В.П. Ожигов, доктор технических наук, профессор.

Энергетическая избыточность природных процессов

К исходу XX века стало ясно, что наряду́ с несомненно выдающимися достижениями технической цивилизации возникло немало проблем, в первую очередь экологических. Больше того, почти общепризнано, что главная причина существующих экологических проблем — кризис технической цивилизации классического типа.

Наиболее серьезной проблемой нашего времени является проблема выбора между продовольственной и экологической безопасностью. Считается (и не без оснований), что её решение возможно на основе широкого использования биологических достижений, в особенности достижений генной инженерии. С ними связаны надежды на снижение антропогенного давления на биосферу, обусловленного в основном техническим влиянием. Считается, что если XIX-XX века были века́ми техники, то XXI век будет веком биологии.

Однако очевидно, что без техники проблемы, стоящие перед человечеством, решить невозможно. В связи́ с этим всё большее внимание учёных привлекает концепция коэволюционного развития природы и общества, основанная на создании симбиотической среды́, а в сельском хозяйстве — адаптивного (симбиотического) земледелия. При этом отмечается, что при создании адаптивных систем земледелия в максимальной степени должны использоваться природные энергетические ресурсы.

Но практически открытым остаётся вопрос о принципах конструирования симбиотических сред и их энергетической основы. Не до конца ясен вопрос и о стратегических просчётах человека при взаимодействии его с биосферой.

Известно, что один из главных факторов эволюции биосферы — избыточность: демографического давления; сложности законов регулирования организмов; разнообразия генотипов биологического вида. Но для выживания во внешней среде любому организму нужна ещё энергетическая избыточность — превышение энергетических возможностей над потребностями. Причем этот принцип присущ не только отдельным живым организмам, но и биоцено́зам, популяциям людей и животных, любому природному процессу.

Энергетическая избыточность всех природных процессов и процессов живых организмов обусловлена их неравнове́сностью и является необходимым условием существования в условиях неравновесности их самих и неравновесности окружающей среды.

Другими словами, принцип энергетической избыточности имеет универсальный, всеобъемлющий характер.

Следствием нарушения принципа энергетической избыточности является болезнь или гибель организма, замедление или прекращение течения природного процесса.

Энергетическая избыточность природных процессов и процессов живых организмов — величина не постоянная в их существовании и изменяется под воздействием неравновесной внешней среды́ в широких пределах. Отметим попутно, что различна энергетическая избыточность и отдельных особей вида, процессов одного типа. Например, сверхвысокой энергетической избыточностью обладали великие полководцы, пророки, мыслители... При снижении их энергетической избыточности они терпят поражение или погибают преждевременно.

Энергетический баланс биосферы

При этом вследствие затухания или замедления течения какого-либо природного процесса происходит неизбежное в этом случае перераспределение энергии и вещества, что ведёт к появлению либо новых процессов, либо к увеличению энергетической избыточности существующих. Это может привести в свою очередь к появлению аномальных явлений: ливневых дождей, наводнений, засух, землетрясений и т.д. Но протекают они в соответствии с законами природы и постепенно. В целом же энергетический баланс биосферы сохраняется, и она за счет внутренних механизмов регулирования поддерживает устойчивость, несмотря на неизбежные естественные возмущающие воздействия.

При антропогенных же вмешательствах в природные процессы нарушается естественное их течение, что ведёт в свою очередь к энергетической разбалансированности биосферы. А поскольку энергетический баланс Земли постоянен, то в соответствии с первым началом термодинамики энергия ликвидированных либо нарушенных природных процессов неизбежно появляется в других местах земного шара, возможно, и в других видах. То же самое в соответствии с законом сохранения вещества происходит и с материальными потоками нарушенных природных процессов.

При этом поскольку процессы перераспределения энергии и вещества ликвидированных либо нарушенных человеком происходят по законам природы (а не человека), то происходят фактически инициированные им, но стихийные по существу природные явления: ливневые либо длительные дожди, наводнения, землетрясения, потепления и похолодания в различных точках Земли и т.д. Так природа отвечает человеку на его попытки взять функции управления ею на себя, по своему усмотрению, и она, как и всегда, отвергает эти попытки человека, управляя своими же процессами по своим законам. В связи́ с этим предпринимаемые человеком усилия по снижению антропогенного давления на биосферу направлены, как правило, на устранение последствий этого давления, а не на ликвидацию причин экологического неблагополучия.

Вмешательство человека в гидросферу

Колебания уровней водоёмов

Рассмотрим влияние на экологическую ситуацию на планете вмешательством человека в одно из важнейших веществ — воду. Наиболее ярко энергетическая разбаланси́рованность биосферы проявляется в Аральско-Каспийском регионе, где вмешательство человека в природу оказалось особенно грубым. В настоящее время понятно, что пересыхает Аральское море из-за направления рек Амударьи и Сырдарьи в зону Каспия. Но труднообъяснимы явления, происходившие на протяжении XX столетия с Каспийским морем. В 1933 году началось интенсивное падение его уровня. Снижение уровня моря продолжалось до 1977 года и достигло рекордно низкой отметки: на 3 метра ниже, чем в начале XX столетия. В связи́ с устойчивым снижением уровня моря началось строительство дамбы, отделяющей его от залива Кара-Богаз-Гол. Однако неожиданно с начала 1977 года уровень моря стал устойчиво повышаться и за десятилетие превысил отметку 1978 года на 1,24 м. К 1995 году уровень моря повысился на 2,5 м. В морской зоне оказались города́ Махачкала, Дербент, Каспийск и многие другие поселения. Одновременно подтоплялись огромные территории. В связи́ с повышением уровня моря дамбу взорвали.

Однако после 1995 года началось новое понижение уровня Каспийского моря, за 1996-1997 гг. составившее 34 см.

Как дальше будут происходить колебания уровня, никто с уверенностью сказать не берётся. Выдвигаются различные гипотезы этого явления: понижение — повышение уровня дна моря; связь гидрометеорогических процессов в Каспийском регионе с крупномасштабными процессами взаимодействия океана и атмосферы, развивающимися над Северной Атлантикой.

На наш взгляд, колебания уровней различных водоёмов Земли, в том числе и Каспийского моря, вызваны, скорее всего, непредсказуемым перераспределением воды, используемой человеком на промышленные и хозяйственные ну́жды, главным образом на орошение. Человечество использует сейчас более 50 процентов незамерзающей пресной воды на планете, причём 70 процентов этого количества — в сельском хозяйстве.

В настоящее время с лица Земли исчезают большие и малые реки, водоёмы, болота... В России, например, список погибающих рек насчитывает более 100 тысяч. И подобное происходит не только у нас. Не достигает Желтого моря река Хуанхэ в КНР, Атлантического океана — река Колорадо в США. Уровень Мертвого моря, находящегося в Израиле и Иордании, ежегодно понижается примерно на 80 см. Причина та же — разбор чуть ли не всей воды реки Иордан в Израиле, Сирии и Иордании.

Влияние этих факторов на возникновение стихийных катастроф и бедствий, в том числе и на колебания уровней водоёмов, не принимать во внимание невозможно. В частности, не случайно увеличение количества выпадающих осадков, что обусловлено поступлением в атмосферу огромного количества испаряющейся воды, расходуемой на орошение, как правило, засушливых и пустынных земель с высокими температурами в этих зонах окружающей среды́.

Увеличение количества выпадающих осадков

Тенденция к увеличению количества выпадающих осадков (при увеличении орошаемых площадей) будет сохраняться со всеми вытекающими отсюда последствиями. Косвенное подтверждение увеличения осадков — частота наводнений. В частности, если до нашей эры в наиболее паводковоопасной стране — Китае — наводнения происходили раз в 50 лет, то теперь в течение года случается несколько таких катастроф.

В наиболее «урожайные» годы наводнения на земном шаре происходят с интервалом в 2-3 дня. В Китае за 1997-2000 гг. произошло 58 наводнений, в США — 52. В Бангладеш, Вьетнаме, Индии, Индонезии, Корее, Таиланде, Филиппинах, Мексике, Австралии, Сомали, России и Румынии случилось более 10 наводнений в каждой стране.

Остальная часть воды, расходуемой на орошение (примерно 50 процентов), за счёт фильтрации идёт на обводнение пустынных (засушливых) земель с соответствующим повышением в них уровня грунтовых вод. В результате вымываются соли из земной коры и соединяются между собой подземные воды. Например, в головной зоне Каракумского канала выкли́ниваются пресные воды северо-афганских оазисов.

Увеличение количества выпадающих осадков не единственный фактор разбалансированности биосферы вследствие увеличения количества испаряющейся воды. Процессы испарения воды и конденсации паров ведут к широкомасштабному изменению сложившихся термодинамических процессов в атмосфере. А это ведёт в свою очередь к изменению полей температур и давления в различных точках земного шара вследствие непредсказуемого перемещения паров воды. И в этой связи́ также не случайно учащение появления ураганов, цунами, других аномальных атмосферных явлений. Эти процессы фактически также инициированы человеком.

Таким образом, примерно половина всей этой огромной массы «исчезающей» воды испаряется, остальная идёт на увеличение подземных вод.

Принцип энергетической избыточности присущ не только биосфере Земли, но, вероятнее всего, и всей Вселенной. На основе этого принципа можно осмыслить и понять механизм многих явлений, происходящих в окружающем нас мире.

Можно ли построить вечный двигатель?

В глобальном плане это эффект расширяющейся Вселенной. Согласно последним данным, скорость этого расширения возрастает. Для его объяснения выдвинуто несколько гипотез, все они основываются на факте существования во Вселенной некой суперсилы или скрытого энергетического поля. На наш взгляд, эта суперсила есть не что иное, как энергетическая избыточность Вселенной.

Принципом энергетической избыточности объясняется и невозможность создания вечного двигателя второго рода (речь идет об искусственно созданных устройствах, при работе которых не привлекается энергия из окружающего пространства). Такие устройства также могут работать только в режиме энергетической избыточности, необходимой для компенсации неравновесности самого́ устройства и неравновесности внешней среды́. При этом для каждой искусственно созданной системы существует определенный предельно допустимый уровень избыточности.

Иначе, энергия системы будет расходоваться на осуществление самого́ процесса и на потери в окружающую среду́, величина которых определяется предельно допустимым уровнем энергетической избыточности. Следовательно, искусственно созданная система, работающая за счёт возобновляющихся источников энергии, будет полностью подчиняться второму началу термодинамики.

Возникает вопрос: а возможно ли создание систем с достаточно высоким КПД, в идеальном случае с КПД, равным 1? На наш взгляд, это возможно при условии включения в искусственные процессы процессов природных систем или живых организмов. Такова точка зрения академика К.К. Ребане: « ...можно было построить вечный двигатель второго рода. Для этого надо только включить в рабочий процесс подходящее звено с участием живых организмов». Расширяя это понятие, скажем: «... подходящее звено с участием природных процессов».

Инженерно-биологические системы

Применительно к продуктивному животноводству мною разработана концепция создания инженерно-биологических систем (ИБС), являющихся своеобразным симбиозом животных и машин. В ИБС животные включаются в искусственные процессы как активные функциональные биоэнергетические звенья. При этом они вовлекаются в отношения создания условий их совместного функционирования, максимально соответствующих естественным процессам и приспособи́тельным реакциям животных.

Основой для создания таких систем являются синтетические технологии. Согласно концепции академика А.А. Уголева, технология вообще — «всеобщая технология» — рассматривается как наука об организационных процессах в живой и неживой природе. «Всеобщая технология» объединяет четыре технологии: производственные; биотехнологии, в которых живые системы выступают элементом производственных технологий; естественные технологии живой природы; синтетические, объединяющие производственные и естественные технологии. Согласно этой концепции естественные технологии характеризуются как системы хорошо скоординированных друг с дру́гом последовательных и параллельных операций в организмах и вообще в природе, а искусственные — представляют собой модель варианта, существующего в природе.

Системы для реализации синтетических технологий мною рассматриваются как симбиотические инженерно-биологические системы. Применительно к продуктивному животноводству предложен ряд подобных систем, иллюстрирующих возможность их создания. Достаточно подробно всё это изложено в докторской диссертации, монографии и опубликованных статьях.

Убеждён, что подобные системы могут и должны создаваться и с включением в них естественных природных процессов, поскольку примеры их создания уже имеются. В начале XX века в России, например, широко использовались так называемые «народные технологии» — природные ресурсы и возобновляемые источники энергии. В частности, в России высокой была доля заливных лугов от обшей площади сенокосов и пастбищ. Например, во Влади́мирской губернии она составляла более 50 процентов (в настоящее время всего лишь 10-13 процентов). Это напрямую сопряга́лось с большим количеством водяных мельниц, числом плотин и запру́д на малых реках. В 1911 году Россия имела 194 тысячи водяных мельниц, а суммарное число плотин и запру́д на малых реках (не считая бобровых) достигало нескольких миллионов. Эффективно использовалась и ветровая энергия: в 1930 году в России насчитывалось около 816 тысяч ветряных мельниц. Для сохранения плодородия почв широко использовались навоз, другие естественные технологии накопления в почве минеральных элементов.

В настоящее время также есть технические предложения по использованию энергии естественных природных процессов. В частности, предлагается применять в полезных для человека целях энергию наводнений и вулканов. Например, уже функционирует на тихо тлеющем вулкане Кудрявый на острове Итуру́п на Курилах опытно-промышленная установка для получения по специально разработанной технологии металла рения из вулканического газа. По расчётам учёных, ресурсы рения на этом вулкане достаточны для удовлетворения в нём общероссийской потребности.

Разработка таких систем — жизненная необходимость для человечества, поскольку речь идёт о его выживании как вида. Поэтому, по меньшей мере, эта проблема заслуживает широкого обсуждения научным сообществом.