КОГДА НЕФТЬ ПОДЕШЕВЕЕТ? Часть 1.
The life contest is primarily a competition for available energy.
- Ludwig Boltzman (1886)
В последнее время в печати промелькнули сообщения, интересные для умеющих читать между строк. Оказывается, в 2007 году Россия достигла пика разведанных нефтяных запасов. Саудовская Аравия отказала Бушу в его просьбе увеличить добычу нефти. Цены на нефть подошли к $127 за баррель. После того, как Иран начал год назад рационирование бензина, подняв цену на 25%, этот год обещает новое резкое повышение цен в стране, которая вынуждена закупать 40% нефтепродуктов за рубежом, и правительство опасается бунтов населения. Мужичок в калифорнийском городке, в 30 милях южнее Лос-Анджелеса потратил сто тысяч долларов, чтобы пробурить нефтяную скважину у себя во дворе, за домом, и теперь качает по 3 галлона нефти в день. Во всём мире существенно поднялись цены на пищевые продукты...
Друзья пристают с ножом к горлу: Артур, ты работал в нефтяной промышленности, должен понимать, что за хреновина творится с ценами на горючее. Ты-то хоть можешь сказать, когда это кончится, когда нефть подешевеет?
У меня, понятное дело, есть своя точка зрения, - отвечаю я, - но вряд ли у вас достанет терпения выслушать всю историю, от начала до конца, а так-то, если я вам расскажу только выводы, вы мне сроду не поверите. Нет, говорят, спасибо, не надо, выдай кальмейеру карт-бланш на болтовню - ей конца не будет. Дело ваше, говорю.
Потом подумал: нужно написать на эту тему в ЖЖ. У кого хватит терпения, те прочтут, остальные просто поблагодарят, не читая, - дескать, спасибо, кальмейер, очень интересно было, афтар пеши исчо - и все довольны. Велики достоинства сетевого творчества!
Не знаю, насколько достанет у меня самого терпения рассказывать, а у вас - читать длинную нефтяную эпопею. Буду писать понемногу и понемногу же выкладывать в журнал. Надоест вам или мне - брошу. В общем, попробуем. Опубликовано множество исследований, статей и книг о том, что происходит с добычей нефти. Поэтому изобретать мне ничего не нужно. Моя задача - отобрать из груды материалов работы авторов, заслуживающих, с моей точки зрения, доверия (т.е. тех, кто понимает происходящее так же, как понимаю я) и написать добросовестную научно-популярную компиляцию, избавляющую читателя от необходимости самому продираться сквозь ряды буковок в толстых книжках, к тому же не всем понятных. Расчитывая на гуманитариев, я по возможности постараюсь писать доступным языком (по возможности!), а в расчёте на поклонников точных наук, обещаю не привлекать гипотезы бога, концепции судьбы и проч. поэтические мифы.
Вот книги, которым я доверяю:The Collapse of Complex Societies, by Joseph Tainter.
The Last Oil Shock (A Survival Guide to the Imminent Extinction of Petroleum Man), by David Strahan.
The Party’s Over (Oil, War and the Fate of Industrial Societies), by Richard Heinberg.
Twilight in the Desert (The Coming Saudi Oil Shock and the World Economy), by Matthew R. Simmons.
The Coming Economic Collapse (How You Can Thrive When Oil Costs $200 a Barrel), by Stephen Leeb.
Начать придётся издалека: сперва, в первой части, речь пойдёт вроде бы совсем не о нефти, так что, если у кого не достаёт терпения, - искренне советую найти более лёгкое чтиво.
Часть 1. ЭНЕРГИЯ, ЭКОЛОГИЯ, ОБЩЕСТВО
В 19-ом веке физики сформулировали два фундаментальных закона мироздания - первый и второй законы термодинамики. Первый - закон сохранения энергии - известен всем со школы. Второй утверждает, что при любом переходе энергии из одной формы в другую часть её рассеивается (обычно в виде тепла). Хотя эта доля энергии в принципе не потеряна, она рассеялась и таким образом недоступна для использования. Конечно, можно попытаться её собрать, заново сконцентрировать и заставить работать на нас, но процесс концентрации потребует подкачки новой энергии, и в бóльшем количестве. Таким образом, универсальный закон природы утверждает, что часть энергии всегда теряется. Он известен также как закон энтропии. Энтропия - количество рассеиваемой энергии, ставшей недоступной для выполнения полезной человеку работы. Второй закон утверждает, что энтропия внутри изолированной системы возрастает с течением времени: в битве между порядком и хаосом в конце концов всегда побеждает хаос.
Закон энтропии сформулирован для изолированных систем любого размера. Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни материей, ни энергией. Вселенная - единственный пример по-настоящему изолированной системы, известный человечеству. Существуют ещё два типа энергетических систем: замкнутые системы - они обмениваются с окружающей средой энергией, но не материей, и открытые системы - обменивающиеся и материей, и энергией.
Землю можно считать, с достаточной точностью, примером замкнутой системы: она получает энергию от Солнца и отражает значительную часть этой энергии обратно в пространство; в то же время, за исключением редких астероидов или фрагментов комет, Земля почти не обменивается с космосом материей. Живой организм является открытой системой; живые организмы потребляют материю и энергию из окружающей среды и возвращают их обратно в преобразованном виде.
Поскольку живые существа являются открытыми системами, через которые постоянно протекает поток материи и энергии, они способны создавать и поддерживать порядок. Заберите у них источник энергии или потребную им материю - и они умрут, разложатся, превратятся в хаос.
То же можно сказать о человеческих сообществах и их технологиях. Любое общество является открытой системой, жизнь которой зависит от притока энергии и материи, необходимых для создания временных островков порядка. Отнимите у общества энергоресурсы, и тогда "прогресс общества" (успехи технологий, позволяющих выращивать сложные общественные структуры) очень быстро дегенерирует в хаос.
Живые системы способны увеличивать уровень своего порядка и сложности за счёт потребления более высокого энергетического потока. Но этот процесс неизбежно увеличивает энтропию во внешней системе - в среде обитания.
Благодаря химическому порядку и сложной структуре материя способна хранить запасы энергии. Накопленную в материи энергию можно использовать с помощью химических процессов (например, сгорания) или, в случае живых существ - пищеварения. Виды материи, хранящие в себе запасы энергии, называют топливами. Закон энтропии справедлив в равной мере в отношении любых топлив. При рассеянии энергии наступает тепловая смерть. Когда материя теряет присущую ей структуру, разлагается, говорят о материальном хаосе. В обоих случаях результатом является снижение уровней порядка, называемое в просторечье смертью.
Практически вся энергия, доступная для поддержания порядка в биосфере Земли, поступала и поступает от Солнца. Полный приток солнечной энергии на нашу планету более чем в десять тысяч раз превышает всю энергию, которое человечество извлекает, используя ветер, энергию воды, атома и сжигая углеводороды. Казалось бы, такой избыточный приток энергии может позволить человечеству беззаботно смотреть в будущее. Однако нам доступна далеко не вся солнечная энергия. Значительная её часть (примерно 30%) отражается от туч и льда в пространство, а остальная энергия уже выполняет очень важную для планеты работу - создаёт погоду, нагревая атмосферу и океаны, и даёт жизнь всем живым существам биосферы.
Многие организмы - зелёные растения, микроорганизмы и фитопланктон - способны напрямую утилизировать солнечную энергию, используя её для превращения неорганической материи в глюкозу и кислород. Биологи называют такие организмы производителями или самопитающимися (аутотрофами). Растения абсорбируют только половину падающей на них солнечной энергии. Из этой половины они могут преобразовать только от 1 до 5 процентов в химическую энергию. Но даже при этом, чрезвычайно низком, уровне эффективности, фотосинтезирующие организмы каждый год запасают больше чем удвоенное количество энергии, необходимой человечеству.
Биологи относят любые организмы-непроизводители к потребителям; их называют гетеротрофами ("питающиеся другими"). Переваривая глюкозу и прочие органические соединения, накопленные аутотрофами, потребители абсорбируют их энергию. В процессе они производят отходы - материалы низшего порядка, и экскретируют их в окружающую среду. Другими словами, потребители питаются порядком и извергают хаос. Все животные - потребители. Существует иерархия потребителей: травоядные питаются растениями, хищники едят других потребителей, далее идут хищники более высокого порядка и т.д.
Сложные системы, состоящие из множества организмов, также потребляют и перерабатывают энергию. Изучением того, как это происходит, занимается экология. Экологи изучили огромный объём фактов, касающихся углеродных, азотных, фосфорных, серных и водных циклов в природе. Для нас существенными являются энергетические циклы. С каждым переходом энергии от нижнего уровня жизни к высшему, определённое количество энергии теряется за счёт рассеивания. Гусеница съедает лист, голубь съедает гусеницу, коршун съедает голубя - и каждый раз только 5 - 20% доступной энергии переходит на следующий уровень. Если зелёные растения на заданной площади поглощают, к примеру, 10000 единиц солнечной энергии, то травоядным достанется всего 1000 единиц, даже если им удастся сожрать все растения; первичным хищникам достанется лишь 100 единиц энергии, вторичным - 10, а последнему в этой цепи - всего одна единица. Чем больше превращений энергии в системе, тем выше кумулятивные потери энергии. В каждой экосистеме подавляющая часть энергии сконцентрирована в производителях, они же содержат и подавляющий объём биомассы. Поток энергии в биосфере представлен пирамидой, на вершине которой находится главный хищник - человек.
Энергия, доступная биосистеме, является одним из главных факторов, определяющих, какова "подъёмная способность" системы, то-есть - какое максимальное число популяций может вынести система. "Подъёмная способность" - это максимум того, что может выдержать среда обитания системы без того, чтобы выродиться в хаос. Энергия не является единственным фактором для определения "подъемной способности". Немецкий учёный Justus von Liebeg сформулировал в своё время принцип (закон Либега), гласящий: в среде обитания предел для числа организмов данного вида определяется наиболее дефицитным из необходимых виду ресурсов, в расчёте на потребности одного организма. Для растения такими факторами могут быть тепло, солнечный свет, вода, разные химические элементы. Для организмов-потребителей дефицитным фактором часто является энергия-питание.
Биологические системы поддерживают равновесное состояние энергии с помощью обратной связи: если число львов превышает количество антилоп, львы начинают вымирать; когда хищников становится совсем мало, поголовье антилоп резко возрастает, в результате растёт и число львов. Чем совершеннее экосистема, тем эффективнее используется энергия её организмами. Отходы одного из видов становятся пищей для другого. Чтобы не тратить зря запасы энергии, виды избегают участвовать в прямой конкуренции за одну и ту же пищу. Среда обитания распадается на ниши, потребители используют миграции, специализируются (например, одни охотятся днём, другие ночью). Территориальные хищники стараются избегать межвидовых конфронтаций и по возможности воздерживаются от кровавых разборок, экономя энергию. В результате, зрелая экосистема выглядит гораздо более кооперативной и гармоничной, чем молодая, в которой колебания организмов различных видов могут быть весьма велики. В зрелых системах многие организмы сотрудничают с другими видами, и каждая из форм жизни зависит от существования других. В очень зрелых экосистемах размеры популяций регулируются также с помощью механизмов, позволяющих менять соотношение мужских и женских особей, либо, в случае сильного давления на популяцию, вообще производить особей, не приспособленных к размножению.
Весь этот баланс может быть внезапно нарушен в случае появления новых видов организмов - экзотических пришельцев, чуждых данной экологической среде, называемых колонизаторами.
Социальные науки - история, экономика, политические науки - в некотором смысле являются подразделами экологии. И мы, и наши общества, в энергетическом смысле, - организмы, способные либо жить в состояние баланса с окружающей средой, как члены зрелой экосистемы, либо подвергнуть опасности хаоса саму экосистему. В начале истории мы развились как охотники и собиратели растений. Наши предки вписались в сложную экосистему задолго до того, как научились приспосабливать среду к своим нуждам - они были частью гомеостатического баланса между теми, кто их поедал, и теми, на кого они охотились.
Благодаря уму, человек оказался способен действовать в качестве колонизующего вида, доминирующего любую экосистему, в какую бы он ни прорвался. Мы начали распространяться по планете (из Африки) за много тысячелетий до того, как первые европейцы намеренно отправились для колонизации других земель.
Как и другие организмы, люди постоянно ищут путей для использования максимума солнечной энергии. У нас есть свои недостатки, но есть и существенные преимущества: быстрая приспособляемость, кисти рук, способные к разнообразным сложным действиям, способность к коммуникациям, к абстрагированию, к передаче понятий с помощью речи. Мы не замедлили изобретательно и с успехом использовать свои преимущества для добывания энергетических субсидий, воплотив в практику пять главных стратегий покорения внешней среды. Вот они:* захват
* использование орудий
* специализация
* крупномасштабность и
* истощение ресурсов
Захват - это умение забирать в единоличное пользование человека часть жизненных запасов, необходимых для поддержания жизни других видов в экосистеме. Наши предки с помощью каменных орудий и огня сумели захватить для своего использования материалы, которые в противном случае были бы съедены насекомыми (мёд) или хищниками (дичь). Лет 10000 назад наши предки, занявшись земледелием, начали захватывать участки земли, которыми могли бы пользоваться многие виды растений, кустов, диких трав и, следовательно, животные, жизнь которых зависела от этих растений. После захвата эти земли стали служить источником энергии для человека - энергии для небольшого числа особей колонизаторского типа. Человек приспособился вести свои захваты, используя огонь - быстрое высвобождение накопленной химической энергии. Поколение за поколением, homo sapiens расползался по поверхности планеты, грабя энергию у других видов. В конце концов человечество пришло к восхитительной идее выигрыша энергии за счёт использования энергии других людей - захваченных в войне рабов.
Использование орудий. Мы научились захватывать новые экосистемы с помощью постоянно усложняющихся систем орудий. Под орудиями понимаются любые предметы, искусственно изготовленные человеком, которые позволяют ему изменять энергетический баланс в свою пользу. Эволюцию технологий можно проследить по этапам развития этих орудий:
A. Орудия, которые требуют только человеческой энергии и для их производства, и для использования. Примеры: наконечники стрел и копий, плетёные корзины, одежды, сшитые из звериных шкур. Все эти орудия встречаются в раскопках первобытных стоянок.
B. Орудия, требующие для изготовления внешнего источника энергии, но для пользования которыми достаточно энергии человека. Сюда относятся первобытные металлические орудия, ножи, монеты, шлемы и латы. Эти орудия находят уже в ранних цивилизациях Месопотамии, Китая, Египта.
С. Орудия, требующие только человеческой энергии для их производства, но использующие внешние источники энергии. Это деревянный плуг, который тащит бык, паруса, ветряная мельница, водяная мельница, палочки для добывания огня.
D. Орудия, требующие внешней энергии и для их изготовления, и для использования. Стальной плуг, мушкет, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, турбина самолёта, ядерный реактор, фотоэлектрическая панель, лаптоп. Технологии - не просто основа современных индустриальных обществ, они являются определяющими характеристиками социального развития общественных систем.
Специализация. Эта стратегия тесно связана с необходимостью использования орудий. Сочетание человек-орудие можно рассматривать как организм, отличающийся от невооружённого человека. Люди, владеющие разнообразными комплектами орудий и умеющие обращаться с ними, по сути дела, представляют отличные один от другого виды организмов. По мере расслоения общества на группы людей разных специализаций, комплексы используемых ими орудий усложняются, при этом оказывается, что для их производства необходимы отдельные технологически-экономические экосистемы, требующие отдельного места внутри внешней экосистемы. Изготовление орудий, по мере их усложнения, требует всё большего расхода энергии. Специализация позволяет сократить непроизводительное её расходование. Некоторые люди становятся членами военного сословия, специализируясь на захвате человеческого энергоносителя - рабов, другие превращаются в крестьян, специализирующихся на добыче солнечной энергии с помощью выращивания злаков, и так далее. В сравнении с энергией огня, человеческая энергия оказывается гораздо более эффективной - она способна управлять разумным накоплением энергетических субсидий.
Крупномасштабность. Вспомним о законе Либега: для любого вида организмов подъёмная способность района обитания определяется наиболее дефицитным ресурсом. Орудия позволили человеку обойти ограничения, поставленные естественной средой и дали возможность селиться в прежде недоступных климатических условиях (за арктическим кругом); ирригация позволила производить избыток пищи в районах, где прежде могли выжить очень малые группы людей. Тем не менее, в любом отдельном районе обитания, всегда существуют свои дефициты, ограничивающие освоение их человеком. Оказывается, что эти факторы можно преодолеть, транспортируя дефицитные ресурсы из одного региона в другой. Торговля возникла как способ обойти закон Либега о фатальности дефицита. Благодаря орудиям транспорта и организации коммерции, недостаток жизненно необходимого ресурса в одном регионе покрывается за счёт избытков ресурса в других местах. Увеличение масштаба региона с помощью коммерции позволяет справляться со страшными последствиями региональных катастроф - засухами, землетрясениями, наводнениями и проч. Недостатками крупномасштабности является зависимость огромных регионов планеты от бесперебойного функционирования транспорта и торговли - в случае, если эти связи почему-то вдруг окажутся под угрозой, население рискует оказаться перед угрозой энергетической смерти. Cделаем для себя здесь пометку: термин "глобализация"...
Истощение ресурсов. Последняя и конечная стратегия человечества - интенсивная разработка невосстановимых энергетических ресурсов вплоть до их истощения. Человечество ведёт безоглядную добычу угля, нефти, газа, урана так, как будто нет никакого завтра. Эта стратегия становится осуществимой, когда изобретённые в обществе орудия типа D позволяют совершить количественный скачок в ненасытной гонке человечества за увеличением потока потребляемой энергии. Благодаря истощению ресурсов обществу удалось добиться:* интенсификации сельского хозяйства - удобрения, пестициды и гербициды позволили резко увеличить сбор урожаев с единицы площади. Да и площади, на которых ведётся выращивание энергии-пищи, также увеличились благодаря замене тягового скота тракторами.
* изобретения и утилизации совершенно новых наборов орудий, требующих более интенсивного расхода энергии.
* углубления специализации, с появлением совершенно новых социальных ролей и занятий.
* головоломного ускорения средств транспорта и взрывного увеличения торговли.
Истощение ресурсов пока что показало себя самой успешной из всех стратегий, оно позволило увеличить "подъёмную способность" экосистемы, результатом чего стал взрывной рост населения планеты. Человеческая масса не достигла одного миллиарда до 1820 года; после этого меньше, чем за два столетия, эта цифра выросла в шесть с половиной раз. Такой темп роста является беспрецедентным в человеческой истории.
Эксплуатация энергосодержащих минералов создала "подъёмную способность" настолько большую и так быстро, что ей удалось превратить существенную долю добытого изобилия в огромные богатства и небывалый прежде уровень жизни для малой, но значительной части населения Земли. В прежние времена паразитический рост уровня жизни узкого класса властителей (королей, знати, землевладельцев) почти всегда достигался за счёт выкачивания энергии из подданных и сопровождался снижением их уровня жизни. В новые времена освобождённая энергия ископаемых энергоносителей сделала возможным повышение уровня жизни для больших групп населения мира (в разной мере для разных групп). Большинству людей перепало очень немного от извлечённых из земли богатств: преуспевшие потребители энергии продолжают эксплуатировать их дешёвый труд с помощью стратегий захвата и специализации; и всё-таки почти каждый человек на планете замер в ожидании того, что вот-вот и на него прольются дары рога изобилия, подпитываемого за счёт истощения ресурсов планеты, и что в конце концов всем будет хорошо. Ожидания близких перемен к лучшей жизни значительно ослабили социальные трения, которые с начала истории преследовали революциями все сложно-организованные общества.
Американцы более других народов привыкли считать нормой жизненный стандарт, добываемый за счёт интенсивного энергопотребления. В английском языке есть выражение "reality check". Попробуйте взбежать по лестнице на три этажа вверх за 20 секунд. Если вы весите 150 фунтов, а 3 этажа составляют 40 футов, за двадцать секунд вы совершите работу в 6000 ft-lb. Значит, вы расходовали энергию в размере 300 ft-lb/sec. Одна лошадиная сила - это 550 ft-lb/sec. То-есть вы генерировали немногим более половины лошадиной силы. Никакому человеку не под силу генерировать такую мощность в течение целого дня. Средняя мощность человека, доступная для долговременного усилия, не превышает одной двадцатой лошадиной силы. Сколько лошадок в моторе твоего джипа, my fellow American?... Поэтому приходится говорить об “энергетических субсидиях”.
Как там дела с субсидиями?
Продолжение следует.
- Ludwig Boltzman (1886)
В последнее время в печати промелькнули сообщения, интересные для умеющих читать между строк. Оказывается, в 2007 году Россия достигла пика разведанных нефтяных запасов. Саудовская Аравия отказала Бушу в его просьбе увеличить добычу нефти. Цены на нефть подошли к $127 за баррель. После того, как Иран начал год назад рационирование бензина, подняв цену на 25%, этот год обещает новое резкое повышение цен в стране, которая вынуждена закупать 40% нефтепродуктов за рубежом, и правительство опасается бунтов населения. Мужичок в калифорнийском городке, в 30 милях южнее Лос-Анджелеса потратил сто тысяч долларов, чтобы пробурить нефтяную скважину у себя во дворе, за домом, и теперь качает по 3 галлона нефти в день. Во всём мире существенно поднялись цены на пищевые продукты...
Друзья пристают с ножом к горлу: Артур, ты работал в нефтяной промышленности, должен понимать, что за хреновина творится с ценами на горючее. Ты-то хоть можешь сказать, когда это кончится, когда нефть подешевеет?
У меня, понятное дело, есть своя точка зрения, - отвечаю я, - но вряд ли у вас достанет терпения выслушать всю историю, от начала до конца, а так-то, если я вам расскажу только выводы, вы мне сроду не поверите. Нет, говорят, спасибо, не надо, выдай кальмейеру карт-бланш на болтовню - ей конца не будет. Дело ваше, говорю.
Потом подумал: нужно написать на эту тему в ЖЖ. У кого хватит терпения, те прочтут, остальные просто поблагодарят, не читая, - дескать, спасибо, кальмейер, очень интересно было, афтар пеши исчо - и все довольны. Велики достоинства сетевого творчества!
Не знаю, насколько достанет у меня самого терпения рассказывать, а у вас - читать длинную нефтяную эпопею. Буду писать понемногу и понемногу же выкладывать в журнал. Надоест вам или мне - брошу. В общем, попробуем. Опубликовано множество исследований, статей и книг о том, что происходит с добычей нефти. Поэтому изобретать мне ничего не нужно. Моя задача - отобрать из груды материалов работы авторов, заслуживающих, с моей точки зрения, доверия (т.е. тех, кто понимает происходящее так же, как понимаю я) и написать добросовестную научно-популярную компиляцию, избавляющую читателя от необходимости самому продираться сквозь ряды буковок в толстых книжках, к тому же не всем понятных. Расчитывая на гуманитариев, я по возможности постараюсь писать доступным языком (по возможности!), а в расчёте на поклонников точных наук, обещаю не привлекать гипотезы бога, концепции судьбы и проч. поэтические мифы.
Вот книги, которым я доверяю:The Collapse of Complex Societies, by Joseph Tainter.
The Last Oil Shock (A Survival Guide to the Imminent Extinction of Petroleum Man), by David Strahan.
The Party’s Over (Oil, War and the Fate of Industrial Societies), by Richard Heinberg.
Twilight in the Desert (The Coming Saudi Oil Shock and the World Economy), by Matthew R. Simmons.
The Coming Economic Collapse (How You Can Thrive When Oil Costs $200 a Barrel), by Stephen Leeb.
Начать придётся издалека: сперва, в первой части, речь пойдёт вроде бы совсем не о нефти, так что, если у кого не достаёт терпения, - искренне советую найти более лёгкое чтиво.
Часть 1. ЭНЕРГИЯ, ЭКОЛОГИЯ, ОБЩЕСТВО
В 19-ом веке физики сформулировали два фундаментальных закона мироздания - первый и второй законы термодинамики. Первый - закон сохранения энергии - известен всем со школы. Второй утверждает, что при любом переходе энергии из одной формы в другую часть её рассеивается (обычно в виде тепла). Хотя эта доля энергии в принципе не потеряна, она рассеялась и таким образом недоступна для использования. Конечно, можно попытаться её собрать, заново сконцентрировать и заставить работать на нас, но процесс концентрации потребует подкачки новой энергии, и в бóльшем количестве. Таким образом, универсальный закон природы утверждает, что часть энергии всегда теряется. Он известен также как закон энтропии. Энтропия - количество рассеиваемой энергии, ставшей недоступной для выполнения полезной человеку работы. Второй закон утверждает, что энтропия внутри изолированной системы возрастает с течением времени: в битве между порядком и хаосом в конце концов всегда побеждает хаос.
Закон энтропии сформулирован для изолированных систем любого размера. Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни материей, ни энергией. Вселенная - единственный пример по-настоящему изолированной системы, известный человечеству. Существуют ещё два типа энергетических систем: замкнутые системы - они обмениваются с окружающей средой энергией, но не материей, и открытые системы - обменивающиеся и материей, и энергией.
Землю можно считать, с достаточной точностью, примером замкнутой системы: она получает энергию от Солнца и отражает значительную часть этой энергии обратно в пространство; в то же время, за исключением редких астероидов или фрагментов комет, Земля почти не обменивается с космосом материей. Живой организм является открытой системой; живые организмы потребляют материю и энергию из окружающей среды и возвращают их обратно в преобразованном виде.
Поскольку живые существа являются открытыми системами, через которые постоянно протекает поток материи и энергии, они способны создавать и поддерживать порядок. Заберите у них источник энергии или потребную им материю - и они умрут, разложатся, превратятся в хаос.
То же можно сказать о человеческих сообществах и их технологиях. Любое общество является открытой системой, жизнь которой зависит от притока энергии и материи, необходимых для создания временных островков порядка. Отнимите у общества энергоресурсы, и тогда "прогресс общества" (успехи технологий, позволяющих выращивать сложные общественные структуры) очень быстро дегенерирует в хаос.
Живые системы способны увеличивать уровень своего порядка и сложности за счёт потребления более высокого энергетического потока. Но этот процесс неизбежно увеличивает энтропию во внешней системе - в среде обитания.
Благодаря химическому порядку и сложной структуре материя способна хранить запасы энергии. Накопленную в материи энергию можно использовать с помощью химических процессов (например, сгорания) или, в случае живых существ - пищеварения. Виды материи, хранящие в себе запасы энергии, называют топливами. Закон энтропии справедлив в равной мере в отношении любых топлив. При рассеянии энергии наступает тепловая смерть. Когда материя теряет присущую ей структуру, разлагается, говорят о материальном хаосе. В обоих случаях результатом является снижение уровней порядка, называемое в просторечье смертью.
Практически вся энергия, доступная для поддержания порядка в биосфере Земли, поступала и поступает от Солнца. Полный приток солнечной энергии на нашу планету более чем в десять тысяч раз превышает всю энергию, которое человечество извлекает, используя ветер, энергию воды, атома и сжигая углеводороды. Казалось бы, такой избыточный приток энергии может позволить человечеству беззаботно смотреть в будущее. Однако нам доступна далеко не вся солнечная энергия. Значительная её часть (примерно 30%) отражается от туч и льда в пространство, а остальная энергия уже выполняет очень важную для планеты работу - создаёт погоду, нагревая атмосферу и океаны, и даёт жизнь всем живым существам биосферы.
Многие организмы - зелёные растения, микроорганизмы и фитопланктон - способны напрямую утилизировать солнечную энергию, используя её для превращения неорганической материи в глюкозу и кислород. Биологи называют такие организмы производителями или самопитающимися (аутотрофами). Растения абсорбируют только половину падающей на них солнечной энергии. Из этой половины они могут преобразовать только от 1 до 5 процентов в химическую энергию. Но даже при этом, чрезвычайно низком, уровне эффективности, фотосинтезирующие организмы каждый год запасают больше чем удвоенное количество энергии, необходимой человечеству.
Биологи относят любые организмы-непроизводители к потребителям; их называют гетеротрофами ("питающиеся другими"). Переваривая глюкозу и прочие органические соединения, накопленные аутотрофами, потребители абсорбируют их энергию. В процессе они производят отходы - материалы низшего порядка, и экскретируют их в окружающую среду. Другими словами, потребители питаются порядком и извергают хаос. Все животные - потребители. Существует иерархия потребителей: травоядные питаются растениями, хищники едят других потребителей, далее идут хищники более высокого порядка и т.д.
Сложные системы, состоящие из множества организмов, также потребляют и перерабатывают энергию. Изучением того, как это происходит, занимается экология. Экологи изучили огромный объём фактов, касающихся углеродных, азотных, фосфорных, серных и водных циклов в природе. Для нас существенными являются энергетические циклы. С каждым переходом энергии от нижнего уровня жизни к высшему, определённое количество энергии теряется за счёт рассеивания. Гусеница съедает лист, голубь съедает гусеницу, коршун съедает голубя - и каждый раз только 5 - 20% доступной энергии переходит на следующий уровень. Если зелёные растения на заданной площади поглощают, к примеру, 10000 единиц солнечной энергии, то травоядным достанется всего 1000 единиц, даже если им удастся сожрать все растения; первичным хищникам достанется лишь 100 единиц энергии, вторичным - 10, а последнему в этой цепи - всего одна единица. Чем больше превращений энергии в системе, тем выше кумулятивные потери энергии. В каждой экосистеме подавляющая часть энергии сконцентрирована в производителях, они же содержат и подавляющий объём биомассы. Поток энергии в биосфере представлен пирамидой, на вершине которой находится главный хищник - человек.
Энергия, доступная биосистеме, является одним из главных факторов, определяющих, какова "подъёмная способность" системы, то-есть - какое максимальное число популяций может вынести система. "Подъёмная способность" - это максимум того, что может выдержать среда обитания системы без того, чтобы выродиться в хаос. Энергия не является единственным фактором для определения "подъемной способности". Немецкий учёный Justus von Liebeg сформулировал в своё время принцип (закон Либега), гласящий: в среде обитания предел для числа организмов данного вида определяется наиболее дефицитным из необходимых виду ресурсов, в расчёте на потребности одного организма. Для растения такими факторами могут быть тепло, солнечный свет, вода, разные химические элементы. Для организмов-потребителей дефицитным фактором часто является энергия-питание.
Биологические системы поддерживают равновесное состояние энергии с помощью обратной связи: если число львов превышает количество антилоп, львы начинают вымирать; когда хищников становится совсем мало, поголовье антилоп резко возрастает, в результате растёт и число львов. Чем совершеннее экосистема, тем эффективнее используется энергия её организмами. Отходы одного из видов становятся пищей для другого. Чтобы не тратить зря запасы энергии, виды избегают участвовать в прямой конкуренции за одну и ту же пищу. Среда обитания распадается на ниши, потребители используют миграции, специализируются (например, одни охотятся днём, другие ночью). Территориальные хищники стараются избегать межвидовых конфронтаций и по возможности воздерживаются от кровавых разборок, экономя энергию. В результате, зрелая экосистема выглядит гораздо более кооперативной и гармоничной, чем молодая, в которой колебания организмов различных видов могут быть весьма велики. В зрелых системах многие организмы сотрудничают с другими видами, и каждая из форм жизни зависит от существования других. В очень зрелых экосистемах размеры популяций регулируются также с помощью механизмов, позволяющих менять соотношение мужских и женских особей, либо, в случае сильного давления на популяцию, вообще производить особей, не приспособленных к размножению.
Весь этот баланс может быть внезапно нарушен в случае появления новых видов организмов - экзотических пришельцев, чуждых данной экологической среде, называемых колонизаторами.
Социальные науки - история, экономика, политические науки - в некотором смысле являются подразделами экологии. И мы, и наши общества, в энергетическом смысле, - организмы, способные либо жить в состояние баланса с окружающей средой, как члены зрелой экосистемы, либо подвергнуть опасности хаоса саму экосистему. В начале истории мы развились как охотники и собиратели растений. Наши предки вписались в сложную экосистему задолго до того, как научились приспосабливать среду к своим нуждам - они были частью гомеостатического баланса между теми, кто их поедал, и теми, на кого они охотились.
Благодаря уму, человек оказался способен действовать в качестве колонизующего вида, доминирующего любую экосистему, в какую бы он ни прорвался. Мы начали распространяться по планете (из Африки) за много тысячелетий до того, как первые европейцы намеренно отправились для колонизации других земель.
Как и другие организмы, люди постоянно ищут путей для использования максимума солнечной энергии. У нас есть свои недостатки, но есть и существенные преимущества: быстрая приспособляемость, кисти рук, способные к разнообразным сложным действиям, способность к коммуникациям, к абстрагированию, к передаче понятий с помощью речи. Мы не замедлили изобретательно и с успехом использовать свои преимущества для добывания энергетических субсидий, воплотив в практику пять главных стратегий покорения внешней среды. Вот они:* захват
* использование орудий
* специализация
* крупномасштабность и
* истощение ресурсов
Захват - это умение забирать в единоличное пользование человека часть жизненных запасов, необходимых для поддержания жизни других видов в экосистеме. Наши предки с помощью каменных орудий и огня сумели захватить для своего использования материалы, которые в противном случае были бы съедены насекомыми (мёд) или хищниками (дичь). Лет 10000 назад наши предки, занявшись земледелием, начали захватывать участки земли, которыми могли бы пользоваться многие виды растений, кустов, диких трав и, следовательно, животные, жизнь которых зависела от этих растений. После захвата эти земли стали служить источником энергии для человека - энергии для небольшого числа особей колонизаторского типа. Человек приспособился вести свои захваты, используя огонь - быстрое высвобождение накопленной химической энергии. Поколение за поколением, homo sapiens расползался по поверхности планеты, грабя энергию у других видов. В конце концов человечество пришло к восхитительной идее выигрыша энергии за счёт использования энергии других людей - захваченных в войне рабов.
Использование орудий. Мы научились захватывать новые экосистемы с помощью постоянно усложняющихся систем орудий. Под орудиями понимаются любые предметы, искусственно изготовленные человеком, которые позволяют ему изменять энергетический баланс в свою пользу. Эволюцию технологий можно проследить по этапам развития этих орудий:
A. Орудия, которые требуют только человеческой энергии и для их производства, и для использования. Примеры: наконечники стрел и копий, плетёные корзины, одежды, сшитые из звериных шкур. Все эти орудия встречаются в раскопках первобытных стоянок.
B. Орудия, требующие для изготовления внешнего источника энергии, но для пользования которыми достаточно энергии человека. Сюда относятся первобытные металлические орудия, ножи, монеты, шлемы и латы. Эти орудия находят уже в ранних цивилизациях Месопотамии, Китая, Египта.
С. Орудия, требующие только человеческой энергии для их производства, но использующие внешние источники энергии. Это деревянный плуг, который тащит бык, паруса, ветряная мельница, водяная мельница, палочки для добывания огня.
D. Орудия, требующие внешней энергии и для их изготовления, и для использования. Стальной плуг, мушкет, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, турбина самолёта, ядерный реактор, фотоэлектрическая панель, лаптоп. Технологии - не просто основа современных индустриальных обществ, они являются определяющими характеристиками социального развития общественных систем.
Специализация. Эта стратегия тесно связана с необходимостью использования орудий. Сочетание человек-орудие можно рассматривать как организм, отличающийся от невооружённого человека. Люди, владеющие разнообразными комплектами орудий и умеющие обращаться с ними, по сути дела, представляют отличные один от другого виды организмов. По мере расслоения общества на группы людей разных специализаций, комплексы используемых ими орудий усложняются, при этом оказывается, что для их производства необходимы отдельные технологически-экономические экосистемы, требующие отдельного места внутри внешней экосистемы. Изготовление орудий, по мере их усложнения, требует всё большего расхода энергии. Специализация позволяет сократить непроизводительное её расходование. Некоторые люди становятся членами военного сословия, специализируясь на захвате человеческого энергоносителя - рабов, другие превращаются в крестьян, специализирующихся на добыче солнечной энергии с помощью выращивания злаков, и так далее. В сравнении с энергией огня, человеческая энергия оказывается гораздо более эффективной - она способна управлять разумным накоплением энергетических субсидий.
Крупномасштабность. Вспомним о законе Либега: для любого вида организмов подъёмная способность района обитания определяется наиболее дефицитным ресурсом. Орудия позволили человеку обойти ограничения, поставленные естественной средой и дали возможность селиться в прежде недоступных климатических условиях (за арктическим кругом); ирригация позволила производить избыток пищи в районах, где прежде могли выжить очень малые группы людей. Тем не менее, в любом отдельном районе обитания, всегда существуют свои дефициты, ограничивающие освоение их человеком. Оказывается, что эти факторы можно преодолеть, транспортируя дефицитные ресурсы из одного региона в другой. Торговля возникла как способ обойти закон Либега о фатальности дефицита. Благодаря орудиям транспорта и организации коммерции, недостаток жизненно необходимого ресурса в одном регионе покрывается за счёт избытков ресурса в других местах. Увеличение масштаба региона с помощью коммерции позволяет справляться со страшными последствиями региональных катастроф - засухами, землетрясениями, наводнениями и проч. Недостатками крупномасштабности является зависимость огромных регионов планеты от бесперебойного функционирования транспорта и торговли - в случае, если эти связи почему-то вдруг окажутся под угрозой, население рискует оказаться перед угрозой энергетической смерти. Cделаем для себя здесь пометку: термин "глобализация"...
Истощение ресурсов. Последняя и конечная стратегия человечества - интенсивная разработка невосстановимых энергетических ресурсов вплоть до их истощения. Человечество ведёт безоглядную добычу угля, нефти, газа, урана так, как будто нет никакого завтра. Эта стратегия становится осуществимой, когда изобретённые в обществе орудия типа D позволяют совершить количественный скачок в ненасытной гонке человечества за увеличением потока потребляемой энергии. Благодаря истощению ресурсов обществу удалось добиться:* интенсификации сельского хозяйства - удобрения, пестициды и гербициды позволили резко увеличить сбор урожаев с единицы площади. Да и площади, на которых ведётся выращивание энергии-пищи, также увеличились благодаря замене тягового скота тракторами.
* изобретения и утилизации совершенно новых наборов орудий, требующих более интенсивного расхода энергии.
* углубления специализации, с появлением совершенно новых социальных ролей и занятий.
* головоломного ускорения средств транспорта и взрывного увеличения торговли.
Истощение ресурсов пока что показало себя самой успешной из всех стратегий, оно позволило увеличить "подъёмную способность" экосистемы, результатом чего стал взрывной рост населения планеты. Человеческая масса не достигла одного миллиарда до 1820 года; после этого меньше, чем за два столетия, эта цифра выросла в шесть с половиной раз. Такой темп роста является беспрецедентным в человеческой истории.
Эксплуатация энергосодержащих минералов создала "подъёмную способность" настолько большую и так быстро, что ей удалось превратить существенную долю добытого изобилия в огромные богатства и небывалый прежде уровень жизни для малой, но значительной части населения Земли. В прежние времена паразитический рост уровня жизни узкого класса властителей (королей, знати, землевладельцев) почти всегда достигался за счёт выкачивания энергии из подданных и сопровождался снижением их уровня жизни. В новые времена освобождённая энергия ископаемых энергоносителей сделала возможным повышение уровня жизни для больших групп населения мира (в разной мере для разных групп). Большинству людей перепало очень немного от извлечённых из земли богатств: преуспевшие потребители энергии продолжают эксплуатировать их дешёвый труд с помощью стратегий захвата и специализации; и всё-таки почти каждый человек на планете замер в ожидании того, что вот-вот и на него прольются дары рога изобилия, подпитываемого за счёт истощения ресурсов планеты, и что в конце концов всем будет хорошо. Ожидания близких перемен к лучшей жизни значительно ослабили социальные трения, которые с начала истории преследовали революциями все сложно-организованные общества.
Американцы более других народов привыкли считать нормой жизненный стандарт, добываемый за счёт интенсивного энергопотребления. В английском языке есть выражение "reality check". Попробуйте взбежать по лестнице на три этажа вверх за 20 секунд. Если вы весите 150 фунтов, а 3 этажа составляют 40 футов, за двадцать секунд вы совершите работу в 6000 ft-lb. Значит, вы расходовали энергию в размере 300 ft-lb/sec. Одна лошадиная сила - это 550 ft-lb/sec. То-есть вы генерировали немногим более половины лошадиной силы. Никакому человеку не под силу генерировать такую мощность в течение целого дня. Средняя мощность человека, доступная для долговременного усилия, не превышает одной двадцатой лошадиной силы. Сколько лошадок в моторе твоего джипа, my fellow American?... Поэтому приходится говорить об “энергетических субсидиях”.
Как там дела с субсидиями?
Продолжение следует.