Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Блажен человек, который снискал
мудрость, и человек, который приобрел разум
Библия (Книга притчей Соломоновых, гл. 3, cm. 13,14)
Унификация информационных технологий
Удовлетворение все возрастающих потребностей общества при неуклонном росте народонаселения земного шара требует резкого повышения эффективности всех сфер деятельности человека, непременным условием которого выступает адекватное повышение эффективности информационного обеспечения. Под информационным обеспечением понимается представление необходимой информации с соблюдением требований своевременности и актуальности выдаваемой информации. Представление необходимой информации – одна из важнейших составляющих информационного общества.
Концепция информатизации включает прежде всего создание унифицированной в широком спектре приложений и полностью структурированной информационной технологии, охватывающей процессы сбора, накопления, хранения, поиска, переработки и выдачи всей информации, необходимой для информационного обеспечения деятельности.
Чтобы информационная технология была унифицированной в широком спектре приложений, в неменьшей степени должны быть унифицированы: представление об информации, т. е. ее классификация и описание параметров основных видов, выделенных в классификационной структуре; структура и общее содержание информационного потока, т. е. процессов генерирования, фиксации и циркуляции информации в целях информационного обеспечения деятельности; перечень и содержание процедур обработки информации во все время и на всех этапах информационного обеспечения деятельности; перечень и содержание методов решения задач обработки информации.
Перечисленные проблемы (особенно последние две) оказались достаточно сложными, однако к настоящему времени не только доказана принципиальная возможность их решения, но и получены конкретные решения, представляющиеся достаточно эффективными: обоснована системная классификация информации; построена унифицированная структура информационного потока; доказана возможность разделения всех процедур обработки информации на три унифицированных класса задач – информационно-поисковые, логико-аналитические и поисково-оптимизационные– и осуществлена детализация задач в пределах каждого класса; произведена систематизация методов решения задач каждого класса. А это означает, что уже создана практически полная совокупность предпосылок, необходимых для построения унифицированной информационной технологии и полной ее структуризации.
Возможности унификации информационных технологий открывают широкие перспективы развития как самих технологий, так и информатики в целом. На основе естественно-научных предпосылок уже в настоящее время может быть создана и реализована информационная технология, унифицированная в такой степени, что, с одной стороны она может использоваться в различных сферах деятельности без дополнительной трансформации и адаптации, а с другой – она может быть стабильной, не нуждаться в принципиальном совершенствовании достаточно продолжительное время.
Названные обстоятельства создают весьма благоприятные предпосылки для поэтапного, эволюционного и целенаправленного, т. е. по единому перспективному плану, развития и совершенствования способов реализации, распространения и использования информационных технологий. Последовательное решение совокупности решаемых задач означает не что иное, как эволюционный переход от ЭВТ в универсальном исполнении к технике информационных технологий.
При любом подходе к постановке целей и задач информационных технологий вычислительные средства в разнообразных формах, начиная от мини-ЭВМ, персональных компьютеров и кончая суперЭВМ и сложнейшими вычислительными системами и комплексами, играют первостепенную, основную роль в информационном обеспечении и развитии общества.
Управление сложнейшими автоматизированными процессами, быстрая переработка колоссальных объемов научно-технической информации стали уделом не сотен и тысяч, а миллиардов людей, практически в той или иной степени – каждого из нас. Информация – постоянный спутник человека. Это те сведения, которые помогают нам не только ориентироваться в окружающей среде, но и активно воздействовать на нее, выбирая при этом наиболее рациональные и оптимальные способы.
История развития вычислительных средств
Для облегчения физического труда еще с древних времен изобретались разнообразные приспособления, механизмы и машины, усиливающие механические возможности человека. Но лишь немногие механизмы помогали человеку выполнять работу, похожую в каком-то смысле на умственную, хотя потребность в такой работе возникла очень давно. В течение долгого времени вначале использовались примитивные средства счета: счетные палочки, камешки и т. д. На заре цивилизации для облегчения вычислений стали применять счеты. Если раньше подавляющее большинство людей занималось физическим трудом, то в последнее время значительная часть работающих, особенно в развитых странах, занимается умственной деятельностью. Совершенно ясно, что без машин, способных резко усилить умственные возможности человека, теперь просто не обойтись.
Первые машины, выполнявшие арифметические действия, появились в XVII столетии: в 1642 г, Паскаль изобрел устройство, выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Лейбниц сконструировать арифмометр, позволяющий выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое распространение. С их помощью производились даже сложные расчеты, например расчеты баллистических таблиц артиллерийского назначения. Существовала и специальная профессия – счетчик – человек, работающий с арифмометром, быстро и точно выполняющий определенную последовательность инструкций, впоследствии названную программой. Но все же многие расчеты производились довольно медленно, для осуществления некоторых из них даже десятки счетчиков тратили по нескольку недель, а иногда и месяцев. Причина такой медлительности проста – выбор выполняемых действий и запись результатов производились счетчиком, а скорость его действий весьма ограниченна.
В первой половине XIX в. была сделана попытка построить универсальное вычислительное устройство – аналитическую машину, которая смогла бы выполнять вычисления самостоятельно, без участия человека. Для этого она должна была исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий), и иметь хранилище для накопления данных и промежуточных результатов (в современной терминологии – запоминающее устройство, память либо накопитель информации). Технические средства того времени не позволили реализовать идею создания аналитической машины: она оказалась слишком сложной для технического воплощения. Только спустя почти столетие, в 1943 г. с применением электромеханического реле – новинки XX в., была создана аналитическая машина.
Потребность в автоматизации вычислений различного назначения, в том числе и для военных нужд, стала настолько велика, что над созданием новых аналитических машин работало несколько групп исследователей и разработчиков. Подобную аналитическую машину начали конструировать уже на базе электронных ламп, а не реле. Такая машина работала в тысячу раз быстрее, чем ее предшественница. В дальнейшем приступили к разработке новой машины, способной хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к этой работе подключился известный математик Нейман, который вскоре сделал получившее широкую известность сообщение об общих принципах функционирования универсальных вычислительных машин, получивших позднее название компьютеров.
Первый компьютер, в котором воплощены принципы Неймана, был создан в 1949г. С того времени компьютеры стали гораздо совершеннее, но большинство из них построено на принципах Неймана.
В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения для них – одна из важных сфер экономики многих стран. Чтобы более глубоко осознать причины такого стремительного роста компьютеров, вернемся к основным принципам их устройства и работы.
Согласно принципам Неймана, для универсальности и эффективности работы компьютер должен содержать следующие устройства: арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных; внешние устройства для ввода-вывода информации.
В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
Компьютер обрабатывает информацию только в цифровой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в цифровую форму.
Современная вычислительная техника, в том числе и персональные компьютеры, – это продукт поступательного развития естествознания на протяжении длительного времени, результат кропотливой работы естествоиспытателей многих поколений и прежде всего ученых и специалистов разных и в то же время смежных отраслей естественных наук: в первую очередь механики, на всех этапах развития весьма важной математики, с все возрастающей ролью физики, сравнительно молодой микроэлектроники, зарождающейся наноэлектроники и др. Совершенно очевидно, что крупные достижения прежде всего в физике во второй половине XX в. послужили базой для стремительного развития средств вычислительной техники. Поэтому неслучайно в развитии средств вычислительной техники выделяют четыре поколения, непосредственно связанных с открытиями в прикладной физике.
ЭВМ первого поколения (40-е –начало 50-х годов) базировались на электронных лампах. С появлением дискретных полупроводниковых приборов связывают второе поколение ЭВМ (середина 50-х– 60-е годы). В 60-е годы создано третье поколение ЭВМ, основанное на интегральных микросхемах. Середина 60-х годов считается началом разработки ЭВМ четвертого поколения, элементная база которых включает большие интегральные схемы. В последнее время проводятся интенсивные работы по освоению не только модернизированной элементной базы ЭВМ, но и принципиально новых средств накопления, хранения и обработки информации для создания более совершенных ЭВМ следующих поколений.
ЭВМ 40-х и 50-х годов представляли собой крупногабаритные устройства, занимавшие огромные помещения. На их создание тратились колоссальные деньги, и поэтому они были доступны только лишь крупным учреждениям и компаниям. Благодаря применению передовых технологий, основанных на развитии естествознания в целом, современные ЭВМ стали гораздо компактнее и существенно дешевле (стоимость современных персональных компьютеров колеблется от нескольких сотен до 10 тыс. долл.). По сравнению с большими ЭВМ и мини-ЭВМ персональные компьютеры выгодны для многих деловых применений. Без преувеличения можно сказать, что персональный компьютер стал важным инструментом в условиях рыночной экономики.
Стремительный рост индустрии персональных компьютеров объясняется и другими не менее важными особенностями, присущими персональным компьютерам: простота пользования, обеспеченная диалоговым взаимодействием пользователя с компьютером; удобные и понятные программы, включающие меню, подсказки, «помощь» и т. п.; возможность индивидуального взаимодействия с компьютером без посредника; относительно большие возможности по переработке информации; емкость жестких дисков – несколько сотен и более Мбайт); высокая надежность; простота ремонта, основанная на интеграции компонентов компьютера; возможность адаптации к особенностям применения компьютера: один и тот же компьютер может быть оснащен различными периферийными устройствами и разным программным обеспечением; наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения.
Применение вычислительных средств
Возможность сочетания ЭВМ с уже существующими и вновь создаваемыми машинами и системами машин освобождает человека от физического труда, связанного с тяжелыми, а иногда вредными и опасными условиями, а также с монотонными, однообразными, утомительными и нетворческими действиями.
Рассмотрим некоторые характерные примеры применения современных вычислительных средств. Самое широкое распространение получили микропроцессорные системы для станков с программным управлением. В качестве внешних устройств выступают двигатели, перемещающие инструменты (резцы, сверла и т.п.) и обрабатываемые детали. Каждый двигатель имеет свой набор элементарных действий: «опустить резец», «переместить резец вправо на 1 см» и т. п. Для изготовления любой детали составляется алгоритм из элементарных действий. Затем этот алгоритм переводится на язык команд процессора, который, выполняя программу, дает внешним устройствам указания на выполнение действий, необходимых для изготовления детали.
Более сложными микропроцессорными системами являются промышленные роботы. Они снабжены простейшими «органами чувств», способными своевременно реагировать на изменение ситуации.
Применение роботов позволяет полностью автоматизировать работу производственных участков, цехов и целых заводов. Однако всегда останутся области деятельности, где ЭВМ не может полностью заменить человека. Это прежде всего области, связанные с неформальным творческим подходом к делу. Но ЭВМ может облегчить творческий труд. Для этого создаются автоматизированные рабочие места (АРМ). АРМ – это комплекс высокопроизводительных устройств, присоединенных к ЭВМ, заменяющий привычные малопроизводительные орудия труда (справочники, пишущие машинки, телефоны и т. п.). Разумеется, АРМ архитектора не подходит директору завода – состав АРМ определяется его назначением. Например, АРМ конструктора состоит из дисплея, на котором можно изображать чертежи, графопостроителя для выдачи чертежей на бумагу, принтера и других внешних устройств. АРМ, конечно, не может выполнять свои функции без соответствующего программного обеспечения. Для конструкторов – это различные системы автоматизированного проектирования (САПР). Такие системы подсказывают конструктору, какие материалы он может использовать, помогают оформить документацию, считывают элемент конструкции и создают чертежи по эскизу.
Программное обеспечение АРМ директора предприятия содержит автоматизированную систему управления (АСУ). АСУ быстро выдает на экран дисплея или на бумагу оперативную сводку о положении дел на предприятии (наличие ресурсов, ход выполнения плана, сведения о работниках предприятия и т. п.), помогает в выборе смежников, а также экономической стратегии и тактики.
Создаются АСУ, предназначенные для обеспечения оптимального взаимодействия уже не отдельных станков и автоматических линий, а цехов, производственных объединений в масштабах целой отрасли. Они возьмут на себя сбор, обработку, хранение и предоставление информации, необходимой для обоснованного принятия решений в хозяйственной, общественно-политической, научной и других сферах деятельности.
Область применения ЭВМ расширяется в результате не только увеличения числа механизмов, машин и других устройств, к которым подсоединяется ЭВМ, но и роста ее «интеллектуальных» способностей. Так, информационно-поисковые системы и базы данных перерастают в базы знаний. В базах знаний будут храниться не только данные, но и правила вывода новых утверждений из уже имеющихся. А это означает, что база данных способна порождать новые знания.
Сочетание ЭВМ с бытовой техникой может существенно облегчить домашний повседневный труд. Применение ЭВМ делает человека свободным, предоставляя ему широкие возможности для творческого труда.
Общие сведения
Появление наскальных рисунков и надписей свидетельствует о стремлении человека еще в древние времена сохранить свои наблюдения, передать их потомкам. Позднее стали писать на глиняных пластинах, свитках папируса, а примерно полтора тысячелетия назад появился и поныне самый распространенный носитель информации – бумага. Но вот наступил век электроники и принес в повседневную жизнь еще одну новинку – ЭВМ – своеобразный кладезь премудрости человека. Бумага, верой и правдой служившая человеку 15 веков, начинает постепенно сдавать некоторые позиции своей абсолютной монополии. Приближается эра безбумажной цивилизации, и важнейшее место в ней отводится электронной вычислительной технике, в первую очередь получившим широкое распространение персональным компьютерам.
Персональные компьютеры, объединенные в локальные сети, позволяют десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты дают возможность пользователям компьютеров с помощью телефонной сети посылать сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Такая оперативная компьютерная связь вместе с системой «Интернет» интенсивно развивается и охватывает одновременно колоссальное число пользователей.
Однако по объему накопленной информации и скорости ее обработки возможности персональных компьютеров все же ограничены. На персональном компьютере можно хранить более десятка Гбайт информации и получать к ним доступ за сотые доли секунды.
Самый маленький в мире жесткий диск компьютерной памяти производит американская фирма IBM. По размерам он примерно совпадает с отечественной пятирублевой монетой, объем памяти – 340 Мбайт. Всего несколько лет назад такой объем считался достаточным для приличного персонального компьютера. Данные диски подходят для карманных компьютеров и цифровых фотоаппаратов. На винчестер-малютку можно записать насколько сотен цветных фотографий, а затем распечатать на принтере или перевести в память большего компьютера.
Но во многих отраслях знаний и экономики требуется обрабатывать еще большие объемы информации и с еще большей скоростью. К таким отраслям относятся банковское дело, системы резервирования и реализации авиа- и железнодорожных билетов, служба метеопрогнозирования и т. п. На персональном компьютере можно легко создать базу данных индивидуального пользования с названиями и краткой характеристикой периодических изданий в какой-либо предметной области. Но для создания базы данных, в которой хранились бы рефераты статей и тем более их тексты и к которым одновременно могли бы обращаться сотни пользователей, потребуются уже большие ЭВМ.
Довольно часто при обработке больших объемов информации наиболее целесообразно одновременное, совместное использование компьютеров разной мощности для решения задач, соответствующих их уровню. Например, в крупном банке обработка информации о клиентах и расчетах скорее всего потребует большой ЭВМ, а ввод данных и анализ результатов можно осуществить и на персональных компьютерах.
При решении многих задач расчетного характера оказывается недостаточной вычислительная мощность персональных компьютеров. Например, расчет механической прочности конструкции из нескольких сотен элементов можно произвести и на персональном компьютере, но для расчета прочности конструкции, состоящей из сотен тысяч деталей, потребуется уже большая ЭВМ или даже суперЭВМ.
Можно привести еще один наглядный пример – компьютерное производство видеофильмов. Персональный компьютер вполне подходит для имитации сравнительно простых движений. Для создания специальных видеоэффектов и фильмов требуется громадное число вычислительных операций, что не под силу персональному компьютеру. Поэтому профессиональные студии, занимающиеся производством фильмов, видеорекламы и т. п., пользуются специализированными компьютерами, выполняющими те операции, которые больше всего подходят для имитации пространственных движений.
Как уже упоминалось выше, любая ЭВМ, в том числе и персональный компьютер, содержит запоминающее устройство или память. Память – это то, что наделяет ЭВМ интеллектуальными признаками и что существенно отличает ее от других машин и механизмов. Параметрами памяти характеризуются мощность ЭВМ и ее потенциальные возможности.
Память человека и память ЭВМ
Память – несомненно, один из важнейших атрибутов человеческой сущности, делающих человека человеком. Развитый, утонченный и вместе с тем изощренный аппарат памяти, пожалуй, это основное, что выделяет человека среди других представителей живого мира. Не только запоминание окружающего (это неосознанно делают и животные), но и воспоминание, логическое осмысление, многократное обращение сознания к хранилищу памяти и извлечение из него всего того, что нужно в данный момент, – на это способен лишь человек, наделенный разумом.
Процесс «заполнения» памяти ранними детскими представлениями об окружающем мире, знаниями, полученными в школе и в вузе, тем жизненным опытом, который воплощен в образах, событиях, фактах, характеризует в основном становление личности. Содержание памяти в значительно большей степени, чем внешность, определяет неповторимую индивидуальность человеческого «Я».
Совокупная память всех людей, коллективная память человека, материализованная в многочисленных книгах, картинах, нотах, фотографиях, чертежах, кинофильмах, архивных документах и во многом-многом другом, вне всякого сомнения образует один из основных краеугольных камней фундамента человеческой цивилизации.
За последние десятилетия разнообразные технические средства накопления и хранения информации пополнились еще одним – наиболее универсальным и гибким – памятью ЭВМ, которой во все большей степени отводится постоянно возрастающая роль в совершенствовании ЭВМ, и, следовательно, в развитии экономики и общества в целом.
Никогда ранее человечество не накапливало знания столь стремительными темпами. Удвоение объема знаний и увеличение потока информации в десятки раз ожидается уже в ближайшем будущем.
Сегодня ЭВМ стала главным инструментом, с помощью которого осуществляется управление информационными потоками. Так в общих чертах выглядит современная картина. О памяти ЭВМ известно гораздо больше, чем о памяти человека, его сознательной и бессознательной деятельности. Надпись «Познай самого себя», начертанная у входа в дельфийский храм Аполлона, актуальна и по сей день. Память человека обладает индивидуальными, многогранными, удивительными и большей частью не объясненными пока свойствами. Цицерон считал, что «для ясности памяти важнее всего распорядок; поэтому тем, кто развивает свои способности в этом направлении, следует держать в уме картину каких-нибудь мест и по эти местам располагать воображаемые образы запоминаемых предметов». Примерно по такому принципу построена и оперативная память ЭВМ. Из приведенных образных сравнений понятно, что память ЭВМ по многим параметрам отстает от мозга человека. И мы непременно «должны учиться у природы и следовать ее законам», как утверждал Н. Бор.
И творческая, и подсознательная деятельность, и другие ее виды часто объединяемые одним словом «чувство», применительно к памяти ЭВМ можно отнести к искусственному интеллекту, находящемуся в настоящее время на начальной стадии развития.
Высокая плотность записи, большая емкость памяти, высокое быстродействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информации, возможность оперативного доступа к данным, сочетание адресного и ассоциативного поиска, объединение последовательного и параллельного принципов ввода-вывода информации, отсутствие механически перемещающихся узлов, высокая долговечность и надежность хранения – вот те основные качества, которыми хотелось бы наделить разрабатываемые долговременные запоминающие устройства.
Технологические возможности реализации высокой информационной плотности
Большинство моделей ЭВМ, от мини-ЭВМ до сложных вычислительных комплексов и систем, содержат внешние запоминающие устройства, которые базируются в основном на магнитной записи. Прогнозы специалистов показывают, что на ближайшую историческую перспективу устройства магнитной записи останутся доминирующими на мировом рынке информационной техники.
Себестоимость внешних запоминающих устройств по сравнению с себестоимостью других устройств современных ЭВМ, относительно велика. Поэтому их совершенствование направлено, с одной стороны, на снижение себестоимости, а с другой – на повышение качества записи и воспроизведения информации.
С развитием средств вычислительной техники растет и будет расти спрос на запоминающие устройства небольших размеров, способные хранить большой объем информации. В этой связи проблема повышения информационной плотности записи – одна из важнейших в современных запоминающих устройствах большой емкости.
В запоминающих устройствах на подвижном магнитном носителе, где основное – это накопление информации, фактором первостепенной важности является поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя записи. Поверхностная информационная плотность записи зависит от плотности записи вдоль одной дорожки (продольной плотности) и числа самих дорожек на единицу длины в поперечном относительно движения носителя направлении (поперечной плотности). Теоретически доказано, что продольная плотность записи информации на магнитном носителе может быть равной примерно 20000 бит/мм.
Если в настоящее время в лучших накопителях на магнитных дисках реализована продольная плотность около 5000 бит/мм, то становится понятным, какие возможности еще не реализованы.
Магнитная запись с перпендикулярным намагничиванием, когда перемагничивание рабочего слоя осуществляется в его перпендикулярной плоскости, обеспечивает существенное повышение информационной плотности записи. Так, в лабораторных образцах накопителей уже достигнута продольная плотность, составляющая более 10 000 бит/мм.
Оценим плотность записи, которую можно реализовать, используя элементную базу, необходимую для магнитной записи. Современной технологии вполне под силу изготовление магнитных элементов шириной около 1 мкм. Толщина такого работоспособного элемента может быть гораздо меньше 0,1 мкм (известны магнитные преобразователи с магнитным элементом толщиной менее 0,1 мкм, позволяющие получить продольную плотность записи более 10000 бит/мм). Следовательно, площадь поперечного сечения магнитного элемента, который может быть рабочим элементом основного полюса магнитной головки для записи составляет 0,1 мкм2. Минимальный диаметр светового пятна в оптических запоминающих устройствах равен примерно 1 мкм, что соответствует площади, приблизительно равной 1 мкм2. Теперь становится понятным, что реальная элементная база при магнитной записи позволяет реализовать информационную плотность на порядок выше предельно возможной плотности в оптических накопителях.
Современная технология позволяет изготавливать тонкопленочный элемент, ширина либо длина которого составляет примерно 1 мкм, что более чем на порядок меньше размера элемента серийно изготавливаемых магниторезистивных преобразователей. Существенное уменьшение толщины магниторезистивного элемента даже с использованием самых перспективных технологических приемов сопряжено с нарушением однородности по толщине, что влечет за собой изменение и электрических, и магнитных свойств. Технология сегодняшнего дня позволяет изготавливать магниторезистивный элемент, минимальное поперечное сечение которого составляет 0,030 мкм2, что в принципе дает возможность воспроизвести информацию, записанную с поверхностной плотностью около 33 бит/мкм2. Такая плотность приблизительно на порядок меньше соответствующей предельной плотности, к которой допускает приблизиться реальный магнитный носитель – с кобальт-хромовым рабочим слоем (напомним: она составляет 400 бит/мкм2). Если принять во внимание технологические возможности ближайшего будущего, когда линейный размер элемента уменьшится примерно на порядок, то магниторезистивный преобразователь с таким элементом позволит воспроизвести информацию, записанную с поверхностной плотностью, приближающейся к 400 бит/мкм2.
Это означает, что в обозримом будущем магниторезистивный преобразователь, опираясь на перспективную технологию, должен догнать магнитный носитель, и тогда их предельные характеристики плотности сравняются. При этом следует помнить, что предельные возможности и реальные устройства – это не одно и то же. В то же время без реальных возможностей не бывает и реальных устройств. Другое дело, что между ними, как правило, лежит непроторенный путь, который при недостаточно объективной оценке каких бы то ни было возможностей может оказаться безысходным. В данном случае правильный путь может выбрать практик-разработчик, каждое действие которого обосновано научным пониманием решаемой им проблемы,
Проблемы воспроизведения живого образа
Коснемся также важной области применения магнитной записи в различных аппаратах записи и воспроизведения звука и изображения. С относительно недавнего времени все чаще можно встретить и в научно-технической, и в популярной литературе термины: «цифровая звукозапись», «цифровой магнитофон» и т. п. Невольно может возникнуть вопрос: какое отношение к звукозаписи либо видеоизображению имеет «цифра»? Оказывается, имеет, причем непосредственное и прямое. И цифровой способ записи роднит, казалось бы, далекие друг от друга по назначению области магнитной видео- и звукозаписи с магнитной записью, лежащей в основе хранения громадного объема информации в современных ЭВМ. Высококачественная запись и воспроизведение звука – довольно сложная и трудная техническая задача, даже если учесть относительно высокий уровень развития современных технических средств. А теперь можно себе представить, насколько сложная задача решается при записи звука и изображения и последующего их воспроизведения, что осуществляется с помощью видеокамер и видеомагнитофонов. Магнитная лента в этом случае должна запомнить не только особенности звука, но и более сложные особенности света, его цветовой гаммы, яркости, контрастности и т. п., чтобы видимое на экране изображение приблизить к реальному воспроизводимому объекту, т. е. сделать его естественным, натуральным.
Приблизиться к живому образу помогает магниторезистивное воспроизведение. Сущность магниторезистивного воспроизведения проста. Изменяющееся магнитное поле рассеяния вызывает изменение электрического сопротивления помещенного в него магниторезистивного элемента, снимаемое напряжение с которого соответствует сигналу воспроизведения.
Магниторезистивное воспроизведение используется не только в запоминающих устройствах с подвижным носителем. Применение его гораздо шире. На магниторезистивном принципе может быть основано воспроизведение информации в запоминающих устройствах большой емкости, позволяющих реализовывать логические функции и длительно хранить информацию без разрушения. Магниторезистивные элементы могут быть использованы во многих высокочувствительных устройствах и приборах.
Преимущества магниторезистивного воспроизведения проявляются в полной мере в цифровых системах записи и воспроизведения. В настоящее время многие фирмы уже предлагают потребителю высококачественные цифровые магнитофоны.
Сегодняшний массовый потребитель оценивает качество современной бытовой радиоаппаратуры не по рекламным сообщениям или популярным статьям, а по четкости телевизионного изображения, сочности красок, естественности звучания и т. п., т е. по тому, насколько близко соответствует воспроизводимая картина реальному живому образу.
Что же дает обращение к цифре? Цифровой сигнал, так же как и аналоговый, подвержен искажениям – и частотным, и нелинейным, и шумовым наслоениям. Но для цифрового сигнала они не страшны, исказить цифровой сигнал – это значит совсем убрать какой-либо импульс или ввести импульс там, где была пауза. Такие искажения можно предотвратить, а более мелкие, меняющие форму импульса или нарушающие чистоту паузы, нетрудно устранить. Для этого используется электронный блок – регенератор цифрового сигнала. Из него выходят неискаженные, отреставрированные последовательности импульсов – пауз, из которых после цифро-аналогового преобразования рождается практически неискаженный аналоговый сигнал, а значит, в конечном результате и неискаженный звук. Достаточно сказать, что в системах цифровой звукозаписи уровень шумов незначителен, т. е. они гораздо слабее основного сигнала и практически не слышны.
Таким образом, цифровая звукозапись и согласующееся с ней магниторезистивное воспроизведение – реальные средства приближения к воспроизведению тембрового богатства и соловьиного пения, и большого оркестра, а также ярких красок на весеннем лугу т. е. реальные средства для последовательного, поступательного приближения к воспроизведению живого образа того или иного объекта.
Голографическая память
Весьма важным является быстродействие памяти, обусловленное инерционностью процессов записи, поиска, считывания и в случае реверсивного носителя – стирания. Запись и считывание описываются скоростью обмена информацией, поиск и стирание – продолжительностями этих процессов.
Резкое увеличение емкости памяти требует и обязательного роста скорости обмена информацией. Иначе «электронный архив» превратится в «электронную свалку». А повышения быстродействия фактически невозможно добиться, лишь совершенствуя, улучшая дисковые накопители, – необходим какой-то иной принцип ввода (записи) и вывода (считывания) информации.
Необходима иная идейная концепция. Оказывается, такая концепция существует, она давно известна, интенсивно разрабатывается и уже привела ко многим достижениям в ряде областей техники. Речь идет о голографическом запоминающем устройстве.
Голографическое запоминающее устройство позволяет практически реализовать все те особенности, которые присущи человеческому мозгу, а также дополнить их возможностями цифровых ЭВМ. А чисто технические потенции этих устройств, разумеется, неизмеримо богаче, чем возможности мозга.
Однако прошло несколько десятилетий с начала разработки голографической памяти, а реальных конкурентоспособных устройств, которые можно было бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до сих пор нет. В чем же дело? Все тот же известный диссонанс идейных концепций и «элементной базы». Мы ставим здесь кавычки, так как в наш «технологический век» именно то, что иногда высокомерно, по старинке, называют «элементной базой», составляет физико-техническую основу, вернее, сущность новых направлений. Транзистор, интегральная схема, микропроцессор – эти «элементы», каждый в свое время, определяли «лицо» вычислительной техники и не только параметры конкретных ЭВМ, но и всю идеологию этого научно-технического направления. Появился лазер – и возникли квантовая радиофизика, топография, нелинейная оптика. Хотя, строго говоря, идейные основы этих направлений были известны намного раньше. Но только лазер дал каждому из них жизнь.
Элементная база оптических дисковых накопителей сложилась к концу 70-х годов, и конечно же, не случайно именно в начале 80-х начался «бум» в развитии и этого направления.
С голографическими запоминающими устройствами ситуация, увы, иная. Используемые в лабораторных разработках элементы – газовые лазеры, разнообразные оптические затворы, дефлекторы, транспаранты – еще очень несовершенны. Как правило, они громоздки, недолговечны, сложны в изготовлении и эксплуатации, обладают недостаточно высокими значениями определяющих параметров. В элементах используются разнородные материалы, они не всегда хорошо согласуются друг с другом. Реверсивные голографические среды, структуры для многослойной объемной записи вообще еще очень далеки от практического применения. Приходится констатировать, что «элементная база» голографической памяти – если оценивать ее с позиций промышленного производства – еще не создана.
Правда, в последнее десятилетие в развитии ряда направлений оптоэлектроники достигнуты значительные успехи, которые косвенно, а иногда и прямо способствуют решению рассмотренной проблемы. Созданы полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излучения, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяют тонкопленочными. Тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения может быть менее 1 нс. Непрерывно улучшаются характеристики пленочных акусто-оптических дефлекторов, заметны сдвиги и в совершенствовании оптических транспарантов. Все это вселяет оптимизм.
Оптическая память с ее огромной плотностью записи, сверхвысокими скоростями обмена информацией, способностью оперировать и с цифрами и с образами, с ее надежностью, долговечностью, ничтожно малой «стоимостью хранимого бита» заслуживает, чтобы на ее становление и развитие человечество не пожалело сил.
Нейронные сети
В 80–90-е годы прогресс в развитии вычислительной техники многие связывают с созданием искусственных нейронных сетей. Успехи в разработке и использовании нейрокомпьютеров определяются их принципиально новым свойством – возможностью эффективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач.
По своей сути нейрокомпьютер является имитацией человеческой нейронной сети. Поэтому стоит сделать ряд замечаний об устройстве головного мозга. Основная элементарная ячейка мозга – нейрон – имеет объем всего лишь 10-3 мм и массу 10-6 г. Нервная ткань, покрывающая полушария головного мозга слоем толщиной в несколько миллиметров, окрашена в два цвета. Серые нейроны окружены белыми отростками – аксонами и дендритами, которые проводят нервные импульсы к другим клеткам. Нейрон взаимодействует с нейроном, посылая ему электрический сигнал – нервный импульс. Помимо электрической, нейрон обладает еще и химической активностью. При этом для дальней связи служит длинный отросток нейрона – аксон, который способен усиливать сигнал и передавать его без затухания со скоростью до 100 м/с и выше. Дендриты служат в основном для приема сигналов, хотя могут с затуханием передавать сигнал до мишени на небольшие расстояния.
Используя терминологию вычислительной техники, можно сказать, что нейрон является бинарной ячейкой. Он может находиться либо в возбужденном, либо в невозбужденном состоянии. Наибольший интерес представляет то, как ему удается изменять свое состояние в результате взаимодействия с другими нейронами и клетками. Сам по себе нейрон не генерирует никакого выходного сигнала, пока суммарный входной сигнал не превышает определенной пороговой величины. Если же порог превышен, то нейрон начинает посылать сигналы другим нейронам. В нейронной сети полезная информация запоминается не отдельными нейронами, а группами нейронов, их взаимным состоянием. Можно считать, что каждый нейрон в большей или меньшей степени связан примерно с 104 нейронами. Принимая внешнюю информацию и обмениваясь внутри головного мозга, каждый отдельный нейрон имеет возможность последовательно приближаться к принятию в сложной внешней обстановке правильного решения и переходу в нужный момент в нужное (возбужденное либо невозбужденное) состояние. При этом человеческий мозг в целом также имеет возможность последовательно принимать правильные решения.
Чем больше объем нейронной сети, тем более сложную задачу можно решить с ее помощью. Например, при машинном чтении текстов для распознавания трех букв использовалась сеть из 32 нейронов. Распознавание алфавита, включающего 26 букв, требует 260 нейронов.
Ученые научились моделировать нейронные сети, используя метод последовательных приближений. Однако в цифровой вычислительной технике весьма сложно решается проблема соединений между большим количеством ячеек. А для 104 ячеек, как несложно вычислить, необходимо порядка 108 межсоединений. Как считают многие специалисты, на достаточно высоких частотах уже такое количество межсоединений принципиально нельзя осуществить даже в перспективных технологиях изготовления интегральных микросхем.
Другое дело в оптической обработке информации, где необходимо лишь сформировать требуемый массив ячеек, а межсоединения осуществляются сами собой и практически без искажений в оптическом тракте системы. Магнитооптические управляемые устройства уже сегодня позволяют сформировать высококачественный массив бинарной информации из 104 ячеек, причем скорость обработки его по алгоритму нейронной сети на несколько порядков превосходит возможности человеческого мозга.
В 90-е годы на базе персональных компьютеров созданы мультимедийные системы со все возрастающим влиянием их на различные сферы деятельности. Попытаемся рассмотреть их с точки зрения диалектического единства и борьбы противоположностей. Но прежде всего о самом предмете рассмотрения и о том, как его представляют популярные периодические издания, чаще всего в рекламных целях.
Мультимедиа – это объединение нескольких каналов передачи информации от машины к человеку: звук, изображение, реже – движение реальных предметов. Подразумевается и обратная связь – действия человека должны напрямую и существенно влиять на ход событий в системе. Разработчики современных мультимедийных систем стремятся к возможно более точному моделированию реальности, созданию виртуального мира, в котором человек мог бы совершать то, что недоступно ему в реальности, и в котором он занимал бы ведущее место. Для этого прилагаются всевозможные усилия. Так, создан специальный шлем, позволяющий получить сразу несколько преимуществ: улучшенное восприятие стереофонического (объемного) звучания, возможность создания стереоскопического изображения. Специальные датчики следят за поворотами головы человека, и на мини-дисплеях меняется видеоинформация перед его глазами сообразно той картине, которую он должен увидеть, повернувшись.
Приведем дословное описание одной из многочисленных мультимедийных игр, например «Стреляющий корабль – 2000». «Основа игры вполне традиционна: вам предлагается на боевом вертолете выполнить одно из заданий командования (американского, разумеется). Вы летаете либо над Европой, либо в небе Персидского залива и рушите радары, мосты и танковые колонны. В бою будьте аккуратны, но безжалостны. Только в этом случае у вас появляется шанс вернуться на базу с победой. Ну а если не сложится – не беда». Ярые сторонники мультимедийных игр, отвечая на вопрос «почему мы играем?», подчеркивают, что спорить с неигравшим о прелестях игры – все равно, что рассказывать дальтонику о гениальности Гогена.
Что же заставляет людей просиживать перед мониторами часы напролет? Ответ простой – способность создавать альтернативную реальность с иными образами и атрибутами вещей, возможность погрузить свое «я» в ткань иного мира, мифа; игра, как правило, гуманна, победа добра и зла лежит на чашах весов, и в вашей воле, куда их склонить. В то же время наряду с изложенным выше восторженным описанием мультимедийных возможностей появляются, хотя и редко, такие, которые напоминают об обратной стороне медали; вот одно из них: «увлечение играми – причина серьезных разладов в семье». Некоторые увлеченные мультимедийными играми утверждают, что трехмерная графика, объемное звучание настолько увлекают игрока, что первое время невероятной кажется уже окружающая повседневная обстановка.
А теперь попытаемся разобраться в диалектике двуединого начала мультимедийной системы. Но прежде вспомним, чем люди занимались долгие тысячелетия по изгнании их за грехи из рая.
Они с усердием создавали себе вторую искусственную физическую природу, чтобы защитить себя от холода и жары с помощью одежды и жилищ (своеобразных искусственных приспособлений). Они изобретали средства передвижения на различной тяге, чтобы перемещаться по земле, в воде и в воздухе, и создавали разнообразное технологическое оборудование для выполнения простых и сложнейших операций. В результате всего этого вокруг человека стала формироваться искусственная оболочка, отгораживающая его от реальной физической природы и от ее дестабилизирующих факторов, т. е. от всего того, что ранее было принято считать средой обитания.
Среда обитания трансформировалась, появились признаки необратимых процессов. Люди стали пренебрегать реальной средой обитания, активно вторгаясь в нее и засоряя ее бытовыми и промышленными отходами. Плата за все это – глобальные экологические катаклизмы, потребовавшие региональных и глобальных мер экологической защиты и не менее глобальных экономических и социальных мер, связанных с жизненным обеспечением творцов искусственной физической природы.
Создание искусственной информационной природы – мультимедийной среды с ее альтернативной реальностью – виртуальным миром – имеет в определенном смысле те же характерные признаки. Исходная задача создания искусственной информационной природы заключалась прежде всего в управлении машинами. В качестве примера можно привести первый автоматический регулятор паровой машины Уатта. Усложнялась конструкция машин, и вместе с этим становились все сложнее устройства управления, многие из которых по «интеллектуальным» возможностям превосходят даже самого подготовленного специалиста. Профессионалы создают устройства управления микроклиматом жилища, различными средствами транспорта и технологическими комплексами. Программирование работы устройств искусственной информационной природы требует знания не только возможностей технических средств управления, их структуры и специфики, но и свойств рецепторного и рефлекторного аппаратов человека, а также законов психологии восприятия визуальных, акустических и тактических образов.
Программы функционирования таких устройств довольно сложны и доступны лишь узкому кругу специалистов. И вне всякого сомнения развитие работ в данном направлении вполне органично вписывается в более общую проблему совершенствования мультимедийных систем – именно в этом проявляется их неоспоримое положительное качество.
Стремительный рост информационного потока активизирует защитную реакцию человека, и неосознанно начинает появляться желание отгородиться от внешнего информационного воздействия: люди нашего поколения, как никогда ранее, почувствовали усталость от различного рода политической информации и прежде всего от явных идеологических спекуляций. В этом заключается одна из причин чрезвычайно большой популярности современной аудио- и видеотехники, позволяющей в определенной степени отгородиться от внешнего информационного потока. Но при этом не нужно забывать, что индивидуальные устройства памяти любых любимых видео- и аудиосюжетов выбираются из общего идеологического «корыта», заполняется которое чаще всего зарубежными «доброжелателями», преследующими вполне определенные политические цели.
В чем суть всех современных видеоигр – от простейших до самых завлекательных и сложных? Ответ на этот вопрос лежит на поверхности. Она заключается в создании для играющего искусственного информационного пространства – от несложных операций укладки кубиков или сбора яиц в лукошко до почти натуральных вылетов на боевых машинах, когда пробуждается присущее каждому человеку естественное желание обогнать, поразить, победить и т. п. Игра, как правило, начинается в медленном темпе, затем переходит в ускоряющийся режим, который в конце концов доходит до такого свободно выбранного темпа, когда человек полностью отключается от внешних информационных потоков. Монотонные движения и ритмы усыпляют человека, позволяют легко воздействовать на него, гипнотизировать его, парализовать его волю и подспудно вдалбливать в его сознание любую (в том числе вредную и опасную!) информацию.
Отгораживаясь таким образом от реальных информационных потоков жизни людей с ее реальными голодом, холодом, болезнями, войнами, страданиями и т. п. и оказавшись в виртуальном пространстве, где нажатием кнопки можно взорвать инопланетный космический корабль, сжечь город, наслать повальные болезни, насладиться интимом с «любимым человеком», наконец, быть «убитому» самому игроку в этих виртуальных видео-аудиотактических мирах, человек теряет ощущение реальности жизни. Он начинает пренебрегать реальными информационными потоками сообществ людей (от ячейки общества – семьи – до более крупных образований), жить в выдуманном мире, где ему хорошо и удобно только одному. Такой человек вряд ли сможет восхищаться ранним восходом солнца с его золотистыми, скользящими по земле лучами. Для него окажутся ненужными ни классическая музыка, ни классические произведения искусства и литературы, на которых воспитывались многие поколения людей, наделенных высокими нравственными качествами.
В той или иной мере всем понятна опасность и страшная губительная сила ядерного, химического и бактериологического оружия, поражающего тело, но остается пока незамеченным другое оружие также массового поражения, которое поражает душу человека, делая его одиноким и беззащитным в придуманном им виртуальном мире. В этом одно из сильных проявлений отрицательного начала мультимедийных систем. Означает ли это, что следует ограничивать новые возможности мультимедийных систем? Конечно, нет. Известно, что нож в руках хирурга – добро, а в руках бандита – зло. Полезно помнить, что мультимедийные системы только при разумном их использовании могут непременно способствовать развитию личности и общества. Следует ожидать, что наиболее вероятное использование мультимедийных систем будет не игровым, а научным и учебным, способствующим упрощению и облегчению сложного процесса познания действительности.
Представленные выше рассуждения – одна из возможных интерпретаций диалектического дуализма мультимедийных систем. Нельзя исключать, что некоторые из рассмотренных утверждений носят дискуссионный характер. Но в дискуссии рождается истина.
Общие сведения
Характерная особенность современного естествознания – рождение новых, быстро развивающихся наук на базе фундаментальных знаний. К одной из таких наук относится сформировавшаяся в недрах физики микроэлектроника, перерастающая в последнее время в наноэлектронику.
У микроэлектроники и наноэлектроники один общий корень – электроника. В соответствии со строгим определением электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и хранения информации. Возникла она в начале XX в. На ее основе были созданы электровакуумные приборы, в том числе и электронные лампы (диод, триод, тетрод, пентод и т. д.).
С начала 50-х годов интенсивно развивается твердотельная электроника, прежде всего полупроводниковая. В начале 60-х годов возникла микроэлектроника – наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении и с использованием групповой (интегральной) технологии их изготовления. Возникновение микроэлектроники вызвано непрерывным усложнением функций и расширением областей применения электронной аппаратуры, что требовало уменьшения ее габаритов и массы, повышения быстродействия и надежности.
Основу электронной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной аппаратуры, в которых объединено большое число микроминиатюрных элементов и электрических соединений, изготовляемых в едином технологическом процессе. Микроэлектроника развивается в направлении уменьшения размеров содержащихся в интегральной схеме элементов (до 0,1–1,0 мкм), повышения степени интеграции (до 106–107 элементов на кристалл), плотности упаковки (до 105 элементов в 1 мм3), а также использования различных по принципу действия приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, магниторезистивных и др.). В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию интегральных схем, размеры элементов которых определяются нанометрами (10-9 м), т. е. постепенно набирает силу наноэлектроника – наиболее важное направление микроэлектроники, характеризующее современный этап развития естествознания.
Разнообразные микроэлектронные приборы и устройства в различных формах исполнения нашли широкое применение практически во всех технических средствах, связанных с многими сферами деятельности человека. Достижения в микроэлектонике способствовали созданию космических кораблей и управляемых ядерных реакторов. Современная аудио- и видеоаппаратура с достаточно высоким качеством звучания и изображения – это тоже продукт микроэлектроники. На промышленной микроэлектронике базируется автоматизированное производство изделий, узлов, механизмов и машин для различных отраслей экономики. Элементная база многочисленных и разнообразных ЭВМ, включающих и персональные компьютеры, – это тоже микроэлектроника.
Едва ли можно назвать такого человека, который не был бы прямо или косвенно связан с микроэлектронной аппаратурой, прежде всего как пользователь. Вполне очевидно, что от степени внедрения микроэлектронных средств зависит не только уровень совершенства того или иного технического устройства, но и прогресс, а также темпы развития той или иной отрасли современной экономики. На первый взгляд может показаться лишним знание концепций развития микроэлектроники, особенно для специалистов нетехнических направлений и, в частности, для будущих экономистов. Однако настоящая экономика прежде всего связана с жизнью и в первую очередь с потребностями человека. Изучение потребностей человека без знаний возможностей производить материальные ценности хотя и необходимо, но крайне недостаточно для формирования специалиста высокой квалификации с широким кругозором. Не вызывает сомнения, что таким специалистом наряду с другими должен быть экономист. Именно экономист, как правило, производит первую экспертную оценку нового технического предложения. И от его оценки зависит во многом дальнейшая судьба технического предложения. А так как практически все современные технические предприятия в той или иной степени связаны либо с микро электронной продукцией, либо с ее непосредственным производством, то знание основных проблем, тенденций развития и потенциальных возможностей микроэлектроники не менее важно, чем представление о производительных силах и производственных отношениях. На базе именно таких всесторонних знаний может быть принято наиболее удачное решение, способствующее развитию какого-то производства либо отрасли в целом. Кроме того, также важно знать, и прежде всего экономисту, какой ценой будет решена поставленная конкретная задача. Но для этого полезно представлять, какой ценой дались известные достижения, существенно изменившие сущность производительных сил и характер производственных отношений.
Развитие твердотельной электроники
Эпоха развития твердотельной электроники имеет более чем столетнюю историю; она началась с возникших и долго необъясняемых физических загадок, так называемых «плохих» проводников. Еще в XIX в. выдающийся физик М. Фарадей столкнулся с первой загадкой – с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону. К тому времени было известно, что электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время французский физик А.С. Беккерель (1788–1878) обнаружил, что при освещении «плохого» проводника светом возникает электродвижущая сила – фото ЭДС - вторая загадка.
Было обнаружено, кроме того, изменение сопротивления селеновых стержней под действием света, что в определенной степени подтвердило сущность второй загадки, связанной с фотоэлектрическими свойствами «плохих» проводников. В 1906 г. немецкий физик К.Ф. Браун (1850–1918) сделал важное открытие: переменный ток, проходя через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была третья физическая загадка.
Примерно за 40 лет физических исследований состав «плохих» проводников существенно расширился. К ним были отнесены сульфиды и оксиды металлов, кремний, закись меди и т. п. Этот класс веществ стали называть полупроводниками. Эффекты выпрямления электрического тока, фотопроводимость полупроводников стали применять для практических целей. Были созданы фотоэлемент и твердотельный выпрямитель электрического тока.
В 1879 г. американский физик Э. Холл (1855–1938) открыл явление возникновения электрического поля в проводнике (тонкой пластине золота) с током, помещенном в магнитное поле, направленное перпендикулярно току. Электрическое поле возникало и в полупроводниках: в одних полупроводниках электрическое поле направлено в одну сторону, а в других – в противоположную. Предполагалось, что направление данного поля определяют электроны и какие-то, в то время неизвестные, положительно заряженные частицы. Открытие Э. Холла– четвертая загадка «плохих» проводников.
Созданная Дж. Максвеллом теория электромагнитного поля не объясняла ни одну из четырех загадок. Пока физики-теоретики искали отгадки, инженеры все шире применяли полупроводники. В начале нынешнего столетия ученые увлеклись исследованием беспроводной связи. Были созданы первые приемники радиоволн, способные детектировать сигналы. В них использовались контакты из полупроводниковых материалов и металла. Кристаллические полупроводниковые детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но усиливать их не могли.
Изучая свойства кристаллического детектора, наш соотечественник, выдающийся радиоинженер О. Лосев (1903–1942) обнаружил на вольт-амперной характеристике кристалла участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, на основе чего создал в 1922 г. генерирующий детектор. Это был первый детектор, способный усиливать и генерировать электромагнитные колебания. Основой его служила контактная пара: металлическое острие – полупроводник (кристалл цинкита). Однако хотя открытие О. Лосева и вызвало большой интерес в те годы, оно не нашло промышленного внедрения. 30–40-е годы – пора расцвета электровакуумных ламп, которые широко применялись в различных устройствах радиосвязи. Ненадежные в те годы полупроводниковые приборы не могли конкурировать с электронными лампами. В полупроводниковой электронике четыре загадки оставались неразгаданными почти 100 лет.
Тем не менее исследование свойств полупроводников продолжалось. Предпринимались поиски природных и синтезированных полупроводников – интерметаллических соединений с полупроводниковыми свойствами. Исследовательские работы существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников, в соответствии с которой в твердом теле энергетическое состояние электронов образуют так называемые зоны, разделенные промежутками запрещенных значений энергий. В верхней зоне находятся свободные заряды; она названа зоной проводимости. Нижняя зона, в которой заряды связаны, получила название валентной зоны. Между ними расположена запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если же ширина запрещенной зоны невелика, то электроны могут возбуждаться различными способами и переходить из валентной зоны в более высокоэнергетическую. Например, при разогреве твердого тела происходит тепловое возбуждение электронов, повышается их энергия и они переходят в зону проводимости; при этом повышается электропроводность твердого тела, а значит, уменьшается его сопротивление. С ростом температуры число возбужденных электронов увеличивается, стало быть сопротивление полупроводника падает. Возможен и другой механизм возбуждения электронов и перевод их из валентной зоны в зону проводимости, при котором они становятся свободными под действием света. Таким образом, зонная теория объяснила две первые загадки: почему сопротивление полупроводников падает при нагревании и освещении.
В результате анализа электропроводности полупроводников был сделан вывод: на освободившихся от электронов местах в процессе их перехода в зону проводимости образуются вакансии или дырки, которые эквивалентны носителям положительного заряда, обладающим подвижностью, эффективной массой и способностью давать вклад в электрический ток с направлением, противоположным току электронов. Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (п-тип), для которых эффект Холла отрицателен, и полупроводники с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые названы донорными, вторые – акцепторными.
В конце 30-х годов трое ученых-физиков – советский А. Давыдов, английский Н. Мотт и немецкий В. Шоттки – независимо друг от друга предложили теорию контактных явлений, в соответствии с которой в полупроводниках на границе дырочного и электронного типов полупроводников происходит обеднение носителями зарядов и возникает эффективный электронно-дырочный барьер, препятствующий свободному передвижению электронов и дырок. Через такую границу ток проходит только в одном направлении, а ее электрическое сопротивление зависит от величины и направления приложенного напряжения. Если электрическое поле приложено в прямом направлении, высота барьера уменьшается, и наоборот; при этом неосновные носители тока (дырки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном) играют определяющую роль.
В результате многочисленных экспериментов удалось изготовить образец, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. Так впервые был создан р-n-переход, ставший важнейшим элементом современной полупроводниковой электроники, и к сороковым годам удалось разгадать все четыре загадки «плохих» проводников.
Первым твердотельным прибором для усиления электрического тока, способным работать в устройствах вместо незаменимой в те времена лампы, стал точечный транзистор, в котором два точечных контакта расположены в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности небольшой пластинки кремния n-типа. Демонстрация первого транзистора состоялась в 1948 г. Он позволял усиливать сигнал вплоть до верхней границы звуковых частот более чем в сто раз. В 1956 г. за разработку транзисторов американские физики Д. Бардин (1908–1991), У. Браттейн (1902–1987) и У. Шокли (1910–1989) получили Нобелевскую премию.
Истоки современной микроэлектронной технологии
На примере совершенствования различных полупроводниковых приборов можно проследить развитие микроэлектронной технологии, позволившее создать не только превосходные по качеству и надежности транзисторы, но и интегральные схемы, а затем и большие интегральные схемы, на базе которых производится разнообразная электронная техника, включая современную аудио- и видеоаппаратуру, быстродействующие ЭВМ и т. п.
Технологические разработки всегда важны, но на этапе промышленного освоения роль их существенно возрастает. Началом промышленного производства полупроводниковых приборов можно считать середину 50-х годов, когда был предложен технологический прием зонной очистки, позволивший получить равномерное распределение примесей в кристалле. К 1955 г. была налажена технология изготовления транзисторов со сплавными и р-n-переходами. Потом появились разновидности сплавных транзисторов: дрейфовые и сплавные с диффузией.
Разработанный электрохимический метод получения базовых слоев позволил создавать новые виды дискретных транзисторов: микросплавные, поверхностно-барьерные, сплавно-диффузионные, микрослойные. Частотный диапазон их работы достиг нескольких мегагерц. Началось производство автоматизированного оборудования для производства транзисторов.
Для получения р-n-переходов стали использовать диффузионный метод, который обеспечивал равномерное распределение примесных атомов в кристалле при нагревании его в атмосфере, содержащей необходимые примеси. Этот метод положил начало групповой технологии производства приборов.
В конце 50-х годов была разработана технология создания планарных транзисторов, конструкция которых имеет плоскую структуру. Особенность этой технологии – возможность создания множества приборов на одной подложке. Такая технология открыла путь к групповой технологии производства транзисторов и его автоматизации.
В истории разработки транзисторов известны примеры новых технических решений, которые открывали новые направления в полупроводниковой электронике. Одним из таких примеров может служить разработка полевых транзисторов, которые могли выполнять функции резисторов, управляемых напряжением. Типичный полевой транзистор реализован на базе структуры металл–окисел–полупроводник и носит название МОП-транзистор.
Развитие дискретной полупроводниковой техники, возможность автоматизации производства привели к интеграции. Эта идея в сущности не нова. Еще до Второй мировой войны предпринимались попытки изготовления интегрального устройства, объединяющего резистор с конденсатором для катодной цепи электровакуумной лампы. Однако технология того времени не позволила реализовать эту идею.
Идея интеграции в полупроводниковом производстве пришла со стороны технологии в электронном материаловедении. В 1960 г. был предложен метод изготовления транзисторов в тонком эпитаксиальном слое, выращенном на монокристаллической подложке. Таким способом удавалось на прочной толстой подложке создать транзисторы стойкой базой. Открылась возможность разработки высокочастотных транзисторов большой мощности. Было предложено использовать транзисторы с тонкопленочными проводниками в пределах одной пластины. Такие транзисторы получили название интегральных, а кристаллы стали называть интегральными схемами.
Таким образом, наряду с дискретной твердотельной электроникой появилась интегральная электроника, основанная на тонкопленочной групповой технологии. По мере освоения тонкопленочной технологии стали осаждаться тонкие пленки не только полупроводниковых, но и других материалов: диэлектриков, магнетиков и т. д. Особенно широко развернулась тонкопленочная индустрия тонких ферромагнитных пленок, на базе которых созданы многие высокочувствительные преобразователи и устройства. В нашей стране изготовление тонких магнитных пленок и их экспериментальное исследование впервые начаты в начале 60-х годов на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова в лаборатории известного магнитолога Р.В. Телеснина (1905–1985). Эти первые работы послужили активным началом для многих перспективных направлений исследования физических свойств тонкопленочных ферромагнитных материалов.
Повышение степени интеграции и новые технологии
Основная продукция микроэлектроники за последние десятилетия – разнообразные интегральные схемы. На протяжении достаточно длительного времени наблюдается устойчивая тенденция экспоненциального увеличения степени их интеграции, для которой, как показывает анализ, возможны три пути роста. Первый связан с уменьшением топологического размера и соответственно повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Совершенствование технологических процессов, особенно литографии, а также процессов травления позволяло ежегодно уменьшать характерный размер на 11%. В настоящее время достигнут топологический размер 0,3–0,5 мкм, а в ряде экспериментальных работ используется топографический рисунок с еще меньшими размерами элементов. Дальнейшее уменьшение топологических размеров требует новых технологических приемов.
Увеличение площади кристалла – второй путь повышения степени интеграции. Однако получение бездефектных кристаллов больших размеров – весьма сложная технологическая задача. Наличие же дефектов резко снижает процент выхода годных и увеличивает стоимость интегральной схемы.
Третий путь заключается в оптимизации конструктивных приемов компоновки элементов.
Предполагается, что на базе современной технологии при изготовлении интегральной схемы на монолитном кремнии может быть достигнута степень интеграции до 107 элементов на кристалл. Совсем недавно японская фирма «Хитачи» разработала новую серию 32-разрядного однокристального микропроцессора, содержащего 450 000 транзисторов.
Разработчики интегральных схем ищут способы преодоления технологических и физических барьеров на пути повышения степени интеграции. Разрабатываются вертикальные структуры, открывающие определенные перспективы трехмерной интеграции. Проводятся работы по компоновке на одной пластине десятков микропроцессорных больших интегральных схем запоминающих устройств. Разрабатываются ультрабольшие и гигантские интегральные схемы.
За последние десятилетия число активных и пассивных элементов на одном полупроводниковом кристалле возросло от нескольких десятков до сотен тысяч. Это привело к тому, что характерные размеры элементов интегральных схем становятся близкими к микрометру. Такие схемы используются в сложной малогабаритной электронной аппаратуре, предназначенной для роботов и гибких автоматизированных производств, космических комплексов, систем связи и радиолокационной техники.
Однако вскоре стало ясно, что переход к еще меньшим размерам элементов требует нового подхода. При получении размеров топологических элементов менее 1 мкм возникают принципиальные трудности физического и технологического характера, свойственные лишь субмикронной микроэлектронике. Эта область электроники получила развитие в качестве самостоятельного научного направления в начале 80-х годов. С уменьшением размеров элементов пришлось отказаться от ряда традиционных технологических операций. Так как длина волны света стала препятствием на пути миниатюризации, фотографию заменили электронной, ионной и рентгеновской литографией. Диффузионные процессы заменили ионной и электронно-стимулированной имплантацией. Термическое испарение и отжиг материала заменили ионно-лучевым, ионно-плазменным, электроннолучевым: появилась возможность локального воздействия на поверхность полупроводникового кристалла, когда кристалл в целом остается холодным.
До последнего времени технология основывалась на удалении лишнего материала из заготовки подобно тому, как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуманный образ. На смену такому процессу пришла молекулярно-инженерная технология, которая позволит строить приборы атом за атомом по аналогии с тем, как дом складывают по кирпичику. Уже сейчас молекулярно-инженерная технология находит применение, например, в производстве приборов на основе молекулярных пленок, молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-зондовой и электронно-стимулированной управляемой имплантации. Для того чтобы молекулярно-инженерная микротехнология стала реальностью, следует развивать соответствующие методы.
Использование в технологическом производстве лучевых методов (электронно-лучевых, ионно-лучевых, рентгеновских) совместно с вакуумной технологией позволяет получать приборы с размерами элементов до 10–25 нм. Переход в этот диапазон требует решения фундаментальных вопросов, связанных с новыми физическими принципами работы приборов и ограничениями, свойственными планарным процессам.
Вследствие большой напряженности электрического поля, возникающего в приборах с такими малыми размерами, механизмы переноса дырок и электронов принципиально изменяются Скорость электронов становится очень большой. Время между двумя столкновениями сильно уменьшается. Появляется возможность открытия новых физических явлений и построения приборов на их основе. Естественно, что эволюция технологических методов будет способствовать широкому проникновению научных принципов в разработку интегральных схем и поиску физических эффектов для их построения.
С развитием новых технологических процессов размеры рукотворных структур становятся соизмеримыми с бактериями, вирусами, макромолекулами.
В результате взаимодействия ускоренных пучков ионов с веществом можно направленно изменять их физико-химические и электронно-физические свойства, что позволяет получать приборы с заданными характеристиками.
Сфокусированные ионные потоки – это уникальный инструмент для прецизионной обработки всех известных материалов. Такой метод позволяет создавать принципиально новые конструкции приборов. Разрабатываются различные ионно-лучевые установки. Рентгеновские установки позволяют реализовать тиражирование изображений с субмикронными размерами элементов, недоступных световой оптике. Современная технология осаждения тонких пленок позволяет с точностью до 10 нм (это только на два порядка больше диаметра атома) выдерживать размер микроэлектронного прибора в измерении, перпендикулярном плоскости подложки. Формирование с такой же точностью рисунка на плоскости значительно сложнее. Оно обычно осуществляется с помощью процесса литографии на основе технологии печати.
С развитием микроэлектроники происходит усложнение схем и уменьшение размеров рисунка. Реализуется возможность получения линий шириной 0,5 мкм с допусками 0,1 мкм. Для выполнения этих требований необходима разработка систем формирования (синтезирования) рисунка с очень высокой разрешающей способностью. Рисунок синтезируется экспонированием (светом, рентгеновским излучением, электронным или ионным пучком с последующим проявлением скрытого изображения) соответствующих участков тонкого слоя резистивного материма, нанесенного на пластину, например, кремния.
Одновременно идет поиск новых применений субмикронной литографии. Обнаружено, что можно регистрировать световой поток не с помощью фотодиода или другого подобного прибора, а с помощью проводников, чередование которых идет с шагом, кратным длине волны света, а свет падает вдоль этой решетки. Прибор работает как антенна, в элементах которой наводится электрический ток. Размеры элементов такого приемника таковы, что они не могут быть изготовлены традиционным способом фотолитографии. На помощь приходит микролитография – электронная, ионная и рентгеновская.
Ожидается, что в ближайшее время промышленность освоит интегральные схемы с миниатюрными размерами отдельных деталей 0,2–0,3 мкм (200– 300 нм). Число таких элементов в схеме – полупроводниковой пластине площадью несколько квадратных миллиметров – достигнет десятков миллионов, т. е. увеличится по крайней мере в 1000 раз. Возможности интегральных схем при этом возрастут не в 1000 раз, а гораздо больше. Предполагается, что в ближайшие годы число элементов на кристалле достигнет 7 млрд, правда, такой прогноз называют осторожным.
Сейчас основной материал полупроводниковых приборов – кремний. Переход к наноэлектронике заставляет обратиться и к другим материалам: арсениду галлия, фосфиду индия, кадмий – ртуть – теллуру и др.
С развитием наноэлектроники изменяется и архитектура полупроводниковых приборов. Все процессы, определяющие работу интегральной схемы и вообще полупроводниковых приборов, как правило, происходят в тонких приповерхностных слоях толщиной до одного атомного слоя. Это одномерная архитектура. Наноэлектроника позволяет создавать трехмерные – многослойные структуры. Технология получения многослойных структур разрабатывается. На этой основе развивается новое направление электроники, называемое функциональной электроникой. В первую очередь это оптоэлектроника. Размеры оптоэлектронных структур могут достигать 100 нм (доли длин световых волн), размеры отдельных деталей – 20 нм.
Широким фронтом ведутся работы по использованию длинных органических молекул в качестве элементов микросхем. Оперировать такими молекулами можно только с помощью электронных и ионных пучков. Все более реальным становится создание машины по аналогии с человеческим мозгом с развитием новых технологических приемов.
В настоящее время интенсивно развивается молекулярно-инженерная технология, результатами твердотельной технологии человечество уже пользуется, и ее совершенствование и переход к наноэлектронике и многомолекулярным структурам приближаются к решению поставленных задач.
Особенности лазерного излучения и разновидности лазеров
Лазер – это слово появилось сравнительно недавно. Вначале оно было известно только узкому кругу специалистов-физиков. Популярность его постепенно росла. А в последнее время очень многие не просто слышали о лазере, но и знают о его больших реализованных и потенциальных возможностях. В то же время чаще всего у неспециалистов лазер вряд ли вызывает положительные эмоции. Лазер? Ничего интересного: трубка в корпусе, иногда даже непривлекательном, из которой выходит тоненький луч – зеленый, синий, чаще красный. Есть ли о чем здесь говорить? Оказывается, есть. И специалистам, и всем, кто далек от понимания физических явлений, связанных с лазером. Для специалистов, в первую очередь физиков, лазер дал жизнь весьма перспективному научному направлению – нелинейной оптике, охватывающей исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Лазеры породили новые технологии с уникальными возможностями. Для многих лазер – источник необыкновенного света, который может вылечить надвигающуюся слепоту и на лету поразить движущуюся цель, мгновенно просверлить отверстие в самой твердой детали, сделанной, например, из алмаза и т. д.
В чем же необыкновенные свойства лазерного излучения, лазерного луча? Во-первых, лазерный луч распространяется, почти не расширяясь. Напомним: для того чтобы луч прожектора не расходился, используют большое вогнутое зеркало и систему линз, собирающие свет от источника в пучок. Это помогает, но мало: уже на расстоянии около километра от прожектора луч становится раза в два шире. Лазеру же собирающие зеркала и линзы чаще всего не нужны. Он и без них сам по себе излучает почти параллельный пучок света. Слово «почти» означает, что пучок лазерного света не совсем параллельный: существует угол расхождения, но он сравнительно мал – около 10-5 рад, и тем не менее, на больших расстояниях он ощутим: на Луне такой пучок, испущенный с Земли, даст пятно диаметром примерно 3 км.
Во-вторых, свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, т. е. он имеет только одну длину волны, один цвет. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Преломляясь в призме, луч белого света превращается в яркую радугу-спектр, а одноцветный, монохроматичный свет проходит через нее не разлагаясь. Линза тоже преломляет лучи, собирая их в фокусе. Но белый свет она фокусирует в радужное пятнышко, а лазерный луч – в крошечную точку, диаметр которой может составлять сотые и даже тысячные доли миллиметра. Благодаря такому свойству лазерного луча стала возможной оптическая запись информации с высокой плотностью – крохотные оптические диски вмещают громадное количество информации – сотни мегабайт.
В-третьих, лазер – самый мощный источник света. В узком интервале спектра кратковременно (10-11 с) достигается мощность излучения 1012–1013 Вт с одного квадратного сантиметра, в то время как мощность излучения Солнца с той же площади равна только 7. 103 Вт, причем суммарно по всему спектру. На узкий интервал, равный ширине спектральной линии лазерного излучения, приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, составляет 1010–1012 В/см; она превышает напряженность поля внутри атома.
Названные удивительные свойства лазерного излучения придали свету новое лицо. Еще на заре развития лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: «Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер – это целая техническая эпоха».
В 1960 г. Т. Мейманом (США) был создан первый лазер – рубиновый, работающий в импульсном режиме. В нем не вся энергия света лампы накачки преобразуется в лазерную вспышку. Большая ее часть уходит на бесполезный и даже просто вредный нагрев стержня и зеркального кожуха. Мощные импульсные лазеры охлаждают потоком воздуха, воды, а иногда и жидким азотом. Частота генерации импульсных лазеров может достигать более 10 млн вспышек в секунду. Излучение таких лазеров воспринимается как непрерывное. Вспышка импульсного лазера имеет огромную мощность – тысячи ватт. Мощность эту можно повысить, увеличив размеры активного лазерного элемента. А можно позади этого элемента поставить еще один лазерный стержень с лампой-вспышкой, т. е. еще один лазер, но без зеркал. Импульс света первого лазера заставит срабатывать второй. Оба световых импульса, сложившись, удваивают мощность вспышки. Но размеры стержня нельзя увеличивать беспредельно: чем больше стержень, тем больше потери света в нем. Поэтому стержни даже из лучших материалов нет смысла делать длиннее 50–60 см. Излучение, сфокусированное в крошечное пятно, можно применять для многих целей, о некоторых из них рассказано ниже. Но все-таки это короткий световой импульс. Конечно, им можно пробить отверстие, сварить две металлические проволоки и сделать много других полезных дел. Но для многих задач гораздо удобнее было бы иметь непрерывное лазерное излучение, скажем, для сварки или резки. Существует и такое излучение, его дают газовые лазеры. Газовый лазер был создан почти одновременно с рубиновым, в том же 1960 г. Он работал на смеси гелия и неона. Современные газовые лазеры работают на многих газах и парах. Все они дают непрерывное излучение в очень широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового до инфракрасного света.
Однако на этих достижениях ученые не остановились. Был создан газодинамический лазер, похожий на реактивный двигатель. В его камере сгорания сжигается угарный газ (окись углерода) с добавкой топлива (керосина, бензина, спирта). Получившаяся при этом смесь газов состоит из углекислого газа, азота и паров воды. Молекулы газа возбуждены и готовы к работе: температура в камере сгорания доходит до тысячи с лишним градусов, а давление – до 20 атм. Раскаленные газы из камеры сгорания вытекают через расширяющееся реактивное сопло, иногда называемое соплом Лаваля. В нем газ разгоняется до сверхзвуковой скорости, охлаждаясь почти до нуля! Проносясь между зеркалами, молекулы газа излучают энергию в виде световых квантов, рождая лазерный луч мощностью 150–200 кВт. И это мощность не отдельной вспышки, а постоянного, устойчивого луча, сияющего, пока у лазера не кончится горючее.
Но не только газовые лазеры дают непрерывное излучение. Его дает и полупроводниковый лазер, который вдохнул жизнь в оптическую запись. О ее возможностях рассказано выше, о ней имеют представление многие пользователи персональных компьютеров, державшие в руках лазерный диск, который привлекателен не только своим внешним видом, но и своей информационной емкостью: на диске диаметром 12 см можно записать сотни тысяч страниц текста.
Среди полупроводниковых лазеров лучшим по праву считается лазер на основе арсенида галлия – соединения редкого элемента галлия с мышьяком. Его излучение не отличается большой мощностью. В последнее время проводятся интенсивные работы, направленные на создание полупроводникового лазера, способного генерировать непрерывное излучение большой мощности.
Лазеры могут функционировать как на твердых телах, так и на газах. А можно ли построить лазер на жидкости? Оказалось, можно. Жидкости объединяют в себе достоинства и твердых и газообразных лазерных материалов; плотность их всего в несколько раз ниже плотности твердых тел (а не в сотни тысяч раз, как плотность газов). Значит, жидкостный лазер легко сделать таким же мощным, как лазер твердотельный. Оптическая однородность жидкостей не уступает однородности газов, а значит, позволяет использовать большие ее объемы. К тому же жидкость можно прокачивать через рабочий объем, непрерывно поддерживая ее низкую температуру и высокую активность ее атомов.
Наиболее широкое распространение получили лазеры на красителях. Называются они так потому, что их рабочая жидкость – раствор анилиновых красителей в воде, спирте, кислоте и других растворителях. Жидкостные лампы могут излучать импульсы света различной длины волны – от ультрафиолетового до инфракрасного света – и мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт в зависимости от вида красителя. В последнее время разрабатываются химические лазеры, в которых атомы переходят в возбужденное состояние при действии энергии накачки химических реакций.
Волоконно-оптическая связь
На пути использования лазерного луча встали трудности: как передать его. Возникла интересная идея: а если луч пустить по гибкой трубке с зеркальными стенками? Ее можно изогнуть как угодно, а луч света будет отражаться от стенок и идти вперед. Его можно пустить и по сплошному стеклянному стержню – толщиной в несколько тысячных миллиметра стеклянному волокну. Стеклянные волокна можно собирать в жгуты разной толщины, как медные проволоки в кабеле. Тонкие стеклянные нити довольно гибки, волоконный световод можно изгибать, завязывать узлом и вообще обращаться с ним, как с обычным электрическим проводом.
В последнее время успешно развивается волоконная оптика – раздел оптики, изучающий процессы прохождения света и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона. Передавать по ним можно не только отдельные лучи. но и целые картины. При помощи световодов можно менять размеры изображения: если взять волокно, расширяющееся от начала к концу, изображение увеличится, если сужающееся – уменьшится. Гибкихе волоконные световоды позволяют тщательно осматривать внутренние детали машин и механизмов, не разбирая их: световод вводится внутрь через небольшое отверстие, свет от рампы попадает туда тоже по световоду. Таким образом можно осматривать не только машину, можно заглянуть в желудок человека и посмотреть, не угрожает ли ему язва или другая неприятность.
По одному и тому же световоду можно направить излучение второго лазера (с другой длиной волны), третьего, четвертого. Каждый из них может нести свой сигнал. По одному волокну, по стеклянной нити чуть толще волоса можно одновременно передавать 32 000 телефонных разговоров или 60 цветных телевизионных программ! Сейчас уже созданы световоды, способные работать в тех же условиях, что и обычные провода. Они выдерживают большие колебания температуры, обледенение, порывы ветра. Их можно прокладывать в земле и натягивать на столбах. Огромная пропускная способность световодов позволяет создать сеть кабельного телевидения, работающего без помех и искажений.
И вот что интересно: природа умудрилась создать даже такое сложное устройство, как волоконный световод, да еще настроенный на определенную длину волны. Хозяин этого устройства – белый медведь. Американским ученым удалось установить, что каждая шерстинка его шкуры работает как оптическое волокно. Солнечный свет нагревает шерсть, а тепловые лучи идут по шерстинкам к коже, согревая зверя.
Волоконно-оптические кабели настолько удачно сочетаются с лазерным лучом, что их сразу же решили приспособить к передаче мощных пучков света, вроде тех, что используются в промышленности. Это было нелегко, но в конце концов был создан световод, по которому можно «перекачивать» энергию от мощного импульсного или непрерывного лазера.
Перспективные направления развития лазерных технологий
Лазерные технологии по многообразию применений едва ли уступают охватившей в той или иной степени все основные сферы человеческой деятельности микроэлектронной технологии. Уникальная способность лазеров концентрировать световую энергию в пространстве, во времени и в спектральном интервале может быть использована двояко: во-первых, при нерезонансном взаимодействии мощных световых потоков с веществом в непрерывном и импульсном режимах, а во-вторых, при селективном воздействии на атомы, ионы и молекулы, вызывающем процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимической реакции. В этой связи возникли весьма перспективные быстро развивающиеся многоликие лазерные технологии, такие, как лазерная обработка материалов, лазерный термоядерный синтез, лазерная химия, лазерное воздействие на живую ткань, лазерная спектроскопия, лазерная связь и многие другие. Лазерный луч режет, сваривает, а также закаливает, сверлит, проверяет качество обработки деталей и делает множество других не менее важных дел. Обо всем этом рассказать невозможно, но кое о чем попытаемся.
Газовый лазер мощностью до 5 кВт, дающий инфракрасный луч, позволяет сваривать отдельные детали толщиной до 2 см. Шов при этом получается раза в четыре тоньше, чем при обычной электросварке, а электроэнергии тратится в три раза меньше! Лазер позволяет легко автоматизировать сварку, сваривать металлы, которые обычным способом соединить нельзя. Лучом лазера можно резать стальной лист толщиной до 40 мм. Причем не просто резать, но и вырезать из стального листа детали самой причудливой формы. Для этого лазер делается подвижным. Его движением управляет ЭВМ. При этом экономится до 15% материала. Такая лазерная установка может резать не только сталь, но и вообще любой листовой материал.
Лазерный луч может не только разрушать, но и упрочнять детали, закаливая их с поверхности. Стальная деталь при этом одевается закаленной «скорлупой», твердой и устойчивой к трению, хотя и довольно хрупкой Если такой будет вся деталь, то от удара она может расколоться, как стеклянная. Но в том-то и дело, что ее сердцевина остается упругой и вязкой: лазерная вспышка не успевает ее прогреть. Такая деталь устойчива и к ударам, и к трению, как знаменитый булат – гордость русских оружейников.
Лазер помогает сажать самолеты. Идеально прямые, яркие лучи разноцветных лазеров образуют в воздушном пространстве аэродрома разметку, по которой самолет может точно выйти на посадку. Но лазер способен не только облегчать жизнь здоровых людей, он может и лечить больных. Лазер – хирург и терапевт. Хирурги давно мечтали об инструменте, делающем бескровный разрез. Хорошо бы также, чтобы он был «понежнее». Ведь сегодня хирурги умеют делать операции на сетчатке глаза и вторгаются в святая святых организма – человеческий мозг. Орудовать там скальпелем – все равно что чинить часы топором. Современная техника предложила инструмент, сочетающий в себе очень многое, что необходимо хирургу, – световой луч.
Что может быть нежнее прикосновения луча света? Лазерным лучом можно сделать разрез шириной в тысячную долю миллиметра. В зависимости от энергии, которую он несет, и времени воздействия он может «заварить» сосуд (медики говорят: «коагулировать» его) или, наоборот, пробить в нем отверстие. Даже цвет луча оказался важен в хирургии. Кровь красная потому, что пропускает красные лучи, поглощая лучи всех других цветов. Поэтому рубиновый или гелий-неоновый лазер для «заваривания» сосудов не годится. А если использовать зеленый или синий лучи света, которые хорошо поглощаются кровью, можно добиться мгновенного образования сгустка крови, закупоривающего перерезанный сосуд. Такой свет дает аргоновый лазер. Бывают случаи, когда нужно разрушить поврежденную ткань, не затрагивая близлежащих сосудов. Тогда применяют гелий-неоновый или криптоновый лазер; луч красного цвета пройдет сквозь кровеносные сосуды, «не заметив их», не принося им вреда, прямо в нужное место с поврежденной тканью.
Особенно удобен оказался лазер в офтальмологии – области медицины, ведающей зрением. Лазерный луч можно ввести в глаз прямо через зрачок. С его помощью можно отрезать ненужный сосуд, заварить тот, который протекает, и ликвидировать кровоизлияние. Сегодня после многолетней практики лечения с помощью лазерного луча можно твердо сказать, что лазерная хирургия глаза – на правильном пути.
Голография и распознание образов
Однажды в музей небольшого города привезли коллекцию старинных драгоценностей. В витринах, освещенных яркими лампами, стояли маленькие застекленные шкатулки, а в них драгоценными камнями и эмалями сверкали старинные ордена и броши, тускло отсвечивали золотые кольца и браслеты работы древних мастеров, золотые самородки причудливой формы. Маленькая комната скромного провинциального музея превратилась в сказочную пещеру, заваленную несметными сокровищами: выставка была подготовлена Алмазным фондом. Посетители рассматривали драгоценности, восхищались мастерством ювелиров, дивились величине камней и их игре. Но вот настал вечер, посетители разошлись, и музей закрылся. Тогда заволновались сотрудники, дежурившие в зале: рабочий день закончился, почему же никто не приходит убирать драгоценности в сейф?! Стоимость не поддается оценке, а на окнах нет даже решеток, мало ли что! И тут в зал вошел электрик и повернул выключатель... Погасли лампы, и сразу пропали сияющие бриллианты, драгоценные эмали и золото. В витринах лежали листы стекла, мутного и как будто грязноватого. На выставке были не настоящие драгоценности, а фотопластинки с их изображениями! Но изображения эти не обычные, как на фотографиях, а объемные. Их можно рассмотреть с разных сторон и простым глазом, и в лупу, их можно фотографировать. Вот только потрогать и унести их с собой нельзя. Способ записи такого объемного изображения носит название голография, а сами такие изображения и пластинки с их записью называются голограммами. В переводе с греческого «голография» означает «полная запись»: изображение на пластинку дает иллюзию настоящего предмета.
Если для получения голограммы взять параллельный пучок света, а для ее восстановления – расходящийся, то полученное изображение будет увеличенным. И тем сильнее, чем больше расходится луч. Осветив голограмму светом не той же длины волны, а в 2, 3, 7 раз более длинной, мы опять-таки получим изображение, увеличенное во столько раз, во сколько одна световая волна длиннее другой! Таким способом можно построить голографический микроскоп, к тому же дающий объемное изображение.
Получать изображение можно, разумеется, не только с объемных предметов, но и с плоских – букв, цифр, рисунков, фотографий. Это не означает, правда, что обычная плоская фотография после голографирования приобретет объемность. Нет, это делается для того, чтобы можно было автоматизировать и другой, тоже важный процесс – распознавание образов.
Распознать нужный образ среди других значит сравнить все их с эталоном, выбрать один единственный, идентичный ему. Задача эта порой бывает очень сложна, требует опытного глаза и длительного навыка. Проверьте, например, сколько времени у вас уйдет, чтобы в толпе фигурок на рисунке опознать две одинаковые. Признаков, по которым они сравниваются, всего пять-шесть. А если их будет тридцать-сорок? Задача становится неизмеримо сложнее и кажется, что она не может быть решена при помощи машины. Но оказалось, что и в этом нелегком деле может помочь лазер.
Поставим на пути лазерного луча проверяемый кадр с запечатленными на нем образами (например, микрофотографию с изображением двух-трех сотен микробов), затем голограмму эталона, потом – экран. Будем менять диапозитивы: первый, второй, третий – экран остается темным. Но вдруг на нем справа, сверху появилось яркое пятно. Это означает, что в правом верхнем углу кадра находится искомый образ! Если он в кадре не один, то и точек на экране будет несколько. Проверяемый кадр может быть не только диапозитивом. Поиск образов можно вести и на рисунке, и на экране телевизора, в поле зрения микроскопа и даже просто в пространстве, освещенном лазерным светом. Вместо экрана ставится светочувствительный датчик, который срабатывает при появлении светового пятна и отмечает найденное изображение. На поиск при помощи голографии затрачивают в десятки тысяч раз меньше времени, чем при поиске вручную. Таким способом можно вести поиск любых образов при любом их числе, и даже не по целому образу, а по его фрагменту, небольшому кусочку. Такое изображение, восстановленное по фрагменту, называется фантомным (от французского слова «привидение», «призрак»).
Лазер – это не только объемная фотография и библиотека в кармане, не только новые сверхточные методы измерения и новая технология. Лазер способен давать многое, что стало уже привычным. От него можно ожидать и много неожиданностей, которые в руках пытливых естествоиспытателей превратятся в новые полезные дела.
Производство искусственных белков
Биотехнологии основаны на использовании живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. На базе биотехнологии освоено массовое производство искусственных белков, питательных и многих других веществ. Успешно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. Представляет практический интерес синтез других биологически активных веществ – гормональных препаратов и соединений, стимулирующих иммунитет – с применением современных методов генной инженерии и естественных биоорганических материалов.
Для увеличения производства продуктов питания весьма важны искусственные вещества, содержащие белки, необходимые для жизнедеятельности живых организмов. Благодаря важнейшим достижениям биотехнологии в настоящее время производится в промышленных масштабах целая гамма искусственных питательных веществ, по многим свойствам превосходящих продукты естественного происхождения.
Современные методы биотехнологии позволяют превратить огромные количества отходов древесины, соломы и других остатков растительных продуктов в ценные питательные белки. Такие методы включают процесс гидролизации промежуточного продукта – целлюлозы – с последующей нейтрализацией образующейся глюкозы и введением солей. Полученный раствор глюкозы представляет собой питательный субстрат микроорганизмов – дрожжевых грибков. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуется светло-коричневый порошок – высококачественный пищевой продукт, содержащий около 50% белка-сырца и различные витамины. Питательной средой для дрожжевых грибков могут служить и такие содержащие сахар растворы, как например, паточная барда и сульфитный щелок, образующийся при производстве целлюлозы. Для получения пищевых дрожжей в бывшем СССР в 1980 г. было переработано около 3 млн т древесных отходов.
Определенные виды грибков могут превращать нефть, мазут и природный газ в пищевую биомассу, богатую белками. Из 100 т неочищенного мазута с помощью грибков можно получить 10 т дрожжевой биомассы, содержащей 5 т чистого белка и 90 т дизельного топлива. Такое же количество дрожжей может быть произведено из 50 т сухой древесины или 30 тыс. м2 природного газа. Для производства данного количества белка потребовалось бы стадо коров из 10000 голов, а для их содержания нужны огромные площади пахотных земель.
Промышленное производство белков полностью автоматизировано, и скорость роста дрожжевых культур в тысячи раз выше, чем крупного рогатого скота. 1 т пищевых дрожжей позволяет произвести около 800 кг свинины, 1,5–2,5 т птицы или 15–30 тыс. яиц и сэкономить при этом до 5 т зерна.
Искусственные белковые питательные вещества – продукция бурно развивающейся микробиологической промышленности. Спиртовое брожение, лежащее в ее основе, было известно еще в каменном веке – в древнем Вавилоне варили около 20 сортов пива. Много столетий назад началось массовое изготовление общеизвестных алкогольных напитков. Эпохальным событием микробиологии можно считать разработку в 1947 г. промышленного способа производства пенициллина. Двумя годами позже в Японии на основе глутаминовой кислоты путем биосинтеза были впервые получены аминокислоты. Затем стали производиться антибиотики, витаминно-белковые добавки к продуктам питания, препараты ферментов, ростовые вещества (например, гибберилин), бактериологические удобрения, средства защиты растений и другие ценные вещества.
Биокатализ
Способность рекомбинантной ДНК управлять синтезом ферментов расширяет область применений микроорганизмов в биотехнологии. Появляется возможность производить многие ферменты при сравнительно их невысокой себестоимости. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе.
Успеху в биокатализе в значительной степени способствовал разработанный в недалеком прошлом метод иммобилизации ферментов, который заключается в удерживании фермента в неподвижном состоянии на твердой подложке. При иммобилизации фермент стабилизируется и в результате выход конечного продукта увеличивается. Упрощается при этом и операция очистки конечного продукта.
Технология иммоифера позволяет, например, улучшить качество пенициллина. Под воздействием ферментов кукурузный крахмал превращается в глюкозу. С помощью иммобилизации фермента изомеразы некоторая часть глюкозы преобразуется в более сладкую продукцию – фруктозу. Так, в США ежегодно производится более 2 млн т кукурузной патоки с высоким содержанием фруктозы. Иммобилизация не требует обязательного выделения определенного фермента. Клетка, содержащая нужный фермент, поддается операции иммобилизации. Иммобилизованные клетки дрожжей применяются при ферментации в массовом производстве этилового спирта.
Кукурузный и пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты (см. рис.8.1). Однако такое растительное сырье потребляется преимущественно в качестве пищевых продуктов.
Для ферментации можно использовать относительно большой объем биомассы из отходов сельского и лесного хозяйств. Такая биомасса состоит в основном из лигноцеллюлозы (лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза). Лигнин – одеревеневшая часть растительных тканей сопротивляется биокаталитическому расщеплению и препятствует ферментации целлюлозных компонентов, поэтому природную биомассу необходимо предварительно освободить от лигнина, идущего в отходы. Осуществление рациональной биокаталитической переработки биомассы в виде отходов сельского и лесного хозяйств требует дальнейших исследований, направленных на разработку способов химической модификации исходных материалов.
Генные технологии основаны на методах молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии, часто называемые генной инженерией, родились в начале 70-х годов XX в. под названием технологий рекомбинантных ДНК. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. На начальной стадии развития генных технологий получен ряд биологически активных соединений – инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяет химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывает новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства.
Заданные операции с фрагментами ДНК позволяют производить два вида белков: фермент рестриктазу и ДНК – лигазу. Первый из них выполняет функцию катализатора при расщеплении ДНК на определенные фрагменты нуклеотидов, а другой катализирует объединение двух фрагментов ДНК. Например, рестриктаза Bam H1 распознает двухцепочную последовательность GGATCC и разрывает ее между двумя нуклеотидами G, т. е. производит разрыв цепи ДНК в определенном месте, в результате чего образуются два отдельных фрагмента ДНК. Данные фрагменты можно связать вместе с помощью ДНК-лигазы и получить таким образом первоначальную двухцепочную последовательность нуклеотидов. ДНК-лигаза может встроить в ДНК чужеродный фрагмент. Образовавшийся продукт называется рекомбинантной ДНК. Чужеродный фрагмент вырезается из донорной молекулы. ДНК, в которую встраивается чужеродный фрагмент, называется плазмидой. Если полученная таким образом конструкция работоспособна, то происходит синтез РНК и в конечном результате – белка.
Основная цель генных технологий – видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с заданными свойствами. Современные экспериментальные методы позволяют анализировать и идентифицировать фрагменты ДНК и генетически видоизмененной клетки, в которую введена нужная ДНК. С их помощью целенаправленно осуществляются химические операции над биологическими объектами, что и составляет основу генных технологий.
Генные технологии привели к разработке мощных методов анализа генов и геномов, а они, в свою очередь, – к синтезу, т. е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов. К 1996 году установлены нуклеотидные последовательности 11 разных микроорганизмов, начиная от самой маленькой автономно размножающейся микроплазмы, содержащей всего 580 тыс. нуклеотидных пар. Среди них – и промышленные штаммы, и те, геном которых особо интересен для науки, в частности для обнаружения ранее неизвестных принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи в свою очередь убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход.
Клонирование эукариотных, т. е. ядерных, генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии, фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов – переносчиков генов – используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных образований для выделения и клонирования.
С помощью так называемых молекулярных проб (фрагментов ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов) можно быстро определять, скажем, заражена ли донорская кровь вирусом СПИДа. А генные технологии, с помощью которых можно идентифицировать некоторых конкретных микробов, позволяют пристально следить за их распространением, например внутри больницы или при эпидемиях.
Генные технологии производства вакцин развиваются в двух основных направлениях. Первое – улучшение уже существующих вакцин. Вакцины должны стать более эффективными, работать в меньших дозах и не давать побочных эффектов. Идеал – это так называемая комбинированная вакцина; сразу несколько вакцин в одной дозе. Второе направление – генные технологии получения вакцин против тех болезней, при которых сам метод вакцинации еще не использовался; это – СПИД, малярия, даже язвенная болезнь желудка и некоторые другие.
За последние годы генные технологии не только значительно улучшили эффективность традиционных, природных штаммов – продуцентов, но и создали принципиально новые. Например, у грибного штамма – продуцента антибиотика цефалоспорина увеличили число генов, кодирующих экспандазу, активность которой задает скорость синтеза цефалоспорина. В итоге выработка антибиотика возросла на 15–40% по сравнению с исходным штаммом.
Проводится целенаправленная работа по генетической модификации свойств микробов, традиционно используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии. Цели этой работы: увеличение устойчивости производственных штаммов, повышение их конкурентоспособности по отношению к вредным бактериям и улучшение качества продукта (аромата, питательной ценности, крепости и т. д.).
Генетически модифицированные микробы могут принести большую пользу при взаимодействии с сельскохозяйственными растениями и животными, с их патогенными вирусами и микробами; с вредными насекомыми, с почвой. Вот примеры. Можно модифицировать те или иные растения, сделать их более устойчивыми к инфекционным болезным, внеся в них гены, которые блокируют развитие вирусных или грибковых заболеваний. Так, в Китае устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращивают уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам.
Одно из самых тревожных опасений: не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению покуда не известных эпидемиологам заболеваний и других нежелательных последствий. Практика показывает, что широкомасштабная генная инженерия микроорганизмов, продолжающаяся вот уже около 30 лет, до сих пор не дала ни одного примера отрицательных последствий. Более того, оказалось, что все рекомбинантные микроорганизмы, как правило, менее вирулентны, т. е. менее болезнетворны, чем их исходные формы.
Однако биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Надо говорить так: вероятность того, что это случится, очень мала. И тут – как безусловно положительное – важно отметить, что все виды работ с микроорганизмами строго регламентированы, и цель такой регламентации – уменьшить вероятность распространения инфекционных агентов.
Трансгенные штаммы не должны содержать генов, которые после их переноса в другие бактерии смогут дать опасный эффект.
Родился ягненок, генетически неотличимый от особи, давшей соматическую клетку. Может быть каждая клетка нашего организма способна породить новый полноценный организм. Клонирование человека – это шанс иметь детей для тех, кто страдает тяжелыми формами бесплодия; это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходит в негодность; наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном –воспроизвести ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей. Подобного рода доводами в 1997–1998 годах были переполнены различные источники массовой информации во многих странах. В последнее время пресса и телевидение все больше уделяют внимание проблеме так называемого клонирования животных и человека, давая информацию зачастую неверную и предоставленную достаточно некомпетентными людьми.
По принятому в науке определению, клонирование – это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий. Вполне естественно, что все воспроизведенные копии должны обладать идентичной наследственной информацией, т. е. нести одинаковый набор генов.
В ряде случаев получение клона животных не вызывает особого удивления и относится к рутинной процедуре, хотя не такой уж и простой. Генетики получают подобные клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза – бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, которые развиваются из той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. У нас в стране, например, блестящие работы по клонированию такого рода выполняют на шелкопряде. Выведенные клоны шелкопряда замечательны своей высокой продуктивностью по выработке шелка и славятся на весь мир.
Однако нынче речь идет о клонировании другого рода – скажем, о получении ряда точных копий того или иного животного, «прославившегося» какими-то своими выдающимися качествами (рекордными надоями молока или высоким настригом шерсти), а кроме того, о возможности клонирования некоего ученого мужа, или политика, или артиста, особо ценного для человечества в силу его несомненной гениальности. Вот тут-то и возникают весьма и весьма большие сложности.
Еще в далекие 40-е годы российский эмбриолог Г.В. Лопашов разработал метод пересадки (трансплантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948г. он отправил в «Журнал общей биологии» статью, написанную по материалам своих экспериментов. Однако на его беду в августе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, по воле партии утвердившая беспредельное господство в биологии малограмотного агронома Трофима Лысенко, и набор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассыпан, поскольку она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном развитии организмов. Работу Лопашова забыли, а в 50-е годы американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили сходные опыты, и приоритет достался им, как часто случалось в истории российской науки.
В феврале 1997 г. появилось сообщение о том, что в лаборатории Яна Вильмута в Рослинском институте (Эдинбург) разработан эффективный метод клонирования млекопитающих и на его основе получена овечка Долли. Посмотрим, как это было. Прежде всего, естественно, необходимо было выделить ооциты, то есть яйцеклетки. Их извлекли из овец породы Шотландская черномордая, затем поместили в искусственную питательную среду с добавлением эмбриональной телячьей сыворотки при температуре 37° С и провели операцию энуклеации – удаления собственных ядер. Следующая задача: обеспечить яйцеклетку генетической информацией от организма, который надлежало клонировать. Для этой цели использовали разные клетки донора, но наиболее удобными оказались диплоидные, то есть несущие полный генетический набор, клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет. Эти клетки выводили из стадии роста клеточного цикла и через пять дней сливали с энуклеированным ооцитом. Последний затем активировали к развитию посредством электрического удара. Потом развивающийся зародыш в течение шести дней культивировали в искусственной химической среде или в яйцеводе овцы, перетянутом лигатурой ближе к рогу матки. И наконец, после этого эмбрионы (от одного до трех) трансплантировали в матку приемной матери, где они могли развиваться до рождения.
Из 236 опытов успешным оказался лишь один, в результате которого и родилась овечка Долли, несущая генетический материал той самой взрослой овцы. После этого Вильмут заявил, что технически можно осуществить и клонирование человека, хотя в этом случае, как уже отмечалось, возникают моральные, этические и юридические проблемы, связанные с манипуляциями над эмбрионами человека.
Некоторые ученые считают, что фактически невозможно возвратить изменившиеся ядра соматических клеток в исходное состояние, чтобы они могли обеспечить нормальное развитие той яйцеклетки, в которую их трансплантировали, и на выходе дать точную копию донора. Но даже если все проблемы удастся решить и все трудности преодолеть (хотя это мало вероятно), клонирование человека нельзя считать научно обоснованным. Действительно, допустим, что трансплантировали развивающиеся яйцеклетки с чужеродными, донорскими, ядрами нескольким тысячам приемных матерей. Именно нескольким тысячам: процент выхода низкий, а повысить его, скорее всего, не удастся. И все это для того, чтобы получить хотя бы одну единственную рожденную живую копию какого-то человека, пусть даже гения. А что будет с остальными зародышами? Ведь большая их часть погибнет в утробе матери или разовьется в уродов. Представляете себе: тысячи искусственно полученных уродов! Это было бы преступлением, а потому вполне естественно ожидать принятие закона, запрещающего такого рода исследования как в высшей степени аморальные. Что касается млекопитающих, то в этой области едва ли целесообразно тратить бешеные деньги на опыты, которые ни теории, ни тем более практике ничего не дадут. Гораздо лучше поддержать работы по трансгенным животным, генотерапии, генным технологиям.
Контрольные вопросы
1. Что представляют собой современные информационные технологии?
2. Какова история развития вычислительных средств?
3. Охарактеризуйте поколения электронных вычислительных машин и их функциональные возможности.
4. В чем заключается ограниченность возможностей персональных компьютеров?
5. Каковы возможные пути повышения информационной плотности записи?
6. Охарактеризуйте голографическую память.
7. Что такое нейронные сети?
8. При каких условиях мультимедийные системы способствуют развитию интеллекта?
9. Дайте краткую характеристику микроэлектронных и наноэлектронных технологий.
10. Назовите основные этапы развития твердотельной электроники.
11. Охарактеризуйте способы повышения степени интеграции.
12. Какие технологические приемы лежат в основе наноэлектронных технологий?
13. Назовите основные особенности лазерного излучения.
14. Каковы разновидности лазеров и их характеристики?
15. Как осуществляется волоконно-оптическая связь?
16. Где применяются лазерные технологии?
17. В чем сущность голографического изображения?
18. Что такое распознание образов?
19. На чем основаны биотехнологии?
20. Каков механизм превращения растительных отходов в ценные продукты?
21. В чем заключается метод иммобилизации ферментов ?
22. Из каких операций состоит генная технология?
23. Приведите примеры, подтверждающие реальную пользу от генных технологий.
24. В чем заключается потенциальный риск при внедрении в практику генных технологий?
25. Что такое клонирование?
26. К каким последствиям может привести клонирование человека?
Естественно научное понимание энергии
Слово «энергия» в переводе с греческого означает действие, деятельность. Согласно современным представлениям энергия – это общая количественная мера различных форм движения материи. Существуют качественно разные физические формы движения материи, способные взаимно превращаться. В середине XX в. было установлено важное свойство материи: все ее формы движения превращаются друг в друга в строго определенных отношениях. Именно такое свойство и позволило ввести понятие энергии как общей меры движения материи.
Превращение энергии подчиняется фундаментальному закону сохранения, из которого следует невозможность создания вечного двигателя. В большинстве случаев полезная работа совершается только в результате определенных изменений состояния окружающих тел или систем (горения топлива, падения воды и т. п.). Работоспособность тела, т. е. способность его совершать определенную работу при переходе из одного состояния в другое, определяется энергией. Различным формам физического движения соответствуют различные виды энергии: механическая, тепловая, химическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. Однако способность движения материи к взаимным превращениям придает данным видам энергии условный характер. Движение – неотъемлемое свойство материи, поэтому все виды энергии всегда локализованы в определенных материальных объектах.
Энергия характеризует способность материальных объектов совершать работу, а работа производится при действии на объект физической силы. Значит, работа – это энергия в действии. Движется автомобиль, скользят санки по склону горы, набегающая волна приподнимает плот и т. д. – все это примеры совершаемой работы, энергии в действии.
Уровень развития современного общества во многом определяется производством и потреблением энергии. Благодаря потреблению энергии движется транспорт, улетают в космос ракеты, готовится пища, обогреваются жилища и приводятся в действие кондиционеры, освещаются улицы и т. д. Можно сказать: окружающий нас мир заполнен энергией, которая может быть использована для совершения различных видов работы. Энергией обладают люди и животные, камни и растения, ископаемое топливо и деревья, реки и озера, Мировой океан и т. п.
Энергия - источник благосостояния
В последнее время как никогда, обсуждается вопрос: что ждет человечество – энергетический голод или энергетическое изобилие? На страницах газет и журналов все чаще появляются статьи об энергетическом кризисе. Стремление обладать источником энергии (обычно нефти) приводит к возникновению войн. Газетными сенсациями стали сообщения о запуске новых энергетических установок и новые изобретения в области энергетики. Предлагаются гигантские энергетические программы, рассчитанные на привлечение огромных материальных ресурсов.
Если в конце XIX века самая распространенная сейчас энергия – электрическая – играла вспомогательную и незначительную роль, то уже в 1930 г. во всем мире было произведено около 300 млрд кВт. ч электроэнергии. Вполне реален прогноз, согласно которому в 2002 г. будет произведено 30 тыс. млрд кВт·ч! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии мало, потребности в ней растут быстро.
Развитие экономики, уровень материального благосостояния, людей находится в прямой зависимости от количества потребляемой энергии. Многие виды трудовой деятельности основаны на потреблении энергии. Для добычи руды, выплавки из нее металла, для строительства дома и т. д., нужна энергия. Потребности людей постоянно растут, потребителей энергии становится все больше – все это приводит к необходимости увеличения объемов производимой энергии.
Природные энергоресурсы могут быть одним из основных источников процветания жизни. В качестве примера можно назвать нефть, добываемую в Арабских Эмиратах. Эту когда-то отсталую страну нефтяные энергоресурсы вывели на современный уровень развития. Построены большие города, по внешнему облику и инфраструктуре очень похожие на многие города такой развитой страны, как США. Проезжая, например по городу Абу-Даби – столице Арабских Эмиратов, утопающей в ковровой зелени и многокрасочных цветах, – трудно поверить, что этот город, как и многие другие города Эмиратов, вырос на пустынной земле, сквозь песчаную толщу которой с большим трудом пробивается верблюжья колючка. Такие города – эдемские уголки Арабских Эмиратов – выросли очень быстро, за каких-то двадцать-тридцать лет. Было бы ошибочно думать, что только благодаря нефти – основному источнику энергии – можно преобразовать пустынную землю. Продуманное государственное управление вместе с хорошо отлаженной системой образования, включающей религиозное воспитание, играют при этом не менее важную роль в развитии Арабских Эмиратов.
Из фундаментального закона природы следует, что пригодную для потребления энергию можно получить из других форм энергии в результате их преобразования. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт электроэнергии получаются в принципе тем же способом, которым пользовался первобытный человек для согревания, т. е. при сжигании топлива или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Новые факторы – возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды – потребовали нового подхода к энергетике.
В основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах. Однако структура ее изменится. Сократится потребление нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется разработка пока еще не тронутых гигантских запасов дешевого угля, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Будет широко применяться природный газ, запасы которого в нашей стране сравнительно велики.
К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь небезграничны. В естественных условиях они формировались миллионы лет, а будут израсходованы за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Лишь при экономном, рачительном потреблении природных ресурсов их может хватить на века. К сожалению, многие страны живут сегодняшним днем, добывая в большом количестве подаренные им природой богатства. Многие из таких стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь над тем, что через несколько десятков лет земные запасы иссякнут. Что же произойдет тогда – а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? При этом следует иметь в виду, что и нефть, и газ потребляет не только энергетика, но и транспорт, и химическая промышленность. Ответ очевиден – поиск новых источников энергии. Ученые, инженеры еще с давних времен занимаются поиском новых, нетрадиционных источников, которые могли бы обеспечить человечество энергией. Возможны разные пути решения данной проблемы. Самый очевидный путь – использование вечных, возобновляемых источников энергии – энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, Солнца. Можно назвать еще один заманчивый путь – управляемый термоядерный синтез, над освоением которого усердно работают ученые многих стран.
Способы преобразования энергии
Можно назвать три основных способа преобразования энергии. Первый из них заключается в получении тепловой энергии при сжигании топлива (ископаемого или растительного происхождения) и потреблении ее для непосредственного обогревания жилых домов, школ, предприятий и т. п. Второй способ – преобразование заключенной в топливе тепловой энергии в механическую работу, например, при использовании продуктов перегонки нефти для обеспечения движения различного оборудования, автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и т. д. Третий способ – преобразование тепла, высвобождающегося при сгорании топлива или деления ядер, в электрическую энергию с последующим ее потреблением либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы.
Электроэнергия получается и при преобразовании энергии падающей воды. Электроэнергия таким образом играет роль своеобразного посредника между источниками энергии и ее потребителями (рис. 9.1). Как посредник на рынке ведет к повышению цен, так и потребление энергии в форме электричества приводит к росту цен из-за потерь при преобразовании одного вида энергии в другой. В то же время преобразование различных форм энергии в электрическую удобно, практично, а иногда это единственно возможный путь реального потребления энергии. В ряде случаев просто невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. До открытия электричества энергия падающей воды (гидроэнергия) применялась для обеспечения движения механических устройств: прядильных машин, мельниц, лесопилок и т. д. После преобразования гидроэнергии в электрическую сфера применения значительно расширялась, стало возможным ее потребление на значительных расстояниях от источника. Энергию деления ядер урана, например, невозможно непосредственно использовать без превращения ее в электрическую.
Ископаемые виды топлива, в отличие от гидроисточников, долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, а нередко и высушенный торф сжигались для обогрева жилых домов, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное масло, полученное путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по-настоящему раскрыт потенциал данного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и движения различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями, работавшие на угле. В начале XX в. уголь начали сжигать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.
В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно дает тепло и свет, является одним из основных источников электроэнергии и механической энергии для обеспечения огромного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое органическое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства большого многообразия полезной и ценной продукции.
Химические процессы и преобразование энергии
Еще в недалеком прошлом во многих странах основным источником энергии был каменный уголь. Однако с течением времени добыча нефти возрастала, и к середине XX в. потребление нефти и угля сравнялось. Трехкратное увеличение населения в XX в. сопровождалось приблизительно десятикратным увеличением потребления всех видов энергии.
Химические процессы – сжигание нефти, природного газа и угля – обеспечивают производство значительной доли энергии во всем мире. При преобразовании световой и тепловой энергии в электрическую химические процессы также неизбежны. Химические технологии лежат в основе создания высококачественных теплоносителей и термостойких материалов для современных энергетических установок. Все это означает, что прогресс в развитии энергетики во многом зависит от достижений современной химии.
Первой энергетической установкой промышленного масштаба была паровая машина, созданная во второй половине XVIII в. английским изобретателем Джеймсом Уаттом (1736–1819). Тепловая энергия в ней превращалась в механическую работу. С паровой машиной долгое время конкурировало водяное колесо. Гораздо позднее – к середине XIX в. – была создана гальваническая батарея – первый источник электрического тока. В поисках более эффективных источников тока для телеграфной связи в 1866 г. немецкий электрик Вернер Сименс (1816–1892) изобрел динамомашину – генератор тока, ставший отправной точкой для новых исследований и разработок многочисленных источников электрического тока. Электроэнергия в те времена производилась в небольших количествах и была слишком дорогой. Так, например, алюминий и магний, полученные электрохимическим путем в середине XIX в., стоили дороже золота и платины. С модернизацией генератора электрического тока энергия постепенно дешевела, что способствовало бурному развитию химической промышленности.
При превращении электрической энергии в тепловую была достигнута температура примерно 3500° С. Такую высокую температуру не удавалось получить ранее никакими другими способами. Только с применением электроэнергии были реализованы методы восстановления металлов и выплавлены в чистом виде многие металлы, а также синтезированы не существующие в природных условиях соединения металлов с углеродом – карбиды. На химических заводах, кроме того, стало возможным осуществлять электрохимическое разложение вещества в крупных промышленных масштабах. Так открывались новые пути развития разных отраслей химической промышленности, производящей многообразные синтетические неорганические вещества.
В настоящее время химическая промышленность – одна из самых энергоемких отраслей. Количество энергии, необходимое для промышленного производства различной продукции, зависит от ее вида, что наглядно представлено на рис. 9.2, где даны энергозатраты Q, выраженные в тоннах природной нефти на 1 т продукта. Например, для производства 1 т карбида кальция или хлора требуется не менее 3500 кВт электроэнергии. Расход электроэнергии на производство алюминия и магния равен 14–18 кВт на 1 т. В общих затратах на производство многих видов промышленной продукции на долю электроэнергии приходится 18–25%. Для карбида кальция затраты на электроэнергию составляют почти половину его себестоимости, для поливинилхлорида и полиэтилена – 35–50%, для ацетальдегида – даже 45–70%. С каждой тонной азотного удобрения в землю «закапывается» почти 14 000 кВт энергии.
Быстрое развитие химической промышленности и материального производства вообще требует не только роста выработки электроэнергии, но все в большей степени ее рационального потребления.
Долгое время невысокая эффективность преобразования тепловой энергии в полезную работу связывалась с несовершенством самого механизма преобразования. С развитием термодинамики стало ясно, что существует ограничение полного преобразования всей тепловой энергии в полезную работу. Такое ограничение следует из фундаментальных законов термодинамики и обусловливается необратимостью тепловых процессов. К настоящему времени значительная часть всевозможных усовершенствований, направленных на повышение эффективности производства электроэнергии с использованием пара, в основном уже осуществлена. Если КПД первых паровых машин составлял 2–5%, то КПД современных энергетических систем – тепловых элетростанций, работающих на том или ином виде топлива и вырабатывающих пар для последующего преобразования его энергии посредством турбогенератора в электрическую, – достигает около 40%. Атомные электростанции также вырабатывают пар, подаваемый в турбогенераторы. КПД их не превышает 32%, а это означает, что только 32% тепловой энергии, выделяющейся при делении урана, преобразуется в электрическую.
Производство электрической энергии даже с применением современных энергетических систем сопровождается большими потерями тепла. Особенно велики потери тепла, когда электрическая энергия снова преобразуется в тепло либо другие виды энергии на месте потребления. Существенными потерями сопровождается и передача электроэнергии, особенно на большие расстояния. В последние десятилетия интенсивно ведутся работы по синтезу электропроводящих материалов проводников для передачи электроэнергии с минимальными потерями. Уже синтезированы высокотемпературные сверхпроводящие материалы. Однако для передачи электроэнергии нужны такие проводники, сверхпроводящее свойство которых проявлялось бы не при низких, а при обычных температурах.
К большим потерям приводит и потребление электроэнергии в химической промышленности. Например, энергетический КПД для процесса синтеза аммиака составляет 25–42%, хотя потребление энергии для такого процесса за последние 50–60 лет уменьшилось более чем на 50%. Для обычных способов получения винилхлорида он равен 12%, а для его синтеза из NO – всего лишь 5–6,5%. В большинстве случаев высокотемпературные процессы сопровождаются потерями энергии до 60–70%. Потери энергии в химическом производстве обусловливаются вполне объяснимыми объективными факторами, связанными с уровнем развития не только химических технологий, но и естествознания в целом. Однако есть и субъективные причины. Одна из них – очень часто разрабатываются методы превращения веществ с высоким процентом выхода конечной продукции без учета энергетической эффективности технологических процессов. В данной связи многие технологические процессы имеют сравнительно высокий процент выхода конечной продукции, но низкий энергетический КПД.
Повышение энергетического КПД процессов и аппаратов – одна из важнейших задач совершенствования химической технологии. Возможны разные способы ее решения – улучшение условий химических реакций, уменьшение числа стадий технологического процесса, осуществление реакций при невысоких, т. е. обычных температурах и давлениях, приближение химических процессов к биологическим и, наконец, разработка новых технологических приемов.
Проблема энергосбережения охватывает не только химические процессы, но и весь технологический цикл производства конечного продукта, включающий весьма важные стадии – добычу и первичную переработку природного сырья.
Новые методы, модифицированные установки и аппараты, новейшие технологии позволяют постепенно решать проблему энергосбережения. Конечно, на всех действующих предприятиях всеми возможными мерами необходимо сокращать бесполезное рассеяние энергии. Такие меры известны: это оптимизация производственных процессов, утилизация рассеянного тепла, улучшение изоляции и герметичности, оптимизация процессов испарения и конденсации и т. д. Сохранение энергетических ресурсов – неотъемлемая и значимая задача всех отраслей материального производства.
Существенная доля электроэнергии производится на тепловых электростанциях, на которых ископаемое топливо используется для получения тепла и пара, подаваемого на турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Топливом служит уголь, нефть или природный газ, а на атомных станциях – ядерное горючее, выделяющее тепло при делении ядер.
Принципы работы различных тепловых станций во многом совпадают и отличаются способом получения тепла от первичного источника – органического либо ядерного топлива. В результате сжигания топлива или ядерных реакций выделяется тепло, используемое для нагревания воды и получения пара (рис. 9.3). Полученный пар с высокими температурой и давлением подается на турбину, вращающую якорь генератора электрического тока. Отработанный пар с пониженными температурой и давлением, покидая турбину, направляется в конденсатор, через который пропускается охлаждающая вода для превращения пара в воду. В процессе конденсации пара охлаждающая вода нагревается, эта вода сбрасывается в водоем, откуда она забиралась, либо пропускается через градирни для охлаждения и повторного использования в конденсаторе. Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и описанный выше цикл повторяется.
На современной топливной станции с КПД около 40%, работающей на угле, на каждую единицу произведенной электрической энергии теряется 1,5, а на атомной станции 2,33 единицы тепла. Тепловые сбросы на атомных электростанциях передаются в основном воде, охлаждающей конденсаторы. На электростанциях на органическом топливе охлаждающей воде передается около 75% тепловых отходов, а остальное неиспользованное тепло отводится через дымовые трубы.
Громадное количество производимой электрической энергии неизбежно влечет за собой сброс чрезвычайно больших объемов тепловых отходов в окружающую среду: реки, водоемы и атмосферу. Сбрасываемое тепло приводит к тепловым загрязнениям окружающей среды. Тепловое загрязнение (преимущественно воды) сопровождает процесс охлаждения открытого типа, при котором охлаждающая вода поступает из внешнего резервуара (бассейна реки, водоема) и затем в нагретом состоянии после использования для конденсации пара возвращается опять в тот же резервуар, откуда она забиралась. Охлаждение другого типа – с замкнутым циклом, когда тепло, получаемое охлаждающей водой, рассеивается в атмосфере при помощи градирен (башен, в которых вода охлаждается путем разбрызгивания и испарения) – приводит к тепловому загрязнению в основном атмосферы. Результаты исследований показывают, что тепловое загрязнение и воды, и атмосферы нарушает жизнедеятельность экосистем. Кроме того, тепловые электростанции – источник колоссального количества углекислого газа, двуокиси серы и других газов, загрязняющих атмосферу. Все это означает, что производство энергии на тепловых станциях – не самый лучший и эффективный способ производства энергии. В этой связи продолжается поиск более эффективных источников энергии.
Способы повышения эффективности производства энергии
Известно несколько способов повышения эффективности производства электроэнергии: создание тепловых электростанций с утилизацией тепловых отходов, применение комбинированного способа производства электроэнергии, создание магнитогидродинамических установок (МГД-генераторов), разработка энергосистем с прямым преобразованием энергии.
На тепловых электростанциях с утилизацией тепловых отходов тепло, полученное при сжигании топлива или цепной реакции деления и не способное превратиться в электрическую энергию, используется для обогревания жилых домов, общественных и промышленных зданий и т. п. Такие станции производят и электроэнергию, и тепло.
При комбинированном способе получения электрод-энергии обычная тепловая система дополняется газовой турбиной (рис. 9.4). Газовая турбина широко применяется в двигателях реактивных самолетов. На электростанциях она вращается не паром, а потоком газов – продуктов сгорания керосина или природного газа. Газовая турбина вращает якорь электрогенератора, вырабатывающего электрический ток. При этом в электричество преобразуется около 25% тепловой энергии, образующейся при сжигании горючего. Горючие газы, покидающие газовую турбину, нагревают паровые котлы, и полученный пар подается на паровую турбину.
Одно из усовершенствований тепловых электростанций заключается в том, что образующиеся при сгорании топлива горячие газы используются в МГД-генераторах. В горячие газы добавляется металлический калий, который легко ионизируется с образованием заряженных частиц. Поток горячего газа с заряженными частицами, представляющий собой низкотемпературную плазму, направляется в специальный канал, окруженный катушками с током, создающими магнитное поле. При движении и перераспределении заряженных частиц в магнитном поле возникает электрический ток, снимаемый электродами, расположенными вдоль канала. После выхода из канала горячие газы служат для получения пара, направляемого в турбину, соединенную с генератором, дающим электрический ток. В МГД-генераторе энергия электропроводящей низкотемпературной плазмы напрямую преобразуется в электрическую. Предполагается, что комбинация МГД-генератора с обычной теплоэлектрической системой позволяет получить КПД до 65%. Работы по практическому применению МГД-генераторов ведутся с конца 50-х гг. XX в. Однако пока достигнут КПД не выше 40%, поэтому они не нашли широкого промышленного применения.
Проблемы прямого преобразования энергии
Прямое преобразование химической энергии в механическую, происходит, например, при мышечной деятельности живых существ. Подобное превращение удалось испытать в лабораторных условиях: синтезирована пластмассовая пленка, которая под влиянием щелочей растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а под действием соляной кислоты сокращается. В результате такой деформации пленка может совершать полезную механическую работу. Для возбуждения процессов сжатия и расширения в лабораторных моделях применялись коллогенные белковые волокна в сочетании с растворами солей различных концентраций.
Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в созданных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок. Приведенные способы прямого преобразования энергии не являются примером промышленного производства энергии.
Производство электроэнергии на тепловых станциях осуществляется по классической схеме: химическая энергия топлива –> тепловая энергия –> механическая энергия –> электроэнергия. При прямом преобразовании химической энергии в электрическую повышается КПД и экономятся материалы. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения требований к экологической чистоте энергетических установок и транспорта, как одного из основных потребителей энергоресурсов вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие ресурсы энергии с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство автомобилей с электрохимическими источниками энергии существенно возрастет уже в ближайшем столетии (рис.9.5).
Примеры широко применяемых устройств прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различного рода аккумуляторы. В предложенных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Принцип их действия аналогичен принципу действия электрохимических элементов. Однако электроды топливных элементов служат катализаторами и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Например, в водородкислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны (рис. 9.6). В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготовли-вается из пористого никелькерамического сплава с включением никелевых частиц, а катод – из того же сплава с включениями частиц серебра. Из 1 кг водорода в водородкислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. В таком элементе образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Почему же они широко не внедряются и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на данный вопрос включает пока нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Во-первых, водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать. Во-вторых, несмотря на оригинальные предложения по накоплению водорода в некоторых гидридах металлов, проблема его безопасного хранения и транспортировки требует дальнейших технических совершенствований.
И все же в последние годы автомобилю с электрическим двигателем, т. е. электромобилю уделяется все больше внимания. Не так давно германская фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он набирает за 20 с скорость 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая – около 350° С, что делает его взрыво- и пожароопасным.
Практический интерес представляют топливно-гальванические элементы, особенно воздушно-алюминиевые, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава, а электролитом, к примеру, – водный раствор поваренной соли. Электрический подзаряд такому элементу не нужен, энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. Идет такой процесс окисления с КПД около 80%, и сгоревший при комнатной температуре 1 кг алюминия способен выделить примерно столько энергии, сколько даст 1 кг каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре. Достоинств у таких источников энергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики. А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его процесса производства. Такой недостаток можно свести к минимуму при внедрении, например, новой технологии получения алюминия, (см. рис. 9.7). При промышленном освоении такой технологии алюминий и его сплавы станут намного дешевле.
Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. В обычных батареях, в которых преобразуется энергия химического процесса взаимодействия цинка и оксида ртути, используется водный электролит. Литий-йодные батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных их размерах батареи получить сравнительно большую емкость и увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах, обеспечивающих нормальный ритм работы сердца. Срок их службы в несколько раз больше, чем обычных батареек, и составляет до 10 лет, а это означает, что данные батареи позволяют сократить число хирургических операций для вживления электрокардиостимулятора.
При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой ими электроэнергии.
В последнее время возрастает интерес к неорганическим источникам энергии, т. е. источникам, в которых не принимает участие химический процесс – горение. К ним относятся гидроисточники (гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие электростанции, приливные электростанции), геотермальные источники, гелиоисточники, ветроустановки и атомные электростанции.
Гидроэлектростанции
Принцип работы гидроэлектростанций основан на преобразовании потенциальной энергии падающей воды в кинетическую энергию вращения турбины, связанной с генератором, преобразующим кинетическую энергию в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу, при котором вода реки не подпруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для них требуется большой перепад уровней реки, например как на Ниагарском водопаде, где и была построена первая гидроэлектростанция подобного типа. На современных гидроэлектростанций возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины (см. рис. 9.8). Плотина не только создает вместилище для накопления воды, но и повышает ее уровень. При этом увеличивается потенциальная энергия воды, что приводит к возрастанию кинетической энергии вращения турбины и в конечном результате – к увеличению вырабатываемой электроэнергии. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращающиеся лопости турбины, соединенной с генератором. Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. КПД гидроэлектростанций составляет 60–70%, т. е. 60–70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.
Сооружение гидроэлектростанций обходится дорого, и они требуют эксплуатационных расходов, но зато работают на «бесплатном топливе». Первоисточником гидроэнергии служит Солнце, испаряющее воду из океанов, морей, озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде осадков, выпадающих в возвышенных местах, с которых конденсированная вода стекает вниз в моря. Гидроэлектростанции встают на пути стока и преобразуют энергию движущейся воды в электрическую.
Однако гидроэлектростанции не совсем уж безвредны для окружающей среды. Плотины и водохранилища выводят из сельскохозяйственного оборота затопленные земли. Их площадь чрезвычайно велика особенно на равнинных реках: естественный перепад уровней воды в них небольшой. Громадные площади водохранилищ способствуют образованию необычно большого количество паров воды в атмосфере, что неизбежно приводит к нарушению естественных погодных условий. Плотины отрицательно влияют на качество воды, накапливаемой в водохранилищах. В зависимости от сезона накопленная вода может содержать мало растворенного кислорода и оказаться неблагоприятной средой для рыб и других живых организмов. Кроме того, спускаемая вода разрушает русло реки. В то же время гидроэлектростанции, построенные на реках с естественным перепадом уровня воды – на реках с водопадами, горных реках, – наносят гораздо меньший ущерб окружающей среде.
Гидроаккумулирующие электростанции
Они служат для аккумулирования избыточной энергии, вырабатываемой не относящимися к гидроисточникам электростанциями, когда потребление электроэнергии падает, например, ночью. При аккумулировании вода перекачивается из нижнего водоема в верхний (рис. 9.9). При этом поступающая извне электрическая энергия преобразуется в потенциальную энергию воды в верхнем водоеме. В часы пиковой нагрузки в электросети вода из верхнего водоема через гидроагрегаты перетекает в нижний, и запасенная потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую. Эффективность гидроаккумулирующих электростанций не очень высокая: только примерно две трети энергии, потраченной на накачку воды, возвращается обратно в электросеть. Строительство таких станций требует больших капиталовложений, поэтому они не получили широкого распространения. Обсуждаются идеи гидроаккумулирования энергии с использованием подземных водоемов естественного происхождения.
Приливные электростанции
Морские приливы, долгое время оставаясь загадкой, приводили к мысли, что их громадную энергию можно использовать. Морские приливы – это периодические колебания уровня, обусловленные силами притяжения Луны и Солнца вместе с центробежными силами, вызванными вращением системы Земля – Луна и Земля – Солнце. Самая большая из таких сил – лунная – определяет в основном характер морских приливов. Обычно прилив и отлив бывают два раза в сутки. Максимальное поднятие воды называется полной водой, минимальное – малой водой. Величина полной воды в открытом океане около 1 м, у берегов – до 18 м (залив Фанди в Атлантическом океане).
Приливные электростанции преобразуют энергию морских приливов в электрическую. Одна из разновидностей устройств приливных электростанций состоит из плотины с встроенными в придонной ее части турбогенераторами. Подобная приливная электростанция с таким устройством сооружена в 1967 г, на реке Ране во Франции, где полная вода достигает около 13м. При открытых донных затворах плотины уровень полной воды по обе стороны плотины одинаков. В начале отлива поток воды, обращенный к суше пропускается через турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. При малой воде затворы закрываются до тех пор, пока разница уровней не станет достаточной для эффективной работы турбогенераторов. Затем поток полной воды пропускается через турбогенераторы в направлении к суше. Данный цикл потом повторяется, и энергия таким образом вырабатывается при отливе и приливе.
Построенные приливные электростанции во Франции, России, Китае доказывают, что приливную электроэнергию можно производить в промышленных масштабах. Выработка энергии на них не требует никакого топлива, и себестоимость энергии сравнительно низка. Однако стоимость строительства приливных электростанций относительно высока: она примерно в 2,5 раза больше стоимости сооружения гидроэлектростанции той же мощности. Одно из главных преимуществ приливных электростанций заключается в том, что они наносят минимальный ущерб окружающей среде.
Геотермальные источники энергии
С давних пор люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится, нет пока у людей возможностей обуздать такую непокорную стихию, да и, к счастью, извержения происходят не везде и не так уж часто. Но все же – это проявления неисчерпаемой энергии, таящейся в земных недрах, крохотная доля которой находит выход через огнедышащие жерла вулканов.
Маленькая европейская страна Исландия (в переводе – «страна льда») полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от Земли – других местных источников энергии в Исландии практически нет. Эта страна очень богата горячими источниками и знаменитыми гейзерами – фонтанами горячей воды, вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще древние римляне к знаменитым баням – термам Каракаллы– подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.
Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 г. в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который в 1827 г. составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины – 360 тыс. кВт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тыс. кВт. В 120 км от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тыс. кВт.
Подземные воды, как «живая кровь» планеты, переносят природное тепло Земли на поверхность. Обладая большой подвижностью и высокой теплоемкостью, они играют роль аккумулятора и теплоносителя. Они либо накапливаются в водоносных горизонтах, либо выходят на поверхность земли теплыми или горячими источниками, а иногда вырываются в виде пароводяных смесей. Это гейзеры и фумаролы (специалисты их называют парогидротермами). Выходы парогидротерм – очень эффектное зрелище: с шипением и свистом струи пара или перегретой воды вырываются из-под земли и вздымаются вверх. Так, гейзер «Старый служака» в Йеллоустонском парке регулярно, через каждые 53– 70 минут выбрасывает струю горячей (более 90° С) воды на высоту 30–45 м. А самый крупный гейзер в камчатской Долине гейзеров – «Великан» – выдает струю горячей воды на 30–35 м вверх, а столб пара вздымается намного выше – до 300–400 м.
Парогидротермальные месторождения известны в Исландии, Гренландии, Новой Зеландии, Индонезии, Японии, США, Чили, Сальвадоре и других странах. Тепло подземных вод широко используется в Италии, где уже с начала века работают геотермические станции. Наиболее крупные месторождения – в Тоскане и в районе Неаполя, где скважины выводят пароводяную смесь с температурой 200– 245° С.
В Исландии, которую называют страной вулканов и гейзеров, около 7 тыс. горячих источников. Их общая мощность более 1 млн ккал/с. Рейкьявик (столица Исландии), расположенный вблизи Северного полярного круга, полностью теплофицирован за счет термальных вод. Воды горячих источников здесь используются не только для отопления, но и для городских теплиц и оранжерей, в которых выращивают цветы, овощи и даже цитрусовые.
В нашей стране горячими источниками особенно богаты Камчатка и Курильские острова – районы современного вулканизма. Источники, фонтанирующие паром и кипятком, известны в этих краях давно (некоторые из них описаны еще в 40-х годах XVIII в. С. Крашенинниковым), однако разведочное бурение началось там лишь в 1958г. В районе реки Паратунки была сооружена первая в нашей стране геотермальная электростанция, а с 1967 г. на Паужетских термальных источниках в 200 км от Петропавловска-Камчатского действует гелиотермальная электростанция мощностью 15 тыс. кВт.
Использовать воду с температурой ниже 100°С для энергетики считается экономически невыгодным, но она вполне пригодна для теплофикации: отопления домов, обогрева теплиц, для бань, бассейнов. Сотни городов и населенных пунктов России, Украины, Средней Азии, Закавказья перешли на такое естественное теплоснабжение. Это чрезвычайно выгодно экономически. Но главное достоинство тепла, получаемого из недр, – экологическая чистота и возобновимость. Разумеется, неконтролируемый забор теплой воды может рано или поздно привести к истощению источников. Чтобы этого не случилось, разработана методика замкнутой системы, по которой остывшая или обычная холодная вода возвращается в высокотемпературный пласт. По одной скважине закачивают холодную, а по другой получают уже горячую воду. Создается надежная, практически «вечная» замкнутая циркуляция. Подземная котельная такого типа создана, например, в Грозном.
По весьма приближенным оценкам, прогнозные запасы термальных вод (от 50 до 250° С) нашей страны составляют не менее 20 млн. м3 воды в сутки. Этот огромный резерв экологически чистой тепловой энергии может заменить до 150 млн т органического топлива. Одна из самых мощных скважин в Дагестане (в селе Берикей) дает огромный приток горячей воды, используемой для обогрева. В год эта скважина выносит с водой 330 т йода и 450 т брома (это примерно 3% мирового производства брома). В нашей стране практически весь бром и большую часть йода добывают из подземных вод, не зря их называют промышленными подземными водами.
Солнце обладает колоссальным запасом энергии. Земля получает лишь небольшую долю солнечной энергии, равную 2·1017 Вт, и ее вполне достаточно для обеспечения большого многообразия форм жизни и биосферных процессов на Земле.
Предполагается, что широкое применение солнечной энергией начнется после воспроизведения природного процесса – фотосинтеза. В лабораторных условиях вне растительной клетки уже осуществлена первая фаза данного процесса – произведено фотохимическое разложение воды на элементы. Образующийся водород – превосходный энергоноситель: из известных нерадиоактивных веществ он обладает самой высокой плотностью энергии – 33 кВт/кг (плотность энергии углерода равна всего 9,1 кВт/кг). В процессе фотосинтеза, в зеленых растениях из энергетически бедных соединений – углекислого газа и воды – образуется более сложный по структуре и богатый энергией крахмал, из которого синтезируются жиры, белки, целлюлоза и другие органические компоненты. Как следует из периодической печати, несколько необычный способ использования солнечной энергии предложили японские ученые. Смесь, состоящую из размолотого магнетита и угольного порошка, они подвергли облучению концентрированным солнечным светом и нагрели ее до 1200° С. В результате химической реакции образовались водород и угарный газ. Из данных газов можно синтезировать, например, метиловый спирт, который может служить превосходным горючим для автомобилей. КПД такого процесса достигает 47,6%.
В последние десятилетия гелиоэнергетика – солнечная энергетика, во всем мире развивается быстрыми темпами и в самых разных направлениях. Гелиоэнергетические программы разрабатываются более чем в 70 странах – от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Солнечные устройства служат для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Используются такие устройства в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с «солнечным приводом»: гелиовелосипеды, гелиомопеды, моторные лодки, яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, сравнивавшиеся вчера с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей скорости обычных автомобилей. Уже в течение трех лет немецкий поселок Франитцхютте, расположенный на окраине Баварского леса, полностью питается энергией от гелиоэнергетической установки из 840 плоских солнечных батарей общей площадью 360 м2. Мощность каждой батареи – 50 Вт. Ночью и в пасмурную погоду ток обеспечивает батарея свинцовых аккумуляторов, заряженных в те часы, когда солнца в избытке.
Самая крупная гелиоэлектростанция мира начала работать в Швейцарии. Площадь ее солнечных батарей – 4500 м2, при полном освещении мощность электростанции достигает 500 кВт. Этого хватает на поселок из двухсот одноквартирных коттеджей. В Штутгартском университете (Германия) сконструирован самолет, мотор которого питается энергией солнечных батарей, расположенных на его крыльях с размахом 25 м. С грузом до 90 кг он взлетает со взлетной площадки, покрытой травой, и развивает скорость до 120 км/ч. Швейцарские ученые запатентовали прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в оконные рамы вместо стекла. Между двумя слоями стекла, покрытого тончайшей пленкой двуокиси титана со столь же тонким слоем светочувствительного пигмента, находится слой электролита с содержанием йода. Свет, падая на пигмент, выбивает из него электроны, которые через электролит попадают на слой двуокиси титана. Все слои такой солнечной батареи настолько тонки, что прозрачность стекла практически не уменьшается. Такие стекла дешевле, чем кремниевые солнечные панели.
Быстрое развитие гелиоэнергетики в Швейцарии стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 ватт установленной мощности с 1000 в 1970 г. до 5–8 долл. в 1990 г. и повышению их КПД с 5–6 до 20–30%. В ближайшее время предлагается уменьшить стоимость солнечного ватта на 50%, что позволит гелиоустановкам вполне конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельными электростанциями. Одним из мировых лидеров практического использования гелиоэнергетики стала Швейцария: более 700 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 кВт до 1 МВт и солнечных коллекторных устройств для получения солнечной энергии. Гелиоэлектрическая программа Швейцарии внесет заметный вклад в решение экологических проблем и в энергетическую независимость страны, импортирующей сегодня более 80% энергии из-за рубежа.
Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях чаще всего мощностью 2–3 кВт нередко монтируют на крышах и фасадах зданий (20–30 м2). Такая установка вырабатывает в год в среднем 3000 кВт·ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд, а иногда и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки. Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Однако такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии лишь на 55–70%. В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами-накопителями энергии.
По опыту эксплуатации и согласно некоторым расчетам Солнце в состоянии обеспечить энергопотребности по меньшей мере всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.
Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные на крыше производственного корпуса, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии. КПД кремниевых фотопреобразователей при сильном нагреве заметно снижается, и поэтому под солнечными панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Нагретый воздух работает как теплоноситель коллекторных устройств. Один из крупных разделов гелиоэлектрической программы Швейцарии – развитие транспортных средств, использующих солнечную энергию, ибо автотранспорт потребляет около четверти энергетических ресурсов, необходимых стране. Ежегодно в Швейцарии проводится международное ралли солнцемобилей.
В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одно из наиболее серьезных препятствий такой реализации – низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения относительно невелика. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» энергию, необходимую хотя бы для частичного удовлетворения потребностей населения, нужно разместить их на громадной территории.
Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в них жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам на изготовление коллекторов солнечного излучения идет довольно много алюминия.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.
Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, проводимые на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы широкого применения гелиоэнергии.
Ветер служит человеку с древних времен. Первобытные люди поднимали паруса над неустойчивым челноком, выдолбленным из бревна. Преобладающие западные ветры несли испанскую армаду к открытиям и победам. Пассаты надували паруса больших клиперов, помогли открыть Индию и Китай и наладить торговлю с Западом. Древние персы заставили ветер размалывать зерно. Наиболее широкое распространение ветряные мельницы (рис. 9.10) получили в Голландии. Некоторым из них уже более 500 лет, и они находятся в рабочем состоянии. Было время, когда вода и ветер служили едва ли не основными источниками энергии. Еще в 1910 г. в России насчитывалось примерно миллион ветряных мельниц и приблизительно столько же водяных. А сегодня всю эту энергетику с легкой руки называют нетрадиционной.
В 50-х годах XIX в. в США был изобретен многолопастный ветряк, который получил широкое распространение. С помощью подобных ветряков вначале поднималась вода из колодцев и заполнялись водой паровые котлы. Позднее ветряки стали использовать для получения электроэнергии. Многолопастный ветряк с ветроколесом диаметром до 9 м может вырабатывать до 3 кВт электроэнергии при скорости ветре около 25 км/ч. В 30-х годах XX в. на территории США было сооружено около 6 млн многолопастных ветроустановок. Во многих сельских районах до строительства крупных электростанций основным поставщиком электроэнергии были различные ветроустановки.
Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, наносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших западных границ до берегов Енисея. Особенно богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана.
В наши дни ветроустановки вырабатывают лишь небольшую часть производимой электроэнергии во всем мире. Техника XX в. открыла совершенно новые возможности для электроэнергетики. Созданы высокопроизводительные установки, способные вырабатывать электроэнергию даже при очень слабом ветре. Предлагается множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются самые последние достижения многих отраслей естествознания. К созданию совершенной конструкций ветроколеса – сердца любой ветроэнергетической установки – привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти и исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы разнообразные конструкции современных ветровых установок.
Можно привести примеры необычного использования энергии. Один из американских изобретателей, наблюдая за тем, как пролетающие по шоссе автомобили вздымают по обочинам тучи пыли и гонят вдоль дороги легкий мусор, пришел к мысли, что можно использовать энергию ветра, возникающего от движения транспорта. Он предложил встроить в бетонный разделительный барьер, идущий по середине самых оживленных автомагистралей, ветряные турбины с вертикальной осью, что позволит улавливать энергию от автомобилей, несущихся в обоих направлениях. Выработанная энергия должна либо поступать в общую сеть, либо запасаться в аккумуляторах и использоваться для освещения дороги по ночам. Измерения на обочине оживленного шоссе показали, что искусственный ветер дует около 18 ч в сутки со средней скоростью 4,5–5,5 м/с. Это больше, чем в районе крупных ветровых электростанций, работающих в Калифорнии. Сейчас исследователи продолжают измерения на разных дорогах и собираются приступить к испытаниям разных типов ветряных турбин. Еще один пример. На западном побережье Дании, у городка Райсбю, построена электростанция из 40 ветродвигателей. Общая мощность ее составляет 24 МВт. Ветродвигатели оборудуются электронными регуляторами немецкой фирмы «Сименс», в которых впервые применены полупроводниковые тиристоры. Это позволило отказаться от громоздких конденсаторов и дросселей. Система регулировки обеспечивает ровную отдачу мощности независимо от скорости ветра.
Каждый источник энергии должен работать там, где дает наибольшую отдачу, максимальную выгоду. На севере у нас огромные труднодоступные территории. Вырабатывать здесь энергию очень сложно, и цена ее более высокая, чем в центре страны. Здесь то и могут найти применение ветроустановки. Скорость ветра на побережье морей и океанов составляет в среднем за год более 6 м/с. При работе ветроустановки мощностью в 1 МВт в течение шести месяцев потребитель энергии может получить около 2,5 млн кВт, что вполне достаточно для обеспечения теплом и светом поселка в 150 жилых домов.
Современная ветроустановка мощностью в 1 МВт состоит из ветроколеса диаметром 48 м, установленного на стальной конической башне высотой 40 м, на которой смонтированы агрегат для передачи мощности от ветроколеса к генератору, система управления и тормозной механизм. Ветроустановка полностью автоматизирована: сама «ловит ветер» и проверяет перед запуском состояние всех узлов и агрегатов. При скорости ветра 3,5–4 м/с развивается мощность 40–50 кВт, а при скорости 13,5 м/с – 1000 кВт. Срок службы установки – 20–25 лет. Стоит она примерно 1 млн долл.
К 1998 г. насчитывалось в России около полутора десятков крупных и примерно 100 мелких ветроустановок, в то время как за рубежом их общее число составило более 130 тысяч. Сегодня почти все развитые страны строят ветроустановки. В строительстве ветроустановок лидирует маленькая страна Дания. Около двух десятилетий назад именно она дала толчок развитию современной ветроэнергетики. В этой стране работают более четырех тысяч самых эффективных установок с лучшими показателями в мире. Датчане построили заводы по производству ветроустановок в Индии, Китае и США. Производятся ветроустановки и в России. По своим техническим показателям они не уступают зарубежным аналогам.
Ветроустановки порождают вибрации и шум, неблаготворно влияющие на живые организмы. Поэтому их строят обычно вдали от населенных пунктов. Металлические лопасти могут создавать помехи для радио- и телепередач. Но все же в целом ветроэнергетику принято считать экологически безопасной.
Многие страны активно развивают ветроэнергетику. Например, Германия по выработке ветроэнергии в последние годы приблизилась к США, а по числу фирм, производящих ветроустановки догнала Данию. Немецкие ветроустановки наполняют рынок Бразилии, Мексики, Китая и других стран.
Развитие атомной энергетики
Сегодня примерно 17% мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции (АЭС). В некоторых странах ее доля значительно больше. Например, в Швеции она составляет около половины всей электроэнергии, во Франции – около трех четвертей. Недавно согласно принятой в Китае программе вклад энергии атомных электростанций предусмотрено увеличить в пять – шесть раз. Заметную, хотя пока не определяющую, роль АЭС играют в США и России.
Более сорока лет назад, когда дала ток первая атомная станция в мало кому известном в то время городке Обнинске, многим казалось, что атомная энергетика – вполне безопасная и экологически чистая. Авария на одной из американской АЭС, а затем катастрофа в Чернобыле показали, что на самом деле атомная энергетика сопряжена с большой опасностью. Люди напуганы. Общественное сопротивление сегодня таково, что строительство новых АЭС в большинстве стран практически остановлено. Исключение составляют лишь восточно-азиатские страны – Япония, Корея, Китай, где атомная энергетика продолжает развиваться.
Специалисты, хорошо знающие сильные и слабые стороны реакторов, смотрят на атомную опасность более спокойно. Накопленный опыт и новые технологии позволяют строить реакторы, вероятность выхода которых из-под контроля хотя и не равна нулю, но крайне мала. На современных атомных предприятиях обеспечен строжайший контроль радиации в помещениях и в каналах реакторов: сменные комбинезоны, специальная обувь, автоматические детекторы излучений, которые ни за что не откроют шлюзовые двери, если на вас есть хотя бы небольшие следы радиоактивной «грязи». Например, на атомной электростанции в Швеции, где чистейшие пластиковые полы и непрерывная очистка воздуха в просторных помещениях, казалось бы, исключают даже мысль о сколь-нибудь заметном радиоактивном заражении.
Атомной энергетике предшествовали испытания ядерного оружия. На земле и в атмосфере проводились испытания ядерных и термоядерных бомб, взрывы которых ужасали мир. В то же время инженеры разрабатывали и ядерные реакторы, предназначенные для получения электрической энергии. Приоритет получили военное направление – производство реакторов для кораблей военно-морского флота. Военным ведомствам особенно перспективным представлялось использование реакторов на подводных лодках: такие суда имели бы практически неограниченный радиус действия и могли бы годами находиться под водой. Американцы сосредоточили свои усилия на создании корпусных водо-водяных реакторов, в которых замедлителем нейтронов, и теплоносителем служила обычная («легкая») вода и которые обладали большой мощностью на единицу массы энергетической установки. Были сооружены полномасштабные наземные прототипы транспортных реакторов, на которых проверялись все конструктивные решения и отрабатывались системы управления и безопасности. В середине 50-х годов XX в. первая подводная лодка с атомным двигателем «Наутилиус» прошла под льдами Ледовитого океана.
Аналогичные работы велись и в нашей стране, только наряду с водо-водяными реакторами разрабатывался канальный графитовый реактор (в нем теплоносителем тоже служила вода, а замедлителем – графит). Однако по сравнению с водо-водяным реактором у графитового мала удельная мощность. В то же время такой реактор обладал важным преимуществом – уже имелся значительный опыт сооружения и эксплуатации промышленных графитовых реакторов, отличающихся от транспортных установок главным образом давлением и температурой охлаждающей воды. А наличие опыта означало экономию времени и средств на опытно-конструкторские работы. При создании наземного прототипа графитового реактора для транспортных установок стала очевидной его бесперспективность. И тогда было решено использовать его для атомной энергетики. Реактор AM, а точнее, его турбогенератор мощностью 5000 кВт 27 июня 1954 г. подключили к электрической сети, и весь мир узнал, что в СССР пущена первая в мире АЭС – атомная электростанция.
Наряду с канальными графитовыми реакторами в нашей стране, как и в США, с середины 50-х XX в. годов развивалось направление, основанное на использовании водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР). Их характерная особенность – огромный корпус диаметром 4,5 м и высотой 11м, рассчитанный на высокое давление – до 160 атм. Производство и транспортировка таких корпусов к площадке АЭС – чрезвычайно сложная задача. Американские фирмы, приступив к развитию атомной энергетики на базе реакторов PWR, возвели на берегах рек заводы для производства реакторных корпусов, построили баржи для их перевозки к месту строительства АЭС и краны грузоподъемностью в 1000 т. Этот продуманный подход позволил США не только удовлетворить собственные потребности, но и захватить в 70-х годах внешний рынок по производству атомной энергии. СССР не мог столь широко и быстро развивать промышленную базу для АЭС с реакторами ВВЭР, В начале лишь один Ижорский завод мог изготавливать по одному корпусу реактора в год. Пуск Аттоммаша состоялся только в конце 70-х годов.
Реактор РБМК (реактор большой мощности, канальный), в котором вода, охлаждающая тепловыделяющие элементы, находится в состоянии кипения, появился как очередной этап последовательного развития канальных графитовых реакторов: промышленный графитовый реактор, реактор первой в мире АЭС, реакторы Белоярской АЭС. Ленинградская АЭС на РБМК проявила свой норов. Несмотря на наличие традиционной автоматической системы регулирования, оператор должен был по мере выгорания топлива все чаще и чаще вмешиваться в управление реактором (до 200 раз в смену). Это было связано с возникновением или усилением в процессе эксплуатации реактора положительных обратных связей, приводящих к развитию неустойчивости с периодом в 10 минут. Для нормального стабильного функционирования какого-либо устройства с положительной обратной связью необходима надежная система автоматического регулирования. Однако всегда существует опасность аварии из-за отказа подобной системы. С проблемой неустойчивости столкнулись и в Канаде, когда пустили в 1971 г. канальный реактор с тяжелой водой в качестве замедлителей нейтронов и кипящей легкой водой в качестве теплоносителя. Канадские специалисты решили не испытывать судьбу и закрыли установку. Сравнительно быстро была разработана новая, приспособленная к РБМК, система автоматического регулирования. Ее внедрение обеспечило приемлемую устойчивость реактора. В СССР развернулось серийное строительство АЭС с реакторами РБМК (нигде в мире подобные установки не использовались).
Несмотря на внедрение новой системы регулирования, страшная угроза осталась. Для реактора РБМК характерны два крайних состояния: в одном из них каналы реактора заполнены кипящей водой, а в другом – паром. Коэффициент размножения нейтронов при заполнении кипящей водой больше, чем при заполнении паром. При таком условии возникает положительная обратная связь, при которой рост мощности вызывает появление дополнительного количества пара в каналах, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента размножения нейтронов, и следовательно, к дальнейшему росту мощности. Это известно давно, еще со времен проектирования РБМК. Однако только после Чернобыльской катастрофы в результате тщательного анализа выяснилось, что возможен разгон реактора на мгновенных нейтронах. В 1 час 23 мин 26 апреля 1986 г произошел взрыв реактора 4-го блока Чернобыльской АЭС. Ее последствия ужасны.
Так нужно ли развивать атомную энергетику? Выработка энергии на АЭС и ACT (атомных станциях теплоснабжения) – это наиболее экологически чистый способ производства энергии. Энергия ветра, Солнца, подземного тепла и т.д. не может сразу и быстро заменить атомную энергию. Согласно прогнозу в США в начале XXI в. на все подобные способы производства энергии будет приходиться не более 10% вырабатываемой во всем мире энергии.
Спасти нашу планету от загрязнения миллионами тонн углекислого газа, окиси азота и серы, которые постоянно выбрасываются ТЭЦ, работающими на угле, мазуте, перестать сжигать в огромных количествах кислород, можно лишь с помощью атомной энергетики. Но только при выполнении одного условия: «Чернобыль» не должен повториться. Для этого необходимо создать абсолютно надежный энергетический реактор. Но в природе не бывает ничего абсолютно надежного, все процессы, не противоречащие законам природы, происходят с большей или меньшей вероятностью. И противники атомной энергетики рассуждают примерно так: авария маловероятна, но нет никаких гарантий, что она не случится сегодня или завтра. Задумываясь над этим, нужно учесть следующее. Во-первых, взрыв реактора РБМК в том состоянии, в котором он эксплуатировался до аварии, отнюдь не маловероятное событие. Во-вторых, при таком подходе мы все должны жить в постоянном страхе, что Земля не сегодня - завтра столкнется с крупным астероидом – вероятность такого события ведь тоже не равна нулю. Думается, можно считать абсолютно безопасным реактор, для которого вероятность крупной аварии достаточно мала.
В СССР накоплен многолетний опыт сооружения и эксплуатации АЭС с реакторами ВВЭР (аналогичными американским PWR), на базе которых может быть в относительно короткие сроки создан в большей степени безопасный энергетический реактор. Такой, что в случае аварийной ситуации все радиоактивные осколки деления ядер урана должны остаться в пределах защитной оболочки.
Развитые страны с большой численностью населения в обозримом будущем не смогут из-за приближающейся экологической катастрофы обойтись без атомной энергетики даже при некоторых запасах обычных видов топлива. Режим экономии энергии может лишь на некоторое время отодвинуть проблему, но не решить ее. Кроме того, многие специалисты считают, что в наших условиях даже временного эффекта добиться не удастся: эффективность предприятий по энергоснабжению зависит от уровня развития экономики. Даже США потребовалось 20–25 лет со дня внедрения в промышленность энергоемких производств.
Вынужденная пауза, возникшая в развитии атомной энергетики, должна быть использована для разработки достаточно безопасного энергетического реактора на базе реактора ВВЭР, а также для разработки альтернативных энергетических реакторов, безопасность которых должна находиться на том же уровне, а экономическая эффективность значительно выше. Целесообразно построить демонстрационную АЭС с подземным размещением реактора ВВЭР в наиболее удобном месте, чтобы проверить ее экономическую эффективность и безопасность.
В последнее время предлагаются различные конструктивные решения атомных станций. В частности, компактную АЭС разработали специалисты Санкт-Петербургского морского бюро машиностроения «Малахит». Предлагаемая станция предназначается для Калининградской области, где проблема энергоресурсов стоит достаточно остро. Разработчики предусмотрели использование в АЭС жидкометаллического теплоносителя (сплава свинца с висмутом) и исключают возможность возникновения на ней радиационно-опасных аварий, в том числе при любых внешних воздействиях. Станция отличается экологической чистотой и экономической эффективностью. Все ее основное оборудование предполагается разместить глубоко под землей – в проложенном среди скальных пород туннеле диаметром в 20 м. Это дает возможность свести к минимуму число наземных сооружений и площадь отчуждаемых земель. Структура проектируемой АЭС – модульная, что тоже очень существенно. Проектная мощность Калининградской АЭС – 220 МВт, но может быть по мере необходимости уменьшена или увеличена в несколько раз при помощи изменения числа модулей.
Ядерное топливо
Цепная реакция деления ядер сопровождается выделением огромного количества энергии. Так, при делении тяжелого ядра на два осколка освобождается энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Расчеты показывают, что 1 кг урана выделяет в миллионы раз больше энергии, чем 1 кг каменного угля. Следовательно, ядерное топливо – чрезвычайно энергоемкий источник энергии. В то же время ядерный топливный цикл – сложнейший технологический процесс (рис. 9.11).
В отличие от утлеродосодержащих носителей энергии, применяемых и в то же время и как сырье для химической промышленности, ядерное топливо представляет практический интерес преимущественно для производства электрической и тепловой энергии. Огромные возможности для развития атомной энергетики открываются с созданием реакторов-размножителей на быстрых нейтронах (бридеров), в которых выработка энергии сопровождается производством вторичного горючего – плутония, что позволит кардинально решить проблему обеспечения ядерным топливом. Как показывают оценки, 1 т гранита содержит примерно 3 г урана-238 и 12 г тория-232 (именно они используются в качестве сырья в бридерах). При потреблении энергии 5 . 108 МВт (на два порядка выше, чем сейчас) запаса урана и тория в граните хватит на 109 лет. Первый опытно-промышленный реактор на быстрых нейтронах мощностью до 350 МВт построен в г.Шевченко на берегу Каспийского моря. Он производит электроэнергию и опресняет морскую воду, обеспечивая пресной водой город и прилегающие район нефтедобычи с численностью населения около 150000 человек.
Колоссальной энергией обладает термоядерный синтез. При термоядерном синтезе выделяемая энергия на один нуклон значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. При делении ядра урана 238 высвобождается энергия около 0,84 МэВ на один нуклон, а при термоядерном синтезе дейтерия и трития – примерно 3,5 МэВ. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превращения. Например, по энергетической емкости количество дейтерия в стакане простой воды эквивалентно приблизительно 60 л бензина. В этой связи весьма заманчива перспектива осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Трудность практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что он возможен только при очень высокой температуре – 107–108 К. При такой сверхвысокой температуре любое синтезируемое вещество находится в плазменном состоянии, и возникает техническая проблема удержания горячей плазмы в ограниченном объеме.
Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР в 1953 г., а затем через полгода в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, представляющего неуправляемую реакцию синтеза. Взрывчатое вещество в водородной бомбе представляет собой смесь дейтерия и трития. Запалом в ней служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает сверхвысокая температура, необходимая для синтеза легких ядер.
Над решением проблемы управляемого термоядерного синтеза усердно работают ученые многих стран в течение нескольких последних десятилетий. Один из путей решения данной проблемы – это удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Для этого создаются сложнейшие в техническом исполнении термоядерные реакторы. Один из первых таких реакторов – Токамак-10– был собран в 1975г. в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова.
Управляемый термоядерный синтез открывает человечеству доступ к неисчерпаемой кладовой ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Извлечение энергии возможно из дейтерия, содержащегося в обычной воде. Расчеты показывают, что количество дейтерия в Мировом океане составляет примерно 4·1013 т, что соответствует энергетическому запасу 1017 МВт·год, который можно считать практически неограниченным. Остается только надеяться, что проблема управляемого термоядерного синтеза в недалеком будущем будет успешно решена.
Желая непременно оказаться «впереди планеты всей», в бывшем СССР особое внимание уделяли гигантским электростанциям. Непрерывное строительство в 1960–1985 гг. в Сибири гигантских ГЭС при почти полном прекращении строительства конденсационных тепловых станций привело к уродливой структуре мощностей. Удельный вес ГЭС превышает 50%, а по отношению к годовому максимуму нагрузок – 75%. В итоге половина их мощности (до 10 млн кВт) никогда не используется: зимой из-за недостатка водных ресурсов, а летом из-за снижения потребности в энергии. Обычно в незасушливые годы, сбрасывается большой объем воды мимо недогруженных турбин. При этом не следует забывать о затопленных пойменных лугах, погубленной рыбе, исчезнувших селениях. Наглядный пример: за 5 лет с 1984 по 1988 г. было сброшено воды в объеме, эквивалентном 40 млрд кВт · часов. Иная, но столь же печальная картина наблюдается в маловодные годы. В 1982г., например, в конце многолетнего засушливого периода ГЭС Сибири обеспечили лишь 37,5% суммарной мощности вместо обычных 50%, и хотя тепловые станции работали с предельным напряжением, дело дошло до того, что пришлось останавливать ряд предприятий, в том числе алюминиевые заводы.
География европейской части страны не позволяет сооружать гигантские ГЭС, поэтому упор делался на тепловые станции и атомные электростанции (АЭС). К сожалению, в нашей стране был взят курс на строительство тепловых электростанций (ТЭС) со сверхкритическими параметрами пара. А такие ТЭС не обладают маневренностью и, значит, не в состоянии обеспечить нужный график электрических нагрузок. А поскольку электричество на складе не сохранишь и его нужно вырабатывать в тот самый момент, когда в нем возникает потребность, то появляются нелепые противопотоки энергии. Ежегодно около 5 млрд кВт . часов перебрасывается с северо-запада через центр страны на Урал, в Казахстан и Сибирь, где своя электроэнергия обходится в 2,5–3 раза дешевле, а оттуда, напротив, транспортируется в европейскую часть топливо для ее производства.
Идеология «великих строек», поддерживаемая решениями ЦК КПСС, распространилась и на другие энергетические объекты. В 70-е годы были созданы проекты сверхмощных энергетических комплексов государственных районных электростанций (ГРЭС) Канско-Ачинского (КАТЭК) и Экибастузского. По директивам партии и правительства к 1990 г. там должны были работать по четыре ГРЭС общей мощностью соответственно в 25 и 16 млн кВт. Но такая задача оказалась нереальной: в 1992 г. на КАТЭКе работало только 2 энергоблока общей мощностью 1,6 млн кВт, на Экибастузе – блок ГРЭС мощностью 4 млн кВт и блок на второй ГРЭС мощностью 500 тыс. кВт. Ориентация на такие сверхкрупные комплексы привела к прекращению строительства рассредоточенных ГЭС средней и слабой мощности. В результате ввод мощности на тепловых электростанциях, который в послевоенные годы быстро возрос до 40 млн кВт (8 млн кВт в год), в 9-й, 10-й и 11-й пятилетках резко упал до 22 млн кВт.
С определенным перекосом работали научно-исследовательские ведомственные и академические институты, огромные средства тратились без объективного обсуждения и анализа, возникли монопольно владеющие отраслью научно-партийные номенклатуры. В итоге тепловые электростанции (70% суммарной мощности всех электростанций) по своим технико-экономическим и экологическим показателям резко отстают от современного уровня, почти половина их требует замены или модернизации в связи с физическим износом. Некоторые атомные электростанции не отвечают международным стандартам безопасности и надежности.
Централизация отечественного теплоснабжения достигла гипертрофированных масштабов, не имеющих аналогов в мировой практике: мощности ТЭЦ превысили миллион киловатт, а диаметры теплопроводов остались прежними. Общая протяженность магистральной теплосети России превзошла 15400 км, причем состояние ее антикоррозийной защиты и теплоизоляции как правило, неудовлетворительно, чем объясняются непродолжительный срок службы трубопроводов, частые аварии и большие потери тепла.
В 1986–1990 гг. произошло дальнейшее падение прироста мощности тепловых электростанций до 15,3 млн кВт, т. е. до уровня пятой пятилетки, который был достигнут более 30 лет назад. Снизился и суммарный ввод мощностей до 27,5 млн кВт против 48,4 в предыдущей пятилетке, что явилось следствием приостановления строительства атомных станций после Чернобыльской катастрофы. Кстати, вводы мощности на ТЭС в Соединенных Штатах превышали вводы в СССР в те же годы более, чем в 2 раза.
Приведенные факты означают, что отечественная энергетика находится в кризисном состоянии, выход из которого возможен только при правильном, научно обоснованном стратегическом направлении ее развития.
Значение топливно-энергетического комплекса ощутилось в последнее время с особенной остротой. Стоило только поднять цены на энергоносители, как сразу вздорожали хлеб и транспорт, отопление квартир и металл, уборка улиц и обеды в столовой. Не так-то просто найти занятие или товар, которые не нуждались бы в энергии. А ведь нашим отечественным потребителям нефть, газ и уголь, не говоря об электричестве, отпускались по ценам, не идущим ни в какое сравнение с ценами на мировом рынке.
Дешевая энергия (точнее, искусственно заниженная цена на нее) сделала экономически невыгодными практически все энергосберегающие технологии. Нужно переходить на новые экономические технологии в промышленных масштабах, заменять изношенное оборудование более совершенным, применять высокоэффективные теплоизоляционные материалы и т. д. Другими словами, прежде чем сэкономить, необходимо крупно потратиться. Какое же предприятие пойдет на все эти хлопоты без крайней необходимости, без материальной заинтересованности? В результате к концу 80-х годов энергоемкость нашей экономики вдвое превысила этот показатель в ведущих западноевропейских странах. Да и сегодня треть первичных энергоресурсов можно было бы сократить или продать при рачительном их потреблении. Только в результате проведения последовательной энергосберегающей политики возможен переход к контролируемому энергетическому рынку. В ближайшее время в этой связи придется не столько строить, сколько реконструировать. На следующем этапе будет решаться задача технической и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса, коренного повышения его экономической эффективности. Наряду с этим следует обратить особое внимание на разработку альтернативных источников энергии, с внедрением которых будет решен сразу целый комплекс многих проблем.
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20° С, равна примерно 10 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока используется лишь ничтожно малая доля этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений. Энергетика Мирового океана до сих пор кажется малоперспективной.
Происходит весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива (прежде всего нефти и газа), использование которою к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая тепловое «загрязнение» и грозящее нежелательными климатическими последствиями повышение концентрации атмосферной углекислоты). Кроме того, ограниченность запасов урана (энергетическое использование которых к тому же порождает опасные радиоактивные отходы) и неопределенность как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии заставляют ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии не только перепадов уровня воды в реках, солнечного тепла, ветра, но и энергии Мирового океана.
Неожиданной возможностью энергетики Мирового океана оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. По имеющимся оценкам, для полного обеспечения энергией каждого человека-потребителя достаточно одного гектара плантаций таких водорослей. Большое внимание привлекает «океанотермическая энергоконверсия», т. е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний. В какой-то мере аналогичными, но пока, вероятно, более далекими представляются перспективы получения электроэнергии за счет различия между соленой и пресной водой, например морской и речной. Уже немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счет морского волнения, причем обсуждаются перспективы электростанций с мощностями на многие тысячи киловатт. Еще больше сулят гигантские турбины на таких интенсивных и стабильных океанских течениях, как Гольфстрим.
Предполагается, что некоторые из преложенных океанских энергетических установок могут быть реализованы и стать рентабельными уже в ближайшем будущем. Вместе с тем следует ожидать, что творческий энтузиазм, искусство и изобретательность научно-инженерных работников способны улучшить существующие и создать новые перспективные разработки для промышленного использования энергетических ресурсов Мирового океана. Вполне вероятно, что при современных темпах научно-технического прогресса существенные сдвиги в океанской энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия. Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, не загрязняет окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует ветры, вызывающие волны. Солнечная энергия нагревает океан, накапливающий тепловую энергию, и приводящий в движение течения, которые в то же время меняют свое направление под действием вращения Земли. Солнечное и лунное притяжения вызывают приливы и отливы. Океан – это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромный источник энергии. В нем плещут волны, рождаются приливы и отливы, возникают течения и т. д.
Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды Японии. Сегодня вряд ли существует прибрежный район, где не было бы своего собственного изобретателя, работающего над созданием устройства, использующего энергию волн. Начиная с 1966 г. два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счет энергии приливов и отливов.
Группа океанологов обратила внимание на то, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и волн? «Смогут» – таково мнение специалистов. В предложенном проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли. Предсказывают даже, что электричество, полученное при использовании энергии Гольфстрима, может стать конкурентоспособным уже в ближайшем будущем.
Океан – замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В такой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных диатомовых водорослей до достигающих высоты 200–300 футов (60–90 м) бурых водорослей. Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке начать на научной основе извлекать из этой системы энергию. При поддержке военно-морского флота США в середине 70-х годов XX в. группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 40 футов (12 м) под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. Ферма была небольшая. По сути своей это был лишь эксперимент. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли. По мнению специалистов, до 50% массы таких водорослей может быть превращено в топливо – природный газ метан. Океанские фермы будущего, выращивающие бурые водоросли на площади примерно 100 000 акров (40 000 га), смогут давать энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности американского города с населением в 50 000 человек.
В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована как источник энергии? Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей океанографического института в Калифорнии на мысль о создании установки для получения большого количества энергии. Такую установку можно сконструировать в виде батареи, в которой осуществлялась бы реакция между соленой и несоленой водой.
В наши дни, когда возросла необходимость в новых видах топлива, океанографы, химики, физики, инженеры и технологи обращают все большее внимание на океан как на потенциальный источник энергии.
За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан. Солнце светило и обогревало человека всегда, и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного «корма». Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти. И вот новый виток: в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. В этой связи нефть и газ будут с каждым годом стоить все дороже.
Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники. Запасы урана в сравнении с запасами угля вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу массы уран содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить намного меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю... Всегда было так: следующий источник энергии был более мощным.
В погоне за избытком энергии человек все глубже погружаются в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Однако времена меняются. Сейчас, на рубеже тысячелетий начинается новый, этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Несомненно, в будущем одновременно с интенсивным развитием энергетики получит широкие права гражданства и экстенсивное направление: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким кпд, экологически чистые, удобные в обращении. Яркий пример тому – быстрый старт электрохимической энергетики, которую, видимо, дополнит энергетика солнечная.
Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения, достижения естествознания. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянутся к энергетике, зависят от нее. Энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме, – это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать завтрашним днем энергетики.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается естественно-научное понимание энергии?
2. Почему энергию считают источником благосостояния?
3. Какими способами используются источники энергии?
4. Чем обусловливается необходимость преобразования тепловой и других видов энергии в электрическую?
5. Какую роль играют химические процессы в преобразовании энергии?
6. Приведите цифры, характеризующие затраты энергии на производство различной промышленной продукции?
7. От чего зависит эффективность производства энергии?
8. Чему равен КПД паровой машины, тепловых электростанций, МГД-генераторов, атомных электростанций?
9. В чем заключается принцип работы тепловой электростанции?
10. Что такое тепловое загрязнение окружающей среды ?
11. Назовите основные способы повышения эффективности энергосистем.
12. В чем заключается сущность комбинированного способа получения электроэнергии?
13. Каков принцип действия МГД-генератора?
14. Приведите примеры прямого преобразования энергии. В чем его преимущества?
15. Каков принцип работы водородкислородных топливных элементов?
16. Чем отличаются батареи на твердом йодном электролите от обычных?
17. Назовите основные неорганические источники энергии.
18. Охарактеризуйте преимущества и недостатки гидроисточников энергии.
19. Каковы перспективы использования геотермальной энергии?
20. Почему гелиоэнергетика не развивается быстрыми темпами?
21. Какова роль фотосинтеза в преобразовании солнечной энергии?
22. Где и когда была построена первая атомная электростанция?
23. Чем отличаются атомные реакторы разных типов?
24. Какая доля мирового производства электроэнергии приходится на атомные электростанции?
25. Является ли перспективным ядерное топливо?
26. Какова ближайшая перспектива развития атомной энергетики?
27. В чем заключаются особенности развития отечественной энергетики?
28. Назовите основные стратегические направления развития отечественной энергетики.
29. Как можно извлечь энергию Мирового океана?
30. Охарактеризуйте кратко энергетику будущего.
Несколько лет назад ученые, изучая микроструктуру органической материи, сделали поразительный вывод: возникновение и развитие жизни на нашей планете, если считать по Дарвину, потребовало бы много больше времени, нежели действительная история, охватывающая период от первых на Земле живых молекул до вершины природы – человека. И тут пришлось вспомнить основоположников палеонтологии – науки о развитии жизни на Земле: Жоржа Кювье (1769–1832) и Жоффруа Сент-Илера (1772–1844).
В 1812г. Кювье опубликовал первые итоги изучения своих находок под названием «Исследования об ископаемых костях». Ученый обратил внимание на то, что в земных слоях идет чередование: слои, богатые останками доисторических животных, сменяются горизонтами, бедными на эти находки. При этом Кювье обнаружил, что в каждом новом богатом костями слое останки принадлежат животным других разновидностей, а не тем, что найдены в предыдущем и последующем слоях, т. е. не тем, которые обитали на Земле раньше или позже, разумеется, в геологическом понимании времени.
Следующая книга Кювье – «Рассуждения о переворотах на поверхности Земного шара и об изменениях, какие они произвели в животном царстве». Само название уже говорит о точке зрения ученого. Кювье считал, что ископаемые формы – это либо прямые предки нынешних животных, в сущности от них не отличающиеся, но сумевшие пережить все природные перевороты, либо останки окончательно вымерших в результате этих переворотов форм, ничего общего с ныне живущими не имеющих. Кювье полагал также, что развитие четырех типов животных (по его классификации – позвоночных, членистых, мягкотелых, лучистых) происходило изолированно.
Однако, отстаивая свои выводы, Кювье не смог уверенно показать, какие же силы вызывали на Земле столь грандиозные перевороты, что они были способны оборвать ту или иную линию развития жизни. Он только написал: «Какие-то силы раздробили, приподняли слои Земли и опрокинули их на тысячу ладов».
Заметил чередование ископаемых останков и Жоффруа. Но выводы о причинах этого, сделанные Кювье и Жоффруа, расходились настолько, что их многолетний спор привлек к себе внимание ученых всего мира. В Париже не раз в те годы проводились диспуты соперничающих ученых, за которыми следил весь образованный мир. Когда в 1830 г. к Гете пришел гость с возгласом: «Великое событие в Париже!..», Гете нетерпеливо прервал пришедшего: «Кто же одержал верх – Кювье или Жоффруа?». Гость же принес весть о революции в Париже, об уличных боях...
Жоффруа считал, что гибель господствовавших в определенные периоды видов животных еще не означала повсеместной гибели жизни вообще. Некоторые виды, занимавшие ранее подчиненное место, выживали. Наделенные свойствами, помогавшими им противостоять силам природы, которые уничтожали большую часть животного мира, они получали простор для своего дальнейшего развития. В отличие от Кювье Жоффруа видел единство организации и развития животного мира.
В одном лишь были едины Кювье и Жоффруа: какие-то грандиозные силы вмешивались в эволюцию жизни, и в результате такого вмешательства появлялись более совершенные формы животных. Казалось, эволюция время от времени подвергалась действию таинственного ускорителя. Впрочем, такую же роль может сыграть и тормоз. Представим себе, что этот тормоз замедляет или вовсе сбрасывает с «конвейера эволюции» какие-то виды, например, владевших миллионы лет землей динозавров, мешавших развитию других видов, а именно – млекопитающих, так возникает больше простора для развития видов более жизнестойких, «перспективных», с точки зрения природы. О действии некоего тормоза по существу говорит и палеонтология. Чередование богатых окаменелостями слоев с горизонтами, скудными на них (на что первыми обратили внимание Кювье и Жоффруа), се годня есть истина, подтвержденная всей историей нау ки об ископаемых. Но что же могло послужить уско рителем или замедлителем эволюции? Мы не будем рассматривать вмешательство в дела развития приро ды ни инопланетян, ни провидения. Ограничимся из вестными науке естественными силами. Без сомнения, это были высокоэффективные, мощные воздействия, способные, например, в короткий срок уничтожить могучее и многочисленное стадо динозавров, насчиты вающее несколько сот видов — среди них были ма лютки весом в единицы килограммов и гиганты — в де сятки тонн. Динозавры господствовали на суше, в воде и воздухе.
В последние годы все новые гипотезы пополняют арсенал природных сил, способных повлиять на ход эволюции. Пожалуй, первое место среди них принад лежит метеоритной гипотезе. Три исследователя — бельгиец Жан-Георг Казье и американские геохимики Ф. Клейс и С. Марголис недавно опубликовали гипоте зу, которая, на их взгляд, пересматривает ход эволю ции. В ее основу положен более полный учет влияния космических сил на жизнь, развивавшуюся на Земле.
Начнем с того, что жизнь зародилась в океане. Рас тения первыми переместились на сушу, по прошест вии долгого времени за ними потянулись амфибии, а затем сушу захватили животные, получающие кисло род из воздуха. Но еще на уровне амфибий произош ло расслоение животного мира. Одни дали направ ление развитию ящеров и иных пресмыкающихся, других — их назвали териодонтами, или зверообраз ными, — можно рассматривать как группу, связываю щую нынешних млекопитающих с этими древнейши ми наземными позвоночными.
Еще в давние времена (до эры динозавров) высшие териодонты — терапсиды — приобрели многие черты строения и физиологические особенности, характер ные для млекопитающих: лактация, способ дыхания и питания, обоняние... Но вдруг терапсиды исчезают. В геологических слоях более поздних, чем триасовый период, палеонтологи не находят останков терапсид. У филогенетического древа оказались обломанными крупные ветви. Однако какие-то ветви терапсид, види мо, ставшие предками млекопитающих, выжили, ускользнув от уничтожающего удара природы. Но тем не менее палеонтологи несравненно чаще встречают в поздних слоях обширные кладбища динозавров.
Эти пресмыкающиеся, если судить по раскопкам, владели планетой примерно 150 млн лет. Однако эра динозавров неожиданно заканчивается 64,5 млн лет назад. Возникает вопрос: почему так стремительно ис чезло с лица Земли обширное сообщество динозавров? Было выдвинуто множество гипотез. Вот основные из них. Повышенная активность вулканов: газы и выбро шенный пепел пеленой затянули небо и ослабили солнечную радиа цию — динозавры не вынесли похоло дания. Вспышка близкой к Земле Сверхновой звез ды — и животные не выдержали облу чения.
Некоторые уче ные, изучающие эволюцию биосфе ры, придержива ются такой точки зрения: Земля — дитя Космоса — находится в окру жении космичес ких сил, многие из которых время от времени карди нально влияют на развитие земной жизни (рис. 10.1).
Примечатель но, что два вели чайших в истории Земли вымирания живого не совпада ют по времени с крупными метео ритными ударами, хотя в одном из случаев речь идет о гибели 90% всех видов. Возражением против того, что лишь космические факторы ответственны за формирование жизни на Земле, служит следующее наблюдение. В позднем девоне отмечена массовая гибель морских животных, но в то же время на суше ничего подобного в тот период не наблюдалось. Может быть, сходный удар биосфера суши получила в конце девона, когда доминировать стали лиственные растения. Так называемый листьевой индекс появившейся наземной растительности увеличил эффективность поглощения солнечной энергии в сотни раз – в смысле производства зеленой массы. Травоядные получили изобилие корма, безмерно размножились, все съели, тогда пищи стало не хватать, и масса животных погибла от голода.
Сходную ситуацию пережили и наши предки. Когда первобытным людям охота в изобилии приносила мясо разнообразных животных, включая мамонтов, обилие пиши сделало племена многолюдными, и вскоре им уже не на кого стало охотиться. Страшный голод опустошил тогда землю, выжили лишь те, кто начал обрабатывать землю, приручать животных. По мнению другой группы ученых, биосфера в целом подвергалась крупным воздействиям и сопровождалась катастрофическими вымираниями. Катастрофы в биосфере зарождались в ней самой, т. е. имели земное происхождение.
К сожалению, все это лишь гипотезы. Прямых доказательств вмешательства в земные дела космических воздействий у нас нет, как и нет убедительных фактов влияния внутрипланетарных сил на ход эволюции. В этом смысле современные ученые не так далеко ушли от Жоржа Кювье, первым сказавшего о вмешательстве катастроф в эволюцию жизни на Земле. Многие десятилетия эти его выводы отрицались наукой, как, впрочем, отрицаем мы и сейчас его представления о многократных возникновениях животного мира, ничего общего с предшественниками не имеющего. Что же делать? Видимо, последовать совету того же Гете: «Не надо застывать в сомнении, оно, напротив, должно двигать дух к дальнейшему исследованию и испытанию, и, если они проходят на более совершенной и широкой базе, – истина одержит победу». Тогда нескончаемому спору будет положен конец.
С позиций самоорганизации в развитии открытых неравновесных систем выделяется плавный (эволюционный) этап, на протяжении которого не происходит серьезных качественных изменений. Но в процессе его протекания возникают и накапливаются противоречия, в конечном счете приводящие систему в крайне неустойчивое состояние. Долго пребывать в таком состоянии система не может. Так, появление человека в биосфере стало началом новой эры. На ранних стадиях развития цивилизации воздействие человека на биосферу было практически незаметным. Этот период и был началом эволюционного развития биосферы в условиях новой эры. Но постепенно человек своей деятельностью начал видоизменять флору и фауну планеты, изменять облик ее поверхности, иначе говоря, начал перестраивать биосферу.
Интенсивность воздействия на биосферу сельскохозяйственной, а затем и промышленной деятельности людей особенно быстро нарастала в последние две сотни лет и достигла такого уровня, когда биосфера больше не могла сохраняться в своем прежнем состоянии. Назрел кризис системы, о чем и предупреждали человечество в 30-е годы В.И. Вернадский и другие ученые. Предполагается, что из кризисного состояния самоорганизующаяся система выходит скачком, меняя свою структуру и облик так, чтобы на новом уровне организации достичь устойчивого состояния. Обычно существует несколько возможных для перехода системы устойчивых точек бифуркации, ив условиях крайней неустойчивости развиваются флуктуации. Одна из таких флуктуации может подтолкнуть систему на конкретный путь перехода в новое состояние. Это будет случайный, вероятностный переход. Но после того как переход произошел, назад возврата нет, система начинает новый эволюционный этап, определяемый стартовыми условиями совершившегося перехода.
Итак, биосфера и человечество как ее составная часть вступили в кризисный период своего развития. Кризис усугубляется многими неблагоприятными факторами. Так, впервые в своей истории человечество стало обладателем мощнейших источников энергии и токсичности – теперь за считанные минуты может быть уничтожено все живое на Земле. Лишь по счастливой случайности осознание безумия использования подобных источников в традиционных способах решения межгосударственных конфликтов – в войнах – появилось раньше, чем дело дошло до самоуничтожения.
За угрозой ядерного, радиационного или токсического уничтожения биосферы вырисовывается другая, не менее страшная угроза, называемая экологической катастрофой. В ее основе – стихийная деятельность людей, сопровождающаяся загрязнением среды обитания, нарушением теплового баланса Земли и развитием так называемого парникового эффекта. В ближайшей перспективе назревает истощение жизненно важных для человеческой цивилизации сырьевых источников планеты. К этому добавляются демографический взрыв – очень быстрый рост численности людей с тяжелыми для биосферы последствиями, а также другие неприятности, о которых так много пишут.
Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на природу как объект бездушной эксплуатации ее человеком. Активность стихийной деятельности человека во многом зависит от этических норм его поведения. По мнению митрополита Волоколамского и Юрьевского Питирима, «этические нормы поведения человека определяют как бытие, так и взаимодействие с окружающей средой. Земля отвечает не просто неурожайностью почвы или изменением климата на нарушение нравственного ведения хозяйства, но и способна, накапливая отрицательное воздействие, выражать тектоническими изменениями свою реакцию на поступки человека».
В. И. Вернадский, как и ряд других крупных ученых, был оптимистом, верившим, что любые неприятности человечество преодолеет с честью и продолжит свое исторически предопределенное движение вперед. Но среди возможных устойчивых состояний, в которые биосфера как система сможет перейти в процессе самоорганизации, есть и такие, которые исключают жизнь на Земле или исключают существование на ней человеческой цивилизации. А так как механизм перехода управляется случайными факторами, то вероятность таких неблагоприятных для человека вариантов достаточно высока. Например, по случайным причинам или преднамеренно может произойти самоуничтожение человечества в ядерном конфликте. Или к тем же результатам приведет неспособность справиться с экологической катастрофой. Благоприятным выходом из состояния скачка станет образование ноосферы. Является ли в действительности переходный процесс в точке бифуркации независящим от воли человека, чисто случайным явлением?
Оказывается, присутствие в системе разума меняет ситуацию. Предотвратить переходный процесс в биосфере человек не в силах, но есть возможность свести к минимуму или совсем убрать ее неблагоприятные флуктуации, которые и подталкивают неустойчивую систему к нежелательным для человека вариантам перехода. Например, запрещение и полное уничтожение ядерного и химического оружия (точнее, любого оружия массового уничтожения) устраняет флуктуацию, способную вызвать уничтожение биосферы в конфликте. Еще лучше, если будут достигнуты договоренности о значительном сокращении, а затем и полном уничтожении обычных видов вооружений. Тогда высвободятся огромные материальные, интеллектуальные и финансовые ресурсы, которые можно направить на предотвращение экологической катастрофы.
Значительно труднее решить экологическую проблему. Человечество не может (и не должно) отказаться от той цивилизации, которая создана на сегодняшний день и которая не только порождает благополучие и комфортные условия существования современным людям, но также создает неблагоприятные флуктуации, способные подтолкнуть биосферу на переход, исключающий возможность существования в ней человека. Такие флуктуации пока еще до конца не выявлены, что усложняет определение способов их подавления. Однако совершенно ясно, что экологические проблемы возможно решать только совместными усилиями всех стран, всех народов, всех людей. Нет сомнений, что понадобятся такие ограничительные меры, как снижение потребления энергии, организация более экономного ведения промышленного производства, сокращение добычи и расходования важнейших полезных ископаемых. Необходимо изменить отношение к животному и растительному миру планеты, осознать демографические проблемы и сделать многое другое. Успешное решение всей совокупности возникших экологических и иных переходных проблем невозможно без научного предвидения результатов любой природопреобразующей и социальной деятельности людей, а также без создания налаженной системы управления и контроля при проведении в жизнь разрабатываемых мероприятий.
Государственная и национальная разобщенность людей создает существенно неблагоприятную флуктуацию для переходного процесса. Ее подавление представляется очень сложной задачей, и события наших дней подтверждают это. Происходящий на наших глазах распад многонациональных государств, кровопролитные межнациональные конфликты в еще совсем недавно мирных уголках планеты, необъяснимые вспышки ненависти, агрессивности, жестокости – все это дает повод говорить о господстве тенденции, противоположной той, какую требует переход биосферы в ноосферу. Те силы, которые используют национальные предрассудки в своих корыстных интересах, сознательно разжигают рознь между людьми, совершают в современной кризисной ситуации тяжкое преступление в отношении не только своего народа, но и всего человечества.
Предвидение предполагает знание алгоритма поведения системы при действии на нее управляющих и возмущающих факторов. Для сравнительно простых систем, обладающих линейным откликом на возмущающие воздействия, получить такой алгоритм не представляет труда. Хуже обстоит дело с системами, состояние которых определяется большим числом независимых параметров и параметров со сложным характером взаимосвязей. И совсем плохо приходится в случае, когда поведение сложной системы нелинейно, описывается функциями с разрывами. А биосфера и ее подсистемы принадлежат именно к системам такого типа. Подобные управленческие задачи пока не решаются. Но поиски путей к этому активнее ведутся.
Что же касается управленческих средств, то здесь вселяют надежды ведущееся в наши дни формирование базы вычислительных и моделирующих устройств, организация все более разветвленной сети сбора, переработки и анализа информации, разработка автоматизированных систем принятия на основе поступающей информации необходимых управленческих решений, систем контроля за их исполнением. Но это пока только первые, подготовительные шаги. Основная целенаправленная работа впереди. Скорее всего на первых порах задача научного управления будет состоять в предотвращении разрушения биосферы на стадии ее перехода в ноосферу, в борьбе с экологической катастрофой. Это станет возможным лишь при условии глобального охвата основных сфер человеческой деятельности системами предвидения, управления и контроля. На этой основе человечество обеспечит вступление в ноосферу, если, конечно, предварительно удастся подавить неблагоприятные флуктуации.
Вряд ли грядущая новая эра станет утопическим раем для человечества. На новом этапе эволюции неизбежно возникнут новые проблемы, противоречия нового уровня, которые рано или поздно приведут систему к следующему критическому состоянию, в новую точку бифуркации. Не исключено, что источником новых противоречий станут взаимоотношения человека с Космосом, сначала с ближним, а затем и с дальним. Развитие человечества в этом направлении предсказал еще в начале нынешнего века провидец космической эры – К. Э. Циолковский (1857– 1935), учитель физики и математики, ученый и изобретатель.
Изменение климата
Климат меняется на наших глазах. И подтверждают это природные катастрофы, все чаще обрушивающиеся на Землю. По расчетам климатологов, средняя температура планеты в конце XXI в. поднимется на три градуса. А выводы, сделанные при исследовании Гренландского ледяного щита, говорят о возможном повторении драматических колебаний в атмосфере – от жаркого климата пустыни до холодов великого оледенения.
Погода последнего времени, кажется, ни у кого не оставила сомнения в том, что климат нашей планеты меняется. Тревожные сообщения о небывалых наводнениях, разрушительных циклонах и тайфунах. По сравнению с 60-ми годами число бурь на планете увеличилось вчетверо, скорость ветра возросла, материальный ущерб, приносимый стихиями, по меньшей мере удесятерился.
Многие отмечают, что в последние несколько лет зимы стали теплее. Но только специалисты, на вооружении которых современные приборы и методы исследования, задолго до наших дней обнаружили признаки потепления атмосферы. Сто лет измерений массы глетчеров (ледников) в Альпах показали, что количество льда уменьшилось вдвое. За эти же сто лет уровень Мирового океана поднялся на 20 см. За последние годы темп пополнения океана увеличился, уровень его растет – на 3 см за десятилетие.
Мировой океан, преимущественно в тропических широтах, за последние 50 лет нагрелся в верхних слоях на 0,5 градуса. Например, течение Эль-Ниньо в восточной части Тихого океана стало теплее, а поскольку размеры этого течения огромны, оно оказывает влияние на весь климат планеты. От его нагрева падают урожаи в Австралии, возникают наводнения в Калифорнии и страдает от горячих муссонов Юго-Восточная Азия.
Ученые считают, что на 95% потепление Земли вызвано деятельностью человека, а не природными процессами. Основные источники парникового эффекта – углекислота и метан – выделяются промышленностью, транспортом и сельским хозяйством. Один только автомобильный транспорт на 0,7°С повысил температуру нижних слоев атмосферы,
Гамбургские климатологи сравнили колебании температуры за последнюю тысячу лет (анализируя ледяные керны, получаемые при бурении Гренландского ледника на различной глубине) с теми изменениями, что происходят в последние годы. Увы! За десять веков такого процесса потепления, как ныне, не наблюдалось. Нынешнее потепление – единственное в своем роде. Правда, сегодня оно чуть меньше, чем предвещали расчеты на компьютерных моделях, но этому найдено объяснение: окислы серы, также выделяемые производством, уменьшают прозрачность атмосферы, на поверхность Земли падает меньше солнечных лучей.
Парадокс: борьба за чистую, без серы и грязи, атмосферу позволит углекислому газу полностью сыграть свою роль, и тогда станет еще теплее, т. е. оправдаются расчеты компьютера. Но здесь не все зависит от человека. В июне 1991 г. на Филиппинах проснулся вулкан, который выбросил в атмосферу многие миллионы тонн частиц серы. И вот результаты: в следующем году средняя температура атмосферы упала на 0,4°С, а в 1993 – на 0,2°С. Между тем 1990 г. был отмечен исключительно высокой температурой на Земле.
Ускоряющееся потепление обязывает климатологов вводить в компьютерные модели все новые данные. Уже два десятилетия они обновляют математические модели новыми цифрами, говорящими о взаимодействиях между атмосферой и океаном, между ледяными покровами планеты и тем, что происходит в промышленности и на транспорте. Однако эти дополнения не меняют главной картины – компьютеры подтверждают: рост температуры происходит и будет происходить, если мы не вмешаемся в процесс накопления углекислого газа в атмосфере. По расчетам, к концу следующего столетия температура поднимется по сравнению с нынешней примерно на 3°С.
Климатические условия в прошлом
На три градуса теплее было в последний раз на Земле более 100 000 лет назад. В Центральной Европе тогда было так же тепло, как теперь в Африке. Через дубовые леса на севере Европы пробирались стада слонов, в реках плескались бегемоты, на берегах отдыхали львы – все это документально доказывают кости этих животных, найденные палеонтологами, и рисунки в пещерах на юге Франции.
Любопытно, что те же три градуса, только со знаком минус, разделяют наше время и последний ледниковый период, освободивший Европу 10 000 лет назад. Тогда половину Европы покрывал ледовый панцирь, уровень океана был на 120 м ниже, чем теперь, животный мир – сродни теперешнему арктическому. В истории человека этот период отмечен распадом только что сложившихся крупных объединений людей – небольшие группы легче перемещались и успешнее охотились. Люди вынуждены были отступать к югу. Есть много признаков того, что поворот к холодному климату стал повивальной бабкой для Homo sapiens – заставил людей больше думать и работать.
Заглянем в прошлое еще глубже. Пять миллионов лет назад Гималаи выросли так, что изменили направление ветров. Почти высохло Средиземное море. В Северном полушарии стало холоднее, а почва получала мало влаги – дожди не были редкостью. В центре Африки ранее пышные леса поредели, зато саванна раскинулась во всю ширь. Добывать пищу стало труднее.
Когда 10 000 лет назад окончилось последнее оледенение, растаяли гигантские массы льда, уровень Мирового океана поднялся на сто с лишним метров. Человечество буквально захлебывалось – ведь большинство людей жило на берегах морей, занимаясь в основном рыболовством. Возможно, эта невиданная катастрофа нашла отражение в библейском сказании о потопе. Воспоминания о невиданном наводнении есть в преданиях и мифах многих народов. Уцелевшие в этой катастрофе были вознаграждены очень мягким и теплым климатом. Там, где сейчас лежат мертвые пески Сахары, в те времена росли маслины, кипарисы, лавр. Через Северную Африку текли полноводные реки. В Месопотамии и Египте закладывались первые древнейшие цивилизации, которым мы удивляемся и ныне.
Окончание ледникового периода ознаменовалось стабильностью климата – средняя температура на планете с тех пор не отклонялась больше чем на один градус. Но изменения даже в столь малых пределах сказались на судьбе человечества. По мнению многих научных авторитетов, минимальное охлаждение послужило причиной великого переселения народов, а позже – и нашествия монголов. С другой стороны, повышение температуры на полградуса позволило кельтам в Шотландии заниматься виноградарством, а викинги разводили скот на зеленых лугах Гренландии. «Средневековая весна» – от 800 до 1300г. – позволила европейцам возвести великолепные готические храмы: Нотр-Дам в Париже, соборы в Реймсе, в Солсбери и других городах.
Но вот новый поворот климата. В 1212г. погибло около 300 000 голландцев в результате внезапно разразившейся бури, которая вызвала наводнение. Снижение среднегодовой температуры только на один градус привело к тому, что Европа и многие районы других континентов погрузились на несколько веков в так называемое «малое оледенение» (оно закончилось в середине прошлого века). Лето в этот период было дождливым, зима холодная, во многих до тех пор плодородных местах не вызревали хлеба, растения болели – на ржи появились грибы-паразиты. Люди, потреблявшие хлеб из такого зерна, заболевали вялостью мускулатуры. Начался страшный голод. Средняя продолжительность жизни сократилась на 10 лет. Многие селения вымирали, города опустели. Предполагается, что именно такие условия способствовали эпидемиям чумы, не раз опустошавшей села и города. Европа потеряла примерно 25 млн жителей. И многие исследователи связывают эти жертвы с изменениями климата.
Долгосрочные прогнозы
Результаты исследований, полученные с использованием математических компьютерных моделей, не оставляют сомнения в том, что если выбросы в атмосферу сохранятся на прежнем уровне, первым пострадает от большой жары юг. Там станет еще суше, чем теперь. Повышение температуры на два градуса уменьшит и без того скупые осадки на 10%. Пруды высохнут, почва растрескается, возникнут пустыни в Южной Испании, в части Греции, на Среднем Востоке, не говоря уже о захвате африканскими пустынями новых тысяч квадратных километров ныне еще живых мест. В южных штатах США будут господствовать условия, характерные сегодня для пустынь Аризоны и Невады.
На севере станет теплее и более влажно. Германия, например, приблизится по климатическим условиям к теперешней Италии. На месте вечной мерзлоты в Сибири смогут расти обширные поля пшеницы, а на островах Балтики и Северного моря – тропические растения.
Значит ли это, что для Севера наступят райские времена? Климатологи не столь оптимистичны. Потепление будет сопровождаться частыми дождями, что в сельском хозяйстве не всегда благо, 120-летняя погодная статистика позволяет заключить, что в Северном полушарии произошло изменение пропорций между дождями и снегом. Европейцы должны будут свыкнуться с зимними дождями и с засушливым летом. Жителям Севера придется встретиться с новыми для них инфекциями, до сих пор не покидавшими юга. Тропическая малярия, желтая лихорадка – эти болезни в последние годы расширили свои территории в Южной Америке, Азии и Африке. По подсчетам голландских ученых, в новых климатических условиях ежегодно до 80 млн жителей Севера могут стать жертвами опасных для жизни заболеваний, пришедших с Юга. По мнению американских медиков, столкновение населения северных широт с неизвестными ему болезнями – одна из серьезнейших проблем климатических перемен.
Вероятно, не останутся без изменения и отрасли промышленности, связанные с энергетикой. Уголь, газ, нефть должны потесниться, чтобы дать место таким источникам энергии, как солнечные лучи и ветер. Недаром советники Международного объединения инвесторов рекомендуют вкладывать средства не в традиционные энергетические и топливные отрасли, а в отрасли, связанные с солнечной и ветровой энергией. Вот аргументы, на которых строятся эти советы: в следующее двадцатилетие климатические перемены заставят индустриально развитые страны ввести высокие налоги на потребление энергии и поощрять энергосберегающие технологии. Возможно, государства введут ограничения на потребление энергии, особенно связанной со сжиганием топлива. Социальные последствия этих драматических перемен будущей жизни – это целая самостоятельная тема.
Кому парниковый эффект принесет пользу, а кому убытки, – на этот вопрос еще, пожалуй, никто не может ответить точно, хотя изменения климата – уже не научная гипотеза, не показания чувствительных лабораторных приборов, а явление, развертывающееся у всех на глазах. Западные специалисты отваживаются делать некоторые прогнозы. Северные государства – Россия и Канада – смогут увеличить производство пшеницы на 30%, тогда как, например, в таких южных государствах, как Пакистан или Бразилия, на те же 30% уменьшится урожай. Вернее сказать, что перемены климата ударят с одинаковой силой как по Югу, так и по Северу. Бури еще неведомой силы будут атаковать не только экватор, но и средние широты. Ученые прогнозируют шторм (циклон), которого еще не было на Земле: скорость ветра достигнет более 360 км/ч, и он, как кулак гиганта, будет способен сокрушить небоскребы Нью-Йорка или Токио. В считанные секунды такой шквал может уничтожить то, что создавалось поколениями людей, – ценности на сотни миллиардов долларов.
Особую настороженность климатологов вызывают тропические циклоны, образующиеся там, где температура океанской поверхности превышает 26 градусов. Раньше это были сравнительно небольшие поверхности, но при продолжающемся нагреве атмосферы области, порождающие циклоны, могут стать устрашающе большими. И тогда эти циклоны выйдут за пределы тропической зоны, станут появляться в океане у берегов Европы или в пределах Средиземного моря. Один такой циклон уже родился и достиг Ирландии, правда, в ослабленном виде.
Особенно часто посещают сейчас Европу зимние бури – континент не защищен горами вплоть до Урала. Раньше роль препятствия на пути сильных ветров с Атлантики играл антициклон, такой массивный, что он, как высокий хребет, рассекал ветры с океана и направлял на юг и на север. В последние годы этот антициклон из-за мягких зим стал слабым и не сдерживает ураганы с запада. Области низкого давления проникают в Центральную и Восточную Европу.
Могут стать ежегодными опустошительные наводнения такой же силы, какую они продемонстрировали весной 1997 г., затопив многие большие города Европы. Правда, некоторые специалисты одну из причин наводнений объясняют тем, что реки искусственно спрямлены и перегорожены плотинами и из-за этого потеряли привычные для них районы разливов. Есть и другая причина разгула водной стихии. Все чаще в Европе зимой идет дождь, а не снег. Многие возвышенности всю зиму остаются без снежных покровов. При потеплении снег тает не мгновенно, а постепенно, дождевая же вода скатывается в ложбины и русла без задержки.
Жители долин рек и морского прибрежья с развитием теплого климата неминуемо будут страдать от затоплений в любые времена года. Уже обсуждаются законы, запрещающие строительство в местах, подверженных стихийным катастрофам. Но такое законодательство годится для больших по площади стран. А что будет делать такая страна, как Бангладеш (с ее 115 млн жителей), расположенная в глубокой и протяженной долине реки Брахмапутры, сливающейся затем с Гангом (обе принадлежат к числу крупнейших рек планеты) ? К тому же вода будет не только поступать из верховьев реки, но и наступать со стороны моря.
Потепление климата поднимет уровень Мирового океана от полуметра до двух метров: за счет таяния ледников в горах, за счет уменьшения ледяной шапки Антарктиды, внесет свой вклад и температурное расширение воды. Наступающий океан в следующем столетии отнимет у суши по берегам примерно 5 млн кв. км – это половина площади Европы.
По подсчетам голландских ученых, защита от наступающего океана густонаселенных низменных берегов, приморских городов и портовых сооружений обойдется в целом миру без малого в 500 млрд долл. Оплатить столь большие расходы смогут, вероятно, лишь индустриальные страны, развивающимся странам они не по карману. Развитые страны могут выделить для защиты своих берегов 0,037% совокупного национального дохода. Жителям же, например, Мальдивских островов, где самая высокая точка возвышается всего на 3 м над уровнем океана, придется расплачиваться более чем третью валового национального дохода. Жители вынуждены будут переселиться в более надежное место.
Равновесие климата
Новейшие изыскания палеоклиматологов говорят, что компьютерные модели рисуют нам неполную, размытую картину того, что ожидает человечество, когда парниковый эффект скажется в полной мере.
Не один год работала экспедиция на Гренландском ледяном щите. Теперь она завершена. Пробурено 3 км льда – последние слои льда отложились на каменную скалу 250 000 лет назад. Сейчас участники экспедиции анализируют данные, полученные из ледяных кернов. Много сведений дают мельчайшие воздушные пузырьки, включенные в лед. Соотношения двух изотопов кислорода в воздухе такого пузырька могут сказать, при какой температуре воздух был заключен в лед. Исследуя пузырьки воздуха, находящиеся в слоях льда, имеющего возраст 125 000 лет, климатологи сделали сенсационное открытие. Обнаружилась странная закономерность: средняя температура в течение десяти лет внезапно упала на 14°. Так продолжалось 70 лет, затем так же внезапно температура вернулась в прежнее состояние, и надолго. Но после этого опять так же резко наступили холода. Температура несколько раз прыгала таким образом то вниз то вверх. Выводы гренландской экспедиции, проводимой европейцами, вызвали у некоторых ученых сомнения. Американский исследователь в той же Гренландии на расстоянии 30 км от европейской скважины пробурил свою. Полученный им результат подтвердил факт необъяснимых прыжков температуры. Гренландия – это кухня европейской погоды. Следовательно, весь континент через десятилетия то погружался в северосибирскую обстановку, то разогревался до тропической жары.
Полученные данные заставили всерьез задуматься всех климатологов. Температура в теплый период превышала сегодняшнюю среднюю глобальную температуру всего на три градуса. В этом смысле тот период – своеобразный провозвестник ожидаемой нами температуры из-за «парникового» потепления Земли. Что если вызванное человеческой деятельностью потепление приведет к такому же нестабильному состоянию климата – скачкам от холодных периодов к очень теплым? Тогда европейцам придется в следующем столетии то приспосабливаться к жизни в пустыне, то замерзать, как мерзли неандертальцы во времена великого оледенения.
Такая перспектива, конечно, страшнее, чем все другие сценарии предполагаемого развития климата на Земле (правда, не все ученые разделяют эту точку зрения). Ко всеобщему потеплению растения приспособиться еще могут, как и вообще сельское хозяйство, но к резкому изменению высокой температуры на низкую – несомненно, нет. Исследователи предполагают, что драматические изменения климата могут быть вызваны изменениями атлантических течений. В Атлантике в районе Исландии – Гренландии вращается, можно сказать, «тепловой вал». Поверхностный поток, несущий в 20 раз больше воды, чем все реки Земли, – известный Гольфстрим, – в этом месте остывает окончательно, поворачивает вниз и течет на юг. Там вода, нагреваясь, всплывает вверх и снова течет на север, неся с собой огромное количество тепла.
По мнению ученых, океан чрезвычайно чувствителен к изменениям климата. Например, циркуляция Гольфстрима может остановиться, если на каком-либо участке его пути, предположим, остывшая вода Гольфстрима не сможет, как обычно, нырнуть на севере ко дну из-за того, что ее разбавит пресная вода растаявших ледников, и она потеряет соленость и станет легче, – а это может случиться при потеплении климата. Тогда «машина» для переноса тепла на север остановится. Европа по климату превратится в Аляску, и это будет продолжаться до тех пор, пока северный конец Гольфстрима не станет опять солонее.
Только в последние 10 000 лет не было помех в установившемся климате и он оказался стабильным. Но никто не знает причин этого! Поскольку мы не знаем, почему мы в таких исключительных стабильных условиях живем, мы не должны рисковать нарушить равновесие климата, дать ему толчок своими парниковыми газами.
Парниковый эффект
В результате многогранной деятельности человека в атмосфере возрастает содержание многих газов и газообразных примесей. Некоторые из них (в основном диоксид углерода и водяной пар) приводят к нагреванию поверхности Земли. Диоксид углерода и водяной пар пропускают идущий к Земле солнечный свет, нагревающий ее поверхность, и экранируют длинноволновое тепловое излучение Земли. Так возникает парниковый эффект.
Согласно полученным недавно данными с помощью французско-американского спутника «Топекс-Посейдон» уровень мирового океана в последнее время ежегодно поднимается на 1–3 мм. Предполагается, что это связано с общим потеплением климата, причем не только с таянием льдов, но и с термическим расширением воды.
Как показывают систематические наблюдения, в последние десятилетия появились признаки общей тенденции – климат на Земле теплеет. Ни одна экологическая проблема так не беспокоит ученых, как усиление парникового эффекта, ведущего к глобальному потеплению. Среди многих один эпизод в Антарктике особенно усилил такое беспокойство. В водах, омывающих шестой материк, кораблю впервые удалось пройти вокруг острова Джеймса Росса. До сих пор проливы там были закрыты монолитными льдами. Льдина площадью в 4,2 тыс. км2 откололась от остального массива льда: температура в этих местах на 2,5° превышала среднюю многолетнюю. Предполагается, что началось таяние южной полярной шапки планеты.
С течением времени температура поверхности нашей планеты колеблется, но прослеживается тенденция к ее повышению (см. рис. 10.2). Последние данные показывают, что 1996 год стал рекордным по потреблению ископаемого топлива (около 8 млрд т условного топлива). По сравнению с 1992 г. в 1997 г. было сожжено примерно на 500 млн т условного топлива больше, а следовательно, увеличился и выброс в атмосферу продуктов горения. В течение указанного времени концентрация оксидов в атмосфере существенно возросла. В 1996 г. температура на нашей планете понизилась на 0,08°. Однако в целом последнее десятилетие стало рекордным по нагреванию атмосферы за весь период метеорологического наблюдения за температурой.
Нагревание атмосферы может привести к ощутимому потеплению и, как следствие, к наводнению от таяния полярных ледников и превращению плодородных почв в пустыню. Такие прогнозы чаще всего связывают с диоксидом углерода, поглощающем солнечную энергию, хотя увеличение содержания в атмосфере других примесей – моноксида и диоксида азота, метана и других – также являются весьма ощутимо и приводит к потеплению.
В результате массового сжигания различного вида топлива и биомассы образуется громадное количество диоксида углерода. При восстановлении нормального состава атмосферы важное значение имеет биогеохимический круговорот углерода с участием растительности. Различные растения, в том числе и крупные лесные массивы, часто называемые легкими Земли, поглощают диоксид углерода и поставляют кислород, столь необходимый всему живому. Однако в наше время этим легким нанесены серьезные, опасные раны, и их необходимо залечивать. Только в период с 1980 по 1995 год истреблено 180 млн га леса. Это площадь такой страны, как Мексика! Правда, в тропических широтах рубка леса сейчас несколько замедлилась. В прошлом десятилетии было вырублено 15,5 млн га, в текущем десятилетии лишь чуть меньше – 13,7 млн га. Правда, посажен молодой лес – 3,4 млн га. Это, пожалуй, самый яркий пример экологической помощи природе со стороны людей. Подобного рода помощь, конечно должна быть активной и значительной.
Возникает ряд вопросов. Каковы будут последствия массового истребления лесов во многих странах на больших площадях? Могут ли твердые частицы и капельки жидкости, попадающие в атмосферу в результате деятельности человека, сократить доступ солнечной энергии и таким образом скомпенсировать потепление за счет увеличения содержания диоксида углерода, метана и других газов? Ответ на первый вопрос ясен: при массовом уничтожении растительности и в первую очередь лесов нарушится биогеохимический круговорот углерода. Ответ на второй вопрос требует дальнейших исследований.
Сравнительно большие концентрации сажи и других аэрозолей обнаружены в арктических районах. Образование таких аэрозолей, известных как «арктический туман», некоторые ученые связывают с возможными атмосферными последствиями испытания ядерного оружия. Гипотеза глобального похолодания – «ядерной зимы», обусловленной образованием сажи в процессе ядерного взрыва, заключается в том, что при достаточно большом количестве сажи в атмосфере возможно затемнение солнечного света, что повлечет за собой снижение температуры и, как следствие, вымерзание посевов в летнее время. Процессы похолодания, вероятно происходят, но все таки в последние десятилетия преобладает глобальное потепление.
Активная промышленная деятельность ведет к непрерывному возрастанию концентрации диоксида углерода в атмосфере: в XX в. она возросла на 20%. Если сохраняться современные темпы роста промышленного производства, то к 30-м годам, наступающего столетия концентрация углекислоты в атмосфере удвоится. Как же все это может сказаться на продуктивности биоты – исторически сложившихся комплексов живых организмов? Предполагается, что общая продуктивность биоты практически не измениться, но произойдет ее перераспределение по различным географическим зонам. Так резко возрастет засушливость районов Средиземноморья, полупустынь и опустыненных саванн в Африке, кукурузного пояса США. Пострадает и наша степная зона. Урожаи здесь могут снизиться на 15–20, даже на 30%. Зато резко возрастет продуктивность таежных зон и тех районов, которые мы называем Нечерноземьем. Земледелие может продвинуться на север.
Нынешние оценки глобального экологического состояния нашей планеты носят дискуссионный характер. Окончательные выводы делать очень опасно. Так, например, по некоторым расчетам, к началу следующего столетия средняя температура планеты должна повыситься на 0,5–0,6 градуса. Но ведь и естественные температурные изменения могут составлять плюс-минус один градус. Климатологи до сих пор спорят: является ли наблюдаемое потепление естественным процессом, или это проявление усиливающегося парникового эффекта. Парниковый эффект существует – это бесспорно. Учитывать его безусловно надо, но говорить о неизбежности трагедии не следует. Человек может еще очень многое предпринять и смягчить последствия происходящего.
В отличие от проблем загрязнения локального характера глобальные проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, носят международный характер и их успешное решение требует совместных усилий, вне зависимости от различных политических, социальных, культурных и других воззрений.
Кислотные осадки
Кислотные осадки – один из ощутимых источников загрязнения окружающей среды. Кислотные соединения – преимущественно производные оксидов серы и азота. Они образуются естественным образом во время грозы, при извержении вулканов, в результате жизнедеятельности бактерий. Но все же основной источник оксидов серы и азота – выбрасываемые газы автомобильного транспорта, теплоэлектростанций, различных плавильных печей и т. п.
Систематические наблюдения показывают, что в некоторых местах выпадают осадки, приближающиеся по кислотности к столовому уксусу. Масштабы ущерба от кислотных осадков остаются пока предметом дискуссий, но ясно, что они огромны. Выявляются новые формы проявления таких осадков. Если вначале оценивался вред, приносимый кислотными дождями преимущественно озерным и речным экосистемам, то в дальнейшем стали анализироваться и учитываться и такие последствия кислотных осадков, как повреждение зданий, мостов и других сооружений. Труднее всего оценить непосредственное влияние кислотных осадков на здоровье человека. Особенно большой вред наносится озерам, вода которых не содержит щелочных соединений, способных нейтрализовать кислотные осадки. В результате образуются растворы ионов таких металлов, как алюминий и марганец, что влечет за собой подавление роста растений и водорослей, а в некоторых случаях и сокращение или вообще исчезновение популяций рыб. Кислотные осадки приводят к значительному снижению плодородия почвы. В результате окисления почвы резко снижается урожайность культурных растений. Нейтрализация почвы требует существенных материальных и энергетических затрат.
Сравнительно высокий уровень кислотных загрязнений дают электростанции, потребляющие уголь, содержащий серу большой концентрации.
Содержащаяся в угле сера окисляется в газообразный диоксид и в таком виде выбрасывается из дымовых труб. Перемещаясь в атмосфере, диоксид медленно реагирует с водой, образуя серную кислоту. Образовавшийся таким образом серный кислотный осадок может выпасть на почву не только рядом с потребителем угля, но и унестись ветром за сотни километров от него.
Образование оксидов азота, их химическое превращение и выведение из атмосферы – довольно сложный процесс. Азот и кислород, нагреваемые до высоких температур в силовых установках, доменных печах и автомобильных двигателях, превращаются в моноксид азота NО, который, вступая в реакцию окисления, образует диоксид NО2, а иногда и азотную кислоту HNO3.
Развитие химии атмосферы и окружающей среды, внедрение высокочувствительных приборов для определения примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций и создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, – вот те важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды.
Кислотные осадки вне зависимости от их природы могут распространяться на сравнительно большие расстояния от их источника (рис. 10.3).
Химический анализ состава атмосферы, внедрение высокочувствительных приборов для определения примесей в воздухе, изучение кинетики и динамики основных атмосферных реакций и создание новых эффективных методов, позволяющих сократить вредные выбросы, приводящие к кислотным осадкам, – вот те важнейшие задачи, от успешного решения которых зависит сохранение естественного состояния окружающей среды.
Атмосфера Земли содержит одно- и двухатомные молекулы кислорода О и О2 и еще один аллотроп – озон О3 . Озон – светло-синий газ с характерным запахом – образуется в атмосфере при ультрафиолетовом облучении и грозовых разрядах. Он сконцентрирован в основном над тропосферой, в атмосфере и наблюдается от поверхности Земли до высот 80– 90 км. Воздух в стратосфере – безоблачной, сухой, холодной области – перемешивается очень медленно по вертикали и относительно быстро по горизонтали. Поэтому опасные вещества, однажды попавшие в стратосферу, остаются в ней на долгие годы и легко распространяются вокруг Земли, и тем самым загрязнение стратосферы приобретает глобальные масштабы.
Озон выполняет весьма важную роль естественного фильтра, поглощающего губительное для всего живого коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Концентрация озона сравнительно небольшая. Если собрать озоновый слой в окружающую земной шар тонкую оболочку при нормальном атмосферном давлении, то толщина ее составит всего около 3 мм. Распределение озона в атмосфере зависит от сезона, активности Солнца, широты места, техногенного воздействия и т. п. Локальные распределения озона могут отличаться на порядок.
Разрушение озона осуществляется в результате цепной реакции, в которой одна примесная молекула может разрушить много тысяч молекул озона прежде, чем попадет в более плотные слои атмосферы и достигнет поверхности Земли вместе с осадками.
Сравнительно недавно схема образования озона в средних слоях атмосферы сводилось всего лишь к четырем химическим и фотохимическим реакциям с участием только кислородных одно- и многоатомных частиц (О, О2 и О3). К настоящему времени известно, что для описания динамического состояния стратосферы необходимо учесть не менее 150 химических реакций. Химический процесс начинается с поглощения молекулами кислорода О3 ультрафиолетового излучения. При таком поглощении разрываются химические связи, образуется озон О3 и атомы кислорода. При попадании моноксида азота NО в атмосферу начинается цепная реакция. Моноксид азота реагирует с озоном. Образуется диоксид азота NО2, который вступает в реакцию с атомами кислорода, регенерируя NО. Данные две реакции составляют по существу настоящий каталитический цикл, в котором NО и NО2 играют роль катализаторов. В таком цикле исчезают один атом кислорода и одна молекула озона, а соединения азота – NО и NО2 – полностью восстанавливаются (рис. 10.4). Предполагается, что рассмотренный каталитический цикл с участием оксидов азота – главный механизм разрушения озона, в результате которого возникают озоновые дыры.
Существуют два основных вида источников оксида азота в стратосфере. Первый из них – естественный – обусловливается бактериями: в природе оксиды азота образуются в основном в виде N3O при жизнедеятельности почвенных и морских бактерий. Такое относительно инертное соединение медленно поднимается в атмосфере, где в результате поглощения ультрафиолетового излучения образуются оксиды азота NО и NO2. Второй источник – различного рода газы искусственного происхождения, а также газы, образовавшиеся при ядерных взрывах.
С деятельностью человека связан еще один существенный источник загрязнения стратосферы – галогенпроизводные углерода CFCl3 и CF2Cl3 (хлорфторметаны), широко применяемые в качестве хладагентов и аэрозольных наполнителей. Данные соединения химически инертны, и какие-либо вредные воздействия их на живые организмы пока не обнаружены. Однако вследствие той же инертности они легко поднимаются вверх, достигая стратосферы, где возможен фотолиз под действием ультрафиолетового излучения. Хлорсодержащие продукты фотолиза Сl и СlО могут породить свой каталитический цикл, разрушающий озон подобно оксидам азота (рис. 10.5).
Предполагается, что данный каталитический цикл включает не две как это считалось раньше, а около 40 реакций с участием Сl, СlО, НСl, НОСl, HClNO2, и многих других соединений хлора. Большинство подобного рода реакций никогда ранее не изучалось в лаборатории. Только в последние десятилетия благодаря применению современных экспериментальных методов и технических средств появилась реальная возможность получать в лабораторных условиях многие реакционноспособные химические соединения и определять скорость их взаимодействия с многочисленными компонентами атмосферы.
Современные методы исследований аналитической химии, разработанные для обнаружения чрезвычайно малых количеств реакционноспособных молекул в лабораторных условиях, применяются для определения в естественной стратосфере таких веществ как О, ОН, С1 и С1О, концентрация которых составляет около триллионных долей. В то же время в результате исследования многих фотохимических и химических процессов, а также измерений концентрации многих примесей в стратосфере пока не обнаружены два вида соединений хлора: НОСl и ClONO2 принимающих участие в каталитическом цикле разрушения озона хлорфторметаном.
Ученые-естествоиспытатели своевременно подготовили необходимую и научно обоснованную базу для законодательных актов, ограничивающих применение хлорфторметанов. Для их замены в холодильных камерах, кондиционерах воздуха и т. п. химическая промышленность синтезирует вещества, которые легко разрушаются и не наносят вреда окружающей среде. Последовательное рациональное решение проблемы сохранения озонового слоя – один из характерных примеров научного подхода в анализе реального состояния атмосферы и поиске путей предотвращения потенциальной угрозы окружающей среде без введения необдуманных запретительных мер.
Необходимые для жизнедеятельности всего живого водные ресурсы – это соленая вода океанов, морей и пресная вода озер, рек и подземных источников. Гигантское количество воды сосредоточено в ледниках, общий объем которых составляет около 30 млн кубометров. Существенная доля водяных паров образуется при естественном испарении поверхностных вод. Чрезвычайно быстрое испарение воды происходит при попадании вулканической лавы в море или океан. При этом образуются громадные облака горячего водяного пара (см. рис. 10.6).
Пресная вода в значительной степени подвержена воздействию человека при ее бытовом и промышленном потреблении. Исследования, проведенные в континентальных районах США, показали, что около 1% водоносных слоев в той ил иной степени загрязнены. Данный показатель загрязнения относительно не высок, но если учесть, что приблизительно половина населения США пользуется колодцами как источниками питьевой воды, то становится понятно, что даже такое загрязнение весьма значительно.
Наша страна, как никакая другая, богата водными ресурсами. Прежде всего это реки, многие из которых, к сожалению, несут непомерную нагрузку. Можно было бы говорить обо всех реках, но остановимся на одной из них – Волге. Проблемы Волги – это проблемы не только всех рек и всей России, но и всей планеты в целом.
По данным Института литосферы РАН, большая часть волжского бассейна находится в критическом состоянии. Ежегодно в Волгу поступает более 300 млн т минеральных веществ, 64 тыс. т фенола, более 100 тыс. т соединений железа, более 6 млн. т сульфата, свыше 10 млн т хлоридов и т. д. В бассейн Волги в 1990 г. было сброшено 23,3 км3 сточных вод. Из них совершенно неочищенных – 1,9, мало очищенных – 9,6, так называемых нормативно очищенных, а на самом деле тоже недостаточно очищенных – 1,6 км3. Основная масса загрязненных вод, как ни странно, поступает через сети коммунального хозяйства. Надолго промышленных отходов приходится меньше половины. Сокращение объема пресноводного стока с завершением строительства Нижнекамского и Куйбышевского водохранилищ и загрязнение воды привели к тому, что за последние 35 лет годовой лов рыбы в Волго-Каспийском регионе снизился в восемь раз. Судака стало меньше в 24, леща в 4,5, сельди – в 16 раз. Рыба гибнет в основном из-за того, что количество фенола, ионов меди, цинка, нефтепродуктов и пестицидов в волжской воде в последние годы превышает допустимые нормы в десятки и сотни раз. А с конца 70-х годов резко повысилось содержание азота, фосфора и органики.
Очевидно, если вода в Волге будет чистой, то и рыба в ней не переведется. Многие ли знают, что для рыб вода должна быть чище, чем питьевая? Воду, не пригодную для рыбы, люди в соответствии с нормами ГОСТа пить могут. И мы должны стремиться к тому, чтобы для нас установили те же нормы, что и для рыб.
Еще недавно радостно звучали слова популярной песни: «Волга, Волга, мать родная, отныне в памяти моей ты не река, а цепь сквозная каналов, шлюзов и морей». Теперь многие понимают, что превращение реки в цепь каналов оборачивается серьезными бедствиями. Каков же материальный ущерб, нанесенный Волге строительством ГЭС? Ежегодные потери оцениваются из-за недополучения продукции при затоплении более 1 млн гектаров сельскохозяйственных земель – в 16 млрд долл. и из-за потери рыбных запасов – в 4–6 млрд долл. Если учесть эти потери, то по себестоимости электроэнергии действующие ГЭС станут невыгодными по сравнению, например, даже с ТЭЦ. Но спустить воду невозможно – энергия нужна всем. Значит, надо искать способы реконструировать ГЭС таким образом, чтобы они приносили минимальный ущерб.
Подвергаются загрязнению и подземные воды. Основной источник загрязнения – отходы. Применяемые в течение длительного времени способы захоронения бытовых и промышленных отходов основывались на том, что миграция отходов маловероятна и что со временем содержащиеся в них соединения окисляются, гидролизуются или перерабатываются бактериями в безвредные продукты. Однако результаты исследований показали, что некоторые виды отходов слабо разлагаются и способны мигрировать, а часть их перерабатываются бактериями не в безвредные, а в токсичные вещества. Загрязняющие вещества от различных источников могут распространяться в поверхностных слоях земли на большие расстояния от источников загрязнения (см. рис. 10.7) и проникать в водоносные пласты.
Восстановление сильно загрязненных водоносных пластов требует весьма внушительных финансовых вложений. Так, стоимость работ по локализации загрязнений, проводимых в Скалистых горах шт. Колорадо, составляет около 100 млн долл., а полное устранение загрязнений в данной местности стоит примерно 1 млрд долл. Такая чудовищная стоимость восстановительных работ непременно должна способствовать обдуманному и научно-обоснованному подходу в решении весьма непростой проблемы захоронения отходов. Вынужденное захоронение всех видов отходов в грунте требует предварительных и сопутствующих физических, химических и биологических исследований, результаты которых позволят представить реальную картину миграции составляющих отходы соединений, а также их процесс разложения. Только при таком подходе ненужные и вредные отходы могут нанести минимальный ущерб окружающей среде. При достаточно глубоком изучении данной проблемы различные отходы могут использоваться как вторичное сырье, т. е. оказаться полезными.
За последние десятилетия резко возрос объем пластиковых отходов, которыми засоряются не только огромные площади суши, но и моря, и океаны. Пластиковые отходы в конце концов разрушаются, но очень медленно – некоторые из них в течение нескольких десятков лет. Но все же усилиями химиков выход найден – синтезированы с особой структурой и свойствами пластики, отходы от которых наносят минимальный ущерб окружающей среде. В такие пластики внедряются светочувствительные молекулярные группы, способные поглощать солнечное излучение, приводящее к расщеплению полимера.
Можно выделить несколько способов сохранения водных ресурсов:
– оптимальная комбинация химической и биологической чистки сточных вод;
– применение дополнительных средств очистки сточных вод, содержащих особо стойкие вещества;
– внедрение процесса озонирования;
– окисление загрязняющих веществ при высокой температуре и высоком давлении;
– высокотемпературное сжигание отходов и обработка их адсорбентами и ионообменными смолами;
– циклическое применение воды при теплоотводе от различных механизмов и агрегатов;
– возвращение в производственный цикл ценных веществ, например, металлов, вызывающих загрязнение почвы и воды;
– создание быстроразлагающихся заменителей пестицидов, широко применяемые как средство борьбы с болезнями и вредителями растений.
Успешное решение проблемы сохранения окружающей среды зависит не только от ученых, специально занимающихся данной проблемой, но во многом и от всех людей, бережно относящихся к природе, в том числе и к водным ресурсам.
Последнее столетие непременно войдет в историю как эпоха стремительного роста городов, количества грузовых и легковых автомобилей, интенсивного строительства новых дорог и расширения автострад, освоения воздушного, а затем и космического пространств, создания творящей чудеса микроэлектронной и компьютерной техники и многого другого, чего не мог себе представить самый образованный человек не такого уж далекого прошлого – человек времен Петра Первого. Вместе с тем это была эпоха дешевой энергии. Многие из нас помнят, как не так давно воздвигали громадные дома, не заботясь о их теплоизоляции, как строили гиганты-заводы без надлежащего учета экономии энергии и т. д.
Стало привычным пользоваться благами энергии: нажимая кнопку, мы получаем свет, звук, телевизионное изображение, тепло, холод и кондиционированный воздух; поворачивая кран, мы имеем холодную и горячую воду, не осознавая того, что на это расходуется не так уж мало энергии: достаточно представить, как трудно поднять всего лишь одно ведро воды хотя бы на второй этаж, не говоря о более высоких. Нажимая кнопку и поворачивая кран мы имеем и другую сторону медали: затопленные большие площади полезных земель, затопленные села и даже города, громадные горы отходов, кислотные дожди, загрязнение природной среды нефтью и отходами нефтяной и газовой промышленности, аэрозоли в атмосфере, углекислый газ и смог, радиоактивные отходы и т. п.
Описание мрачной картины последствий производства энергии можно было бы продолжить. Но и без того понятно: сберегая энергию, мы сохраняем природную среду нашего обитания. Несомненно, бережное отношение к энергии касается не только семейного бюджета – оно непосредственно связано с дальнейшим развитием цивилизации. Такое отношение должно прививаться каждому еще в раннем возрасте. Им должны руководствоваться не только профессионалы-экологи и энергетики, но буквально все люди вне зависимости от профессии и занятий.
Проблемы производства энергии и ее сбережения не новы: ими занимались всегда и в первую очередь, конечно, ученые. Однако только сравнительно недавно, начиная с 1974г., на государственном уровне начали осознавать, что эпоха дешевой энергии завершается. Напомним, что в 1974 г. после введения арабскими странами эмбарго на продажу важнейшего энергоносителя – нефти последовало шестикратное увеличение цен на нее. В 1973 г. США платили всего 2 долл. за баррель иностранной нефти (1 баррель равен 158,99 л). А 1981 г. принес еще один резкий подъем цены: один баррель нефти уже стоил 37 долл. Может показаться, что такое повышение цены имеет политическую окраску, с чем нельзя не согласиться. Но в данном случае за политикой кроется реальная экономика: США, многие страны Западной Европы и Японии потребляют гораздо больше энергии, чем получают из собственных источников, и сокращение поставки энергоносителей повлекло бы остановку многих промышленных предприятий.
Приведенный пример нельзя рассматривать как крупномасштабный энергетический кризис. Это всего лишь результат географического и политического раздела производителей энергоносителей и их потребителей. Но данный пример заставляет не только задуматься над проблемами экономного производства энергии и экономном ее потреблении, но и искать новые способы получения энергии, которые приносили бы минимальный ущерб окружающей среде. Только при рациональном применении ископаемых энергоносителей (нефти, газа, угля) и разумном сочетании их с нетрадиционными источниками (источниками энергии приливов ветра, Солнца, геотермального тепла и др.) можно надолго сохранить хрупкое равновесие в природе – среде нашего обитания.
Сложная проблема производства энергии и сохранения окружающей среды волнует всех людей и в первую очередь специалистов и ученых, которые предлагают разные способы ее решения. Один из способов предложили ученые США. В штате Нью-Йорк организована экспериментальная ферма, на которой выращивают гибридную иву, специально выведенную для того, чтобы служить топливом для электростанций. «Энергетическая» ива не похожа ни на одну из естественных разновидностей, это плотный куст с гибкими ветками, длина которых за год увеличивается почти на 3,5 м. Большая скорость роста – основная особенность гибрида. За год ивовый лес производит в 5–10 раз больше древесины, чем любой природный лес. Собирать урожай прутьев можно каждые три года на протяжении 20 лет. Для сжигания ветки рубят на куски длиной 5 см. Хотя такое топливо обходится не дешевле угля (с учетом того, что на ТЭЦ приходится заменять угольные топки новыми, специально сконструированными), зато дым от ивовых дров гораздо менее токсичен. Он содержит меньше окислов серы и азота. Кроме того, если при сжигании нефти, угля и газа выпускается в атмосферу углекислый газ, который был давно похоронен в горных пластах и исключен из атмосферы, то сжигание дров высвобождает то количество углекислого газа, которое растения поглотили из атмосферы за прошлые три года их роста и снова поглотят к новому урожаю. Поэтому сжигание их не увеличивает парниковый эффект. В Западной Европе такие леса уже занимают около 20 тыс. гектаров. В США имеется 80 млн. га. брошенной земли, так что есть где развернуть энергетическое лесоводство.
Можно привести и другие примеры оригинальных способов производства энергии, способствующих сохранению среды нашего обитания. Однако любой способ в той или иной мере сопряжен со вторжением в природу. Поэтому важно не только произвести с минимальным ущербом для природы энергию, но и рационально ее потреблять. Только в этом случае, производя и потребляя энергию, мы проявим не на словах, а на деле бережное отношение к окружающей среде.
Общие сведения
В текущем столетии в связи с активной деятельностью человека, связанной с производством ядерного оружия и бурным развитием атомной энергетики, появился новый вид воздействия на биосферу – радиоактивный. Если раньше радиоактивное воздействие можно было считать несущественным: радиоактивные источники были спрятаны природой в относительно недоступных местах для живого мира, – то в последнее десятилетие в связи с добычей и обогащением ядерных материалов в крупных масштабах радиоактивное воздействие на биосферу стало представлять серьезную экологическую опасность.
Слова «радиоактивное излучение» «радиоактивность» и «облучение» вошли в жизнь послевоенных поколений и до наших дней неразрывно связаны с первым и увы! кошмарным применением внутриядерной энергии – атомными бомбардировками Хиросимы и Нагасаки. Хотя исход Второй мировой войны был предрешен и японский генералитет уже обсуждал порядок капитуляции перед союзниками, Соединенные Штаты совершили варварский акт, продемонстрировав чудовищную мощь ядерного оружия.
При взрывах атомных бомб более 100 тыс. японцев погибли практически мгновенно, пораженные световой и ударными волнами. Десятки тысяч выживших в момент взрыва подверглись действию проникающих излучений и скончались в течение нескольких дней и недель от острой лучевой болезни, вызванною переоблучением и отягощенной травмами и обширными ожогами кожи. На этом не закончился список тех, кто погиб от облучения. Точные сведения о числе жертв атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки не опубликованы до сих пор. В статьях американских военных специалистов эти данные занижены по причинам, среди которых в первую очередь следует упомянуть политические мотивы. Наиболее полную информацию имеют прогрессивные японские организации, проводившие специальные исследования. По их данным, к концу 1946 г в результате взрывов атомных бомб погибло около 160 тыс. жителей Хиросимы и 70 тыс. жителей Нагасаки. В течение последующих 30 лет (1947–1976 гг.) от лучевой болезни скончалось еще около 90 тыс. человек. По прогнозам в дальнейшем жертвами отдаленных последствий переоблучения окажутся еще 360 тыс. человек.
Вблизи хиросимского Музея мира на бывшем огромном пустыре, а ныне на краю большого парка, прямо под точкой взрыва американской атомной бомбы установлен черный каменный саркофаг с книгой записей имен жертв атомной бомбардировки. Прошло более 50 лет, но ежедневно в ней появляются все новые имена скончавшихся из-за последствий облучения. Сначала умирали жители Хиросимы, находившиеся в ней в августе – сентябре 1945 г., потом их дети, а теперь дети их детей. По данным профессора Джозефа Ротблата, английского специалиста по радиационной биологии, в Хиросиме за пять лет после взрыва бомбы умерло втрое больше людей, чем при взрыве. Они погибли от совместного действия ожогов, травм и облучения.
Полностью разрушенную первой атомной бомбой Хиросиму начали возрождать через несколько лет после взрыва. Спустя 10 лет был построен город прежней величины.
Взрыв одного из четырех блоков Чернобыльской АЭС в ночь на 26 апреля 1986 г. не разрушил ни одного жилого дома и даже не остановил сразу работу самой АЭС. Но через 10 лет после этой аварии опустошенные эвакуацией города и деревни прилегающих к Чернобылю районов Украины и Белоруссии по-прежнему остаются пустыми. Жить на этой территории, превышающей 1000 км2 и сильно загрязненной радионуклидами, будет нельзя еще 300–400 лет. Здесь будут работать лишь экологи и генетики, изучая влияние разных уровней хронической радиации на растения и животных. По подсчетам экспертов «цена» чернобыльской аварии за 10 лет составила около 200 млрд долл. Но это лишь расходы и потери первого десятилетия. Прямой эффект чернобыльской аварии был крайне тяжелым. Десятки людей погибли от острой лучевой болезни. Многие жители были переоблучены и их здоровью нанесен существенный ущерб.
В России, на Украине, в Восточной и Западной Европе, США в последние 10 лет не было начато строительство ни одной новой АЭС. Однако продолжали достраивать реакторы, которые были уже близки к завершению. Естественно, что их проекты модифицировались. В СССР в 1989–1990 гг. из-за усилившейся антиядерной пропаганды остановилось и такое строительство, хотя это означало замораживание уже задействованных огромных инвестиций. После распада СССР Россия возобновила работы по вводу в действие реакторов, строительство которых было почти завершено к 1986 г. В 1993 г. был введен в действие четвертый реактор ВВЭР-1000 на Балаклавской АЭС. Возобновились работы по завершению строительства третьего реактора ВВЭР-1000 на Калининской АЭС и пятого реактора РБМК-100 на Курской АЭС.
Армения, лишенная всех источников органического топлива, решила реактивировать Армянскую АЭС, закрытую после землетрясения в 1988 г. Серьезное преобразование этой АЭС, состоящей из двух блоков ВВЭР-440, финансировалось армянской диаспорой. Введение одного из этих реакторов в эксплуатацию в декабре 1995 г. отмечалось как национальный праздник. Ослабли антиядерные настроения и в независимой Украине.
В нашем лексиконе появились термины «острая лучевая болезнь», «отдаленные последствия облучения», тревожно звучащее слово «радиация». Раньше эти термины применялись преимущественно в узком круге специалистов, занимающихся разработкой способов использования атомной энергии в первую очередь для мирных целей. Вряд ли найдется человек, который не слыхал бы об успешном применении облучения в терапии опухолей, при стерилизации продуктов питания и медицинских препаратов, для предпосевной стимуляции семян и в других отраслях человеческой деятельности вплоть до криминалистики и искусствоведения.
И все-таки у многих, если не у большинства, при слове «радиация» возникает тревожное состояние, иногда называемое атомным синдромом, означающим болезненное состояние психики. Авария на ЧАЭС – не только разрушение блока, но и взрыв (без преувеличения) всеобщего интереса к проблеме действия излучения на живые организмы, в первую очередь на человека, а также к тому процессу, который называется облучением. В печати, по радио, на телевидении замелькали ранее применявшиеся только в специальной литературе термины – «дозиметрия» и «радиобиология», специальные единицы – рентгены, рады, бэры, а иногда даже такие экзотические, как грэй, зиверт. Большой выброс радиоактивных веществ из аварийного блока и в связи с этим возникшая необходимость введения радиометрического контроля в районах, прилегающих к 30-километровой эвакуированной зоне, вовлекла в круг практической дозиметрии много лиц, ранее не соприкасавшихся с проблемами радиоактивности измерений. Незнание количественных критериев радиационной опасности, а также неумелое применение средств защиты привели к ряду ошибочных действий. По этой же причине серьезными ошибками пестрят многочисленные послеаварийные сообщения.
Один из важных уроков из аварии в Чернобыле состоит в том, что изучение основ дозиметрии ионизирующих излучений и радиационной биологии – неотъемлемый элемент современной цивилизации и культуры. Нам известны многие виды излучений, которые могут взаимодействовать с облучаемой средой, не обязательно вызывая ионизирующее действие. Одно из них всем хорошо знакомо – вспомним последствия длительного пребывания летом на ярком солнце. Ожог (иногда второй степени!) – следствие переоблучения кожи в результате воздействия инфракрасного излучения на клетки эпидермиса (верхнего слоя кожи), тогда как загар – воздействие более глубоко проникающего ультрафиолетового излучения на пигмент в составе подкожной клетчатки.
Отмеченное в последние годы ослабление слуха у подростков – следствие акустического переоблучения различного рода аудиотехникой. Причина выявленной в годы Второй мировой войны анемии у операторов мощных радиолокаторов – воздействие чрезвычайно больших доз сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Одна из существующих в современной биофизике гипотез связывает акселерацию людей в послевоенные годы с переоблучением населения Земли вездесущими радиоволнами.
Не множа число таких примеров, уточним основную цель – количественно обосновать безопасные и допустимые уровни воздействия на живые организмы и оценить степень опасности облучения человека.
Взаимодействие излучения с веществом
Первая характеристика из используемых в практической дозиметрии, можно сказать, «лежит на поверхности» – это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с проникающим рентгеновским излучением, распространяющимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры излучения многие годы применяли результат измерения ионизации воздуха вблизи рентгеновских трубок и аппаратов. Единицей таких измерений условились считать количество пар ионов, которые излучение образует в 1 см3 сухого воздуха, находящегося при атмосферном давлении. Позднее было установлено, что такой единице экспозиционной дозы, названной рентгеном, соответствует 2,08·109 пар ионов, т. е. примерно 2 млрд пар ионов в 1 см3 воздуха. Таким образом, можно сказать, что экспозиционная доза – количественная характеристика поля ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении. Единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р), 1P = 1 · 109 пар ионов/см3 воздуха.
Полезно запомнить удобное правило, часто применяемое в практической дозиметрии: доза 1P накапливается за 1 ч на расстоянии 1 м от источника радия массой 1 г, т. е. активностью примерно 1 Кюри (Ки).
В качестве меры глубинных доз и радиационного воздействия проникающих излучений было предложено определять энергию, поглощенную облучаемым веществом. Поглощенная доза – количество энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. Единицей поглощенной дозы является рад (рад – аббревиатура от английских слов radiation absorb dose, т. е. поглощенная доза излучения); 1 рад= 100 эрг/г. В системе СИ новой единицей поглощенной дозы является грэй (Гр) (эта непривычная, на практике еще мало употребляемая единица названа в честь английского физика Л. Грэя); 1 Гр= 100 рад. Для мягких тканей в поле рентгеновского или гамма-излучения поглощенная доза 1 рад примерно соответствует экспозиции 1P, т. е. 1P 1 рад (точно – 0,88 рад).
Из приведенных определений однозначно следует, что поглощенная доза – универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля ионизирующего излучения и среды, на которую оно воздействует, т. е. облучения. Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект.
К сожалению, действие ионизирующих излучений на живой организм оказалось сложнее, чем последствия облучения сравнительно простых неживых веществ. Выяснилось, что у значительной части физиков, в течение ряда лет проводивших опыты на циклотронах, было обнаружено профессиональное помутнение хрусталика. Эти лучевые катаракты развились у них в условиях умеренных поглощенных доз, не превышавших допустимых значений. Изучение таких отдаленных последствий облучения организма привело к заключению, что радиобиологический эффект зависит не только от поглощенной дозы, т. е. энергии, переданной облучаемому веществу, но и от других факторов. При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая изучением. Для количественной оценки такого влияния вводится понятие эквивалентной дозы, которая равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества, определяемый отношением поглощенной дозы эталонного измерения к дозе рассматриваемого излучения, вызывающей тот же радиобиологический эффект. Единицей измерения эквивалентной дозы является биологический эквивалент рада – бэр. В системе СИ единица эквивалентной дозы– зиверт (Зв), названный в честь известного шведского радиолога Г.Р. Зиверта: 1 зв = 100 бэр.
Анализ несчастных случаев позволил установить численное значение смертельной дозы гамма-излучения. Она оказалась равной 600 ± 100 Р.
Дозиметрические и радиобиологические исследования показали, что ни в одном из известных случаев вредные последствия облучения не проявились при дозах менее 100 Р кратковременного, т. е. «острого», облучения и 1000 Р облучения, растянутого на десятки лет.
Каковы же опасные и неопасные дозы облучения? При дозах облучения более 25 бэр никаких изменений в органах и тканях организма человека не наблюдается. Незначительные кратковременные изменения состава крови возникают только при дозе облучения 50 бэр.
Во всех случаях воздействия ионизирующих излучений на ткань в основе первичных изменений, возникающих в клетках живого организма, лежит передача энергии в результате процессов ионизации и возбуждения атомов ткани. При дозах облучения, вызывающих глубокие поражения или даже гибель организма (например, единовременно 600 рад для человека), относительное количество образующихся ионов очень невелико. Этой дозе соответствует примерно 1015 ионов/см3 ткани, что в пересчете на ионизацию молекул воды составляет всего лишь одну ионизированную молекулу воды на 10 млн. Таким образом, непосредственная прямая ионизация (без учета вторичных эффектов) не может объяснить повреждающего действия излучения.
Количество энергии, соответствующее такой дозе, по своему тепловому эффекту ничтожно мало: при облучении человека весом 70 кг дозе 600 рад соответствует выделение 60 малых калорий, что равносильно приему внутрь одной ложки теплой воды. Следовательно, биологическое действие ионизирующего излучения невозможно свести только к изменениям температуры, как это имеет место, например, при взаимодействии живой ткани с УКВ- и СВЧ-волнами.
Если при вдыхании, заглатывании, а также через повреждения кожного покрова источник излучения попадает внутрь организма, то возникает внутреннее облучение во много раз более опасным, чем внешнее, при одних и тех же количествах радионуклидов.
Патологическое действие облучения на организм в значительной мере зависит от места локализации радиоактивного вещества. Например, главная опасность радия заключается в том, что он откладывается в костях и излучает альфа-частицы. Вызывая очень сильную ионизацию, альфа-частицы повреждают как кость, так и особенно чувствительные к излучению клетки кроветворных тканей, вызывая тяжелые заболевания крови и образование злокачественных опухолей. Пыль, содержащая радиоактивные частицы, приводила к образованию радиоактивных отложений в легких и способствовала развитию рака. Средний период развития рака в этом случае составлял около 17 лет, за которые ткани легких рудокопов получали дозу не менее 1000 бэр.
Из всех путей поступления радионуклидов в организм наиболее опасно вдыхание загрязненного воздуха. Во-первых, потому, что человек, занятый работой средней тяжести, потребляет за рабочий день большое количество воздуха (около 20 м3), во-вторых, радиоактивное вещество, поступающее таким путем в организм человека, исключительно быстро усваивается.
Защита от облучения
Познакомимся с мерами защиты от облучения. При одном и том же потоке излучения, активности или концентрации радионуклидов защита населения на местности должна быть на порядок более эффективной, чем персонала на производстве. Различают три возможных способа защиты – временем, расстоянием и экранировкой. Защита временем – это ограничение продолжительности работы в поле излучения. Действительно, в результате предварительной радиационной разведки (дозиметристы всегда идут впереди) уточняется картограмма гамма-поля на всем рабочем пространстве. Зная, что и где нужно сделать, дозиметрист задает исполнителям допустимое время для проведения операции.
Второй способ защиты от гамма-излучения столь же прост и нагляден: защита расстоянием. Общеизвестно, что излучение точечного или локализованного источника распространяется во все стороны равномерно, т. е. является изотропным. Отсюда следует, что интенсивность излучения уменьшается с увеличением расстояния от источника по закону обратного квадрата. Следовательно, при увеличении расстояния до источника излучения в 2 раза интенсивность его уменьшается в 4 раза и т. д. Если необходимо снять картограмму гамма-поля с очень высокой мощностью дозы, это делают с максимальным удалением от такого участка.
Третий способ – защита экранированием или поглощением – основан на использовании процессов взаимодействия фотонов с веществом. Защитные свойства материалов определяются коэффициентом ослабления излучения для узкого пучка гамма-излучения. Обычно указывают главные параметры материалов защиты – слой половинного или десятикратного ослабления. Для ориентировки полезно запомнить, что слои половинного ослабления фотонов с энергией 1 МэВ составляет 1,3 см свинца или 13 см бетона. Защитная способность других веществ больше или меньше характерной для этих двух «эталонных» материалов в такой же степени, во сколько раз отличаются их плотности от плотности свинца или бетона.
Жизненно необходимая радиация
Привычка разделять все воздействующие на организм явления и вещества на вредные для него и полезные – всего лишь широко распространенное заблуждение. Ведь давно известно, как вредна, например, передозировка лекарств или даже витаминов и как необходимы бывают организму микродозы яда, например змеиного. Считавшиеся всегда только вредными вещества или эффекты могут быть в определенных дозах весьма полезными. С атомной радиацией человек поначалу столкнулся при очень больших дозах ее воздействия и не мог не убедиться в губительности этой радиации для всего живого. До сих пор не до конца изучены ее последствия, но широко распространено мнение, что она всегда вредна и что вред этот снижается с уменьшением дозы облучения.
В середине XX в. был обнаружен природный радиоактивный фон, влиявший в течение миллионов лет на жизнь нашей планеты. Многие специалисты сочли его уровень нижним пределом опасной радиации, отметив, однако, что даже один квант высокой энергии убивает клетку при прямом попадании. Эксперименты показали, что большие и малые дозы атомной радиации действуют на организм принципиально по-разному. Первые поражают множество клеток и серьезно ослабляют организм, тогда как вторые губят только отдельные клетки, а остальным дают стимул для их последующего развития.
В молекулах клеток (в ДНК, РНК, белках) при воздействии атомной радиации происходят одновременно два процесса – ионизация и возбуждение. Именно ионизации обязана радиация своим поражающим живые организмы действием. Процессом возбуждения до недавних пор пренебрегали, считая его побочным, вторичным, тогда как на самом деле он чрезвычайно важен. Вызванное малыми дозами атомной радиации (на уровне природного фона) возбуждение молекул способствует развитию клеток и всего организма в целом. Оно удлиняет сроки жизни, усиливает иммунитет, повышает всхожесть семян, увеличивает рост растений и т. д.
Положительный эффект малых доз радиации подтвержден многими экспериментами на растениях и животных – от насекомых до млекопитающих. И ничего в этом удивительного нет, поскольку жизнь на Земле возникла, развивалась и существует ныне в условиях постоянной атомной радиации.
Все знают, что чрезмерное повышение радиоактивного фона наносит немалый вред всему живому, и принятие всех возможных мер к тому, чтобы снизить его до нуля, кажется вполне естественным. Но проведенные в последние годы опыты с растениями и животными показали, что изоляция организма от естественной радиации вызывает в нем замедление самых фундаментальных жизненных процессов.
Земная колыбель человечества всегда была радиоактивной, и биологические объекты, развиваясь в поле ионизирующих излучений, не могли к этому не приспособиться. В этом отношении показательны опыты радиобиологов по выращиванию растений внутри камер, изготовленных из радиационно чистых материалов, которые практически не содержат в своем составе естественных радионуклидов. Оказалось, что в таких условиях побеги появляются позже, развитие растений замедлено, а урожай существенно ниже, чем в условиях естественного радиационного фона.
Нарушение естественного состояния окружающей среды, ведущее к деградации всего живого и представляющее угрозу здоровью человека – явление не новое: оно прослеживается с древнейших времен и стало заметно проявляться на самой начальной стадии урбанизации – с появлением небольших городов. Население земного шара постоянно растет, продолжается стремительный рост городов – появляются города-гиганты – мегаполисы. Потребление различных материальных ресурсов, товаров и энергии на душу населения непрерывно увеличивается. Рост населения, урбанизация, массовое производство промышленной и сельскохозяйственной продукции – все это неизбежно ведет к активному вторжению человека в окружающую среду. И в этой связи ее защита в настоящее время, как никогда, чрезвычайно важна. Уже сейчас некоторые граждане разных стран вне зависимости от их профессиональной деятельности и политических воззрений заявляют о готовности покупать более дорогие, но экологически чистые продукты, платить более высокие подоходные налоги ради оздоровления среды обитания.
Вне всяких сомнений защита окружающей среды должна быть основана на естественно-научных, профессиональных знаниях, позволяющих вполне определить:
– потенциально опасные вещества содержатся в воздухе, воде, почве и пище;
– причину их появления;
– способы полной или частичной защиты окружающей среды;
– степень опасности при длительном воздействии вредных веществ на живые организмы.
Успешное решение данной сложной задачи возможно только с применением чувствительных приборов и современных методов определения концентрации опасных веществ. Для выявления источников загрязнения и их анализа нужна совместная работа химиков-аналитиков, метеорологов, океанографов, вулканологов, климатологов, биологов и гидрологов. Задача специалистов заключается не только в выявлении вредных веществ, но и в разработке способов предотвращения их появления.
Вопрос о допустимой длительности воздействия вредных веществ на живой организм решают врачи и другие специалисты. Они собирают информацию и готовят данные о степени риска, обусловленного наличием токсических веществ, например, свинца в воздухе, хлороформа в питьевой воде, радиоактивного стронция в молоке, бензола в атмосфере производственных помещений и формальдегида в жилых домах и т. п. При этом важна объективная оценка риска и издержек, связанных с наличием опасных веществ. Любое решение, в том числе и политическое, тех или иных вопросов сохранения окружающей среды должно основываться на квалифицированной, объективной и всесторонней естественно-научной экспертизе.
Иногда некоторые средства массовой информации, общественные организации и даже правительственные органы ставят, к сожалению, знак равенства между обнаруженным вредным веществом и реальной его опасностью. Такое отождествление вытекает из простого заблуждения: вещество, обладающее выраженной токсичностью при определенной концентрации, токсично всегда. Можно привести много примеров вредных веществ, показывающих, что это далеко не так. Один из них – монооксид углерода. Данный обычный компонент атмосферы действительно опасен для здоровья человека только при концентрациях, больших 1000 млн долей. Принято считать, что продолжительное воздействие моноксида углерода в концентрациях, превышающих только 10 млн долей, отрицательно сказывается на здоровье человека.
Мы живем в окружающей среде, всегда содержащей легко обнаруживаемую концентрацию монооксида углерода – около 1 млн долей. А это означает, что нет необходимости в полном устранении моноксида углерода из атмосферы! Важно знать при этом научно установленную максимальную концентрацию вредных веществ, которая безопасна без применения специальных мер защиты, т. е. нужно определить их предельно допустимую концентрацию. Лишена всякого здравого смысла защита окружающей среды, ориентированная на нулевой риск, означающий достижение абсолютной безопасности при полном уничтожении опасных веществ. В приведенном примере с моноксидом углерода достижение нулевого риска означает полное, до последней молекулы, удаление данного газа из атмосферы. Решение такой задачи потребовало бы громадных капиталовложений без ощутимой пользы и привела бы к нежелательным последствиям в биосфере. Вполне оправдано, целесообразно и полезно вкладывать финансовые ресурсы на организацию всесторонних долговременных естественно-научных исследований окружающей среды и на разработку эффективных методов измерений, производимых с помощью приборов, обладающих чрезвычайно высокой чувствительностью, которая необходима для определения небольшой концентрации в сложной смеси, содержащей много безвредных, а среди них и вредных веществ.
Легко реагирующие соединения, находящиеся в атмосфере, трудно доставить в сохранившемся составе для анализа в лабораторию. В этой связи возникает необходимость в дистанционном обнаружении и определении химического состава и структуры таких соединений в местах их образования. Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что современный метод инфракрасной спектроскопии позволяет анализировать состав воздуха над городом на расстоянии около одного километра. С помощью данного метода удается установить содержание формальдегида, муравьиной и азотной кислот, пероксиацетилнитрата и озона при одновременном их наличии в воздухе в концентрациях, составляющих миллиардные доли. Такая концентрация любых названных веществ слишком мала, чтобы оказать ощутимое вредное воздействие на здорового человека. В то же время она достаточна для заметного влияния на химические процессы в атмосфере. Современные сканирующие лазерные устройства успешно применяются для определения концентрации диоксида серы (сернистого газа), составляющей миллионные доли, в дыме электростанций, работающих на угле. Полупроводниковые лазеры весьма удобны для анализа выхлопных газов автомобилей.
Испытания на животных показали, что только один из 22 структурных изомеров тетрахлордиоксина в тысячу раз токсичнее всех остальных. Данный пример подчеркивает важность аналитических методов, которые позволяют не только установить концентрацию загрязнителя, но и идентифицировать его химический состав и структуру.
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются гипотезы, предложенные Кювье и Жоффруа?
2. Как могли повлиять глобальные катастрофы на эволюцию жизни на Земле?
3. Какие факторы определяют развитие экологической катастрофы?
4. Какова роль научного управления при переходе к ноосфере?
5. Назовите основные признаки изменения климатических условий.
6. Почему изменяется уровень Мирового океана?
7. Какие изменения произойдут в биосфере при глобальном потеплении?
8. В чем проявляется парниковый эффект?
9. Какова роль лесных массивов в предотвращении глобального потепления?
10. Как возникают кислотные осадки?
11. Как можно предотвратить кислотные осадки?
12. Назовите основные механизмы разрушения озонового слоя.
13. Каков химический состав озона?
14. Можно ли предотвратить разрушение озонового слоя?
15. Охарактеризуйте на примере бассейна Волги экологическое состояние водных ресурсов.
16. Как происходит миграция загрязняющих веществ в окружающей среде?
17. Охарактеризуйте последствия атомной бомбардировки Хиросимы и Нагосаки.
18. Каковы последствия аварии Чернобыльской АЭС?
19. В чем проявляется действие радиоактивного излучения на живые организмы?
20. Каковы опасные и неопасные дозы облучения?
21. Что такое внутреннее облучение?
22. На чем основана защита от облучения?
23. Оказывает ли радиация полезное действие на живые организмы?
24. Как производят захоронение радиоактивных отходов?
25. В чем заключается влияние производства энергии на окружающую среду?
26. Существует ли связь между потреблением энергии и сохранением окружающей среды?
27. Какие естественно-научные проблемы необходимо решать при защите окружающей среды?
28. Чем определяется реальная опасность вредных веществ?
29. Что такое нулевой риск?
30. В чем заключаются профессиональные меры защиты окружающей среды?
Принцип работы многих видов энергосистем основан на преобразовании тепла, полученного при сжигании топлива. Смена топлива требует и кардинального обновления всей энергосистемы. В настоящее время основными видами топлива являются нефть, природный газ и их продукты. Чтобы сберечь данные ценнейшие природные ресурсы для более рационального их использования – производства ценной химической продукции в течение более длительного времени, нужно переходить на альтернативные источники топлива. Один из таких источников – каменный уголь, который долгое время служил топливом для паровых машин. Низкий коэффициент полезного действия таких машин привел к их замене, а вместе с ними и топлива. Тем не менее в энергетике ряда стран Центральной и Восточной Европы до сих пор каменный уголь играет важную роль: с его применением производится около 65% электроэнергии. Устаревшие тепловые электростанции, потребляющие угль, вне зависимости оттого, где они эксплуатируются, нуждаются не только в переоснащении и модернизации, но и в новой технологии сжигания угля. Разработке таких технологий уделяется большое внимание. Одна из перспективных технологий основана на сжигании угля в циркулирующем кипящем слое. В результате многократной циркуляции происходит полное эффективное сжигание частиц топлива при температуре 800–900° С и резко снижается образование вредных оксидов азота – в 5–10 раз по сравнению с традиционным пылевидным сжиганием. Уже построено и эксплуатируется несколько десятков угольных электростанций с циркулирующим сжиганием без вредных выбросов в атмосферу в ряде развитых стран: США, Германии, Франции и др.
В настоящее время нефтехимическое производство потребляет сравнительно небольшую долю добываемой нефти – от 3 до 5%. Хотя потребление нефти химической промышленностью не является основной причиной столь быстрого истощения ее природных запасов, но его последствия неизбежно приведут к замене сырья и изменению технологических процессов. В то же время цена конечной продукции нефтехимического производства относительно высока, поэтому истощение нефтяных и газовых ресурсов в меньшей степени повлияет на сырьевое обеспечение химической промышленности, чем на производство энергии и тепла. Разработаны и внедряются технологии эффективной переработки угля для последующего использования продуктов переработки в химической промышленности, а запасов угля хватит на более длительный срок, чем нефти и газа.
Нефть, природный газ и уголь постепенно уступают свои позиции более энергоемкому источнику – ядерному топливу. Запасы ядерного топлива по сравнению с запасами, например угля, не столь уж велики. Но зато энергия единицы массы ядерного топлива в миллионы раз больше, чем угля. Внедрение перспективной технологии преобразования ядерного топлива в реакторе-размножителе на быстрых нейтронах, который не только вырабатывает энергию, но и производит вторичное топливо – плутоний, открывает большие возможности для развития атомной энергетики.
При создании любой современной энергосистемы решается задача не только производства дешевой энергии, но и сохранения окружающей среды. В этой связи возрастает интерес к разработке перспективных технологий преобразования энергии Солнца, ветра, геотермальных источников и Мирового океана.
Модернизация технической базы промышленности.
Промышленные предприятия, выпуская ту или иную продукцию, потребляют большое количество природных ресурсов и энергии. В этой связи к современным предприятиям предъявляются требования не только производить высококачественную продукцию, но и экономно расходовать природные ресурсы, сберегать энергию и тем самым сохранять окружающую среду. Техническое оборудование любого промышленного предприятия устаревает. Новые технологии требуют кардинального обновления устаревшего оборудования, т. е. модернизации технической базы промышленности в целом.
Современная промышленность включает множество отраслей, связанных с производством разнообразных материалов, автомобильной и авиационной техники, технических средств связи, станков, инструментов и многого другого. Промышленных отраслей много, и каждая из них имеет свою специфику. Поэтому практически невозможно охарактеризовать техническое обновление каждой из них, что гораздо проще сделать на примере одной из них – важнейшей отрасли – автомобилестроении.
Автомобильная промышленность в XX в. выросла в гигантскую отрасль. Только за последние 50 лет мировой автопарк увеличился более чем в 12 раз и превысил 630 млн машин. Особенно бурно этот процесс развивался в Европе, где за полвека произошел примерно 30-кратный скачок – с 7 до 230 млн автомобилей. Их производство в 1995г. составило: в США– 12 млн, в Японии – 10,2 млн, в Германии – 4,7 млн, во Франции– 3,5 млн, в Великобритании– 1,8 млн, в Италии– 1,7 млн автомобилей. Всего же в мире с конвейеров автозаводов ежегодно сходит более 40 млн машин. В таких странах, как Канада, Германия, Италия, Франция, Япония, Великобритания на 1000 жителей приходится 500–700 автомобилей, в США – около 800, в России – менее 150. По некоторым прогнозам, рост мирового автомобильного парка будет продолжаться и в первой четверти XXI в.
Примерно до 60-х годов во всем мире производились автомобили без надлежащего учета экономичности. Топливо было недорогим и, следовательно, не было стимулов его экономии. В середине 60-х годов на мировом рынке появилась продукция фирмы «Фольксваген», поставлявшая ежегодно более полумиллиона небольших экономичных автомобилей. В следующее десятилетие началось вторжение на мировой рынок автомобилей, изготовленных в Японии. В результате сбора проектной, технологической и инженерной информации японские фирмы создали высокоавтоматизированную и эффективную автомобильную промышленность, способную выпускать самые экономичные и дешевые автомобили в мире.
Предпринимаемые меры по сохранению окружающей среды включают требования экономного расхода топлива и строгие ограничения на загрязнение воздуха отработанными газами. Экономия топлива и достижение безвредного выхлопа требуют решить целый комплекса задач: повышение эффективности сгорания топлива, модернизация двигателя и других узлов автомобиля, использование очищенного от вредных примесей топлива, уменьшение массы автомобиля, антикоррозийная обработка деталей и узлов автомобиля, совершенствование трансмиссионной системы, каталитическое обезвреживание выхлопных газов и др. Повышение эффективности сгорания топлива обеспечивает, например, электронное управление всех стадий процесса сжигания смеси в рабочей камере. А для такого управления нужны современные микропроцессорные устройства, производство которых основано на микроэлектронной технологии, во многом определяющей уровень развития различных отраслей промышленности.
Все крупные автомобильные компании, особенно в последние годы, занимаются разработкой новых двигателей с наиболее полным сгоранием топлива. Результаты таких разработок налицо: современные автомобили ведущих фирм Европы и США выбрасывают в атмосферу в 10–15 раз меньше вредных веществ, чем автомобили 80-х годов. Этому в значительной степени способствовали такие нововведения, как многоклапанные системы газораспределения, впрыск топлива вместо карбюраторного смесеобразования, электронное зажигание и др. При пуске холодного двигателя в современных карбюраторах используются автоматы пуска и прогрева.
Большое внимание уделяется подбору обедненных регулировок дозирующих систем карбюратора. На двигателях с впрыском топлива появились электронные системы коррекции состава горючей смеси в зависимости от температуры, климатических и других условий. Система термостатирования воздуха, поддерживающая его температуру на входе в двигатель, создает оптимальные условия для приготовления горючей смеси. Система зажигания с высокой энергией разряда свечи повышает надежность воспламенения смеси, особенно на режимах холостого хода. Для уменьшения выброса оксидов азота используется циркуляция – перепуск части отработавших газов из выпускного трубопровода во впускной – при этом понижается температура сгорания и их образуется, значительно меньше. Рециркуляция применяется не только на двигателях с искровым зажиганием, но и на дизелях. Перспективны в этом плане и системы электронного регулирования, оптимизирующие работу двигателя на всех режимах. Кроме того, автомобильные заводы планомерно ужесточают технологические допуски и повышают точность изготовления приборов питания и зажигания, впускной и выпускной систем, деталей кривошипного механизма и газораспределения. Благодаря таким усовершенствованиям загрязнение атмосферного воздуха заметно уменьшается. И все же полностью удалить токсичные вещества из отработавших газов не удается.
Больше 20 лет назад возникла идея поглощения вредных веществ в выпускной системе автомобиля, т. е. до выброса их в атмосферу. На пути отработавших газов стали устанавливать каталитические нейтрализаторы – специальные устройства, в несколько раз уменьшающие токсичность выхлопных газов. Проходя через нейтрализатор, несгоревшие углеводороды окисляются до нетоксичных оксидов, а оксиды азота восстанавливаются до азота и кислорода.
Многочисленные полимерные материалы, алюминиевые и высокопрочные стальные и другие сплавы способствуют уменьшению массы автомобиля. Изготовление крупных деталей из полимерных материалов методом литья под давлением, применение композиционных материалов с волокнистой структурой для ведущего вала, керамический блок цилиндров и т. п. – все это коренным образом изменяет не только технологию изготовления автомобиля, но и его конструкцию и внешний вид. Только впитав важнейшие достижения современного естествознания, и прежде всего новейших технологий, выпускаемый автомобиль будет наносить минимальный вред окружающей среде, станет экономичным и комфортабельным и, следовательно, конкурентоспособным. Такие качества может обеспечить в современных условиях только модернизация технической базы автомобильной промышленности.
Модернизация технической базы – необходимое условие для успешного развития промышленных предприятий, производящих не только автомобили, но и самолеты, аудио- и видеотехнику, персональные компьютеры и другие виды продукции.
Автотранспорт и окружающая среда
Во многих больших городах, таких, как Берлин, Мехико, Токио, Москва, Санкт-Петербург, Киев, загрязнение воздуха автомобильными выхлопами и пылью составляет, по разным оценкам, от 80 до 95% от всех прочих загрязнений. Дым, выбрасываемый заводскими трубами, испарения химических производств и все прочие отходы деятельности большого города составляют примерно 7% от общей массы загрязнений.
Автомобильные выхлопы в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне человеческого роста. И люди вынуждены дышать загрязненным воздухом. Человек потребляет в сутки 12м3 воздуха, автомобиль – в тысячу раз больше. Например, в Москве автомобильный транспорт поглощает кислорода в 50 раз больше, чем все население города. При безветренной погоде и низком атмосферном давлении на оживленных автомобильных трассах содержание кислорода в воздухе нередко снижается до величины, близкой к критической, при которой люди начинают задыхаться, падать в обморок. Сказывается не только недостаток кислорода, но и вредные вещества автомобильного выхлопа. Особенно это опасно для детей и людей со слабым здоровьем. Обостряются сердечно-сосудистые и легочные заболевания, развиваются вирусные эпидемии. Люди нередко даже не подозревают, что это связано с отравлением автомобильными газами.
Число автомобилей в городах и на автотрассах из года в год увеличивается. Экологи считают, что там, где численность их превышает одну тысячу на км2, среду обитания можно считать разрушенной. Число машин берут в пересчете на легковые автомобили. Тяжелые транспортные машины, работающие на нефтяном топливе, особенно сильно загрязняют воздух, разрушают дорожное покрытие, губят зеленые насаждения вдоль дорог, отравляют водоемы и поверхностные воды. Кроме того, они выделяют такое огромное количество газа, что в Европе и европейской части России оно превышает массу испаряемой воды из всех водоемов и рек. Как следствие все чаще возникает облачность, сокращается число солнечных дней. Серые, без солнца дни, непрогретая почва, постоянно повышенная влажность воздуха – все это способствует росту разных заболеваний, снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
В мире ежегодно добывают более 3 млрд т нефти. Добывают тяжелым трудом, с колоссальными затратами, с большим экологическим ущербом для природы. Значительная часть ее (около 2 млрд) уходит на бензиновый и дизельный транспорт. Средний кпд двигателя автомобиля всего 23% (для бензиновых двигателей– 20, для дизельных– 35%). Значит, больше половины нефти сжигается впустую, идет на нагрев и загрязнение атмосферы. Но и это еще не все потери. Главный показатель – не КПД двигателя, а коэффициент загрузки транспорта. К сожалению, автомобильный транспорт используется чрезвычайно неэффективно. Разумно построенное транспортное средство должно перевозить груз больше собственного веса, именно в этом его эффективность. На практике же этому требованию соответствуют лишь велосипед и легкие мотоциклы, остальные машины в основном возят сами себя. Получается, что КПД автомобильного транспорта не более 3–4%. Сжигается огромное количество нефтяного топлива, а энергия расходуется чрезвычайно нерационально. Так, например, одна машина КамАЗ расходует столько энергии, что ее было бы достаточно для обогрева зимой 50 квартир.
На протяжении многих веков основным видом транспорта для человека была лошадь. Энергия в 1 л. с. (это в среднем 736 Вт), добавленная к собственной мощности человека, позволяет ему и достаточно быстро передвигаться, и выполнять почти любую необходимую работу. Бум в автомобилестроении увлек нас к величинам мощности в 100, 200, 400 л. с., и теперь чрезвычайно сложно вернуться к вполне достаточной норме – 1 л. с., при которой было бы не так уж трудно обеспечить экологическую чистоту окружающей среды.
Как же решить проблему создания эффективного транспорта? Перевести транспорт на газовое топливо, перейти на электромобили, поставить на каждую машину специальный поглотитель вредных продуктов сгорания и дожигать их в глушителе – все это поиски выхода из тупика, в котором оказались не только Россия, но и вся Европа, США, Канада, Мексика, Бразилия, Аргентина, Япония, Китай. К сожалению, ни один из данных путей не ведет к полному решению проблемы. При любом из них остаются перерасход энергии, выбросы пара, углекислого газа и многое другое. Очевидно, нужен хорошо сбалансированный комплекс мер. И обязательное исполнение их должно опираться на четкие, строгие законы, среди которых могут быть, например, такие:
· запрет на выпуск автомобилей, потребляющих при пробеге 100 км более 1–2 л горючего на тонну массы машины (возможны единичные исключения);
· учитывая, что в легковом автомобиле чаще всего едут один-два человека, целесообразно выпускать больше двухместных машин.
Размер налога на транспорт (автомобиль, трактор, трейлер и др.) должен определяться количеством потребляемого топлива. Это позволит привести в соответствие экономическую целесообразность перевозки грузов автотранспортом и повышающийся при этом уровень экологического загрязнения. Кто больше загрязняет нашу среду обитания, тот обязан платить обществу больший налог.
Один из способов сокращения вредных автомобильных выбросов – применение новых видов автомобильного топлива: газа, метанола, метилового спирта или смесь его с бензином – газохола. Например, на метаноле работает уже несколько лет весь общественный транспорт Стокгольма. Воздействие автомобильных отработавших газов на атмосферу существенно снижают обычные зеленые насаждения. Анализ воздуха на смежных участках одного и того же шоссе показывает, что загрязняющих веществ меньше там, где есть островок зелени, хотя бы несколько деревьев или кустарников.
Объем токсичных веществ в воздухе напрямую зависит от скорости движения транспорта по улицам города. Чем больше автомобильных пробок, тем гуще выхлоп. В этой связи необходимо непрерывно совершенствовать дорожно-транспортную систему города для создания оптимальных условий движения транспорта.
Экологические проблемы городов
Нередко считают, что экологическое состояние городов заметно ухудшилось в последние десятилетия в результате бурного развития промышленного производства. Но это – заблуждение. Экологические проблемы городов возникли вместе с их рождением. Города древнего мира отличались большой скученностью населения. Например, в Александрии плотность населения в I–II вв. достигала 760 человек, в Риме – 1500 человек на 1 га (для сравнения скажем, что в центре современного Нью-Йорка живет не более 1 тыс. человек на 1 га). Ширина улиц в Риме не превышала 1,5–4, в Вавилоне – 1,5–3 м. Санитарное благоустройство городов было на чрезвычайно низком уровне. Все это приводило к частым вспышкам эпидемий, пандемий, при которых болезни охватывали всю страну, а то и несколько соседних стран. Первая зарегистрированная пандемия чумы (она вошла в литературу под названием «Юстиниановой чумы») возникла в VI в. в Восточной Римской империи и охватила многие страны мира. За 50 лет чума унесла около 100 млн человеческих жизней.
Сейчас трудно даже представить, как древние города с их многотысячным населением могли обходиться без общественного транспорта, без уличного освещения, без канализации и других элементов городского благоустройства. И, наверное, не случайно именно в те времена у многих философов стали возникать сомнения относительно целесообразности существования больших городов. Аристотель, Платон, Гипподам Милетский, позднее Витрувий неоднократно выступали с трактатами, в которых рассматривались вопросы оптимальных размеров поселений и их устройства, проблемы планировки, строительного искусства, архитектуры и даже взаимосвязи с природной средой.
Средневековые города уже значительно уступали по размерам своим классическим собратьям и редко насчитывали более нескольких десятков тысяч жителей Так, в XIV в. население наиболее крупных европейских городов – Лондона и Парижа – составляло соответственно 100 и 30 тыс. жителей. Однако экологические проблемы городов не стали менее острыми. По-прежнему главным бичом оставались эпидемии. Вторая пандемия чумы – «Черная смерть» – вспыхнула в XIV в. и унесла почти треть населения Европы.
С развитием промышленности стремительно растущие капиталистические города быстро превзошли по численности населения своих предшественников. В 1850 г. миллионный рубеж перешагнул Лондон, затем Париж. К началу XX в. в мире было уже 12 городов – «миллионеров» (в том числе два в России). Рост крупных городов шел все более высокими темпами. И снова как самое грозное проявление дисгармонии человека и природы начались одна за другой вспышки эпидемий дизентерии, холеры, брюшного тифа. Реки в городах были чудовищно загрязнены. Темзу в Лондоне стали называть «черной рекой». Зловонные водотоки и водоемы в других крупных городах становились источниками кишечно-желудочных эпидемий. Так, в 1837 г. в Лондоне, Глазго и Эдинбурге брюшным тифом заболела десятая часть населения и примерно треть больных умерла. С 1817 по 1926 г. в Европе отмечено шесть пандемий холеры. В России только в 1848 г. от холеры погибло около 700 тыс. человек. Однако со временем благодаря достижениям науки и техники, успехам биологии и медицины, развитию водопроводного и канализационного хозяйств эпидемиологическая опасность стала значительно ослабевать. Можно сказать, что на том этапе экологический кризис крупных городов был преодолен. Конечно, такое преодоление каждый раз стоило колоссальных усилий и жертв, но коллективный разум, настойчивость и изобретательность людей всегда оказывались сильнее созданных ими же кризисных ситуаций.
Научно-техническая достижения, основанные на выдающихся естественно-научных открытиях XX в. способствовали бурному развитию производительных сил. Это не только огромные успехи ядерной физики, молекулярной биологии, химии, освоение космического пространства, но и стремительный, не прекращающийся рост числа крупных городов и городского населения. Объемы промышленного производства увеличились в сотни и тысячи раз, энерговооруженность человечества возросла более чем в 1000 раз, скорость передвижения – в 400 раз, скорость передачи информации – в миллионы раз и т. д. Такая активная деятельность человека, конечно, не проходит для природы бесследно, поскольку ресурсы черпаются непосредственно из биосферы
И это лишь одна сторона экологических проблем большого города. Другая – в том, что помимо потребления природных ресурсов и энергии, стягиваемых с обширных пространств, современный город с миллионным населением дает огромное количество отходов. Такой город ежегодно выбрасывает в атмосферу не менее 10–11 млн т водяных паров, 1,5– 2 млн т пыли, 1,5 млн т окиси углерода, 0,25 млн т сернистого ангидрида, 0,3 млн т окислов азота и большое количество иных загрязнений, не безразличных для здоровья человека и окружающей его среды. По масштабам воздействия на атмосферу современный город можно сравнить с вулканом.
В чем же особенности нынешних экологических проблем больших городов? Прежде всего – многочисленность источников воздействия на окружающую среду и их масштабность. Промышленность и транспорт – а это сотни крупных предприятий, сотни тысяч или даже миллионы транспортных средств – основные виновники загрязнения окружающей городской среды. Изменился в наше время и характер отходов. Раньше практически все отходы были естественного происхождения (кости, шерсть, натуральные ткани, дерево, бумага, навоз и др.), и они легко включались в кругооборот природы. Сейчас значительная часть отходов – синтетические вещества. Их превращение в естественных условиях происходит крайне медленно.
Одна из экологических проблем связана с интенсивным ростом нетрадиционных «загрязнений», имеющих волновую природу. Усиливаются электромагнитные поля линий электропередач высокого напряжения, радиотрансляционных и телевизионных станций, а также большого числа электромоторов. Повышаются общий уровень акустического шума (из-за высоких скоростей транспорта, из-за работы различных механизмов и машин). Ультрафиолетовая радиация, наоборот, понижается (из-за загрязнения воздуха). Растут затраты энергии на единицу площади, и, следовательно, увеличиваются отдача тепла, тепловое загрязнение. Под влиянием огромных масс многоэтажных домов меняются свойства геологических пород, на которых стоит город.
Последствия таких явлений для людей и окружающей среды изучены еще недостаточно. Но они не менее опасны, чем загрязнения водного и воздушного бассейнов и почвенно-растительного покрова. Для жителей крупных городов все это в комплексе оборачивается большим перенапряжением нервной системы. Горожане быстро утомляются, подвержены различным заболеваниям и неврозам, страдают повышенной раздражительностью. Хронически плохое самочувствие значительной части городских жителей в некоторых западных странах считают специфическим заболеванием. Оно получило название «урбанит».
Особенности мегаполисов
Одна из очень непростых современных экологических проблем связана с быстрым ростом городов, расширением их территории. Города меняются не только количественно, но и качественно. Гигантские метрополии, сгустки городов с многомиллионным населением расползаются на многие сотни квадратных километров, поглощая соседние поселения и образуя городские агломерации, урбанизированные районы – мегаполисы. Они простираются в отдельных случаях на сотни километров. Так, на Атлантическом побережье США, можно сказать, уже сформировался огромный урбанизированный район с населением 80 млн человек. Он получил название Босваш (слившиеся агломерации Бостона, Нью-Йорка, Филадельфии, Балтимора, Вашингтона и других городов). К 2000г. в Америке будет еще два гигантских урбанизированных района – Чините в районе Великих озер (группа городов, возглавляемых Чикаго и Питсбургом) с населением 40 млн человек и Сан-Сан в Калифорнии (Сан-Франциско, Окленд, Лос-Анджелес, Сан-Диего) с населением 20 млн человек. В Японии группа городов-миллионеров – Токио, Иокогама, Киото, Нагоя, Осака – образовала один из крупнейших в мире мегаполисов – Токайдо, в котором живет 60 млн человек – половина населения страны. Огромные многолюдные агломерации сложились в ФРГ (Рурская), Англии (Лондонская и Бирмингемская), Нидерландах (Рандстад Холланд) и других странах.
О появлении городских агломераций можно говорить как о качественно новом этапе во взаимоотношениях города и природы. Процессы взаимодействия современной городской агломерации с окружающей природной средой сложны, многогранны, и управлять ими чрезвычайно трудно.
Городские агломерации, урбанизированные районы – это весьма обширные территории, на которых природа глубоко изменена хозяйственной деятельностью. Причем коренные преобразования природы происходят не только в черте города, но и далеко за его пределами. Так, например, физико-геологические изменения почв, подземных вод проявляются в зависимости от конкретных условий на глубине до 800 м и в радиусе 25–30 км. Это загрязнения, уплотнения и нарушения структуры почв и грунтов, образование воронок и пр. На еще больших расстояниях ощутимы биогеохимические изменения среды: обеднение растительного и животного мира, деградация лесов, закисление почв. Прежде всего от этого страдают люди, живущие в зоне влияния города или агломерации. Они дышат отравленным воздухом, пьют загрязненную воду, едят «нашпигованные» химическими веществами продукты.
Специалисты считают, что в ближайшем десятилетии число городов-миллионеров на Земле приблизится, по-видимому, к 300. Примерно половина из них будет насчитывать не менее 3 млн человек каждый. Традиционных «рекордсменов» – Нью-Йорк, Токио, Лондон – потеснят крупнейшие города в развивающихся странах. Это будут воистину невиданные еще города-монстры. Численность населения наиболее крупных из них к этому времени составит: Мехико – 26,3 млн, Сан-Пауло – 24 млн, Токио – 17,1, Калькутты – 16,6 млн, Бомбея– 16, Нью-Йорка– 15,5, Шанхая– 13,8, Сеула – 13,5, Дели и Рио-де-Жанейро – по 13,3, Буэнос-Айреса и Каира – по 13,2 млн человек. Москва, Санкт-Петербург, Киев, Ташкент тоже входят или очень скоро войдут в разряд многомиллионных.
Целесообразно ли повторять ошибки западной урбанистики и сознательно идти по пути создания мегаполисов там, где этого пока еще без особого труда можно избежать? При быстром росте городов столь же быстро обостряются экологические проблемы. Оздоровление городской среды – одна из самых острых социальных задач. Первые действия при ее решении – создание прогрессивных малоотходных технологий, бесшумного и экологически чистого транспорта. Экологические проблемы городов тесно связаны с проблемами градостроительства. Планировка города, размещение крупных промышленных предприятий и иных комплексов с учетом их роста и развития, выбор транспортной системы – все это требует квалифицированной экологической экспертизы.
Один из крупнейших городов мира – Москва. Наблюдения показывают, что состояние окружающей среды в Москве ухудшается, повышается экологический и геологический риск проживания людей. Это присуще не только Москве, такое происходит и в большинстве других крупных городов мира. Структура города-гиганта чрезвычайно сложна и разнообразна. На территории Москвы расположено более 2800 промышленных объектов, в том числе немало предприятий повышенного экологического риска, более 40 тыс. крупных жилых домов, работают 12 ТЭЦ, 4 ГРЭС, 53 районные и квартальные тепловые станции, 2 тыс. местных котельных. Действует разветвленная сеть городского транспорта: протяженность автобусных, троллейбусных, трамвайных линий составляет 3800 км, линий метрополитена – 240 км. Под городом – густое переплетение магистралей водо-, тепло-, электроснабжения, канализации, газопроводов, радио- и телефонных кабелей.
Такая гиперконцентрация сооружений и городских служб неизбежно ведет к нарушениям устойчивости геологической среды. Меняется плотность, структура грунта, происходит неравномерное оседание отдельных участков поверхности земли, образуются глубокие провалы, оползни, подтопления. А это в свою очередь вызывает преждевременное разрушение зданий и подземных коммуникаций. Создаются чрезвычайные, нередко опасные для жизни людей ситуации. Городскому хозяйству наносится огромный ущерб.
Установлено, что почти половина территории Москвы (48%) находится в зоне геологического риска. Через полтора-два десятка лет, по прогнозным оценкам, к этому добавится еще около 12% территории города. В тяжелом состоянии находится и воздушный бассейн Москвы В нем, помимо отдельных химических элементов, перемешано еще 1200 самых различных соединений. Уже в атмосфере они вступают в реакцию, образуются новые соединения. За год в воздух столицы выбрасывается от 1 до 1,2 млн т вредных химических веществ. Малая их часть уносится ветрами за город, основная же остается в Москве, и ежегодно на каждого москвича приходится 100–150 кг загрязняющих воздух веществ.
Начало 90-х годов ознаменовано сокращением выбросов вредных веществ с городских предприятий. Значительную часть печей-вагранок закрыли, а другие печи оборудовали устройствами, не допускающими вредных выбросов в воздух. Принимаются и другие меры для оздоровления городской среды.
Утилизация экологически опасных газов
В последнее время многие люди все более осознает себя населением одной коммунальной квартиры с общей легкоранимой атмосферой. Если и впредь выбрасывать в нее окиси азота и серы, окись и двуокись углерода, то можно ожидать самых печальных последствий. Известно, что увеличение углекислоты в атмосфере создает парниковый эффект с угрозой таяния ледников. И если общее количество льда уменьшится только на 10%, то уровень мирового океана поднимется на 5,5 м. Очевидно, что огромные прибрежные площади будут затоплены,
В атмосфере Земли сейчас содержится около 2,3 млрд т двуокиси углерода, и миллиарды тонн прибавляют к этому количеству промышленность и транспорт. Часть этого количества поглощается растительностью Земли, часть растворяется в океане. Ученые многих стран мира работают над тем, как избавиться от лишнего углекислого газа. Например, ученые США предлагали переводить углекислый газ в сухой лед или жидкость, а затем выводить его ракетами за пределы атмосферы. Однако расчеты показывают, что для вывода на орбиту углекислого газа необходимо сжечь столько топлива, что количество того же газа, выброшенного при сгорании топлива превосходит количество отправленного в космос газа.
Швейцарские специалисты предлагают переводить выбросы промышленных «кочегарок» в сухой лед, но не выбрасывать его за пределы Земли, а складывать где-нибудь на севере в хранилища, изолированные пенопластом. Сухой лед будет медленно испаряться, что позволит хотя бы отсрочить развитие парникового эффекта. Однако для хранения лишь половины углекислого газа, выбрасываемого ежегодно только Германией, пришлось бы сделать из сухого льда десять шаров диаметром по 400 м. Другие ученые надеются как-то усилить естественные процессы, ведущие к поглощению двуокиси углерода из атмосферы. Например, расширить на планете площади, занятые лесом. Однако для поглощения выбросов только угольных ТЭЦ Германии придется засадить лесом 36 тыс. км2. Против идеи американских океанологов рассеивать в антарктической воде порошок железа для стимуляции размножения планктонных водорослей, которые могли бы поглощать больше двуокиси углерода, возражают экологи. К тому же опыты, проведенные в малом масштабе, показали невысокую эффективность данного способа. Японцы предлагают вывести с помощью генной инженерии особо активные породы водорослей, которые активно поглощали бы углекислый газ, превращая его в биомассу. Однако моря при этом могут превратятся в «кисель» из размножившихся водорослей.
Более практичной выглядит идея сотрудников нефтяной фирмы «Шелл»: закачивать углекислый газ, переведя его сначала в жидкую фазу, в выработанные нефтяные и газоносные пласты. Вдобавок жидкая углекислота вытеснит на поверхность недобранные остатки нефти и природного газа. Правда, стоимость электроэнергии от ТЭЦ, снабженной необходимым для этого оборудованием, вырастет на 40%, а прибыль от дополнительно добытых горючих ископаемых снизит эту цену всего на 2%. Да в мире и нет пока достаточно обширных для такого хранения выработанных месторождений газа. Свободное место в Тюмени или Голландии появится лишь через несколько десятков лет.
Пока наиболее многообещающей кажется идея отправлять двуокись углерода на дно морей и океанов. Можно, например, топить в открытом море блоки сухого льда (он тяжелее воды). При перевозке в море не дальше 200 км от берега стоимость электроэнергии повысится на те же 40%. Если же закачивать на глубину около 3000 м жидкую углекислоту, цена электроэнергии возрастет меньше – на 35%. Кроме того, есть и опасность таких мер. Ведь газ покроет удушающим слоем сотни квадратных километров океанского дна, уничтожив там все живое. И не исключено, что под воздействием глубинных течений он в конце концов вырвется из морских глубин, как из откупоренной бутылки шампанского. В 1986 г. такой случай наблюдался в Камеруне: из глубин озера Ниос вырвалось около миллиарда кубометров углекислого газа, накопившегося на дне в результате вулканических процессов. В окружающей озеро долине погибли сотни местных жителей и их скот. Кажется, у человечества нет другого выхода, кроме ограничения сжигаемого ископаемого топлива.
Вместе с углекислым газом в атмосферу выбрасываются гораздо более опасные газы – окислы серы. Известно, что окислы серы образуются при сгорании топлива – угля или нефтепродуктов, содержащих серу. При их сжигании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу. При очистке дым пропускается через громоздкие и дорогостоящие очистные устройства. Специалисты Японии предложили более эффективный способ – микробиологический способ очистки угля от серы.
Утилизация бытовых отходов
В последние десятилетия, как никогда, люди стали обращать внимание на окружающую среду. Заговорили о ней в тревожных тонах, потому что в атмосфере, почве, во всем, что произрастает и обитает на ней и в ней, а также в водной среде (реках, озерах и морях), – везде все заметнее и резче стали проявляться прежде не наблюдаемые отклонения. Все чаще стали говорить о том, что окружающая среда оказалась на грани катастрофы и ее надо срочно спасать.
Хорошо оснащенный различной техникой и другими средствами человек непосредственно воздействует на природу: в невиданных ранее количествах добывает и использует, перерабатывает земные богатства. С каждым годом все ощутимее вмешивается в естественно сложившуюся тысячелетиями природную среду. При этом природа неузнаваемо изменяется. Такой процесс уже распространился почти на весь земной шар.
Во многих промышленно развитых странах уже всерьез на практике широко принимают меры против загрязнения окружающей среды и добиваются отличных результатов. Рассмотрим более подробно, как решаются экологические проблемы, например, в Рейнско-Вестфальском промышленном районе Германии. Не так давно этот район считался одним из самых неблагополучных в экологическом отношении не только во всей Западной Европе, но и в мире. Действительно, здесь, севернее и западнее Рейнских сланцевых гор, в последнее столетие чрезвычайно бурно развивались промышленность, транспорт, быстро росли города и рабочие поселки. Столь обильно застроенных и так густо населенных мест, наверное, нет даже в самых многолюдных районах Японии и Китая. Уровень жизни в Германии весьма высок уже не одно десятилетие. Поэтому очень многие имеют свои дома и почти у каждого дома – небольшой участок под садом, огородом и цветником, хозяйственные постройки, гаражи и автомашины. Можно представить, сколько бытового и разного другого мусора здесь изо дня в день, из года в год выбрасывали на свалки, а потом сжигали прямо в поле. А сколько здесь было захлебывающихся дымом труб – заводских, фабричных, домовых! Какая пелена смога висела над городами, какой туман постоянно окутывал все! Каким фиолетово-масляным блеском отливало солнце в водах Рура, Рейна и других, казалось, безнадежно больных здешних рек! Они уже были своего рода символами загрязнения природы человеком.
«Три десятка лет назад небо тут у нас было больше похоже на лохматое грязное одеяло, чем на лазурь», – говорит один из специалистов по переработке отходов. Что же представляет собой их предприятие по переработке отходов? Голубовато-серо-синие здания, две белые высокие тонкие трубы – все выглядит удивительно легким и нарядным. И земля, и небо над ней, и вообще все вокруг здесь действительно изменилось до неузнаваемости. Даже асфальт и бетон на подъездных путях кажутся голубыми. Кругом зеленые газоны, молодые деревца. Это предприятие – Центр вторичной добычи сырья в Хертене – занимает гораздо меньшую площадь, чем обычная горящая свалка. Оно построено на пустыре, в его цехах уже много сделано для того, чтобы преобразовать, озеленить, украсить окрестности.
В Германии в среднем на одного жителя за год накапливается до 400 кг только бытовых отходов. Еще большую долю из того, что приходится сжигать, составляют отходы производств – промышленных, промысловых, ремесленных и прочих, а также торговли, сфер питания и услуг, транспорта лечебных учреждений. В немалом количестве образуется и так называемый городской мусор. Все это вместе в расчете на одного человека в Германии за год составляет до 4,5–4,6 т.
В мусорном «крематории» непросто сжигают самые разные отходы. Здесь же налажено и производство вторичных продуктов. Ведь предприятие так и называется: Центр вторичной добычи сырья в Хертене. Зола, образующаяся из сожженных пластмассовых пакетов и разной тары подобного рода, снова идет на их изготовление. В огромных «мешках» собираются «остаточные инертные продукты». За сутки их набирают до 10 т и сразу же увозят на «гору», где используют в качестве грунта для зеленых насаждении. Например, в Гельзенкирхене из них уже более четверти века складывают «гору». Она занимает около 100 га. В прошлом унылый обширный пустырь превращается в культурный парк, в «зеленую зону». Постепенно, день за днем, формируется, «выкладывается» почвенная и подпочвенная среда «торы», развивается на ней зеленый мир. Разрабатываются новые технологические проекты переработки отходов вторичной добычи сырья.
Неизбежно предстоит строить предприятия вторичной добычи сырья и под Москвой, и под Санкт-Петербургом, и вблизи других городов. К тому же подобные предприятия дают немало электрической энергии.
Захоронение ядерных отходов
Жизнь современного общества немыслима без мощных источников энергии. Их немного – гидро-, тепловые и атомные электростанции. Использование энергии ветра, Солнца, приливов и т.п. пока не получило широкого распространения. Тепловые станции выбрасывают в воздух громадное количество пыли и газов. В них содержатся и радионуклиды, и сера, которая потом возвращается на землю в виде кислотных осадков. Гидроресурсы даже в нашей огромной стране ограничены, и к тому же строительство гидростанций в большинстве случаев приводит к нежелательному изменению ландшафта и климата. В ближайшее время одним из основных источников энергии будут атомные электростанции. Они отличаются многими достоинствами, в том числе и экологическими, а применение надежной защиты может сделать их достаточно безопасными. Но остается еще один важный вопрос: что делать с радиоактивными отходами? Все радиоактивные отходы АЭС, скопившиеся за все время их работы, хранятся в основном на территории станций. В целом действующая на АЭС схема обращения с отходами пока обеспечивает полную безопасность, не оказывает влияния на окружающую среду и соответствует требованиям МАГАТЭ. Однако хранилища уже переполняются, требуются их расширение и реконструкция. Кроме того, приходит пора демонтировать станции, отслужившие свой срок. Расчетное время эксплуатации отечественных реакторов – 30 лет. С 2000 г. реакторы будут останавливаться практически ежегодно. И пока не будет найден простой и дешевый способ захоронения радиоактивных отходов, говорить о серьезных перспективах атомной энергетики преждевременно.
В настоящее время радиоактивные отходы содержатся в специальных хранилищах, где размещаются стальные контейнеры, в которых отходы сплавлены вместе со стекло-минеральной матрицей. Захоронение их пока не производится, но проекты захоронения активно разрабатываются. Иногда обсуждается вопрос: а нужно ли вообще захоранивать отходы, может быть, следует так и хранить их далее – ведь не исключено, что какой-нибудь изотоп понадобится технологии будущего? Дело, однако, в том, что количество отходов постоянно растет, накапливается, так что и в будущем этот источник полезных элементов вряд ли иссякнет. При необходимости просто будет изменена технология переработки. Проблема в другом. Приповерхностные хранилища гарантируют безопасность только в течение примерно ста лет, а отходы станут малоактивны лишь через несколько миллионов лет.
Еще один вопрос. Можно ли использовать тепловую энергию, которую выделяют ядерные отходы, например для отопления? Можно, но нерационально. С одной стороны, тепловыделение отходов не так уж велико, намного меньше выделяемого в реакторе тепла. С другой стороны, использование отходов для отопления потребовало бы очень дорогого обеспечения радиационной безопасности. В тепловой энергетике ситуация аналогична: есть много способов полнее использовать тепло, уходящее в дымовую трубу, но с какого-то уровня это невыгодно. Поэтому от ядерных отходов надо избавляться.
Обсуждается известная идея переработать долгоживущие радиоактивные изотопы в ядра с меньшим временем жизни с помощью ядерных реакций, протекающих в самих реакторах, при эксплуатации их в особом режиме. Казалось бы, чего проще, и никакого дополнительного оборудования не нужно. К сожалению, различие скоростей наработки новых и переработки уже образовавшихся долгоживущих изотопов невелико, и, как показывают расчеты, положительный баланс наступит лишь примерно через 500 лет. До этого времени человечество «утонет» в горах радиоактивных отходов. Другими словами, сами себя реакторы излечить от радиоактивности вряд ли смогут.
Радиоактивные шлаки можно изолировать в специальных толстостенных могильниках. Беда только в том, что такие захоронения должны быть рассчитаны по крайней мере на сотню тысяч лет безопасного хранения. А как предугадать, что может случиться за такой огромный период? Как бы там ни было, хранилища отработанного ядерного топлива должны располагаться в таких местах, где заведомо исключаются землетрясения, смещения или разломы грунтовых пластов и т. п. Кроме того, поскольку радиоактивный распад сопровождается разогревом распадающегося вещества, спрятанные в могильнике шлаки нужно еще и охлаждать. При неправильном режиме хранения может произойти перегрев и даже взрыв горячих шлаков.
В некоторых странах хранилища особо опасных в шлаков долгоживущих изотопов располагаются под землей на глубине в несколько сотен метров, в окружении скальных пород. Контейнеры со шлаками снабжают толстыми антикоррозийными оболочками, многометровыми слоями глины, препятствующей просачиванию грунтовых вод. Одно из таких хранилищ строится в Швеции на полукилометровой глубине. Это сложное инженерное сооружение снабжается разнообразной контрольной аппаратурой. Специалисты уверены в надежности данного сверхглубокого радиоактивного могильника. Такую уверенность вселяет обнаруженное в Канаде на глубине 430 м природное рудное образование объемом свыше миллиона кубометров с огромным, содержанием урана – до 55% (обычные руды содержат проценты или даже доли процента этого элемента). Это уникальное образование, возникшее в результате осадочных процессов примерно 1,3 млн лет назад, окружено слоем глины толщиной в разных местах от 5 до 30 м, который действительно накрепко изолировал уран и продукты его распада. На поверхности над рудным образованием и в его окрестностях не обнаружено следов ни повышения радиоактивности, ни увеличения температуры. Однако как будет в других местах и при других условиях?
Кое-где радиоактивные шлаки остекловывают, превращая в прочные монолитные блоки. Хранилища снабжаются специальными системами контроля и отвода тепла. В подтверждение надежности данного способа можно опять сослаться на естественный феномен. В Экваториальной Африке, в Габоне, около 2 млн лет назад случилось так, что вода и урановая руда собрались в созданной самой природой каменной чаше внутри скальных пород и в такой пропорции, что получился естественный, «без всякого участия человека», атомный реактор, и там в течение некоторого времени, пока не выгорел скопившийся уран, шла цепная реакция деления. Образовывался плутоний и те же радиоактивные осколки, как и в наших искусственно созданных атомных котлах. Изотопный анализ воды, почвы и окружающих горных пород показал, что радиоактивность осталась замурованной и за 2 млн прошедших с тех пор лет ее диффузия была незначительной. Это позволяет надеяться, что остеклованные источники радиоактивности в ближайшую сотню тысяч лет тоже останутся наглухо изолированными.
Иногда шлаки замуровывают в глыбы особо прочного бетона, которые сбрасываются в океанские глубины, хотя это далеко не лучший подарок нашим потомкам. В последнее время всерьез обсуждается возможность забрасывать контейнеры с долгоживущими изотопами с помощью ракет на невидимую обратную сторону Луны. Вот только как обеспечить стопроцентную гарантию того, что все запуски будут успешными, ни одна из ракет-носителей не взорвется в земной атмосфере и не засыплет ее смертоносным пеплом? Риск очень велик. Да и вообще мы не знаем, для чего понадобится обратная сторона Луны нашим потомкам.
А радиоактивных шлаков на АЭС образуется немало. Например, в Швеции, энергетика которой на 50% атомная, к 2010г. накопится примерно 200 тыс. м3 требующих захоронения радиоактивных отходов, из них 15% из которых содержат долгоживущие изотопы – остатки концентрированного ядерного горючего, требующие особо надежного захоронения. Этот объем сопоставим с объемом концертного зала и только лишь для одной маленькой Швеции!
Многие специалисты приходят к выводу: наиболее рациональное место захоронения – недра Земли. Для гарантии радиационной глубина захоронения должна быть минимум полкилометра. Для большей безопасности лучше располагать отходы еще глубже, но, увы, стоимость горных работ растет быстрее, чем квадрат глубины. Относительно недавно была высказана идея захоронения высокоактивных ядерных отходов в глубоких скважинах, заполненных легкоплавкой, инертной, водонепроницаемой средой. Наиболее удачным заполнением скважин может оказаться природная сера. Герметичные капсулы с высокоактивными отходами погружаются до дна скважины, расплавляя серу собственным тепловыделением. Предлагаются и другие способы захоронения радиоактивных отходов.
Обновление технической базы различных энергосистем и промышленных предприятий требует внедрения перспективных материалов и новейших технологий, которые прямо или косвенно способствуют сохранению окружающей среды. В настоящее время во всем мире признаны перспективными керамические, композиционные, тонкопленочные и другие материалы, производство которых основано на современных технологиях.
Керамические материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью и теплостойкостью. Используются они при изготовлении высокотвердых и термостойких деталей двигателей, инструментов, различного рода машин и т. п. Исследования на молекулярном уровне позволили установить, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность керамических изделий. Разработанные новые технологии, основанные на управлении кинетикой реакций и формировании заданных молекулярных свойств, позволяют получить керамический материал с заданной структурой. Например, высокую степень однородности материала обеспечивает управляемый гидролиз металлоорганических соединений. При выжигании полимерного скелета в металлоорганическом полимере, скрученном в нить, образуется высокотермостойкий материал, подобный карбиду кремния. С помощью высокотемпературных реакций летучих соединений с последующим осаждением конечных продуктов на подложку заданной формы формируется однородное термостойкое покрытие. Такая технология применяется, например, при изготовлении деталей реактивного двигателя. Небольшое добавление примесей может вызвать значительное изменение свойств материала. Например, при небольшой добавке оксида циркония существенно повышается прочность керамического материала с оксидом алюминия.
Синтез сверхпрочных волокон на основе графита, внедренного в органический полимер, привел к разработке нового вида материалов – композиционных материалов с улучшенными свойствами. Технология изготовления такого материала основана на внедрении тонкого волокна, состоящего, например, из графитовых углеродных цепей, минеральных или углеводородных полимерных нитей, в обычный высокомолекулярный полимер, например эпоксидную смолу. Полученный таким образом композиционный материал по прочности не уступает лучшим маркам конструкционной стали. Благодаря сравнительно большому отношению прочность/масса такие материалы находят широкое применение для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники, автомобилей, судов и т. п.
В последние десятилетия уделяется большое внимание разработке новых тонкопленочных материалов. Тонкопленочные защитные, упрочняющие, полупрозрачные, диэлектрические, магнитные и т. п. покрытия, тонкопленочные элементы интегральных схем современной микро- и наноэлектроники – все это примеры применения тонкопленочных материалов. В зависимости от выполняемой функции толщина слоя осаждаемого материала может колебаться в широких пределах – от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров. К настоящему времени уже налажена технология формирования микроэлектронного элемента с минимальным размером до нескольких десятых долей микрометра. Для формирования тонкопленочных слоев и элементов применяются разные технологии: механическое и термическое напыление, гальваноосаждение, вакуумное ионно-плазменное осаждение и др.
Наряду с перспективной микроэлектронной технологией в настоящее время интенсивно развивается биотехнология, основанная на видоизменении структуры молекулы ДНК. В микроэлектронной технологии уменьшить элементы интегральных схем до нанометровых размеров – это только пол дела. Нужно еще соединять их между собой и с микроэлектродами. В осуществлении такой операции могут помочь нуклеиновые кислоты, поскольку в них четко проявляется молекулярная самосборка. В лаборатории уже удалось нитями ДНК связать наночастицы из золота в трехмерную решетку. Кроме того, из отрезка ДНК построили мостик, связывающий два электрода, а затем его использовали как матрицу, на которую из раствора осаждали серебро, так что получился проводящий металлический провод диаметром 100 нм, что значительно меньше размера широко применяемых сейчас в микроэлектронике электропроводящих полос. Приведенный пример показывает, как могут удачно сочетаться совершенно разные биотехнология и зарождающаяся наноэлекронная технология.
Более двадцати лет назад в калифорнийском Стенфордском университете двум ученым впервые удалось заменить у бактерии ее наследственный материал на чужеродный, взятый у бактерии-донора. Такой метод перестройки живого организма назвали генной инженерией. Он лежит в основе современных генных технологий. По разным направлениям распространялся стенфордский опыт. Обратили на него внимание и в пищевой промышленности. Молочное, сыроваренное производства, выпечка хлеба, изготовление колбас, пивоварение и многое другое основано на жизнедеятельности микроорганизмов. Крупные пищевые концерны издавна имели лаборатории, где вели отбор, селекцию наиболее действенных производительных штаммов бактерий, придающих желательный вкус продукту. Лучшие разновидности невидимых тружеников фирма-хозяин строго засекречивала.
Производительные бактерии использовались для того, чтобы получать самоконсервирующееся молоко, быстрые в приготовлении сыры, хороший хлеб, глюкозу, сиропы и многое другое. Ферменты были так усовершенствованы генной инженерией, что перевернули технологию производства многих продуктов. Так. в 1991 г. фирма, изготавливающая бульонные кубики, отказалась от старого способа их получения с участием соляной кислоты. В новой, более безопасной, технологии действуют высокоактивные ферменты. В США стали получать сахар из кукурузы и пшеницы. Особый микроб превращает это сырье в сироп, который затем поступает на рафинадный завод. Сироп обходится на треть дешевле, нежели из тростника, который поставляли в США Филиппины.
Сейчас в мире действуют более 3 тыс. лабораторий, работающих с генами. Биотехнологические фирмы рассчитывают в ближайшее время в 16 раз увеличить свои обороты. Генная технология вторгается в наследственный материал растений и животных прежде всего сельскохозяйственных. Например, картофель претерпел несколько полезных превращений. Получены клубни, не боящиеся падений, ударов – важное качество при транспортировке и хранении. Другой сорт – для стола, содержит мало крахмала, но много высокоценных протеинов. Третий сорт дает много крахмала.
С применением генетических операций, выведен два сорта помидоров. Один из них не подвержен быстрому загниванию, а другой – содержит сравнительно мало воды. С помощью генных технологий получены не подверженные заболеваниям растение какао, стойкая к заморозкам клубника, кофейные зерна без кофеина. Благодаря вмешательству человека в их наследственность улучшены качества десятков сельскохозяйственных культур. Достигнуты первые успехи и в животноводстве. Корректировка наследственности, например у свиньи, позволила вывести новую породу животных, лишенных такого недостатка, как излишняя жирность: свинина становится диетическим мясом. Другое новшество: корова дает молоко, не скисающее в тот же или на следующий день, как обычно, потому что это молоко уже включает в себя консервирующие вещества, вырабатываемые самим организмом животного.
Лаборатории, занимающиеся разработкой генных технологий, воодушевлены первыми удачами. Ученые уверены, что в недалеком времени они смогут передать сельскому хозяйству такое разнообразие растений и животных, улучшенных их методами, что можно будет удовлетворить все человечество продуктами питания. При этом речь идет не только о количестве, но и о качестве. Уже сегодняшние успехи генных технологий убеждают, что люди в XXI в. не столкнутся с голодом.
Примерно треть выращенного урожая обычно гибнет от вредителей полей, огородов и садов. Человек давно ищет средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями. После Второй мировой войны появился дуст (ДДТ) и казалось, что победа над ними одержана. Однако этот легкий порошок вовсе не безвреден для человека. Начались новые поиски. Очень перспективным оказался биологический метод борьбы с сельскохозяйственными вредителями, в частности, использование насекомых – трихограмм, которые откладывают свои яйца в яйца вредителей и тем губят их. Сейчас в 93 странах работают с этими насекомыми, стараясь приспособить их к различным условиям – климату и виду вредителей. Есть попытки применять трихограммы против плодожорок и листоверток. Однако применять их возможно лишь в крупных хозяйствах, поскольку растения надо обрабатывать сверху, рассыпая с самолета выведенных в лаборатории насекомых.
Другой, менее распространенный способ биологической борьбы – применение бактериальных токсинов. Но и здесь есть свои сложности. Насекомые-вредители обладают способностью вырабатывать устойчивость к пестицидам. Ученым каждый раз приходится варьировать бактериальный токсин, получая его от разных штаммов бактерий. Последняя надежда – ввести токсин в наследственный материал защищаемого растения, т. е. на помощь приходят генные технологии. Пока что в лаборатории удалось внедрить ген, управляющий синтезом яда, в хлопчатник. Уже выращены первые кусты, сумевшие противостоять вредителям. Через некоторое время специалисты рассчитывают внедрить новый хлопчатник на производственных площадях. Хлопок – культура важная, но не продовольственная. А как будет вести себя токсин в картофеле или яблоке? Современные средства защиты растений могут действовать на вредных насекомых, например тлей, и при этом не травить полезных, таких, как златоглазка.
Изучение свойств вещества на молекулярном уровне дает свои плоды. Химические предприятия сегодня, по крайней мере те, что создаются на основе новых технологий, не отравляют, как раньше, атмосферу своими выбросами и не заваливают землю ядовитыми отходами. Их современная продукция не содержит вредных для природы и человека компонентов. Вот несколько примеров. Известно, что долгое время основой моющих средств были соединения фосфора, которые после того, как они отработают, попадали со стоком воды в водоемы, фосфор стимулировал бурный рост водорослей, которые выбирали из воды весь кислород, и вода становилась мертвой. Новые моющие вещества делаются уже не на фосфорной основе, а потому их сбросы не несут смертельной опасности водоемам.
Другой пример. Для окружающей среды опасны хлорорганические соединения, которые широко используются в производстве целлюлозы. Но вот недавно германский популярный еженедельник «Штерн» напечатал весь свой тираж на бумаге шведской фирмы, производство которой обошлось без хлора. Тонны бумаги, потребовавшейся для тиража, – это первый шаг к облегчению нагрузки на природу, который уже сделан гигантской целлюлозно-бумажной промышленностью – главным в мире потребителем хлора.
Наконец, третий пример нового подхода так называемой, «мягкой» химии к важнейшему своему продукту – инсектицидам. Химики Японии, Англии, США, следуя законам живой природы, синтезировали аналог действующего натурального вещества, входящего в состав давно известного людям пиретрума, выделяемого из далматской ромашки. А потому группу синтезированных соединений назвали пиретроидами. Уже применяют несколько препаратов, изготовленных на этой основе. Ими были обработаны поля картофеля и томатов. Итоговые анализы показали, что в плодах обработанных культур не содержится сколько-нибудь заметных остатков испытываемых препаратов, которые могли бы представлять какую-либо опасность для человека.
Обширный фактический материал, взятый из практики и научных разработок, говорит о том, что ростки нового обещают человечеству безбоязненное вступление в наступающий век. Новейшие технологии получает простор для своих действий, направленных на решение одной из важнейших задач – сохранения среды нашего обитания.
Контрольные вопросы
1. Как изменяется потребление природных энергетических и сырьевых ресурсов с течением времени?
2. Чем обусловливается рост цен природного газа и нефти?
3. Каковы перспективы использования угля в качестве энергетических и сырьевых ресурсов?
4. Какую часть добываемой нефти потребляет химическая промышленность?
5. В чем заключается обновление технологии производства энергии?
6. Какие требования предъявляются к современным энергосистемам?
7. Чем обусловливается необходимость модернизации технической базы промышленности?
8. Охарактеризуйте основные направления модернизации технической базы одной из отраслей промышленности.
9. Какими качествами должен обладать современный автомобиль?
10. Чем обусловливается низкая эффективность использования автотранспорта?
11. Как можно повысить эффективность использования автотранспорта?
12. В чем заключаются экологические проблемы городов?
13. Чем отличаются современные города от древних?
14. Каковы экологические особенности мегаполисов?
15. Охарактеризуйте способы утилизации вредных газов.
16. Какова технология утилизации бытовых отходов?
17. Как производят захоронение радиоактивных отходов?
18. Результаты каких наблюдений в естественных условиях вселяют уверенность о надежности захоронения радиоактивных отходов под землей?
19. Возможна ли утилизация радиоактивных отходов?
20. Назовите перспективные материалы и технологию их производства.
21. Какими свойствами обладают композитные материалы ?
22. Как получают тонкопленочные материалы?
23. Приведите пример сочетания микроэлектронной технологии и биотехнологии.
24. Каковы возможности генных технологий?
25. Какова роль генных технологий в обеспечении населения питанием?
26. Назовите пути оздоровления среды нашего обитания?
Природа как объект изучения естествознания сложна и многообразна в своих проявлениях: она непрерывно изменяется и находится в постоянном движении. Круг знаний о ней становится все шире, и область сопряжения его с безграничным полем незнания превращается в громадное размытое кольцо, усеянное научными идеями – зернами естествознания. Некоторые из них своими ростками пробьются в круг классических знаний и дадут жизнь новым идеям, новым естественно-научным концепциям, другие же останутся лишь в истории развития науки. Их сменят затем более совершенные. Такова диалектика развития естественно-научного познания окружающего мира.
О природе как о предмете естествознания можно говорить строгим научным языком. Про нее же можно сказать и простые слова, несущие глубокий смысл, как это сделал немецкий мыслитель и естествоиспытатель Иоганн Гете:
«Природа! Окруженные и охваченные ею, мы не можем ни выйти из нее, ни глубже в нее проникнуть... Захватывает она нас в вихре своей пляски и несется с нами, пока, утомленные, мы не выпадем из рук ее.
Она вечно говорит с нами, но тайн своих не открывает. Мы постоянно действуем на нее, но нет у нас над ней никакой власти.
Она – единственный художник: из простейшего вещества творит она противоположнейшие произведения, без малейшего усилия, с величайшим совершенством и на все кладет какое-то нежное покрывало. Она беспрерывно думала и мыслит постоянно, но не как человек, а как природа, У нее собственный всеобъемлющий смысл...
Нет числа ее детям. Ко всем она равно щедра, но у нее есть любимицы, которым много она расточает, много приносит в жертву. Великое она принимает под свой покров.
Жизнь – ее лучшее изобретение; смерть для нее средство для большей жизни.
Она окружает человека мраком и гонит его к свету. Всякое ее деяние – благо, ибо всякое необходимо; она медлит, чтобы к ней стремились; она спешит, чтобы ею не насытились.
У нее нет речей и языка, но она создает тысячи языков и сердец, которыми она говорит и чувствует. Венец ее – любовь. Любовью только приближаются к ней. Одним прикосновением уст к чаше любви искупает она целую жизнь страданий.
Она сурова и кротка, любит и ужасает, немощна и всемогуща. Не вырвать у нее признания в любви, не выманить у нее подарка, разве добровольно она подарит. Как она творит, так можно творить вечно».
Словарь специальных терминов
Адаптация (лат. adaptatio – приспособление) – приспособление функций и строения организма к условиям существования.
Аденин – пуриновое основание, содержащееся во всех живых организмах в составе нуклеиновых кислот (одна из 4 «букв» генетического кода) и других биологических веществ.
Адреналин – гормон мозгового слоя надпочечников животных и человека. Поступая в кровь, повышает потребление кислорода и артериальное давление, содержание сахара в крови, стимулирует обмен веществ и т. д.
Адсорбция (лат. ad – на, при и sorbeo – поглощаю) – поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости.
Адроны (греч. adros – сильный) – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (барионы и мезоны, включая все резонансы).
Аккреция (лат. accretio – приращение, увеличение) – гравитационный захват вещества и последующее его падение на космическое тело (например, звезду).
Алкалоиды (ср.-век. лат. alcali – щелочь и греч. eidos – вид) – обширная группа азотсодержащих циклических соединений, главным образом растительного происхождения.
Аллотропия (алло и греч. tropos – поворот, свойство) – существование химических элементов в виде двух или более простых веществ (например, кислород О3, и озон О3)
Алюмосиликаты – группа породообразующих минералов класса силикатов; алюмокремниевых соединений, главным образом растительного происхождения.
Аминокислоты – класс органических соединений, содержащих карбоксильные (– СООН) и аминогруппы (– NH2, обладающих свойствами кислот и оснований.
Аминопласты (карбамидные пластики) – пластмассы на основе мочевино- или меламино-формальдегидных смол.
Анизотропия (греч. anisos– неравный и tropos– направление) – зависимость свойств среды от направления. Она характерна, например, для механических, оптических, магнитных, электрических и других свойств кристаллов.
Аннигиляция (лат. Annihilatio – превращение в ничто, уничтожение) – превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяются законами сохранения (например, при аннигиляции пары электрон–позитрон образуются фотоны).
Антивещество – материя, состоящая из античастиц.
Античастицы – элементарные частицы, имеющие ту же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники», но отличающиеся от них знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др.
Аскорбиновая кислота (витамин С) – водорастворимый витамин, синтезируемый растениями (из галактозы) и животными (из глюкозы), за исключением приматов и некоторых других животных, которые получают аскорбиновую кислоту вместе с пищей.
Астеносфера (греч. asthenes – слабый и сфера) – слой пониженной твердости, прочности и вязкости в верхней мантии Земли, подстилающей литосферу.
Ауксины – группа гормонов растений, регулирующих их рост, ростовые реакции на свет и силу тяжести.
Ацетальдегид (уксусный альдегид), СН3СНО – бесцветная жидкость с резким запахом, являющаяся сырьем в производстве уксусной кислоты, уксусного альдегида и др.
Ацетилен – бесцветный газ, получаемый из природных газов или карбида кальция и служащий сырьем для синтеза винилхлорида, ацетальдегида и др.; используется как горючее при сварке и резке металлов.
Аэробные организмы – большинство живых организмов, которые могут существовать только при наличии свободного молекулярного кислорода.
Барионы (греч. barys – тяжелый) – «тяжелые» элементарные частицы с полуцелым спином и массой, не меньшей массы протона.
Белки – природные высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот, соединенных пептидными связями в длинные цепи.
Биогеоценоз (от био..., гео и греч. koinos – общий) – однородный участок земной поверхности с определенным составом живых и косных компонентов.
Биосинтез – образование необходимых организму веществ в живых клетках с участием биокатализаторов – ферментов.
Биосфера – область распространения жизни на Земле; включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и литосферу, населенные живыми организмами.
Биота (греч. biote – жизнь) – исторически сложившаяся совокупность видов растений, животных и микроорганизмов, объединенных общей площадью распространения; в отличие от биоценоза, может характеризоваться отсутствием связей между видами.
Биотехнология – использование живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве ферментов, витаминов, белков, аминокислот, антибиотиков и т. п.
Биоценоз (от био и греч. koinos – общий) – совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или воды и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды (например, биоценоз озера, леса и т. д.).
Бифуркация (лат. bifurcus – раздвоенный) – раздвоение, вилообразное разделение, раздвоение траектории движения и т. п.
Бозоны – частицы или квазичастицы с целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна.
Борогидриды металлов – соединения общей формулы M[BH4]n, где М – металл в степени окисления n; применяются как восстановители, источники Н2 для приготовления катализаторов, нанесения металлических покрытий.
Бридер (англ. Breeder)– разновидность атомного реактора-размножителя.
Вакцина (лат. vaccina – коровья) – препарат из живых (обезвреженных) или убитых микроорганизмов (а также из отдельных антигенных компонентов микробной клетки).
Валентность (лат. valentia –сила) – способность атомов химического элемента (или атомной группы) образовывать определенное число химических связей с другими атомами (или атомными группами); вместо валентности часто пользуются более узкими понятиями, например, степень окисления, координационное число.
Вивисекция (лат. vivus – живой и sectio – рассекание) – операция на живом животном с целью изучения функций организма, действия на него различных веществ, методов лечения и т. п.
Вирусы (лат. virus – яд) – возбудители инфекционных болезней растений, животных и человека, размножающиеся только внутри живых клеток.
Вискоза (позднелат. viscosus – вязкий) – высоковязкий раствор продуктов взаимодействия щелочной целлюлозы с сероуглеродом в разбавленном растворе едкого натра; применяется главным образом для получения вискозного волокна, пленки (целлофан), искусственной кожи.
Галактики (греч. galaktikos – млечный) – гигантские (до сотен млрд звезд) звездные системы; к ним относится и наша галактика, включающая Солнечною систему. Галактики подразделяются на эллиптические (Е), спиральные (S) и неправильные (Ir). Ближайшие к нам галактики – Магеллановы Облака (Ir) и туманность Андромеды (S).
Гармония (греч. harmonia -– связь, стройность, соразмерность) – соразмерность частей, слияние различных компонентов объекта в единое органическое целое; в др.-греч. философии – организованность космоса в противоположность хаосу.
Гемоглобин (от гемо и лат. globus– шар)– красный дыхательный пигмент крови человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных; переносит кислород от органов дыхания к тканям и углекислый газ от тканей к дыхательным органам.
Ген (греч. genos – род, происхождение, наследственный фактор) – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака.
Геном – совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма.
Геоид (от гео и греч. eidos – вид) – фигура Земли, ограниченная уроненной поверхностью, продолженной под континенты; поверхность геоида отличается от физической поверхности Земли, на которой резко выражены горы и океанические впадины.
Гербициды (от лат., herba – трава и caedo – убиваю) – химические препараты из группы пестицидов для уничтожения главным образом сорной растительности.
Геронтология (греч. gerontos – старик и ... логия) – наука, изучающая старение живых организмов, в том числе и человека.
Гиббереллины – группа гормонов растений (фитогормонов); стимулирует рост и развитие растений, способствует прорастанию семян.
Гидрокрекинг – переработка высококипящих нефтяных фракций, мазута или гудрона для получения бензина, дизельного и реактивного топлив, смазочных масел и др. Осуществляется при действии водорода при 330–450 °С и давлении 5–30 МПа в присутствии катализатора.
Гидросфера (от гидро и сфера) – совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, подземных вод, ледников и снежного покрова.
Глюоны – гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином, равным единице; ими обусловливается взаимодействие между кварками.
Гормоны (греч. hormao – возбуждаю, привожу в действие) – биологически активные вещества, вырабатываемые в организме специализированными клетками или органами (железами внутренней секреции) и оказывающие целенаправленное влияние на деятельность других органов и тканей.
Гравитация (лат. gravitas – тяжесть) – тяготение, универсальное взаимодействие между любыми видами физической материи.
Гравитон – квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевые электрический заряд и спин (экспериментально пока не обнаружен).
Графитопласты – пластмассы содержащие в качестве накопителя графит.
Гуанин – пуриновое основание, содержащееся в клетках всех организмов в составе нуклеиновых кислот, одна из 4 «букв» генетического кода.
Детерминизм (лат. determine – определяю) – философское учение об объективной закономерности взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений, противостоит индетерминизму, отрицающему всеобщий характер причинности.
Детонация моторных топлив – чрезмерно быстрое сгорание топливной смеси в цилиндрах карбюраторного двигателя из-за накопления органических пероксидов в топливной смеси.
Деформация (лат. deformatio– искажение) – 1) изменение положения точек твердого тела, при котором меняется расстояние между ними в результате внешнего воздействия; 2) изменение формы, искажение сущности чего-либо (например, деформация социальной структуры).
Дискретный (лат. discretus – раздельный, прерывистый) – прерывистый, состоящий из отдельных частей.
Диссипация (лат. dissipatio) – рассеяние; например, диссипация газов земной атмосферы в межпланетное пространство; диссипация энергии – переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии электрического тока и т. д.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном итоге – в тепло.
Диссоциация (лат. dissociatio – разъединение) – распад частицы (молекулы, радикала, иона) на несколько более простых частиц.
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – высокополимерное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. ДНК – носитель генетической информации, ее отдельные участки соответствуют определенным генам.
Деломит– породообразующий минерал класса карбонатов ( CaMg[CO3]2).
Евгеника (греч. eugenes – хорошего рода) – теория о наследственном здоровье и путях его улучшения.
Естественный отбор – процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных; следствие борьбы за существование.
Живое вещество – в концепции В.И. Вернадского – совокупность растений и животных, включая человека.
Иерархия (греч. hieros – священный и arche – власть) – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему.
Изомеры (от изо и греч. meros – доля, часть) – химические соединения, одинаковые по молярной массе и составу, но различающиеся по строению или расположению атомов в пространстве и, следовательно, по свойствам.
Изостазия (от изо греч. stasios – равный по весу) – равновесное состояние земной коры и мантии, вызванное действием гравитационных сил, при котором земная кора как бы плавает на более плотном и пластичном подкорковом слое.
Изотопы (от изо и греч. topos – место) – разновидность химических элементов, ядра атомов которых отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и тоже место в периодической системе элементов.
Изотропность (от изо и греч. tropos – свойство) – одинаковость свойств объектов (пространства, вещества и др.) по всем направлениям.
Иммунитет (лат. immunitas – освобождение, избавление) – способность живых существ противостоять действию повреждающих агентов, сохраняя свою целостность и индивидуальность; защитная реакция организма.
Инвариант (лат. invarians – неизменяющийся) – величина, остающаяся неизменной при тех или иных преобразованиях.
Инвариантность – неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям.
Ингибиторы (лат. inhebio – удерживаю) – вещества, снижающие скорость химических, в том числе и ферментативных, реакций или подавляющие их.
Инсектициды (лат. insetium – насекомое и caedo – убиваю) – химические препараты для борьбы с насекомыми-вредителями сельскохозяйственных растений; относятся к группе пестицидов.
Интеграция (лат. integratio – восстановление, восполнение, от integer– целый) – объединение отдельных частей в целом, а также процесс, ведущий к такому образованию.
Ионизация – превращение атомов и молекул в ионы.
Ионная имплантация – внедрение посторонних (примесных) атомов внутрь твердого тела путем бомбардировки его ионами.
Ионы (греч. ion – идущий) – электрически заряженные частицы, образующиеся из атомов (молекул) в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов.
Канцерогенные вещества (лат. cancer – рак и ... ген) – химические вещества, воздействие которых на организм при определенных условиях вызывает рак и другие опухоли.
Карбиды – химические соединения углерода с металлами и некоторыми неметаллами, например карбид кальция, карборунд, цементит. Карбиды вольфрама, титана, тантала, ниобия и др. тугоплавки, тверды, износостойки, жаропрочны; входят в состав твердых сплавов, используемых для изготовления резцов, буровых коронок, деталей газовых турбин и реактивных двигателей.
Карбониды металлов – химические соединения металлов с оксидом углерода СО. Например, карбониды никеля Ni(CO)4, и железа Fе(СО)5 – жидкости, кобальта Co2(CO)8 – твердое вещество; применяются для получения чистых металлов, нанесения металлических покрытий, как катализаторы химических процессов; ядовиты.
Катализ (греч. katalysis – разрушение) – ускорение химической реакции в присутствии веществ-катализаторов, которые взаимодействуют с реагентом, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечного продукта.
Катастрофа (греч. katastrophe – переворот) – внезапное бедствие, событие, влекущее за собой тяжелые последствия.
Квазары (англ. quasar, сокр. от quasistellar radiosource – квазизвездные источники излучения) – космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров, имеющие значительное красное смещение линий в спектрах, что указывает на их большую удаленность.
Кварки – гипотетические частицы с дробным электрическим зарядом, из которых, возможно, состоят элементарные частицы.
Кибернетика (греч. kybernetike– искусство управления) – наука об управлении, связи и переработке информации; основной объект исследования – так называемые кибернетические системы, рассматриваемые абстрактно, вне зависимости от их материальной природы. Примеры кибернетических систем – автоматические регуляторы в технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество.
Кизерит – минерал класса сульфатов Mg[So4] * H2O; по происхождению – осадочный; руда магния.
Кислотные осадки – атмосферные осадки (дождь, снег), подкисленные (рН ниже 5,6) из-за повышенного содержания в воздухе промышленных выбросов, главным образом SO2, NO2, HCl и др.
Клон (греч. klоп – ветвь, отпрыск) – популяция клеток или организмов, происшедших от общего предка путем бесполого размножения; клонирование клеток применяют в генетике соматических клеток, онкологии и др.
Коацервация (лат. coacervatio – накопление) – возникновение в растворе капель, обогащенных растворенным веществом; обычно происходит в водных растворах белков и полисахаридов при добавлении электролитов и некоторых органических соединений.
Композиционные материалы (композиты) – материалы, образованные объемным сочетанием химически разно-рядных компонентов с четкой границей раздела между ними; характеризуются свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности.
Континент (лат. continent – материя) – крупный участок суши, окруженный со всех сторон океаном.
Континуум (лат. continuum – непрерывное) – в математике: непрерывная совокупность, например, совокупность всех точек отрезка на прямой или всех точек прямой, эквивалентная совокупности всех действительных чисел.
Корпускула (лат. corpusculum – частица) – частица в классической (неквантовой) физике.
Коррозия (позднелат. corrosio – разъедание) – разрушение твердых тел, вызванное химическими или электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности тела при его взаимодействии с внешней средой.
Кортизон – гормон животных и человека, вырабатываемый корой подпочечников; участвует в регуляции обмена белков, жиров и углеводородов в организме.
Космохимия – наука, изучающая химический состав космических тел, законы распространенности и распределения химических элементов во Вселенной.
Лейкоциты – бесцветные клетки крови человека и животных.
Лептоны (греч. leptos – легкий) – элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии.
Липиды (греч. lipos – жир) – обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества.
Литосфера (от лито и сфера) – внешняя сфера «твердой» Земли, включающая земную кору и верхнюю часть подстилающей ее мантии.
Мантия Земли – оболочка «твердой» Земли, расположенная между земной корой и ядром Земли.
Масс-спектроскопия – метод исследования вещества путем определения спектра масс частиц, содержащихся в веществе, и их относительного содержания.
МГД-генератор (магнитогидродинамический генератор) – энергетическая установка, в которой энергия электропроводящей среды (обычно низкотемпературной плазмы), движущейся в магнитном поле, непосредственно преобразуется в электрическую энергию.
Мезоны – нестабильные элементарные частицы с нулевым или целым спином, принадлежащие к классу адронов.
Метагалактика – часть Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследований, содержит несколько млрд галактик.
Метан – бесцветный газ (СН ); основной компонент природных (97–99 %), попутных нефтяных (31–90 %), рудничного и болотного газов; служит сырьем для получения многих ценных продуктов химической промышленности – формальдегида, ацетилена, сероуглерода и др.; применяется как топливо.
Метанол (метиловый спирт) – древесный спирт (СН3ОН) – бесцветная жидкость со слабым спиртовым запахом; ядовит, действует на нервную и сосудистую системы; служит сырьем в производстве формальдегида, сложных эфиров и других продуктов.
Метафизика (греч. meta ta physika – после физики) – философское учение о сверхчувствительных (недоступных опыту) принципах бытия.
Метеориты – малые тела Солнечной системы, падающие на Землю из межпланетного пространства; масса одного из крупнейших метеоритов – Гоба метеорита – около 60000 кг; различают железные и каменные метеориты.
Митоз (греч. mitos – нить) – способ деления ядерных клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками и преемственность хромосом в ряду клеточных поколений.
Мониторинг – наблюдение за состоянием окружающей среды (атмосферы, гидросферы, почвенно-растительного покрова, а также техногенных систем) с целью ее контроля, прогноза и охраны.
Мутации (лат. mutatio– изменение, перемена) – возникающие естественно или вызываемые искусственно изменения наследственных свойств организма в результате перестроек и нарушений в генетическом материале организма – хромосомах и генах; мутации – основа изменчивости в живой природе.
Наследственность – свойство организма повторять в роду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом; обеспечивается самовоспроизведением материальных единиц – генов, катализированных в специфических структурах ядра клетки (хромосомах) и цитоплазмы.
Нейрон (греч. neuron – нерв) – нервная клетка, состоящая из тела и отходящих от него отростков – относительно коротких дендритов и длинного аксона.
Нейтрино (итал. neutrino, уменьшит, от neutrone – нейтрон) – стабильная незаряженная элементарная частица со спином 1/2, относящаяся к лептонам.
Нейтронография – совокупность методов исследования вещества с помощью рассеяния нейтронов низких энергий; позволяет изучать расположение частиц в конденсированной среде.
Нитинол – сплав титана с никилем (55 % Ti, 45 % Ni), обладающий «эффектом памяти», а также высокой коррозионной и эрозионной стойкостью.
Нитраты – соли и эфиры азотной кислоты НNО3.
Нуклеотиды – фосфорные эфиры нуклеозидов; состоят из азотистого основания (пуринового или пиримидинового), углевода и одного или нескольких остатков фосфорной кислоты.
Нуклид – общее название атомных ядер (и атомов), характеризующихся числом нейтронов в ядре, числом протонов и общим числом нуклонов, называемым массовым числом. Радиоактивные ядра и атомы называются радионуклидами.
Нуклон (лат. nucleus – ядро) – общее название протона и нейтрона, являющихся составными частями атомных ядер.
Облучение – воздействие различных излучений (инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного и др.) на вещество или биологические объекты с целью лечения (например, ультрафиолетовая, лучевая терапия), случайное (например, при аварии и у лиц, работающих с источником излучения).
Обменное взаимодействие – специфическое взаимное влияние тождественных частиц, эффективно проявляющееся как результат некоторого особого взаимодействия; чисто квантовый эффект, отражающий свойства симметрии системы тождественных частиц относительно перестановки пары таких частиц. Обменное взаимодействие объясняет закономерности атомных и молекулярных спектров, химическую связь, ферромагнетизм и др.
Озон (греч. ozon – пахнущий) – аллотропная модификация кислорода (О3); бесцветный газ с резким запахом, сильный окислитель. Озоновый слой предохраняет живые организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения; озон используется для обезвреживания воды и воздуха.
Октан – бесцветная жидкость (CH3(CH2)CH3), содержащаяся в нефти и в больших количествах в синтетическом жидком топливе; имеет низкую детонационную стойкость.
Октановое число – условная количественная характеристика стойкости к детонации моторных топлив, применяемых в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Октановое число наиболее распространенных отечественных марок автобензинов 76–39, авиабензинов 91–95.
Онтогенез (греч. ontos – сущее и генез) – индивидуальное развитие организма, совокупность преобразований организма от зарождения до конца жизни.
Оптическая связь – связь посредством электромагнитных колебаний оптического диапазона (1013–1015 Гц), обычно с применением лазеров.
Органенеллы – «органы» простейших, выполняющих различные функции: двигательные, сократительные, рецепторные, пищеварительные и др.
Органогены (от орган и греч. genos – рождающий) – главные химические элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера.
Органоиды (от орган и греч. eidos – вид) – постоянные специализированные структуры в клетках животных и растений; к ним относятся хромосомы, митохондрии и др. Органоиды часто называют органеллами.
Парсек (сокр. от параллакс и секунда) – единица длины, применяемая в астрономии, равна 3,26 световых года (3,09 · 1016 м).
Пептидная связь– химическая связь (–-СО–НН–), соединяющая аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой в молекулах пептидов и белков.
Пептиды – органические вещества, состоящие из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью; в живых клетках пептиды синтезируются из аминокислот, либо являются продуктами обмена белков.
Пестициды (лат. pestis – зараза и саеdо – убываю) – химические препараты для борьбы с сорняками (гербициды), вредителями (инсектициды, акарициды, зооциды идр.), болезнями (фунгициды, бактерициды идр.) культурных растений.
Пирит (серый колчедан, железный колчедан) – FeS2, – самый распространенный минерал класса сульфидов; примеси Си, Аи, Fe, Ni, Co идр.; служит сырьем для получения серной кислоты; руда золота, меди, кобальта.
Пиролиз (греч. руr– огонь и ...лиз) – разложение химических соединений при нагревании; промышленное значение имеет пиролиз нефтяного сырья, древесины.
Плазматрон (от плазма и ...трон) – плазменный генератор – газоразрядное устройство для получения низкотемпературной плазмы (Т » 104К); применяется главным образом в технологических целях, например, плазменная металлургия, плазменная обработка, плазмохимия.
Плазмохимия – наука, изучающая химические процессы в низкотемпературной плазме и основы плазмохимической технологии; типичные промышленные плазмохимические процессы – синтез ацетилена из природного газа, производство сверхчистых материалов, например, пленок кремния и т. п.
Пластиды (греч. plastos – вылепленный) – цитоплазматические органоиды растительных клеток; нередко содержат пигменты, определяющие их окраску.
Пластмассы (пластические массы) – материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения; помимо полимера могут содержать наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, пигменты и др. компоненты.
Полиамиды – синтетические полимеры, содержащие в молекуле амидные группы –СО–NH–; твердые роговидные или прозрачные стеклообразные вещества.
Поливинилхлорид [–СН2СНСl–]n– синтетический полимер, продукт полимеризации винилхлорида; на основе поливенилхлорида получают жесткие (винипласт) и мягкие (пластикат) пластмассы, пластизоли, волокна.
Полиимиды – синтетические полимеры, содержащие в молекуле имидную группу. Из полиимидных материалов получают пластмассы, пленки, лаки, клеи, волокна, используемые главным образом в авиации и космической технике.
Полимеры (от поли... и греч. Meros – доля, часть) – вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев; их молекулярная масса может изменяться от нескольких тысяч до многих миллионов. По происхождению полимеры делятся на природные или биологические (например, белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук) и синтетические (например, полиэтилен, полиамиды и др.); полимеры – основа пластмасс, химических волокон, резины и т. п.; из биополимеров состоят клетки всех живых организмов; термин «полимеры» введен И.Я. Берцелиусом в 1833 г.
Полинуклеотиды – полимерные органические соединения, образованные остатками мононуклеотидов; природные полинуклеотиды – нуклеиновые кислоты.
Полистирол [–СН2СН(С6Н5)–]n– синтетический полимер, продукт полимеризации стирола; твердое стеклообразное вещество; применяется в производстве пенопластов, корпусов радио- и телеаппаратуры, деталей автомобилей и др.
Полиэфиры – синтетические полимеры, содержащие в молекуле простую эфирную или сложноэфирную группу.
Популяция (лат. populus – народ, население) – совокупность особей одного вида, населяющая некоторую территорию, относительно изолированная от других и обладающая определенным генофондом; рассматривается как элементарная единица эволюции.
Порошковая металлургия – производство порошков металлов и изделий из них, их смесей и композиций с неметаллами; с помощью порошковой металлургии получают тугоплавкие и твердые пористые, фрикционные и другие материалы.
Постулат (лат. postulatum – требование) – утверждение (суждение), принимаемое в рамках какой-либо научной теории за истинное, хотя и недоказуемое ее средствами, и поэтому играющее в ней роль аксиомы; 2) общее наименование для аксиом и правил вывода какого-либо исчисления.
Приматы (лат. primates – первенствующие) – высший отряд млекопитающих, включающий 2 подотряда: полуобезьяны и обезьяны; свыше 200 видов – от лемуров до человека.
Прокариоты (лат. pro – вперед, вместе и греч. koryon – ядро) – организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром (вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли).
Пропан – бесцветный газ, содержащийся в природном и нефтяном газах; образуется при крекинге нефтепродуктов; применяется, например для получения пропилена, нитрометана и др. В смеси с бутаном используется как бытовой газ.
Простаглантиды – группа физиологически активных веществ, вырабатываемых в ничтожно малых количествах клетками различных тканей большинства животных и человека.
Протоплазма (от npomo и греч. plasma – вылепленное, оформленное) – содержимое живой клетки – ее цитоплазма и ядро; термин «протоплазма» почти не встречается в современной научной литературе.
Пульсары (англ. Pulsars – пульсирующие источники радиоизлучения) – космические источники импульсного электромагнитного излучения, открытые в 1967г.
Рацемазы – ферменты класса изомераз, катализирующие в живых клетках обратимое превращение стереоизомеров, например, аминокислот,
Рациональный (лат. rationalis – разумный) – разумный, целесообразный, обоснованный.
Реактопласты (термопластические пластмассы) – пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала; производятся на основе полиэфирных, эпоксидных и др. смол; содержит обычно большое количество наполнителей – стекловолокна, сажи, металла и др.
Реголит (лунный грунт) – разнозернистое обломочно-пылевое вещество, обломки которого состоят из лунных пород и минералов, стекла и др. компонентов.
Редукционизм – сведение сложного к простому, составного к элементарному.
Рекомбинация (от ре и лат. combinatio– соединение):
1) рекомбинация ионов и электронов в ионизированных газах и плазме – образование нейтральных атомов и молекул из свободных электронов и положительных атомных или молекулярных ионов (процесс обратный ионизации); 2) рекомбинация свободных радикалов – образование ковалентной связи путем обобществления двух неспаренных электронов, принадлежащим разным частицам.
Реликтовое излучение – фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой 2,7 К; происхождение реликтового излучения связывают с эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела очень высокую температуру и плотность излучения (горячая Вселенная).
Рецепторы (лат. receptor – принимающий) – окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутр. уха и др.), преобразующие раздражения, воспринимаемым извне или из внутренней среды организма в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную систему.
РНК (рибонуклеиновая кислота) – высокомолекулярные органические соединения, тип нуклеиновых кислот; образованы нуклеотидами, в которые входят аденин, гуанин, цитозин и урацил, а также сахар рибоза (в ДНК вместо уроцила – тимин, вместо рибозы – дезоксирибоза); в клетках всех живых организмов участвуют в реализации генетической информации.
Самоорганизация – целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы; свойством самоорганизации обладают объекты различной природы: клетка, организм, биологическая популяция, биогеценоз, человеческий коллектив и др.
Сверхпроводимость – физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников) при охлаждении их ниже определенней температуры и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и в выталкивании магнитного поля из объема образца; критическая температура высокотемпературных сверхпроводников соствавляет около 100 К.
Селекция (лат, selectio – выбор, отбор) – введение новых и улучшение существующих сортов растений, пород животных путем применения научных методов отбора.
Синергетика (греч. synergetikos – совместный, согласовано действующий) – научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществами и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях; в таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности, т. е. уменьшается энтропия (т. н.самоорганизация).
Синтез (греч. synthesis – соединение, сочетание) – соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (систему).
Синтез-газ – газ, состоящий из СО (40–60%) и Н2 (30– 50%); получают конверсией природного горючего с водяным паром и кислородом, а также газификацией топлив; служит сырьем в производстве водорода, углеводородов, метилового спирта и др.
Спектроскопия – раздел физики, посвященный изучению спектра электромагнитного излучения.
Спин (англ. spin – вращение) – собственный момент импульса микрочастицы, имеющий квантовую природу.
Стеклопластики – пластмассы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя стеклянное волокно.
Стохастический (греч. stochastikos – умеющий угадывать) – случайный, вероятностный.
Странность – квантовое число, характеризующее адроны.
Стратосфера (лат. stratum – слой и сфера) – слой атмосферы, лежащий над тропосферой от 8–10 км в высоких широтах и от 16–18 км вблизи экватора до 50–55 км; характеризуется повышенным по сравнению с ниже- и вышележащими слоями содержанием озона.
Терпены – природные углеводороды общей формулы (С5Н8) ; особенно богата терпенами эфирные масла; к терпенам относятся, например, камфора, ментол и др.
Тимин – пиримидиновое основание, содержащееся во всех живых организмах в составе ДНК; одна из 4 «букв» генетического кода.
Тритий (лат. Tritium, от греч. tritos – третий) – сверхтяжелый радиоактивный изотоп водорода с массовым числом 3.
Унифицировать (лат. unio – единство и facere – делать) – приводить к единой норме, к единообразию.
Урбанизация (лат. urbanus – городской) – процесс сосредоточения промышленности и населения в крупных городах.
Утилизация (лат. utilis – полезный) – использование для переработки отходов производства и домашнего хозяйства.
Фауна (лат. Fauna – богиня лесов и полей, покровительница животных в римской мифологии) – исторически сложившаяся совокупность видов животных, обитающих на определенной территории.
Фаянс (франс. faience от назв. итал. города Фаэнца, где производится фаянс) – керамические изделия (облицовочные плиты, посуда и др.), имеющие мелкую мелкопористую структуру, покрытые прозрачной и непрозрачной глазурью.
Фенопласты – пластмассы на основе главным образом феноло-формальдегидных смол; используются как коррозионностойкие конструкционные материалы.
Ферменты (лат. fermentum – закваска) – биологические катализаторы, присутствующие во всех живых клетках; осуществляют превращение веществ в организме, направляя и регулируя тем самым его обмен веществ; по химической природе – белки.
Феромоны – химические вещества, вырабатываемые экзокринными железами (или специальными клетками) животных, выделяясь во внешнюю среду одними особями, феромоны оказывают влияние на поведение, а иногда на рост и развитие других особей того же вида; феромоны и их химические аналоги применяются в борьбе с насекомыми-вредителями.
Флора (лат. Flora – богиня цветов и весеннего цветения в римской мифологии) – исторически сложившаяся совокупность видов растений какой-либо местности или геологического периода.
Флуктуация (лат. fluctualtio – колебание) – случайное отклонение физических величин от их средних значений.
Формальдегид (муравьиный альдегид) – бесцветный газ с резким запахом; химическая формула НСНО; служит сырьем в производстве фенолформальдегидных смол, изопрена и др.
Фосфин (фосфористый водород РН3) – бесцветный газ с неприятным запахом, сильный восстановитель; самопроизвольно воапламеняется на воздухе, токсичен.
Фотолиз – превращение молекул вещества под действием поглощенного света.
Фунгициды – химические препараты для уничтожения или предупреждения развития патогенных грибов – возбудителей болезней сельскохозяйственных растений.
Хемосорбция – поглощение вещества поверхностью какого-либо тела в результате образования химической связи.
Хиральность – свойство молекулы не совмещаться со своим отображением в идеальном плоском зеркале; является необходимым условием оптической активности молекул.
Хроматография (греч. chromatos – цвет и ...графия) – метод разделения и анализа смесей, основанный на различном распределении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной.
Хромосомы – структурные элементы ядра клетки, содержащие ДНК, в которой заключена последовательная информация организма; в хромосомах в линейном порядке расположены гены.
Целлулоид – пластмасса на основе пластифицированного нитрата целлюлозы.
Целлюлоза – полисахарид, образованный остатками глюкозы; используется в производстве бумаги, картона, пластмасс, лаков и др.
Центромера – участок хромосомы, удерживающий вместе две ее нити; во время деления центромера направляет движение хромосом к полюсам клетки.
Цитозин – пиримидиновое основание, содержащееся вовсех живых организмах в составе нуклеиновых кислот; одна из 4 «букв» генетического кода.
Цитокинины – группа гормонов растений, производные азотистых оснований пурина; повышают скорость деления клеток.
Цитоплазма – внеядерная часть протоплазмы животных и растительных клеток.
Штамм (нем. Stamm) – чистая культура микроорганизмов одного вида.
Эволюция (лат. evalutio – развертывание) – одна из форм движения в природе и обществе – непрерывное, постепенное количественное изменение, в отличие от революции.
Экосистема (греч. oikos – жилище, местопребывание и система) – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания.
Эластомеры – полимеры, обладающие при обычных температурах высокопластичными свойствами; типичные эластомеры – каучук и резина.
Этан – бесцветный газ, содержащийся в газах нефтепереработки; входит в состав коксового газа; служит сырьем для синтеза винилхлорида, этилового спирта, полиэтилена и др.
Эукариоты (греч. еu – хорошо и karyon – ядро) – все организмы, клетки которых содержат оформленное ядро, отделенное оболочкой от цитоплазмы.
Указатель имен
Авогадро Амадео (1776–1856), итальянский физик и химик
Агассис Жан Луи (1807–1873), швейцарский естествоиспытатель
Адамс Джон Кауч (1819–1892), английский астроном
Адансон Мишель (1727–1806), французский ботаник
Александров Павел Сергеевич (1896–1982), советский математик
Алексий II, в миру – Ридигер Алексей Михайлович (р. 1929), патриарх Московский и всея Руси с 1990 г.
Ампер Андре Мари (1775–1836), французский ученый, один из основоположников электродинамики
Анаксимандр из Милета (ок. 611–545 до н. э.), ионический натурфилософ, ученик и последователь Фалеса
Анаксимен из Милета (585–525 до н. э.), древнегреческий натурфилософ
Араго Доминик Франсуа (1786–1853), французский ученый и политический деятель
Аристотель (384–322 до н. э.), древнегреческий философ
Армстронг Нил (р. 1930), космонавт США, первый человек ступивший на Луну 21 июля 1969 г.
Бардин Джон (1908–1991), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1956)
Беккерель Антуан Анри (1852–1908), французский физик, лауреат Нобелевской премии (1903)
Беккерель Антуан Сезар (1788–1878), французский физик
Бердяев Николай Александрович (1874–1948), российский философ
Бернар Клод (1813–1878), французский физиологи патолог, один из основоположников экспериментальной медицины и эндокринологии
Бернулли Даниил (1700–1782), швейцарский ученый
Берцелиус Йене Якоб (1779–1848), шведский химик и минералог
Бойль Роберт (1627–1691), английский химик и физик
Больцман Людвиг (1844–1906), австрийский физик, один из основателей статистической физики и физической кинетики
Бор Нильс Хенрик Давид (1885–1962), датский физик, один из создателей современной физики, лауреат Нобелевской премии (1922)
Борн Макс (1882–1970), немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии (1954)
Браттейн Уолтер (1902–1987), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1956)
Браун Герберт (р. 1912), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1979)
Браун Карл Фердинанд (1850–1918), немецкий физик, радиотехник, лауреат Нобелевской премии (1909)
Бройль Луи де (1892–1987), французский физик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии (1929)
Брокгауз Бертром, канадский физик, лауреат Нобелевской премии (1994)
Бруно Джордано (1548–1600), итальянский естествоиспытатель и философ
Брэгг Уильям Лоренс (1890–1971), английский физик, основоположник рентгеноструктурного анализа, лауреат Нобелевской премии (1915)
Бутлеров Александр Михайлович (1828–1886), русский химик-органик
Бэкон Френсис (1561–1626), английский философ, родоначальник английского материализма
Бюффон Жорж Луи Леклерк (1707–1788), французский естествоиспытатель
Вавилов Николай Иванович (1887–1943), российский биолог и генетик
Вайнберг Стивен (1933–1996), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1979)
Ван-дер-Ваальс Йоханнес Дидерик (1837–1923), нидерландский физик, лауреат Нобелевской премии (1910)
Василий Великий (Василий Кесарийский, ок. 330–379), церковный деятель, теолог, философ-платоник
Везалий Андреас (1514–1564), естествоиспытатель, основоположник анатомии
Вейсман Август (1834–1914), немецкий зоолог и эволюционист
Вернадский Владимир Иванович (1863–1945), выдающийся российский естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель
Вигнер Юджин Пол (р. 1902), американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1963)
Вильсон Роберт Вудроу (р. 1936), американский радиоастроном, лауреат Нобелевской премии (1978)
Витрувий (I в. до н. э.), римский архитектор и инженер
Владимир I (?–1015), князь новгородский (с 969), великий князь киевский (с 980)
Вольтер, Мари Франсуа Аруэ (1694–1778), французский писатель и философ-просветитель
Вульф Георг Викторович (1863–1925), русский ученый-кристаллограф
Гагарин Юрий Алексеевич (1934–1968), летчик-космонавт СССР, впервые совершил полет в космос 12 апреля 1961 г
Галилей Галилео (1564–1642), итальянский ученый, один из основателей точного естествознания
Галле Иоганн (1812–1910), немецкий астроном
Голуа Эварист (1811–1832), французский математик
Гальтон Френсис (1822–1911), английский психолог и антролполог
Гамов Георгий Антонович (1904–1968), американский физик, родился в России
Ган Отто (1879–1968), немецкий радиохимик, лауреат Нобелевской премии (1944)
Гегель Георг Вильгельм Фридрих (1770–1831), немецкий философ, создавший на объективно-идеалистической основе систематическую теорию диалектики
Гедель Курт (1906–1978), австрийский логик и математик
Гейзенберг Вернер (1901–1976), немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии (1932)
Гей-Люссак Жозеф Луи (1778–1850), французский химик и физик
Геккель Эрнст (1834–1919), немецкий биолог-эволюционист
ГеллМан Марри (р. 1929), американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1969)
Гексли Томас Генри (1825–1895), английский биолог
Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд (1821–1894), немецкий ученый-естествоиспытатель
Гераклит Эфесский (ок. 544–483 до н.э.), древнегреческий философ
Герц Генрих Рудольф (1857–1894), немецкий физик, один из основоположников электродинамики
Гершель Уильям (1738–1822), английский астроном, основоположник звездной астрономии
Гете Иоганн Вольфганг (1749–1832), немецкий писатель, мыслитель и естествоиспытатель
Гипподам Милетский (vb. до н. э.), древнегреческий архитектор-градостроитель
Глэшоу Шелдон (р. 1932), американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1979)
Грэй Л. (1905–1965), английский физик
Гук Роберт (1635–1703), английский естествоиспытатель, разносторонний ученый и экспериментатор
Гукер Джозеф Долтон (1817–1911), английский ботаник
Гумбольдт Вильгельм (1767–1835), немецкий филолог, философ, языковед
Гюйгенс Христиан (1629–1695), нидерландский ученый
Давыдов Александр Сергеевич (р. 1912), русский физик
Дальтон Джон (1766–1844), английский физик и химик
Дарвин Чарлз Роберт (1809–1882), английский естествоиспытатель, создатель дарвинизма
Дарвин Эразм (1731–1802), английский врач, натуралист и поэт; дед Ч. Дарвина и Ф. Гальтона
Декарт Рене (1596–1650), французский философ, математик, физик и физиолог
Демокрит (р. ок. 470 или 460 до н. э.), древнегреческий философ, один из основателей античной атомистики
Джермер Лестер Холберт (1896–1971), американский физик
Диоген Аполлонийский (499/98–428/27 до н. э.), греческий философ
Дирак Поль Адриен Морис (1902–1984), английский физик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии (1933)
Дэвиссон Клинтон Джозеф (1881–1958), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1937)
Евдокс Книдский (ок. 408 – ок. 355 до н. э.), древнегреческий математик и астроном
Евклид (III в. до н. э.), древнегреческий математик
Жолио-Кюри Ирен (1897–1956), французский физик, лауреат Нобелевской премии (1935)
Жолио-Кюри Фредерик (1900–1958), французский физик, лауреат Нобелевской премии (1935)
Жоффруа Сент-Илер Этьен (1772–1844), французский зоолог, эволюционист
Жуковский Николай Егорович (1847–1921), российский ученый, основоположник современной аэродинамики
Зиверт Г.Р., шведский радиолог Зюсс Эдуард (1831–1914), австрийский геолог
Иваненко Дмитрий Дмитриевич (1904–1994), русский физик
Инфельд Леопольд (1898–1968), польский физик
Иоффе Абрам Федорович (1880–1960), русский физик, один из создателей отечественной физической школы
Кант Иммануил (1724–1804), немецкий философ, родоначальник немецкой классической философии
Капица Петр Леонидович (1894–1984), советский физик, лауреат Нобелевской премии (1978)
Карамзин Николай Михайлович (1766–1826), русский историк, писатель
Кекуле Фридрих Август (1829–1896), немецкий химик-органик
Кеплер Иоганн (1571–1630), немецкий астроном, один из творцов астрономии Нового времени
Киплинг Джозеф Редьярд (1865–1936), английский писатель
Клайперон Бенуа Поль Эмиль (1799–1864), французский физик и инженер
Клаузиус Рудольф Юлиус Эмануэль (1822–1888), немецкий физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты
Ковалевский Александр Онуфриевич (1840–1901), российский биолог
Комптон Артур Холли (1892–1962), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1927)
Конфуций (Кун-цзы, ок. 551–479 до н. э.), древнекитайский мыслитель
Корана Хар Гобинд (р. 1922), американский биохимик, лауреат Нобелевской премии (1968)
Коржинский Сергей Иванович (1861–1900), российский ботаник
Коперник Николай (1473–1543), польский астроном, создатель гелиоцентрической системы мира
Крашенинников Степан Петрович (1711–1755), российский путешественник
Крик Фрэнсис Харри Комптон (р. 1916), английский биофизик и генетик, лауреат Нобелевской премии (1962)
Кулон Шарль Огюстен (1736–1806), французский инженер и физик, один из основателей электростатистики
Курнаков Николай Семенович (1860–1941), русский физико-химик
Курчатов Игорь Васильевич (1902/03–1960), советский физик, организатор и руководитель работ по атомной науке и технике в СССР
Кювье Жорж (1769–1832), французский зоолог
Лавуазье Антуан Лоран (1743–1794), французский химик, один из основоположников современной химии
Лайель Чарлз (1797–1875), английский естествоиспытатель
Ламарк Жан-Батист (1744–1829), французский естествоиспытатель
Лаплас Пьер Симон (1749–1827), французский астроном, математик, физик
Лауэ Макс фон (1879–1960), немецкий физик, лауреат Нобелевской премии (1914)
Леверье Урбен Жан Жозеф (1811–1877), французский астроном
Левкип (V в. до н. э.), греческий философ, современник и предполагаемый учитель Демокрита
Лейбниц Готфрид Вильгельм (1646–1716), немецкий философ, математик, физик, языковед
Леонардо да Винчи (1452–1519), итальянский живописец, скульптор, архитектор, ученый, инженер
Либих Юстус (1803–1873), немецкий химик, один из создателей агрохимии
Линней Карл (1707–1778), шведский естествоиспытатель, создатель системы растительного и животного мира
Ловелл Персиваль (1855–1916), американский астроном
Локк Джон (1632–1704), английский философ, основатель материализма
Ломоносов Михаил Васильевич (1711–1765), первый российский ученый-естествоиспытатель мирового значения
Лоренц Хендрик Антон (1853–1928), нидерландский физик, лауреат Нобелевской премии (1902)
Лосев Олег Владимировач (1903–1942), российский радиофизик
Лукреций Кар (ок. 96 до и. э. –55), римский философ и поэт
Лысенко Трофим Денисович (1898–1976), агроном, создатель псевдонаучного «мичуринского» учения в биологии
Майер Юлиус Роберт (1814–1878), немецкий естествоиспытатель, врач
Мокмиллан Эдвин Маттисон (1907–1991), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1951)
Максвелл Джеймс Клерк (1831–1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики
Мальтус Томас Роберт (1766–1834), английский экономист
Мандельштам Осип Эмильевич (1891–1938), русский поэт
Мариотт Эди (1620–1684), французский физик
Меллер Герман Джозеф (1890–1967), американский генетик
Менделеев Дмитрий Иванович (1834–1907), российский химик, разносторонний ученый, педагог
Мендель Грегор Иоганн (1822–1884), австрийский естествоиспытатель, монах, основоположник учения о наследственности
Мережковский Константин Сергеевич (1855–1921), российский биолог
Мечников Илья Ильич (1845–1916), российский биолог и патолог, лауреат Нобелевской премии (1908)
Мигдал Аркадий Бейнусович (1911–1991), советский физик-теоретик
Монтель Мишель де (1533–1592), французский философ-гуманист
Морган Томас Хант (1866–1945), американский биолог, один из основоположников генетики
Мотт Невилл (р. 1905), английский физик, лауреат Нобелевской премии (1977)
Нейман Джон фон (1903–1957), американский математик и физик
Нетер Эмми (1882–1935), немецкий математик
Ниренберг Маршалл Уоррен (р. 1927), американский биохимик, лауреат Нобелевской премии (1968)
Ньютон Исаак (1643–1727), английский математик, астроном и физик, создатель классической механики
Оккам Уильям (ок. 1285–1349), английский философ-схоласт, логик
Павлов Иван Петрович (1849–1936), крупнейший физиолог, создатель учения о высшей нервной деятельности, лауреат Нобелевской премии (1904)
Паскаль Блез (1623–1662), французский математик, физик, философ
Пастер Луи (1822–1895), французский ученый, основоположник современной микробиологии и иммунологии
Пензиас Арно Аллан (р. 1933), американский радиофизик и астрофизик, лауреат Нобелевской премии (1978)
Перрен Жан-Батист (1870–1942), французский физик, лауреат Нобелевской премии (1926)
Писарев Дмитрий Иванович (1840–1868), русский публицист, литературный критик
Питирим, в миру – Константин Владимирович Нечаев (р. 1926), митрополит Волоколамский и Юрьевский, викарий Московский епархии
Пифагор Самосский (VI в. до н. э.), древнегреческий философ, математик
Планк Макс (1858–1947), немецкий физик, один из основоположников квантовой теории, лауреат Нобелевской премии (1918)
Платон (428/427–348/347 до н. э.), древнегреческий философ
Попов Александр Степанович (1859–1906), российский физик и электротехник
Птолемей Клавдий (ок. 90–ок. 160), древнегреческий ученый
Пуанкре Жюль Анри (1854–1912), французский математик, физик, философ
Пуассон Симеон Дени (1781–1840), французский математик, механик и физик
Раби Изидор Айзек (1898–1988), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1944)
Резерфорд Эрнест (1871–1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строения атома, лауреат Нобелевской премии (1908)
Рейнуотер Джеймс (р. 1917), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1975)
Рентген Вильгельм Конрад (1845–1923), немецкий физик, лауреат Нобелевской премии (1901)
Салам Абдус (р. 1926), пакистанский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1979)
Сенека Луций Анней (ок. 4 до н. э.–65 н. э.), римский политический деятель, философ и писатель, представитель стоицизма
Содди Фредерик. (1877–1956), английский радиохимик; экспериментально доказал образование радия из урана; лауреат Нобелевской премии (1921)
Спенсер Герберт (1820–1903), английский философ и социолог
Спиноза Бенедикт (1632–1677), нидерландский философ
Столетов Александр Григорьевич (1839–1896), российский физик
Тамм Игорь Евгеньевич (1895–1971), советский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1958)
Телезио Бернардино (1508–1588), итальянский философ
Телеснин Роман Владимирович (1905–1985), советский физик-магнитолог
Тимирязев Климент Аркадьевич (1843–1920), естествоиспытатель, один из основоположников русской школы физиологов растений
Томсон Джозеф Джон (1856–1940), английский физик, лауреат Нобелевской премии (1906)
Тютчев Федор Иванович (1803–1873), русский поэт
Уатт Джеймс (1736–1819), английский изобретатель, создатель универсального теплового двигателя
Уоллесс Альфред Рассел (1823–1913), английский естествоиспытатель
Уотсон Джеймс Дьюи (р. 1928), американский биохимик, лауреат Нобелевской премии (1962)
Фалес из Милета (ок. 625–ок. 545 до н. э.), первый древнегреческий философ, политический деятель
Фарадей Майкл (1791–1867), английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле
Фаулер Уильям Альфред (р. 1911), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1983)
Федоров Евграф Степанович (1853–1919), российский ученый, один из основоположников современной структурной кристаллографии
Ферми Энрико (1901–1954), итальянский физик, один из создателей ядерной и нейтронной физики, лауреат Нобелевской премии (1938)
Флеров Георгий Николаевич (1913–1990), советский физик
Франк Джеймс (1882–1964), немецкий физик, лауреат Нобелевской премии (1925)
Френкель Огюстен Жан (1788–1827), французский физик, один из основоположников волновой оптики
Френкель Яков Ильич (1894–1952), советский физик-теоретик
Фридман Александр Александрович (1888–1925), российский математик и геофизик
Фуко Жан Бернар Леон (1819–1868), французский физик
Хаббл Эдвин Пуэлл (1889–1953), американский астроном
Хойл Фред (р. 1915), английский астрофизик
Холдейн Джон Скотт (1860–1936), английский физиолог
Холл Эдвин Герберт (1855–1938), американский физик
Холли Роберт Уильям (р. 1922), американский биохимик, лауреат Нобелевской премии (1968)
Хуго Де Фриз (1848–1935), нидерландский естествоиспытатель
Циолковский Константин Эдуардович (1857–1935), русский ученый и изобретатель, основоположник современной космонавтики
Цицерон Марк Туллий (106–43 до н. э.), римский политический деятель, оратор и писатель
Чехов Антон Павлович (1860–1904), русский писатель
Шолл Клифорд, американский физик, лауреат Нобелевской премии (1994)
Шванн Теодор (1810–1882), немецкий биолог, основоположник клеточной теории
Шеллинг Фридрих Вильгельм Йозеф (1775–1854), немецкий философ
Шлейден Маттиас Якоб (1804–1881), немецкий ботаник
Шмидт Отто Юльевич (1891–1956), советский ученый, один из организаторов освоения Северного морского пути
Шокли Уильям Бредфорд (1910–1989), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1956)
Шопенгауэр Артур (1788–1860), немецкий философ, представитель волюнтаризма
Шоттки Вальтер (1886–1976), немецкий физик
Шредингер Эрвин (1887–1961), австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии (1933)
Эйнштейн Альберт (1879–1955), физик-теоретик, один из основателей современной физики, лауреат Нобелевской премии (1921)
Эрстед Ханс Кристиан (1777–1851), датский физик, открыл магнитное действие электрического тока (1820)
Эпикур (341–270 до н. э.), древнегреческий философ
Юнг Томас (1773–1829), английский ученый, один из основоположников волновой теории света
Содержание
|
[0.1] СОВРЕМЕННОГО [0.1.1] Предисловие [1] КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО [2] ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ [2.1] Введение [3] ЧАСТЬ I [4] ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И СОВРЕМЕННЫЙ МИР [4.1] Глава I. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И ОКРУЖАЮЩИЙ МИР [4.1.1] 1.1. Роль естествознания в формировании профессиональных знаний [4.1.2] 1.2. Естествознание в изменяющемся мире [4.1.3] 1.3. Фундаментальные и прикладные проблемы естествознания [4.1.4] 1.4. Естествознание и математика [4.1.5] 1.5. Развитие естествознания и антинаучные тенденции [4.1.6] 1.6. Естествознание и нравственность [4.1.7] 1.7. Рациональная и реальная картина мира [4.1.8] 1.8. Естественно-научные и религиозные знания [4.1.8.1] Контрольные вопросы [4.2] Глава II. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЕ ПОЗНАНИЕ [4.3] ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА [4.3.1] 2.1. Естественно-научное познание - процесс постижения истины [4.3.2] 2.2. Формы естественно-научного познания [4.3.3] 2.4. Научное открытие и доказательство [4.3.4] 2.5. Эксперимент - основа естествознания [4.3.5] 2.6. Современные средства естественно-научных исследований [4.3.6] 2.7. Важнейшие достижения современного естествознания [4.3.6.1] Контрольные вопросы [5] ЧАСТЬ II [6] ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ И КОНЦЕПЦИИ [7] ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ [7.1] ГЛАВА 3 [7.2] ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ [7.2.1] 3.1. Физика - фундаментальная отрасль естествознания [7.2.2] 3.2. Концепция атомизма и универсальность физических законов [7.2.3] 3.3. Фундаментальные взаимодействия [7.2.4] 3.4. Концепции материи, движения, пространства и времени [7.2.5] 3.5. Принцип относительности и инвариантность [7.2.6] 3.6. Свойства пространства, времени и законы сохранения [7.2.7] 3.7. Фундаментальные законы Ньютона [7.2.8] 3.8. Статистические и термодинамические свойства макросистем [7.2.9] 3.9. Термодинамические законы [7.2.10] 3.10. Электромагнитная концепция [7.2.11] 3.11. Корпускулярно-волновые свойства света [7.2.11.1] Контрольные вопросы [7.3] Глава 4. АТОМНЫЙ И НУКЛОННЫЙ УРОВНИ [7.4] ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ [7.4.1] 4.1. Эволюция представлений о строении атомов [7.4.2] 4.2. Постулаты Бора [7.4.3] 4.3. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц [7.4.4] 4.4. Вероятностный характер микропроцессов [7.4.5] 4.5. Элементарные частицы [7.4.6] 4.6. Строение атомного ядра [7.4.7] 4.7. Ядерные процессы [7.4.8] 4.8. Перспективы развития физики микромира [7.4.8.1] Контрольные вопросы [8] ЧАСТЬ III [9] ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ [9.1] ГЛАВА 5 [9.2] КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ [9.2.1] 5.1. Сущность концепции развития [9.2.2] 5.2. Эволюция Вселенной [9.2.3] 5.3. Структура Вселенной [9.2.4] 5.4. Средства наблюдения объектов Вселенной [9.2.5] 5.5. Проблема поиска внеземных цивилизаций [9.2.6] 5.6. Солнечная система - часть Вселенной [9.2.7] 5.7. Земля - планета Солнечной системы [9.2.7.1] Контрольные вопросы [9.3] Глава 6 [9.4] ЭВОЛЮЦИЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ О ВЕЩЕСТВЕ [9.4.1] 6.1. Развитие химических знаний [9.4.2] 6.2. Управление химическими процессами [9.4.3] 6.3. Синтез химических веществ [9.4.4] 6.4. Современный катализ [9.4.5] 6.5. Образование земных и внеземных веществ [9.4.6] 6.6. Природные запасы сырья [9.4.7] 6.7. Органическое сырье [9.4.8] 6.8. Новые химические элементы и изотопы [9.4.9] 6.9. Перспективные химические процессы [9.4.10] 6.10. Синтетические материалы [9.4.11] 6.11. Традиционные материалы с новыми свойствами [9.4.12] 6.12. Перспективные материалы [9.4.12.1] Контрольные вопросы [9.5] ГЛАВА 7 [9.6] БИОСФЕРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ [9.6.1] 7.1. Основополагающие жизненные системы [9.6.2] 7.2. Равновесие биохимических процессов [9.6.3] 7.3. Носитель генетической информации [9.6.4] 7.4. Генетические свойства [9.6.5] 7.5. Белки - основа живых систем [9.7] 7.6. Строение и разновидности клеток [9.8] 7.7. Современное представление о происхождении жизни [9.9] 7.8. Предпосылки эволюционной идеи [9.10] 7.9. Эволюция жизни [9.11] 7.10. Растительный и животный мир [9.12] 7.11. Человек - феномен природы [9.13] 7.12. Жизнеобеспечение человека [9.13.1] 7.13. Продление жизни организма [9.13.2] 7.14. Формирование ноосферы [9.13.2.1] Контрольные вопросы [10] ЧАСТЬ IV. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ЭНЕРГЕТИКИ И ЭКОЛОГИИ [10.1] Глава 8. КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ [10.2] ТЕХНОЛОГИЙ И ЭНЕРГЕТИКИ [10.2.1] 1.1. Развитие технических средств информационных технологий [10.2.2] 8.2. Современные средства накопления информации [10.2.3] 8.3. Мультимедийные системы и виртуальный мир [10.2.4] 8.4. Микро- и наноэлектронная технологии [10.2.5] 8.5. Лазерные технологии [10.2.6] 8. 6. Современные биотехнологии [10.2.7] 8.7. Генные технологии [10.2.8] 8. 8. Проблемы клонирования [10.2.8.1] Контрольные вопросы [10.3] Глава 9. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ [10.3.1] 9.1. Современное представление об энергии [10.3.2] 9. 2. Преобразование и потребление энергии [10.3.3] 9.3. Эффективность производства и потребления энергии [10.3.4] 9.4. Тепловые электростанции [10.3.5] 9.5. Повышение эффективности энергосистем [10.3.6] 9.6. Гидроисточники и геотермальные источники энергии [10.3.7] 9.7 Гелиоэнергетика [10.3.8] 9.8 Энергия ветра [10.3.9] 9.9. Атомная энергетика [10.3.10] 9.10. Особенности развития отечественной энергетики [10.3.11] 9.11. Энергии Мирового океана [10.3.12] 9.12. Энергетика будущего [10.3.12.1] Контрольные вопросы [10.4] Глава 10 [10.5] ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИИ [10.5.1] 10.1. Глобальные катастрофы и эволюция жизни [10.5.2] 10.2. Биосфера и предотвращение экологической катастрофы [10.5.3] 10.3. Природные катастрофы и климат [10.5.4] 10.4. Парниковый эффект и кислотные осадки [10.5.5] 10.5. Сохранение озонового слоя [10.5.6] 10.6. Водные ресурсы и проблемы их сохранения [10.5.7] 10.7. Потребление энергии и среда нашего обитания [10.5.8] 10.8. Радиоактивное воздействие на биосферу [10.5.9] 10.9. Естественно-научные проблемы защиты окружающей среды [10.5.9.1] Контрольные вопросы [10.6] Глава 11 [10.7] ГАРМОНИЯ ТРУДОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЮДЕЙ И ПРИРОДЫ [10.7.1] 11.1. Обновление энергосистем [10.7.2] 11.2. Промышленность, автотранспорт и окружающая среда [10.7.3] 11.3. Города и природа [10.7.4] 11.4. Решение проблем утилизации [10.7.5] 11.5. Перспективные материалы, технологии и окружающая среда [10.7.5.1] Контрольные вопросы [10.7.6] Заключение [10.7.6.1] Словарь специальных терминов [10.7.6.2] Указатель имен |
Учебное издание
Карпенков Степан Харланович
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Корректор
Т. Л. Тимакова
Компьютерная верстка
Ю. К. Кущ-Жарко
Литературно-издательское агентство
«Академический Проект»
Изд. лиц. № 065723 от 10.03.98.
111399, Москва, ул. Мартеновская, 3, стр.4
По вопросам приобретения книги просим обращаться
в ЗАО «Академия–Центр»:
111399, Москва, ул. Мартеновская, 3.
Тел./факс: (095) 176 9338; 176 9523; 305 6092.
E-mail: aprogect@m1u-net.ru
Подписано в печать с готовых диапозитивов 29.09.2000.
Формат 84 х 108/32. Гарнитура Балтика. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 33,6. Тираж 5000 экз. Заказ № 382.
Отпечатано с готовых диапозитивов
на ГИПП «Уральский рабочий»
620219, Екатеринбург, ул. Тургенева, 13.
288
PAGE 6