Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Промышленность и окружающая среда..pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
21.63 Mб
Скачать

Глава 3

ТЕХНОСФЕРА И ТЕХНОГЕННЫЕ РЕСУРСЫ

3.1.ТЕХНОСФЕРА

В1922 г. замечательный российский ученый А.Е. Ферсман ввел термин “техногенез”, характеризующий геохимическую деятельность человечест­ ва. После известных исследований В.И. Вернадского, показавших, что осо­ бенностью биосферы является неразрывная связь и взаимопроникновение живых организмов и неживой (“косной”) материи, в качестве важнейшего вывода он декларировал, что “человек становится крупнейшей геологиче­ ской силой”. Насущной задачей являлась необходимость количественных оценок “геологической силы человека”. В современном понятии техноге­ нез - это процессы перемещения (перераспределения), происходящие в ре­ зультате технической деятельности людей (В.А. Алексеенко, 2000 г.).

Такова геохимическая интерпретация глобальной производственной и социальной деятельности человечества. Видимо, такое воздействие на при­ родные процессы можно трактовать более широко. Действительно, в насто­ ящее время в расчете на 1 человека на Земле ежегодно добывается 50 т сы­ рья, из которого с затратой 3 кВт мощности и 800 т воды производится 2 т продукции и образуется 48 т различных отходов, при этом перемещается бо­ лее 10 т вещества литосферы. При этом общая масса человечества состав­ ляет 0,2-0,3 млрд т, а размер суммарной биомассы на суше примерно равен 2400 млрд т (в расчете на сухую массу). Между тем используемая человече­ ством суммарная мощность достигла 10 ТВт (энергия всех рек - 3 ТВт, вул­ канов и гейзеров - 0,3 ТВт).

Следовательно, вначале в пределах биосферы, а ныне и за ее пределами складывается новая сфера, главным составляющим которой становится иной, ранее природе неизвестный вид деятельности —производственная и непроизводственная деятельность человечества со своими законами, мате­ риальными и энергетическими потоками. Являясь частью биосферы, чело­ вечество в своей деятельности вступает в постоянный контакт с биосферой,

адеятельность человека, развиваясь в пределах физических, химических, биологических и других состояниях биосферы, в то же время оказывает влияние на процессы, происходящие в биосфере. Природные процессы все теснее переплетаются с антропогенными, между ними усиливаются обмены веществом и энергией, возрастает обмен информацией.

Для более глубокого исследования процессов взаимодействия человека

сприродой многими специалистами используется понятие о самостоятель­

ной оболочке Земли —техносфере. По определению Акимовой и Хаскина

(1998 г.): «Техносфера - “техническая оболочка” - искусственно преобразо­ ванное пространство планеты, находящееся под воздействием продуктов производственной деятельности человека». Эти же авторы дают и иное оп­ ределение техносферы: “Техносфера - это глобальная совокупность ору­ дий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного произ­ водства” По нашему мнению, техносфера пространство, в котором к основным процессам, определяющим ход развития, наряду с природными следует отнести антропогенные. С точки зрения пространственного рас­ положения эта оболочка включает часть экосферы, освоенной человеком.

Академик В.Р. Вильямс писал о том, что единственный способ придать чему-нибудь конечному свойства бесконечного —это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в цикл или круговорот.

Все вещества в биосфере находятся в процессе биохимического цикла или круговорота. Можно выделить два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биологический).

Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушают­ ся, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования. Часть химических соединений растворяет­ ся в воде или потребляется биоценозом. Крупные медленные геотектониче­ ские изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещением морей и океанов в течение длительного вре­ мени, приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и про­ цессы возобновляются.

Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне экосистем и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и поддержания жизненных процессов в них. Продукты распада органического вещества под воздействием бактерий вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных для усвоения растений, и вовлекаются ими в поток вещества.

Возврат химических веществ из неорганической среды через раститель­ ные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использова­

нием солнечной энергии и химических реакций и называется биохимиче­ ским циклом.

В результате фотосинтеза ежегодно производится около 8 • 1011 т био­ массы. По расчетам А.И. Перельмана общая продукция живого вещест­ ва за 500 млн л превысила массу земной коры. Общий объем биомассы

на Земле составляет около 6 • 1012 т, в которой заключено 4,5 • 1018 кДж солнечной энергии.

Движения энергии и вещества взаимосвязаны, при этом для некото­ рых химических элементов и веществ принято выделять движение в виде кругооборотов углерода, азота, фосфора, серы, воды. Различные веще­ ства имеют разную скорость обмена в биосфере. К подвижным относят хлор, серу, бор, бром, фтор. К пассивным - кремний, калий, фосфор, медь, никель, алюминий, железо. От того, насколько регулярно и полно

осуществляется круговорот химических элементов, зависит продуктив­ ность экосистем.

Развитие биосферы связано с появлением на Земле человека. Вначале воздействие человека на биосферу в основном определялось его ролью как

биологического вида. Человеку свойственен обмен веществ с окружающей средой, который является основным условием существования любого живо­ го организма.

Ныне человек является частью социальной среды - общества. Поэтому специфика системы “человек - окружающая среда” определяется не только биологическими факторами, но и социально-экономическими условиями, которые приобретают все большее значение.

Биологические отношения человека и биосферы сохранились. Природа осталась и останется постоянным условием жизни человека. Однако в ре­ зультате производственной деятельности человека возник новый процесс обмена веществ и энергии между природой и обществом. Этот обмен имеет техногенный характер и обычно называется антропогенным или социаль­ ным обменом веществ и энергии.

Антропогенный обмен существенно изменяет большой круговорот ве­ ществ, резко ускоряя его. Он отличается от биологического круговорота незамкнутостью и имеет “открытый характер”. На входе антропогенного обме­ на находятся природные ресурсы, а на выходе - продукция, производственные и бытовые отходы. Отличие антропогенного круговорота, причем негативное, заключается, во-первых, в его низкой энергетической эффективности. Вовторых, выход отходов определяет невысокий коэффициент обмена вещест­ вами. В-третьих, без участия человека невозможно разложить некоторые ан­ тропогенные отходы до простых минеральных соединений. Накапливаемые отходы становятся, в-четвертых, самостоятельным экологическим фактором, негативно влияющим на окружающую среду.

Получение человеком антропогенных источников энергии означало, по­ мимо всего прочего, развитие энергообмена не по геологической, а по исто­ рической шкале времени. Новые обстоятельства, определяемые антропо­ генным воздействием, требуют отдельного анализа. Прежде всего, следует коснуться существа ресурсного цикла.

Для получения энергии, создания необходимой продукции человек нахо­ дит, добывает и перемещает к местам переработки необходимые природ­ ные ресурсы, вовлекая их в ресурсный круговорот, или ресурсный цикл. Ре­ сурсный цикл - это совокупность превращений и пространственных пере­ мещений определенного вещества или группы веществ, происходящих на всех этапах использования его человеком. Далее будет более подробно по­ казано, что ресурсные круговороты это более или менее удачное копирова­ ние природных круговоротов, обеспечивающих бесконечное использование ресурсов при конечном их количестве.

Именно об этом столь удачно и кратко писал В.Р. Вильямс.

В природопользовании можно выделить несколько ресурсных циклов, которые, несмотря на относительную самостоятельность, тесно связаны друг с другом. К таким ресурсным циклам можно отнести: цикл почвенно­ климатических ресурсов и сельскохозяйственного сырья и продукции, цикл природных материально-сырьевых ресурсов, цикл энергетических ресурсов, цикл природных биологических ресурсов.

Термин “цикл” подразумевает замкнутость, однако на практике это свойство в точности не осуществляется даже в природных процессах. Функ­ ционирование последних связано, по крайней мере, с обязательным рассеи­ ванием (потерей) энергии. Поэтому в идеале, т.е. в приложении к процес-

римо с количеством вещества в естественных биохимических циклах. Незамкнутосгь антропогенных циклов обусловливает огромную массу техно­ генных отходов и выбросов (табл. 3.1).

Эффективность организации антропогенных ресурсных циклов требует контроля ряда процессов, который еще не нашел своего места в системе уп­ равления ресурсами. Приведем некоторые перспективные характеристики и показатели. Потенциал самоочищения (геохимическая характеристика) - способность геохимического ландшафта* без самоуничтожения разлагать отбросы и отходы, устранять их вредное влияние на природу. Потенциал са­ моочищения в основном определяется особенностями самого ландшафта, в частности, развитием в его пределах различных живых организмов. Так, по­ тенциал ландшафтов арктических зон меньше, чем центральных или тропи­ ческих. В аквальных ландшафтах с текущими водами он выше, чем в случае застойных вод.

Рекреационная нагрузка - степень влияния людей (транспортных средств и строительства) на природные (биогенные) ландшафты или рекре­ ационные объекты. Выражается количеством людей (человеко-дней) на единицу площади в единицу времени.

Рекреационная нагрузка может быть оптимальной, максимально допус­ тимой и превосходящей допустимую - деструкционной (при деструкционной нагрузке происходит уничтожение данного геохимического ландшафта). Так, для 1 га средней полосы России деструкционная нагрузка составляет: в сосняках - 7, в ельниках-черничниках - 15, в березняках и осинниках 25-30 чел.-дней ежедневно в течение 5-7 лет (Алексеенко, 2000 г.).

Технофильность - отношение годовой добычи элемента к его кларку в земной коре. Введен А.И. Перельманом. Он показывает, сколько данного элемента в единицах его кларка добыто человечеством за год.

Показатель относительного использования химических элементов - отношение количества элемента (в тоннах), завозимого в любой форме на­ хождения в определенный регион (страну, область, город) в течение года, к его истинному кларку (фоновому содержанию). Предназначен для прогно­ зирования относительного загрязнения регионов. При расчете показателя необходимо учитывать поступление элементов из других регионов в виде сырья, различных машин, механизмов, продуктов питания.

Показатель относительного техногенного накопления химических элементов - отношение количества элемента (в тоннах), накопившегося в ландшафте или в его определенной части в результате техногенеза, к кларку этого элемента в аналогичном природном ландшафте, не испыты­ вающем техногенного воздействия. Оба показателя предложены В.А. Алексеенко.

*Геохимические ландшафты, по Перельману, - это “парагенетическая ассоциация сопря­ женных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов”. В гео­ химическом понимании ландшафты являются “кирпичиками”, из поторых состоит биосфе­ ра. Можно считать, что в первом приближении геохимические ландшафты и экосистемы подобны, хотя понятие экосистемы более обширно, так как гораздо полнее учитывает оби­ лие живых организмов. Зато геохимические ландшафты в отличие от экосистем имеют четкие границы, что позволяет более точно оценить биологические круговороты химиче­ ских элементов (Алексеенко, 2000 г.).

Количество и содержание металлов в почвах ландшафтов г. Новороссийска

Металлы

Содержание, /г10~3, %

фоновое среднее

Количество ме­

Показатель

талла, накопив-

относительного

шегося в город­

техногенного

ских ландшафтах, т

накопления

Стронций

30,00

48,00

2200

73,3

Цинк

6,20

16,00

1190

191,9

Свинец

2,00

10,40

1000

500

Медь

3,50

5,70

262

74,8

Олово

0,31

0,65

43

138,7

Молибден

0,13

0,19

7

53,8

Серебро

0,012

0,02

1

83,3

Использование этого показателя продемонстрировано на примере Но­ вороссийска (В.А. Алексеенко, 2000 г.). Общая площадь города 35 км2. Для эколого-геохимической характеристики почвы было отобрано и проанали­ зировано около 3000 проб. Кроме того, за пределами города на побережье Черного моря изучались природные геохимические ландшафты, отличаю­ щиеся от городских отсутствием техногенной нагрузки.

Используя данные о содержании семи металлов в почвах этих ландшаф­ тов (табл. 3.2) и принимая плотность почв равной 1,0 г/см3, получаем, что в верхнем 20-сантиметровом слое за 150 лет со дня основания города накопи­ лось от 1 до 2200 т металлов.

По абсолютному накоплению металлов можно составить следующий ряд (как это выполнено в табл. 3.2): Sr, Zn, Pb, Си, Sn, Mo, Ag. При этом мож­ но сделать вывод, что основным загрязнителем является стронций. Однако с учетом фона природных ландшафтов этот ряд трансформируется и приоб­ ретает следующий вид: Pb, Zn, Sn, Ag, Си, Sr, Мо. Правомерность именно та­ кой иерархии ряда подтверждается тем фактором, что признаков уровской болезни, вызываемой высокими концентрациями Sr, нет, но отмечено мно­ го заболеваний, провоцируемых повышенным содержанием РЬ и Zn.

Следует, однако, обратить внимание на то, что эти рассуждения верны лишь с точки зрения вредных воздействий указанных металлов. Если же речь идет об извлечении этих металлов для их повторного использования в производстве, то уместным оказывается иерархия, соответствующая перво­ му варианту составления ряда.

Отличительной особенностью современного состояния общественного производства является тот факт, что природопользование объективно вы­ деляется в крупную самостоятельную сферу материального производства. Оно стало своего рода “пятой сферой” производства (наряду с добывающей и перерабатывающей промышленностью, сельским хозяйством и транспор­ том). Итак, природопользование не принадлежит к какой-то из традицион­ ных отраслей промышленности. Более того, оно не может быть отнесено ни к одной из традиционных отраслей знания. Его нельзя приписать ни к меха­ нико-математическим или физическим, химико-технологическим или био­ логическим, экономическим или общественным наукам. Но вместе с тем в его состав входят элементы этих научных дисциплин.

5. Газоэнергетический. По особенностям размещения подобен предыду­

щему циклу. „ л 6. Углеэнергохимический. Типичен для районов добычи, коксования и

гидрогенизации угля, производства аммиака и азотных удобрений и других продуктов органического синтеза. Характерна тесная связь с пирометаллур­ гией черных металлов и теплоэнергетическим циклом.

7. Сланцеэнергопромышленный. Привязан к районам добычи и пере­ гонки сланцев в моторное топливо (бензин, керосин), смазочные масла, по­ бочные продукты (лаки, газы и др.).

8.Горно-химический. Складывается в районах, располагающих ресурса­ ми поваренной и калийных солей, известняков и др.

9.Лесоэнергохимический. Привязан к районам лесодобычи и лесозаго­

товки. Цикл включает заготовку и механическую обработку древесины, в том числе производство пиломатериалов, строительных деталей, химико­ механическую и химическую переработку исходного сырья.

10.Теплоэнергетический. Характерен для районов сосредоточения де­ шевого топлива —угля открытой добычи, природного газа, мазута. В цикле участвуют энергоемкие производства.

11.Атомно-энергопромышленный. Включает два блока производств,

территориально разобщенных между собой: места сосредоточения природ­ ного урана, а также атомные электростанции, обслуживающие энергоемкие производства.

12.Гидроэнергопромышленный. Формируется в районах действующих гидроэлектростанций. В цикл входят энергоемкие производства - электро­ металлургия, электрохимия, электротермия и др.

13.Машиностроительный. Типичен для районов раннего индустриаль­ ного развития. Цикл направлен на выпуск продукции в основном из привоз­ ного металла и комплектующих деталей. В связи с развитием автомобиле- и тракторостроения типичен для крупных городов.

14.Текстильнопромышленный. Располагается в основном в районах потребления продукции. Включает производство и переработку волокни­ стого сырья, а также производство химических волокон, красителей и спе­ циальное машиностроение.

15.Рыбопромышленный. Типичен для приморских районов. Характер­ ный признак - сочетание добычи и переработки рыбы с различными обслу­ живающими производствами (судостроение, тарное производство).

16.Агропромышленный. Находится на стыке сельского хозяйства и промышленности.

17.Гидромелиоративный индустриально-аграрный. Формируется в ин­ теграции с агропромышленным циклом в районах орошаемого и осушаемо­ го земледелия, взаимодействует с гидроэнергопромышленным циклом.

18.Индустриально-строительный. Представлен производством стройма­ териалов; базируется на минеральном строительном сырье.

Для всех энергопроизводственных циклов характерна следующая мо­ дель природопользования:

добыча сырья и энергоресурсов —» первичная обработка сырья и энерго­ ресурсов (например, производство электроэнергии) —> получение полуфаб­ рикатов —> получение готовой продукции в виде предметов потребления —> транспорт, торговля, услуги потребление -> сбор и складирование произ­

водственных и “отложенных” отходов —>переработка отходов и другие при­ родовосстановительные мероприятия.

В главе 5 этот вопрос будет рассмотрен более подробно.

По различным оценкам общая масса техносферы составляет около 20 Гт (Акимова, Хаскин, 1998 г.), основную ее часть образуют скопле­ ния пустой породы горных разработок, отработанных руд, перемещен­ ных грунтов, производственных отходов, а также оставленные соору­ жения, развалины, “культурные” слои на земле и под землей, т.е. нако­ пившееся за всю историю человечества техногенное вещество. “Дейст­ вующая” техносфера - используемые людьми сооружения, орудия про­ изводства, предметы потребления, основные производственные фон­ ды - составляют 150-200 Гт. В них преобладают капитальные сооруже­ ния со сроками амортизации на многие десятки лет. Наиболее активная часть техносферы —вся совокупность орудий производства - имеет мас­ су порядка 10—15 Гт (в 100 раз меньше биосферной биомассы) и обнов­ ляется в настоящее время примерно за 100 лет, т.е. со скоростью около 1-1,5 Гт/год.

За последние 100 лет мировое потребление энергии увеличилось в 12 раз (в среднем в 2 раза каждые 27 лет). Суммарное потребление первич­ ных энергоресурсов за этот период превысило 350 млрд т условного топли­ ва. С 1953 по 1972 г. ежегодный прирост энергопотребления был равен ро­ сту валового мирового продукта и составлял 4,5%. За 1950-1985 гг. среднее душевое потребление энергоресурсов увеличилось в 2 раза и достигло 68 ГДж/год. Это значит, что мировая энергетика росла вдвое быстрее, чем численность населения.

Структура топливного баланса большинства стран мира изменилась в связи с переходом от потребления дров и угля к нефти и газу (до 65%), а так­ же из-за заметного вклада гидроэнергетики и ядерной энергетики (в сумме до 9%). Некоторое значение начинают приобретать альтернативные энер­ гетические технологии. С 1950 по 1995 г. в 2 раза возросло преобразование топлива в электроэнергию. Среднее душевое потребление электроэнергии достигло 2400 кВт-ч/год.

Из законов физики следует, что количественные оценки всех процессов в материальных системах имеют энергетическое выражение. В экономике подобные количественные соотношения, имеющие смысл энергоемкости, могут быть также приписаны всем материальным потокам, начиная с эле­ ментарной производственной операции и кончая связью между потреблени­ ем энергии и уровнем благосостояния целых стран.

Рост мирового потребления энергии отражен на рис. 3.1. Он сопостав­ лен с кривой роста численности населения. По крайней мере до начала 70-х годов потребление энергии возрастало экспоненциально, увеличиваясь каж­ дые 10 лет на 26%.

На рис. 3.2 представлена схема современного техногенного круговорота веществ. Из 120 Гт ископаемых материалов и биомассы, мобилизуемой за год мировой экономикой, лишь 9 Гт (7,5%) преобразуется в процессе произ­ водства в материальную продукцию. Более 80% количества продукции вновь возвращается в основные фонды производства и только 1,5 Гт идет на потребление людей, причем 2/3 этой массы относится к нетто-потреблению продуктов питания.

E/N t кВт/чел.

Рис. 3.1. Рост численности населения в мире N, валовой мощности мирового потребления энергии Е и средней мощности на душу населения EIN в XX в.

Из окружающей среды человечество потребляет 3,6 Гт питьевой во­ ды и 1,1 Гт кислорода. В атмосферу возвращается 1,5 Гт выдыхаемых ди­ оксида углерода и паров воды, при этом выделяется 18 ЭДж теплоты. В водоемы и на поверхность земли поступает 3,9 Гт твердых отходов. Ма­ териальный нетто-баланс человечества как биологического вида необы­ чайно велик, но в целом почти вписывается в глобальный биологический круговорот.

Наиболее серьезные проблемы связаны с потреблением биоресурсов технической энергетикой и промышленным производством. Ежегодное изъятие 10 Гт сухого вещества биомассы в виде сельскохозяйственной про­ дукции и древесины составляет более 7% продукции фотосинтеза на суше. Но, кроме того, за счет антропогенного уменьшения биомассы и продуктив­ ности естественных экосистем (замещения их агроценозами и техноценоза­ ми, вырубки лесов, опустынивания и т.п.) человек косвенно переводит в ан­ тропогенный канал еще 27—30% первичной продукции экосистем суши, в це­ лом снижая продуктивность биосферы на 12%. Как уже сообщалось ранее, именно это обстоятельство расценивается как самое главное вмешательст­ во человека в природные процессы.

Рис. 3.2. Глобальный антропогенный материальный баланс (в Гт)

Толстые стрелки - прямые связи, тонкие - обратные связи

В добывающей и перерабатывающей промышленнрсги мира за год об­ разуется более 100 Гт твердых и жидких отходов. Из них около 15 Гт попа­ дает со стоками в водоемы, а остальное количество (85 Гт) добавляется к от­ валам пустой породы, золошламонакопителям и другим хранилищам и захо­ ронениям промышленных отходов и различным свалкам. Сжигание 10 Гт ископаемого топлива, а также сжигание и биологическое окисление более 7 Гт изымаемой растительной биомассы отнесены в рассмотренном балан­ се к массообмену в атмосфере. Для этого процесса требуется 40 Гт кислоро­ да с возвращением в атмосферу 44 Гт диоксида углерода и 12 Гт паров воды (не считая техногенного испарения паров воды). Вместе с ними в атмосферу попадают продукты неполного сгорания: различные виды пыли, аэрозоли и т.п., а также значительная масса разнообразных летучих органических ве­ ществ, выделяющихся в результате производственных процессов и работы

транспорта. Общая масса этих веществ достигает 1 Гт. Одновременно в ок­ ружающую среду выделяется более 530 ЭДж теплоты.

Оценка материальных потоков на уровне отдельной страны может слу­ жить агрегированным показателем (индикатором) устойчивого развития этой страны (Данилов-Данильян, 2000 г.), при этом решением ресурсо-эко­ логической проблемы является сокращение материальных потоков.

Материальные потоки складываются из действующих в стране и импор­ тируемых. В 1991 г. такую оценку провели в Германии.

Импорт: 433 млн т материалов, при получении которых в странах-экс- портерах было произведено 2,1 млрд т отходов и произошла эрозия почв, составившая 304 млн т.

Местный поток веществ: абиотическое сырье - 3,993 млрд т, из которых 829 млн т составляют минералы, 0,4 млн т металлические руды, 366 млн т - энергосистемы. После использования этих материалов отходы составляют 2,798 млрд т, поток биотического сухого вещества - 82 млн т, почвенная эрозия - 129 млн т. При переработке веществ для получения продуктов ис­ пользуется также 1070 млрд т воздуха и 70 млрд т воды.

Общая масса твердых отходов равна 2,891 млрд т, из которых 222 млн т поступают на контролируемые полигоны, а 2,669 млрд т идут на захороне­ ние в шахтах и закапываются в землю. В атмосферу выбрасывается 1,599 млрд т парниковых газов и загрязняющих веществ, в том числе С02- 1,032 млрд т, N0^, S02, СО в сумме - 20 млн т, других веществ - 17 млн т, вод­ ного пара - 530 млн т. Со сточными водами выбрасывается 34 млн т различ­ ных веществ.

Ежегодно объекты индустрии и инфраструктуры Германии увеличива­ ются на 1 млрд т.

Приведенные общие количественные данные по потокам материалов в техносфере необходимо иметь в виду при оценке энергозатрат на проведе­ ние конкретных процессов, расчетах энергетических эквивалентов матери­ алов и энергоемкости продукции.

С их помощью можно анализировать структуру использования энерго­ ресурсов. Совершенствование этой структуры является одним из наиболее перспективных направлений в энергосбережении. Общая картина использо­ вания энергоресурсов современной техносферы приведена на рис. 3.3.

Относительный вклад различных энергоносителей в общее мировое энергопотребление характеризуется следующими средними показателями: уголь - 27%, нефть - 34, газ - 17, гидроэнергия - 6, ядерная энергия - 8,5, прочие источники - 7,5%. Все первичные источники энергии имеют мощ­ ность около 14 ТВт, из них небольшая часть (1,6%) используется не на энер­ гетические нужды, а как сырье для органического синтеза.

Электроэнергетика занимает в настоящее время более 25% энергоба­ ланса техносферы: 3520 ГВт идут на выработку электроэнергии и попутно­ го тепла, причем 55% теряется в процессе преобразования, а выработанные 1580 ГВт распределяются между электроэнергией и полезным теплом в со­ отношении 2:1. Вклад главных источников в производство электроэнергии таков: уголь - 42%, нефть - 10, газ - 16, гидроэнергия - 19, ядерная энер­ гия - 12%. Доля электроэнергии в конечном потреблении составляет 9,7%.

Остальная суммарная мощность от сжигания топлив при различных процессах превышает 9,2 ТВт. Почти половина этой мощности обеспе-

Мощность

Н еэнергет ическое

На вы работ ку

 

использование

элект роэнергии

 

10 60 150

и тепла

Уголь

 

 

Нефть

 

 

Газ

 

 

Гидроэнергия

 

 

Ядерная

 

 

энергия

 

 

Дрова,торф

 

 

ипр.

 

 

Рис. 3.3. Структура энергетического баланса техносферы (в ГВт)

чивается нефтью и нефтепродуктами; на втором месте - уголь (24%), за­ тем - газ (18%) и растительное топливо (10%), не имеющее промышлен­ ного значения.

В конечном потреблении эксплуатационной мощности первое место за­ нимает производство (46%), второе - коммунальное хозяйство вместе со сферами обслуживания, управления и коммерции (37%) и третье - транс­ порт (17%). Суммарный КПД энергетики техносферы равен 30%. Энергети­ ческая мощность современной техносферы по величине приблизительно равна 6% продукционной мощности биосферы (по энергии первичной брут- то-продукции) и обладает таким же КПД, но использует во много раз более концентрированные и “грязные” источники.

Усредненная глобальная картина складывается из совершенно раз­ ных энергетик отдельных стран и регионов. Диапазон различий плотно­ стей энергетических потоков (отнесенных к площади или к населению страны или региона) очень велик: почти от 0 и до 2 МВт/км2 (Бельгия) и от 0,5 до 18 000 кВт/чел. (США) соответственно. Уровень потребле­ ния энергии тесно коррелирует с уровнем жизни (рис. 3.4). Резко отли­ чается и качественная структура энергетики различных стран: от пре­ обладания растительного сырья до высокой роли гидроэнергетики (65% в Норвегии).

/, МВт/км2

Япония^ФРГвС^ А

100Г

Франция1* * # '

 

Нидерланды т /

 

Италия т

/

/ Ш

 

-

Велико-

 

и тал и я#

х

ф

британия

 

Испания # ^ /

 

Финляндия

 

 

 

Уругвай

 

у ^

Ирландия

 

 

 

 

М ексика*

Венесуэла

 

 

Бразилия

/

 

 

 

/

 

 

 

 

 

Колумбия #

£

/

#

 

 

 

 

^ ------ .

 

Южная Корея

 

 

Сирия/

 

 

 

 

 

 

Таиланд

/

#

 

 

 

 

 

/И р ан

 

 

 

 

Филиппины# /

 

 

Ямайка

 

 

 

 

 

 

 

 

Ю

Шри-Ланка#

/ •

Египет

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

Пакистан

 

 

 

 

 

 

/ #

Кения

 

 

 

 

 

 

w

/

 

 

 

 

 

 

^ '

Индия

 

 

 

 

 

 

М алави#

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

___________ I

 

100

 

 

 

1000

 

 

10 000

 

 

 

 

 

 

 

 

£ , кВт/чел.

Рис. 3.4. Соотношение уровня потребления энергии Е с уровнем жизни в разных странах на 1980 г.

ВXX в. технический прогресс сопровождался стремительным ростом энергоемкости различных потребностей человека. За 100 лет удельные за­ траты энергии на кондиционирование среды и приготовление пищи увели­ чились в 8-10 раз, на перемещение (1 человекоили 1 тонно-километр) - в 15-20 раз, на производство 1 т пшеницы - в 100 раз.

Энергетический кризис 70-х годов резко изменил отношение темпов прироста потребления энергии и ВНП. С 1970 по 1985 г. энергоемкость ВНП США снизилась на 71%, Франции70, Великобритании - 72, Япо­ нии - 78%. Однако абсолютное потребление энергии продолжает расти.

Вто же время энергоемкость национального дохода СССР за этот же период снйзилась лишь на 15%. Впрочем, некоторая разница в удельном по­ треблении энергии Россией и другими развитыми странами объективно не­ избежна и обусловлена климатическими условиями. “Жесткость” климата на основных эффективно используемых территориях Финляндии, Норве­ гии, Канады и даже Исландии заметно меньше, чем в России.

Данные об эффективности использования энергоресурсов в России в сравнении с некоторыми странами приведены в табл. 3.3. Приведенные дан­ ные следует учитывать при оценке того или иного производства с точки зре­ ния экологически чистого производства. Заканчивая рассмотрение общих подходов к этой проблеме, сообщим последние данные об экономических показателях альтернативных источников энергии (табл. 3.4).

Данные о выбросах веществ основными отраслями национальной экономики РФ

 

 

 

Выбросы в атмосферу

 

 

Отрасль

Твердые

 

Жидкие и газообразные вещества

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вещества

S02

СО

No*

Углево­

Итого

 

 

 

 

дороды

 

 

 

 

 

 

Жилищно-коммунальное

0,190

0,131

0,273

0,060

0,021

0,488

хозяйство

 

 

 

 

 

 

Автомобильный транспорт

0,008

0,216

8,474

1,495

1,192

11,378

Лесная промышленность

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Дорожное хозяйство

5,944

-

-

-

-

-

Энергетика

1,239

1,833

0,254

1,055

0,005

3,189

Тракторный парк

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Цветная металлургия

0,272

2,950

0,309

0,045

0,003

3,350

Сельское хозяйство

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Черная металлургия

0,355

0,222

1,638

0,143

0,008

2,025

Трубопроводы

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Химическая промыш­

0,070

0,080

0,113

0,039

0,125

0,386

ленность

 

 

 

 

 

 

Деревообрабатывающая и

0,089

0,093

0,140

0,035

0,020

0,294

целлюлозно-бумажная про­

 

 

 

 

 

 

мышленность

0,041

 

0,541

0,021

 

 

Нефтедобывающая про­

0,023

0,696

1,284

мышленность

0,101

 

0,220

 

 

 

Машиностроение

0,106

0,062

0,047

0,442

Угольная промышленность

0,069

0,033

0,050

0,014

0,320

0,466

Железнодорожный транс­

0,055

0,069

0,271

0,682

0,072

1,094

порт

0,010

 

0,048

0,022

0,582

0,809

Нефтеперерабатывающая

0,142

промышленность

 

 

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Вооруженные силы

Нет дан.

Нет дан.

Промышленность

0,242

0,045

0,108

0,058

0,004

0,225

стройматериалов

 

 

0,216

0,024

0,158

0,446

Газовая промышленность

0,005

0,048

Оборонная промышлен­

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

ность

 

 

0,077

0,022

0,007

0,193

Пищевая промышленность

0,032

0,082

Морской транспорт

0,083

0,053

0,026

0,048

0,017

0,144

Воздушный транспорт

0,005

0,021

0,083

0,067

0,023

0,193

Легкая промышленность

0,011

0,015

0,021

0,007

0,002

0,045

Микробиологическая

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

промышленность

 

0,020

 

0,046

0,015

0,105

Речной транспорт

0,008

0,024

Выбросы в атмосферу

Выбросы в

Всего

 

 

 

 

 

 

 

 

водоемы

выбросов в

 

С

РЬ

Всего

 

атмосферу

Примечание

 

и водоемы

 

Нет дан.

Нет дан.

0,678

12,053

12,731

Сверх того сброс канализа­

 

 

 

 

 

ционных стоков 18,4 млн т

0,047

0,003

11,436

0,007

11,443

 

Нет дан.

Нет дан.

Нет дан.

6,200

6,200

Данные за 1993 г.

-

-

5,944

0,005

5,949

 

Нет дан.

-

4,428

1,326

5,754

 

*1

Нет дан.

4,400

Нет дан.

4,400

Данные за 1993 г.

 

и

3,622

0,425

4,047

 

 

 

 

 

 

0,026

3,264

3,290

 

 

-

2,380

0,692

3,072

 

 

Нет дан.

1,908

Нет дан.

1,908

 

 

и

0,456

1,322

1,778

 

 

 

 

 

 

0,383

1,324

1,706

 

 

 

1,325

0,021

1,346

 

 

 

0,543

0,624

1,167

 

 

 

0,535

0,620

1,155

 

 

 

1,149

Нет дан.

1,149

 

 

 

0,819

1,193

1,012

 

Нет дан.

Нет дан.

0,552

0,195

0,747

ВС занимают 14,3 млн га

 

 

 

 

 

земель, не считая 19,4 млн га

 

 

 

 

 

под падение ракет. Накоплено

 

 

 

 

 

40 тыс. т химического оружия

Нет дан.

Нет дан.

 

0,114

0,582

и 10 тыс. т топлива для ракет

0,468

 

 

 

0,451

0,019

0,470

 

 

 

0,100

0,290

0,390

Данные за 1993 г.

 

 

0,225

0,116

0,341

 

 

 

0,227

0,003

0,230

 

 

 

0,198

Нет дан.

0,198

 

 

 

0,056

0,203

0,195

 

 

 

0,070

0,120

0,190

 

 

 

0,113

0,008

0,121

 

попытки установления функциональной связи потока информации с веще-

ством и энергией.

Можно привести пример формализации такой связи с использованием нескольких широко известных законов (Акимова, Хаскин, 1998 г.).

1.Формула Эйнштейна

Е= т • с2,

где

Е - энергия, Дж; т - масса, кг; с - скорость света в вакууме

(3 •

108 м/с).

2.Термодинамическое соотношение

Е= Т • S,

где Т — абсолютная температура, К; 5 —энтропия, Дж/град. 3. Формула Планка—Больцмана

5 = к • In W,

щ е к - постоянная Больцмана (1,4 • IQ"23 Дж/град); W - термодинамическая вероятность микросостояния макросистемы.

4. Выражение Блюменфельда (при условии, что все микросостояния равновероятны)

I = log2 W = 1,4427 W, или In W = 0,6931 • /,

где / - количество информации, бит. 5. Подставляя (4) в (3), имеем

5 = (1,4 • 10-23 • 0,6931) = 9,57 10"24 (бит).

Таким образом, подтверждается, что понятие “энтропия системы” мож­ но трактовать как количество информации, недостающее для ее полного описания.

6. Принимая Т в выражении 2 равным 310 К (по Акимовой и Хаскину со­ ответствует оптимальной биологической температуре) и подставляя значе­ ние S, получаем энергетический эквивалент единицы информации:

Е, = (9,57 10-24 • 310) = 3 • 10-21 (Дж/бит).

Можно констатировать, что информация сама по себе энергетически весьма дешевая.

7.В соответствии с формулой Эйнштейна энергетический эквивалент массы равен 8,99 • 1016 Дж/кг.

8.Сопоставляя энергетические эквиваленты информации и массы, полу­ чаем информационный эквивалент массы

/ = 8,99 •10,М = 3-1037 (бит/кг) 3-10“

и массу единицы информации, равную 3,3 • 10~38 кг.

Заканчивая общее описание техносферы и потоков в ее пределах, сле­ дует остановиться на субпотоках загрязнителей и отходов, являющихся составной частью материальных потоков. В табл. 3.5 приведены данные о выбросах веществ основными отраслями национальной экономики Рос­ сийской Федерации. Расчеты проведены по данным “Государственного

доклада о состоянии природной окружающей среды Российской Федера­ ции на 1997 г.”