны многочисленные примеры нарушения этого принципа. Например [24], использо-
вание фосфатов и нитратов для повышения урожайности приводит, в конечном счете, к обогащению и загрязнению ими почвы и водоемов. Человек создал свою собственную экосистему, когда урожай вместе с использованными для его выращивания биогенными элементами перевозится на большие расстояния, а человеческие «отходы» сбрасываются в водоемы. В отличие от круговорота углерода, в котором имеется газообразная фаза (СО2), у фосфата такой газообразной формы нет, поэтому его возвращение из водной среды в круговорот затруднено. Совершенно очевидно, что такая система неустойчива [10], поскольку месторождения в конце концов истощаются. Кстати, это справедливо не только для биогенных, но и техногенных элементов. В отсутствие замкнутого круговорота веществ происходит истощение их ресурсов, а также загрязнение ими окружающей среды.
Второй принцип. Экосистемы должны существовать за счет не загрязняющей биосферу солнечной энергии [2, 9, 15]. Так и происходит во всех естественных экосистемах, за исключением человеческого общества. Примерно 250 лет назад, а наиболее интенсивно последнее столетие, люди стали использовать невозобновляемое ископаемое топливо - «следы былых биосфер» [16]. Его сжигание привело к многочисленным проблемам загрязнения окружающей среды, включая возрастание содержания СО2 в атмосфере, которое уже сейчас оказывает воздействие на климатические изменения.
Третий принцип. Чем больше биомасса популяций, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень [22]. И опять человеческая популяция нарушает этот принцип. Разведение домашнего скота и птицы привело к тому, что человек занимает третий трофический уровень. Чтобы все люди могли использовать мясной рацион, надо уже сейчас посевные площади расширить в 10 раз. Это привело бы к дальнейшей эрозии почвы. Рост численности населения заставляет интенсивно использовать удобрения, что также приводит к дополнительным загрязнениям, во-первых, от смыва самих удобрений в водоемы и, во-вторых, за счет отходов, образуемых при производстве дополнительной энергии, необходимой для их производства, транспортировки и применения.
Четвертый принцип устойчивости экосистем сводится к необходимости разнообразия животного и растительного мира [5, 22], что обеспечивает равновесие экосистем через механизм «хищник-жертва», большую эффективность использования потоков энергии, наиболее эффективный круговорот массы биогенных веществ в биосфере и т.д. Но удовлетворение потребности человечества в пище приводит к уменьшению видового разнообразия биосферы [2, 20].
Еще В.И. Вернадский [4] отмечал огромную роль биосферы в формировании условий жизни на Земле. Биота была и остается важнейшим фактором формирования окружающей среды и ее стабилизации. Биота сформировала гигантские отложения горных пород, кислородную атмосферу Земли, участвовала в образовании океанов, а также обусловливает круговорот многих биогенных веществ, включая воду. Эффективность испарения воды зелеными растениями сопоставима с эффективностью испарения с поверхности океанов [11]. Биота ответственна за формирование почвы на поверхности Земли. Запасы и круговороты кислорода, углерода, фосфора и других биогенных элемен-
тов, а также многих других веществ - железа, марганцевых руд, фосфоритов, бокситов, карбонатных и кремнистых пород - также связаны с деятельностью биоты [8].
Контроль биогенных элементов биотой осуществляется через фотосинтез органического вещества из неорганического и последующим разложением органического вещества после отмирания на неорганические компоненты. В условиях стабильной биосферы скорость синтеза органических веществ должна совпадать со скоростью их деструкции редуцентами. Другими словами, биосфера должна обладать способностью к авторегуляциям, которые обеспечивают динамическое постоянство различных показателей биосферы и поддержания устойчивости окружающей среды. Изучение природы и механизмов этих авторегуляций является актуальной проблемой, которая в настоящее время практически не исследуется.
Для наиболее полной реализации круговоротов биогенных элементов все организмы в биосфере характеризуются определенной экологической нишей, в пределах которой объект, вид, сообщества выполняют определенную задачу по реализации круговоротов биогенов, т.е. для поддержания их стабильных концентраций, а тем самым и по стабилизации окружающей среды в целом [22]. Небольшое отклонение в состоянии окружающей среды должно компенсироваться жизнедеятельностью биоты. Так и было до сравнительно недавнего времени.
Энергетические проблемы человечества
В истории человечества можно выделить несколько этапов развития энергопотребления [3, 9, 15, 25]. Энергетические потребности первобытного человека около 1 000 000 лет назад составляли около 2000 ккал/ день. Позже (100 000 лет назад) он научился охотиться и стал использовать огонь для обогрева и приготовления пищи, что увеличило потребление энергии в 2,5 раза (5000 ккал/день). Переход к оседлому образу жизни и ведение сельскохозяйственной деятельности около 5000 лет назад увеличило потребление энергии человеком еще в 2,5 раза (12 500 ккал/день). Позже человек начинает использовать энергию ветра и воды для различных механизмов, уголь для отопления и животных для транспортных нужд, что к XIV в. н.э. еще удваивает количество потребляемой энергии (25 000 ккал/день). Переход в 1875 г. к использованию паровых турбин утраивает это значение (75 000 ккал/день), и начинается освоение законсервированной солнечной энергии - угля, газа и нефти. К 1970 г. человек потреблял в 115 раз больше энергии (230 000 ккал/день), чем первобытный человек; к 2009 г. эта величина еще увеличилась в два раза [29, 30].
Наибольший вклад в потребление энергии вносят развитые страны, несмотря на заметное снижение затрат энергии на единицу валового национального продукта. Развитые страны превосходят отстающие страны не только по абсолютным показателям, но и на единицу площади своей территории, что принципиально важно для оценки воздействия на окружающую среду, так как используемая человеком энергия, в конечном счете, используется для разрушения окружающей среды. В России общий низкий уровень потребления энергии на единицу территории позволяет сохранить часть естественной окружающей среды нетронутой. Коэффициент давления на окружающую
12000
3 ^ 10000
ш №
^ £
л л
Й 4
О 5!
С *
« X
й =
2 ^
2 ^
= х
и-н л
8000
6000
4000
2000
0,1
5 5 и
,
X
т
и =
X
V
ч
ю
,
н о
И
л
н
ч ,
ч
1850
1900
1950
2000 1800 1850 1900 1950 2000
^ 0,01
Года Года
Рис. 1. Динамика изменения потребления энергии в мире за период 1800-2008 гг.: А - рост общего потребления энергии, Б - энергия, приходящаяся на душу населения.
К 5 X
V
Ч ш
и «
X =
ч
(Я X
1
0
среду определяется использованием дополнительной энергии на единицу территории. Если среднемировое давление на природную среду принять за единицу, то для стран Западной Европы, США и Японии этот коэффициент в среднем равен 5, для России - 0,7, для всего остального мира (без Антарктиды) - 0,6 [11, 20].
Ситуация в мировой энергетике характеризуется обострением противоречий между многими странами. С учетом продолжающегося экономического роста развивающихся азиатских стран, быстрого увеличения там численности населения и высокой энергоемкости национальных экономик резко растут потребности этих стран в энергоресурсах. Опережающими темпами увеличивается потребление энергии в Африке и Латинской Америке, и даже в странах Европейского союза возобновился рост энергопотребления на душу населения. Отметим, что на 20% самого богатого населения мира приходится 80% общей суммы потребления. В то же время, 60% мировых запасов нефти и 40% запасов газа сосредоточены на политически нестабильном Ближнем Востоке, и роль этих стран в нефтедобыче только увеличивается. Из-за ограниченных возможностей дополнительного роста производства увеличиваются риски, связанные с возможной дестабилизацией рынка и общества в целом [6].
Используя усредненные данные, опубликованные в работах [29, 31, 34, 36], мы оценили динамику роста общего потребления энергии в мире (в млрд тонн нефтяного эквивалента) за период 1800-2008 гг. (рис. 1А). Видно, что с течением времени происходит постоянный рост энергопотребления. До начала эры промышленной революции (около 1900 г.) этот рост был невелик, но начиная с середины прошлого века использование энергии резко возросло. Поскольку население планеты продолжало возрастать экспоненциально, представляет интерес оценить потребляемую энергию, приходящуюся на одного человека. Такие данные приведены на рис. 1Б. Очевидно, что потребление энергии на душу населения также возрастает экспоненциально, причем скорость роста за последние десятилетия замедлилась. Более того, в последние
годы потребление энергии на душу населения остается примерно постоянным. Это указывает на реальный разрыв между темпами прироста численности населения и увеличения потребляемой энергии, поэтому представляет интерес проанализировать динамику роста народонаселения.
Рост народонаселения планеты
Реальностью современного мира является быстрый рост народонаселения планеты, что приводит к дефициту продуктов питания, чистой питьевой воды, недостатку энергии, загрязнению воздуха, воды, почвы и продуктов питания. Неблагоприятные последствия стремительного роста народонаселения неизбежно влияют на растительный и животный мир Земли. Ряд экологов считают, что перенаселение планеты привело к возникновению большинства глобальных экологических проблем [7, 15, 19, 18, 21].
Многие авторы [13, 14, 17, 24, 38] использовали различные математические модели для описания и прогнозирования роста народонаселения. Один из интересных прогнозов численности населения был дан английским биологом Джулианом Хаксли [33]. В 1964 г. на основе вычислений он заключил, что к 2000 г. население планеты достигнет цифры 6 млрд человек. Авторы работы [14] на базе предложенных ими моделей продемонстрировали общие закономерности демографических процессов человечества. При этом рассматривается соотношение между микроуровне-вым хаосом и высокодетерминированной динамикой на макроуровне. В работе [13] рост населения Земли был рассмотрен на основе представлений о развитии человечества как самоорганизующейся динамической системы. Автором была предложена математическая модель для описания мирового демографического процесса, основанная на идеях синергетики. Это моделирование позволило описать рост человечества и сделать выводы о будущем, когда численность населения мира стабилизируется на уровне 10-12 млрд человек.
Как известно, рост количественных характеристик многих глобальных проблем происходит по экспоненциальному закону. В данной работе этот простей-
ший подход применен для количественного описания и прогнозирования роста народонаселения. В этом случае динамика изменения численности населения N определяется выражением:
N (1) = N 0 • е
0,693г/т
(1)
где No - начальное значение населения или другого изучаемого параметра, N(1) - численность населения в момент времени /, т - время удвоения населения. Отсюда время удвоения популяции можно рассчитать на основании выражения
т = 0,693 • г / 1п[N(1) / N0 ]
(2)
Обозначим через А долю прироста изучаемого параметра за год. Тогда легко показать, что
А = е° ' 693/т
- 1
(3)
Приведенные формулы дают возможность оценивать основные параметры экспоненциального роста какого-либо показателя, в том числе время удвоения и ежегодный процент прироста населения.
Проанализируем тенденции роста населения мира. Этапы роста численности народонаселения на нашей планете совпадают с этапами развития энергопотребления: использование нового источника энергии приводило к улучшению качества жизни и, соответственно, к увеличению численности населения (рис. 2). Эти результаты получены усреднением данных, опубликованных разными авторами и организациями [17, 18, 19, 24, 32, 39, 40, 41]. К 8 тысячелетию до н.э. численность населения Земли составляла не более 5 млн человек. Примерно к этому времени люди научились приручать животных, выращивать и сохранять урожай. С этого момента численность населения стала расти быстрее. В XVII и XVIII вв. численность населения земного шара продолжала расти по экспоненциальному закону и увеличилась примерно от 500 млн человек до 1 млрд человек (рис. 2А). Это произошло, главным образом, благодаря увеличению запасов пищи, а также улуч-
шению систем транспорта и торговли, способствовавших эффективному распределению этих запасов.
На протяжении XVIII и XIX вв. прирост численности населения Земли составлял 0,5% в год. Только за 150 лет, с 1750 по 1900 гг., население Земли удвоилось и достигло 1,6 млрд человек. В 1930 г. в мире насчитывалось 2 млрд человек, а всего лишь через 30 лет, в 1960 г., - уже 3 млрд (рис. 2Б). За период с 1950 по 1970 гг. ежегодный прирост численности населения увеличился до 2% в год, и число людей на земном шаре возросло почти в два раза - с 2,5 млрд до 4,8 млрд. После 1985 г. прирост числа живущих на планете людей снизился (рис. 2В) - пунктирные линии, отражающие тенденцию прироста народонаселения на предыдущем временном отрезке, оказались выше реально зафиксированных значений. В настоящее время население всего мира составляет 7 млрд человек.
«Право принимать решение относительно размеров семьи является неотъемлемым правом самой семьи» - постулирует Всеобщая декларация прав человека ООН. В последнее время несколько стран сочли это положение неприемлемым. Так, в Бангладеш, Сингапуре, Китае, Индии правительства с целью ограничения численности населения начали применять не только меры экономического давления, но и поощрительные меры. Правительства более 30 стран законодательно приняли меры по ограничению рождаемости. Самая экстенсивная в мире система стимулов и санкций введена в Китае, где правительство поставило перед собой цель снизить уровень фертильности до одного ребенка на семью. На сегодня 80% населения планеты проживает в странах, где фертильность продолжает снижаться. Однако многие страны Африки полагают, что контроль над рождаемостью - это геноцид со стороны белого населения по отношению к черному, поэтому для Африканского региона характерны как наиболее высокая в мире рождаемость, так и наиболее высокая в мире смертность [19, 21].
Используя статистические данные [39-41], по формулам (2) и (3) мы рассчитали процент ежегодного прироста численности населения с середины прошлого века по настоящий момент. Результаты расче-
- 1650- 1870 гг.
- 1871 - 1930гг,
_1_
_1_
_1_
_1_
_1_
_1_
_1_
▼ -1931 - 1950 гг. 7
V -1951 - 1970 гг, -
1600 1700 1800 1900
..........
1930 1940 1950 1960 1970
♦ - 1971 - 1990 гг. О - 1991 - 2000 гг. А -2001 -2011гг.
.........
1970 1980 1990 2000 2010
Года Года Года
Рис. 2. Рост численности населения за период с 1600 г. до 2011 г.: пунктирные линии отражают сохранение тенденции прироста народонаселения на предыдущем временном отрезке.
тов приведены на рис. 3. Из рисунка видно снижение темпов прироста населения за последние десятилетия. Если тенденция сохранится, то к концу этого века экспоненциальный рост населения прекратится. Далее прирост населения может происходить в арифметической прогрессии, количественные закономерности которой на данном этапе развития прогнозировать не представляется возможным.
Рост численности населения Земли и перенаселение нашей планеты обусловили каскад взаимосвязанных глобальных экологических проблем - дефицит энергетических запасов, нехватка питьевой воды и качественных пищевых ресурсов, изменение климата, парниковый эффект, уменьшение толщины озонового слоя, недостаток запасов полезных ископаемых и пр. Все эти глобальные проблемы влияют на устойчивое развитие биосферы. Подробный количественный анализ каждой из этих проблем и перспектив снижения их остроты выходит за рамки данной работы. Кратко рассмотрим только проблему влияния численности населения на изменения климата Земли и парниковый эффект.
Изменение климата и парниковый эффект
В соответствии с первым законом термодинамики, количества энергии, входящей в стационарную систему и выходящей из нее, должны быть равны. В соответствии со вторым законом термодинамики, выходящая энергия характеризуется низким качеством по сравнению с входящей. Равенство входящей и выходящей энергии сохранялось для нашей планеты в течение миллионов лет, несмотря на чередующиеся периоды оледенения и потепления. Благодаря малоизученным, но реально существующим обратным связям Земля всякий раз возвращалась в стационарное состояние. Экологи и климатологи в общем согласны в том, что в настоящее время поток энергии, поступающий на Землю от Солнца и Луны (приливы и отливы), а также формируемый за счет ископаемого топлива (включая атомную энергию), превосходит величину отводимой энергии [1, 9, 20, 21]. Излишняя энергия не может быть полностью удалена в косми-
Рис. 3. Процент ежегодного прироста численности населения за период с 1800 г. по 2075 г. Линейная экстраполяция этого показателя к концу века представлена прямой линией.
ческое пространство инфракрасным излучением из-за парниковых газов. При повышении концентрации парниковых газов увеличивается непроницаемость атмосферы для инфракрасных лучей, исходящих от поверхности планеты, что приводит к росту температуры и изменению климата.
Климатические и геохимические данные [37], реконструированные на основе анализа проб льда антарктической станции «Восток», демонстрируют характерную тенденцию: на протяжении последних 420 тыс. лет содержание углекислого газа в атмосфере заметно колебалось (рис. 4А). Колебания содержания СО2 происходили в значительном диапазоне (от 180 до 300 миллионных долей) и носили циклический характер. Максимальное содержание СО2 соответствовало периодам разогрева атмосферы, а минимальное содержание - периодам оледенения Земли. Это означает, что земная температура колебалась синхронно с содержанием углекислого газа в атмосфере.
Анализ огромного числа локальных измерений климатических параметров за последние 100 лет показывает связь между количеством СО2 в воздухе и потеплением. Согласно прогнозу Международной комиссии ООН по проблемам климата [1], средняя температура нашей планеты за это время увеличилась на 0,8 оС. К концу XXI в. глобальная средняя температура может повыситься на 2-4,5 оС [12].
Более подробно возрастающая ветвь увеличения концентрации СО2, наблюдающаяся за последние столетия, представлена на рис. 4Б. Начиная с 1960 г., данные о возрастании СО2 в атмосфере Земли фиксируются метеорологической станцией Мауна Лоа, Гавайские острова [35]. Видно, что с 1750 г. (начало индустриальной эпохи) по настоящее время наблюдается постоянное ускорение повышения СО2 в атмосфере. В 1920 г. пройдено максимальное значение углекислого газа, когда-либо существовавшее за последние 420 тыс. лет (горизонтальная линия). Это указывает на предел, с которым биосфера могла справляться за счет обратных связей, контролирующих содержание СО2. В 1750 г. население планеты составляло 0,8 млрд человек, в 1920 г. - около 2 млрд. Значит, величина населения земного шара, при которой концентрация СО2, не превышала бы максимальных зафиксированных ранее значений, должна составлять около 1,8 млрд человек (рис. 2Б). Это значение не противоречит разным оценкам, находящимся в диапазоне 0,8-2 млрд человек.
Возможны два пути решения проблемы антропогенной нагрузки: снижение энергопотребления по абсолютной величине и доведение его до разрешенного уровня или сокращение населения Земли. Однако ни одно государство в мире не рассматривает эти конкретные пути решения глобальных проблем, стоящих перед человечеством. Следует отметить, что большинство экологов понимают необходимость такого решения, однако их мнения даже не замечаются и не дискутируются.
Заключение
В данной работе анализируются приложения законов термодинамики к биологии вообще и экологии в частности. Показано, что существование жизни и биосферы в целом определяется потоком энергии, интенсивность которого на единицу веса живых су-
Рис. 4. Изменение содержания углекислого газа в атмосфере Земли согласно палеонтологическим [37] (панель А) и современным [35] (панель Б) данным. По осям ординат отложена концентрация углекислого газа в миллионных долях (parts per million - ppm). Горизонтальные линии отражают минимальные и максимальные значения СО2, зафиксированные за все время изучения. За нулевую точку отсчета принято наше время.
£ &
&
,
fS
О
и
к =
я
<я &
н
х
«
я
X
о
390 360 330 300 270 240 210 180
- А
X
X
X
400 -300 -200 -100 Года, тыс. лет
- Б 390
- У— 360
- / - 330
max 300
- - 270
- - 240
- - 210
min 180
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1800 1850
1900 1950 Года
2000
£ a a
гч
о Ü к
S
а
<я a н
X
V
я
X
о
а
ществ значительно превышает удельную интенсивность трансформации энергии на Солнце. На основании второго закона термодинамики делается вывод об объективности загрязнения окружающей среды, поскольку КПД трансформации энергии всегда меньше 100%, и составляет 1-50%. Оставшаяся часть деградированной энергии и является главной причиной загрязнения окружающей среды. Делается вывод, что возникновение многих глобальных экологических проблем непосредственно связано с этой частью энергии. Отмечается непрерывный экспоненциальный рост как народонаселения, так и энергопотребления. Дается критический обзор существования и развития глобальных экологических проблем. Прогнозируется развитие роста народонаселения в настоящем столетии. Показано, что экспоненциальный рост населения прекратится примерно к 2080 г. В отличие от многих публикаций [13, 14, 17, 24, 38], в которых авторы использовали сложные постулаты и математические модели, в данной работе этот вывод получен с использованием простейшей математической модели экспоненциального роста. На этой основе делаются выводы о перспективах устойчивого развития биосферы и человеческого общества. Обсуждаются возможные пути преодоления глобальных экологических проблем. Подтверждается вывод о необходимости разработки новой парадигмы взаимодействия человека с окружающей средой.
Известно, что доля потребления продукции биосферы крупными животными всегда составляла около 1% [4, 5]. В этом случае биосфера была способна восстанавливать любые возмущения и тем самым поддерживать стабильность окружающей среды. В.Г. Горшков [7] показал, что и потребление цивилизации также не должно превышать 1% чистой первичной продукции глобальной биоты. Эта цифра получена им на базе независимых друг от друга количественных оценок, основанных на данных о глобальном круговороте углерода и на законе диф-
фузионного расплывания экскретов передвигающихся животных. Однако порог потребления продукции биосферы был перейден в начале XX в., и сейчас потребление человеком продукции биосферы составляет, по данным разных авторов, 5-10% [7, 10, 15]. Можно полагать, что такое высокое потребление и могло послужить основой для дестабилизации окружающей среды. Как упоминалось выше, дестабилизация окружающей среды может быть обусловлена использованием человеком дополнительной энергии ископаемого топлива. Дальнейшее повышение использования дополнительной энергии еще больше нарушит устойчивость биосферы. Богатые страны, использующие большое число энергетических ресурсов, владеют 80% мирового богатства, но в них проживает 20% мирового населения («золотой» миллиард); на долю развивающихся стран (80% населения) остается только 20% [25]. В перспективе это соотношение может только ухудшаться. США, имея 5% населения Земли, потребляют 40% мировых ресурсов и дают 60% отходов. Это означает, что наиболее богатые страны в наибольшей степени ответственны за загрязнение окружающей среды. Но бедные страны тоже хотят стать богатыми. Для этого поток энергии через эти страны должен быть увеличен в десять раз, а взять-то его неоткуда. Даже если будут изобретены новые невозобновляемые искусственные источники энергии, это приведет к десятикратному повышению уровня загрязнения окружающей среды и дальнейшему повышению нестабильности существования человеческой популяции.
В заключение следует отметить, что в России глобальные экологические проблемы и проблемы перенаселения и нехватки ресурсов в настоящее время не стоят. Именно поэтому желательно, чтобы уже сейчас наша страна выступила инициатором разработки новой концепции взаимоотношения между народами и гармоничного сосуществования Человека и Природы.
Литература
1. Авдеева Т.Г. Перспективы международных переговоров по изменению климата : по следам копенгагенской конференции ООН // Биосфера. - 2010. - Т. 3. - С. 73-81.
2. Будыко М.И. Глобальная экология. -М. : Мысль, 1977. - 327 с.
3. Буровский А.М. Первая антропогенная перестройка биосферы // Биосфера. - 2010. -Т. 2. - С. 29-45.
4. Вернадский В.И. Биосфера. - М. : Мысль, 1967. - 376 с.
5. Вилли К., Детье В. Биология. Биологические процессы и законы. - М. : Мир, 1975. -822 с.
6. ГЕО-3. Глобальная экологическая перспектива. Прошлое, настоящее и перспективы на будущее. - Программа ООН по окружающей среде / Под ред. Г.Н. Голубе-ва. - 2002. - 32 с.
7. Горшков В.Г. Пределы устойчивости окружающей среды // Доклады АН ССР. -1988. - Т. 301. - С. 1015-1019.
8. Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. - М. : ВИНИТИ, 1995. - 470 с.
9. Горшков В.Г. Энергетика биосферы. -Л. : ЛПИ, 1982. - 350 с.
10. Горшков В.Г., Макарьева А.М., Лосев К.С. В повестке дня - Стратегия выживания человечества // Вестник РАН. - 2006. - Т. 76. -С. 309-314.
11. Данилов-Данильян В.И., Горшков В.Г., Арский Ю.М., Лосев К.С. Окружающая среда между прошлым и будущим : мир и Россия. - М. : ВИНИТИ, 1994. - 134 с.
12. Демирчян К.К., Демирчян К.С., Кондратьев К.Я. Глобальное потепление и «политика» его предотвращения // Биосфера. -2010. - Т. 2. - С. 488-502.
13. Капица С.П. Парадоксы роста. Законы развития человечества. - М. : Альпина нон-фикшн, 2010. - 192 с.
14. Коротаев А.В., Комарова Н.Л., Халтурина Д.А. Законы истории. Вековые циклы и тысячелетние тренды. Демография, экономика, войны. Изд. 2. - М. : КомКнига/URSS,
2007. - 256 с.
15. Лавров С.Б. Глобальные проблемы современности : часть 1. - СПб. : СПбГУПМ, 1993.
16. ЛапоА.В. Следы былых биосфер. - М. : Знание, 1979. - 176 с.
17. Максаковский В.П. Географическая картина мира. Пособие для вузов. В 2 кн. 4-е изд., испр. Кн. I: Общая характеристика мира. Глобальные проблемы. - М. : Дрофа,
2008.- 495 с.
18. Медоуз Д.Х., Медоуз Д.Л., Рандерс Й., Бернс В. Пределы роста. Доклад по проекту Римского клуба «Сложные положения человечества». - М. : Московский ун-т, 1991. - 207 с.
19. Мировые демографические тенденции. Доклад Генерального секретаря ООН. 15 января 2009. E/CN.9/2009/6. - 28 с.
20. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология. - М. : Книга сервис, 2003. - 288 с.
21. Новая постиндустриальная волна на Западе. Антология / Под ред. В.Л. Иноземцева. М. : Academia, 1999. - 614 с.
22. Одум Ю. Экология. - Т. 1 и 2. - М. : Мир, 1986. - 1704 с.
23. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой. -М. : УРСС, 2003. -312 с.
24. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Книга 1. Народонаселение и пищевые ресурсы. - М. : Мир, 1994. - 340 с.
25. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Книга 3. Энергетические проблемы человечества. - М. : Мир, 1994. - 291 с.
26. Реймерс Н.Ф. Надежды на выживание человечества. Концептуальная экология. -М. : Россия молодая, 1992. - 367 с.
27. Шредингер Э. Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки. - Ижевск : Редакция журнала «Регулярная и хаотическая динамика», 1999. - 96 с.
28. Эдсолл Дж., ГатфрендХ. Биотермодинамика. - М. : Мир, 1986. - 221 с.
29. BP Statistical Review of World Energy June 2011. - London, 2011. - 45 р.
30. CookE. The flow of energy in an industrial society. - Scientific American, 1971. - 135 p.
31. Etemad B., Luciani J. World energy production 1800-1985. - Genève : Librairie Droz., 1991. - 272 р.
32. Holdren J.P. Population and the Energy Problem // Population and Environment. -1991. - Vol. 12. - P. 231-255.
33. Huxley J. Essays of a Humanist. - NY : Harper and Row, 1964. - 288 p.
34. International Energy Outlook. U.S. Energy Information Administration. - 2010.
35. KeelingR.F., PiperA.F. Bollenbacher and J.S. Walker. Atmospheric CO2 records from sites in the SIO air sampling network. In Trends: A Compendium of Data on Global Change. 2009. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, Oak Ridge, Tenn., U.S.A. doi: 10.3334/CDIAC/atg.035.
36. Key World Energy Statistics 2011. IEA International Energy Agency. - 2011. - 80 p.
37. Petit J.R., Jouzel J., Raynaud D., Barkov N.I., Barnola J.-M. et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica // Nature. - 1999. - Vol. 399. - P. 429-436.
38. Turchin P. Long-term population cycles in human societies // Ann. N.Y. Acad. Sci. -2009. - Vol. 1162. - P. 1-17.
39. U.S. Bureau of the Census. International Data Base. Total Midyear Population for the World : 1950-2050. - 2003.
40. United Nations. The World at Six Billion. - 1999. - P. 5.
41. World Population Prospects : The 2011 Revision. New York. - 2011.
