CC BY
137
208
УДК 575.8
Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2010. № 4(78).
ЭНЕРГЕТИКА БИОСФЕРЫ И ЕЕ БЕЗОПАСНОСТЬ
© 2010 Ю.П. Фролов1
Первичными источниками энергии, обеспечивающими функционирование биосферы, являются радиоактивный распад и термоядерные реакции. Велика их роль в добиологическом периоде и биологической эволюции.
Ключевые слова: биосфера, энтропия, термоядерная энергия, радиация, эволюция.
Введение
Около четырнадцати миллиардов лет назад "ничто" (точка сингулярности) родило "нечто" — Вселенную, в которой значительно позднее возникли Солнечная система и наша планета. Затем в отдельных местах Земли (а может быть в одном) появилась жизнь — явление настолько уникальное, что ему до настоящего времени не найдено исчерпывающего и однозначного определения. По-видимому, о живых организмах с полной уверенностью можно говорить как о системах, способных самостоятельно вырабатывать негэнтропию (повышать свою упорядоченность), а жизнь — это процесс генерирования негэнтропии биологическими системами, борьба негэнтропии с энтропией ("добра со злом"). В нашем организме, например, вначале содержание негэнтропии возрастает, а при старении — убывает. Яйцеклетка, "ничто", величиной с маковое семя, порождает сложный организм ("нечто"), который после смерти, побежденный энтропией, превращается в прах, чтобы затем вновь включить элементы своего тела в неостанавливающийся круговорот жизни.
Возникнув, жизнь распространилась практически по всей поверхности Земли, освоила гидросферу, верхний слой суши, воздушное пространство. Ее деятельность приобрела геологические масштабы, особенно в период бурного расцвета промышленно-технической активности человечества и резкого увеличения его численности. Усложнение биосистем в процессе эволюции, происходившее непрерывно с момента возникновения жизни, совершенствование социального устройства общества с одновременным развитием техносферы многократно увеличили негэн-тропийное содержание биосферы, ужесточили ее противостояние энтропии, требующее колоссального расхода энергии, созидающей упорядоченность и нейтрализующей деструктивные процессы. Основным потребителем энергии является техносфера, ставшая неотъемлемой частью человеческого общества. Потребность в такой энергии будет постоянно возрастать, поэтому уже сейчас остро стоит вопрос о дополнительных ее источниках.
1Фролов Юрий Павлович (biochemistry.ssu@rambler.ru), кафедра биохимии Самарского государственного университета, 443011, Россия, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.
1. Рожденная радиацией
Образование Солнечной системы, ничтожной частью которой является наша планета, — явление рядовое, однако колоссальная удаленность небесных тел друг от друга и от наблюдателя, а также крайне медленное в масштабе человеческой жизни протекание космических процессов не позволяют составить законченное представление о происхождении и ранней эволюции как самого Солнца, так и вращающихся вокруг него планет. Существуют лишь основные черты "сценария", по которому развертывались события во время зарождения Солнечной системы. На начальном этапе происходило уплотнение межзвездного вещества, вероятно, под действием ударной волны, которая распространялась во все стороны от места взрыва сверхновой звезды. Наиболее плотные участки облака с массами порядка звездных начинают сжиматься, облако распадается на фрагменты, один из которых впоследствии породит Солнце и Солнечную систему. В центре сжимающегося под действием гравитации фрагмента образуется сгущение пыли и газа, которое является ядром аккреции — захвата окружающей разреженной среды, приток которой увеличивает массу ядра. Затем образуются Протосолнце и окружающая его протопланетная туманность, из которой впоследствии образуются планеты [1], суммарная масса которых в 750 раз меньше массы Солнца.
Формирование планет происходило с разной скоростью, в частности, возраст Земли оценивают обычно в 4,7 млрд лет. Помимо возраста и массы планеты сильно различаются по своему составу, несмотря на достаточно однородный химический состав Вселенной, в которой 93 % атомов приходится на водород (76 % мировой массы). Тем не менее, в исходном материале, из которого формировались планеты, имелись все химические элементы. Убедительный ответ, объясняющий различие планет по химическому составу, дал доктор геолого-минералогических наук Владимир Николаевич Ларин. Его версия основывалась на гипотезе известного английского астрофизика Фреда Хойла, согласно которой у протосол-нечного диска на определенном этапе развития должно было существовать мощное магнитное поле, а часть вещества пылевой туманности была ионизированной. В.Н. Ларин предположил, что в этих условиях должна была происходить магнитная сепарация ионов в зависимости от их потенциала ионизации. Магнитное поле удерживало легко ионизируемые атомы и не препятствовало удалению от центра протосолнечного диска трудно ионизируемых и нейтральных атомов, гонимых световым давлением. В связи с этим каждая из сформировавшихся затем планет приобрела свой химический состав. На ряде примеров В.Н. Ларин подтвердил правомерность предложенного им механизма избирательного распределения химических элементов по планетам, о чем достаточно строго и доступно изложил в своей книге популяризатор его работ А.П. Никонов [2]. Таким образом, радиоактивные элементы, осуществляя ионизацию вещества протопланетной туманности, уже на самой ранней стадии образования Земли принимали участие в формировании ее химического состава, от которого в определяющей мере зависела судьба планеты и образовавшейся впоследствии биосферы.
Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, чему способствовало постепенное разогревание ее недр, в основном за счет теплоты, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). В конечном счете произошло разделение Земли на концентрически расположенные, различающиеся по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам геосферы: внутренние (ядро, мантия, кора) и внешние (гидросфера, атмосфера).
С земной радиоактивностью связаны самые начальные периоды химической эволюции, подготавливающие биологическую эволюцию. Углеводороды, которые образовывались из карбидов металлов при соприкосновении их с водой, обладали достаточно высокой химической устойчивостью. А.М. Кузин полагает, что практически единственным источником энергии, способной разорвать прочные связи в углеводородных молекулах, в тот период явилось радиоактивное излучение, которое вело к образованию свободных радикалов, а через них к формированию усложненных цепей углеводородов (разветвленных, циклических), встраиванию в них таких органогенных элементов, как азот, фосфор, сера. Радиолиз воды способствовал синтезу окисленных карбонильных соединений.
Таким образом, от периода магнитной сепарации химических элементов в про-топланетном облаке до формирования современных организмов на Земле, согреваемой теплом распадающихся радиоизотопов, последние способствовали появлению и эволюции жизни. В настоящее время в земной коре, на ее поверхности, в гидросфере и атмосфере обитают различные организмы, а эти местообитания вместе с населяющими их организмами представляют собой своеобразную оболочку — биосферу.
2. Жизнь на ядерном реакторе
Без тепла, выделяемого при радиоактивном распаде, Земля была бы безжизненным телом, подобным Луне. Вся история Земли связана с тепловой энергией, которая расходовалась на образование гор, вулканизм и на другие процессы, которые привели к формированию континентов, океанов и атмосферы. Солнечное излучение служит источником энергии лишь для процессов, происходящих на поверхности Земли. Количество тепла, непрерывно притекающего к земной поверхности, доступно измерению. В континентальных районах в одну секунду через квадратный сантиметр поверхности в среднем протекает около 1,2 мккал тепла. В океанические области из недр Земли притекает примерно столько же тепла, что и в континентальной области. Радиоактивные элементы сконцентрированы главным образом в слоях, залегающих вблизи земной поверхности, где они обеспечивают повышение температуры в среднем на 17 градусов при погружении в недра Земли на 1 км. Анализ теплового баланса планеты свидетельствует о том, что тепло, запасенное Землей во время ее образования в результате гравитационного сжатия, очень мало расходуется (или совсем не расходуется). Получаемое за счет радиоактивного распада тепло компенсирует тепловые потери поверхностью Земли, благодаря чему последняя практически не остывает [3].
Радиационные излучения частично выходят на поверхность Земли и оказывают непосредственное воздействие на живые организмы, которые фактически обитают на атомном реакторе. Помимо внешнего облучения со стороны окружающей среды на организм действует и внутреннее облучение, возникающее при распаде радиоизотопов, тем или иным путем попавших внутрь тела. Уже в 20-30-х годах прошлого века отечественными учеными Г.А. Надсоном и Э.Я. Рохлиной было показано стимулирующее действие радиации на дрожжевые клетки, а Н.Н. Нечаевой — на дафнии. Последующие работы показали, что малые дозы (на порядки и более превышающие природный радиоактивный фон [4]) ускоряют интенсивность деления клеток, рост и развитие организмов, увеличивают их плодовитость, удлиняют средние сроки жизни, повышают иммунитет. В большинстве стран естественный фон незначительно отличается от средней величины (100 мрад в год),
однако в Индии, Бразилии, Иране, Италии, Нигерии, Китае и других странах существуют районы, в которых природный радиоактивный фон (ПРФ) достигает 1000-3000 мрад/год, а местами 4-8рад/год. Несмотря на это, в таких районах богатая флора и фауна, а многолетние исследования не выявили никаких отклонений в состоянии жизнедеятельности проживающих здесь людей и их потомков.
Однако работами французского ученого Планеля, отечественных ученых, прежде всего А.М. Кузина с соавт., было показано угнетающее действие на различные организмы снижения значения ПРФ. Все это свидетельствует о том, что в процессе эволюции у организмов выработались достаточно эффективные механизмы репарации радиационных повреждений и противостояния им, о чем свидетельствует чрезвычайно широкий диапазон значений полулетальных доз для различных организмов (для взрослых насекомых она может достигать 100 000 рад). Более того, ПРФ превратился в необходимый фактор среды.
Отечественные ученые Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в 1925 г. впервые обнаружили мутагенное действие ионизирующей радиации, что дало основание обратить внимание на возможную роль ее в биологической эволюции. С.Г. Неручев показал, что в течение миллиардов лет эволюции живой материи неоднократно происходили изменения тектоно-магматической активности, при которых повышалось содержание урана на поверхности Земли и в водах Мирового океана. Эти эпохи уранонакопления характеризовались усиленным видообразованием. Наиболее мощные из них приходились на следующие периоды: поздний девон — ранний карбон, поздняя юра — ранний мел, поздний карбон, поздний мел, поздняя пермь, средний — поздний эоцен [5]. Начало эпохи уранонакопления знаменовалось также усиленным размножением фито- и зоопланктона, возрастанием биомассы Мирового океана [4]. Накопление урана в теле живых организмов порою приводило к их массовой гибели и более быстрой смене видового состава биосферы. Одновременно возникали радиоустойчивые формы организмов, которые нередко обладали повышенной способностью выживать в неблагоприятных условиях среды. Здесь же следует отметить обнаруженную Н.И. Вавиловым приуроченность первичных областей видообразования к горным и предгорным районам, для которых характерно наличие крупных урановых месторождений с повышенным ПРФ [4]. Да и место происхождения человека связывают с Африкой, в частности, с ее южной оконечностью (австралопитек 'ю^жная обезьяна), для которой характерны значительные скопления урана, порою превышающие критическую массу и вызывающие цепную реакцию деления урана (1,8 млн лет тому назад в Окло). Однако с экстремальными проявлениями земной ядерной энергии связана нескончаемая цепь серьезнейших катастроф, имеющих как локальный, так и глобальный характер. Извержения вулканов, землетрясения, цунами, рифтообразование, подъем и опускание суши и уровня океанов, образование гор, дрейф континентов — все это получает живая материя в "придачу" к удовольствию обитать на атомном реакторе, который представляет собой наша планета. Геологические катастрофы также являются важнейшим фактором биологической эволюции.
3. Термоядерная энергия Солнца
Масса Солнца почти в 333 тысячи раз превышает массу Земли, которую оно с помощью гравитации удерживает в составе своей Солнечной системы. По массе оно состоит приблизительно из 70 % водорода, 27 % гелия, на долю остальных химических элементов приходится около 2,5 %. За счет протекания преимуще-
ственно протон-протонной термоядерной реакции, при которой в конечном счете из 4 ядер водорода (протия) образуется одно ядро гелия, выделяется колоссальная энергия, создающая в центре Солнца температуру 10-15 млн градусов. Почти все излучение Солнца исходит из нижней части его атмосферы, называемой фотосферой. Толщина фотосферы около 300 км, среднее значение температуры в ней приблизительно 6000 градусов. В отличие от разрабатываемых конструкций термоядерных реакторов, удержание ядерной плазмы, плотность которой в центре Солнца в 150 раз превышает и плотность воды, а также инициация ("зажигание") ядерной реакции осуществились опять же с помощью гравитационных сил.
Солнечное излучение представлено электромагнитными волнами широкого диапазона (от рентгеновского до радиоволнового) и солнечным ветром (главным образом протоны, электроны и ядра гелия — от 2 до 20 %). На Землю попадают примерно пять стомиллионных долей процента от общей мощности излучения Солнца. У поверхности Земли поток солнечного излучения уменьшается из-за поглощения и рассеяния в земной атмосфере и в среднем составляет 800-900 Вт на 1 м2 [1], или приблизительно 20 000 мккал на 1 см2 в секунду, то есть почти в 20 тысяч раз больше, чем приходит на равную поверхность из земных недр тепла от радиоактивного распада. Уже в момент соприкосновения солнечных лучей с продуцентами большая часть их энергии рассеивается в форме тепла и только 1 % используется на фотосинтез [6]. Этой энергии, поглощенной преимущественно растениями, достаточно для обеспечения всех живых организмов биосферы. Рассеянная часть энергии расходуется на круговорот воды в природе, грозы, определяет климат, погоду, такие стихийные бедствия, как тайфуны, торнадо, наводнения, сели, сходы лавин, градобои, а также множество других физических процессов, протекающих в атмосфере, гидросфере и на земной поверхности.
Большой интерес представляет защита живого на Земле от солнечного ветра с помощью геомагнитного поля и от жесткого ультрафиолетового излучения с помощью озонового слоя атмосферы. Природа оригинальным способом решила задачу, которая стоит перед создателями будущих термоядерных электростанций. Получение работающей плазмы, заключенной в сверхмощное магнитное поле ТОКАМАКа, напоминает помещение тигра в стальную клетку. Создав водородную бомбу, ученые остановились на полпути — "выпустили тигра из клетки". Проблема состоит в том, чтобы трансформировать энергию сверхвысокотемпературной плазмы в электричество. Осуществить это будет гораздо сложнее, чем заставить тигра пахать плугом землю. И здесь человек вновь оказался в положении догоняющего Природу.
4. Водородная энергетика
Свои биологические потребности все живые организмы, за исключением человека, удовлетворяют традиционным путем, напрямую, самостоятельно. Человек выделил себя из биосферы, отделился от окружающего мира техносферным "коконом", дополнительно потребляющим энергию в особой, отличной от той, которая непосредственно обеспечивает биологическую энергетику организма, форме. Освоив большое число источников энергии, человечество остановилось в основном на двух — углеводородном и атомном. Оба источника невозобновляемые, к тому же в экологическом отношении небезупречные: второй "впал в немилость" после Чернобыльской катастрофы, первый — в начавшийся период борьбы с глобальным
потеплением климата (хотя причастность к нему диоксида углерода, выделяющегося при сжигании углеводородов и каменного угля, строго не доказана).
В качестве альтернативы этим источникам, полностью удовлетворяющей требованиям экологов, был предложен водород, после сжигания которого выделяется только вода. Главный вопрос: где его взять? Предлагается получать путем электролиза воды. В этом случае создается идеальный круговорот водорода и кислорода в техносфере: получают их при электролизе из воды, а после сгорания водорода вновь образуется столько же воды. Вот только электричество придется, по всей видимости, получать на тепловой станции путем сжигания углеродсодержа-щего топлива или на АЭС, причем суммарный коэффициент полезного действия (КПД) снизится в 2-3 раза, не улучшив "экологию".
Выход из этой ситуации подсказывает гибридная гипотеза строения Земли, предложенная В.Н. Лариным [7]. Дело в том, что сведения о строении и химическом составе Земли были получены на основании анализа данных сейсмологии, которые свидетельствуют о наличии в центре планеты ядра из очень плотного материала. Ученые довольно логично предположили, что при формировании Земли из расплавленного материала вниз (к центру Земли) переместилось тяжелое железо, образовав ее ядро, сверху над ним сосредоточились шлаки (как в домне) — возникла силикатная мантия, застывший наружный слой которой дал кору. Однако эта модель не смогла объяснить многие геофизические явления.
В модели В.Н. Ларина важное место отводится космическому первоэлементу водороду, который является самым легким и предельно простым по строению. В природе имеются два стабильных изотопа водорода — протий и дейтерий и один радиоактивный — тритий. Наиболее распространенный их них — протий — представляет собой "недостроенный" атом, так как его ядро состоит лишь из одного протона и не содержит нейтрона. К тому же устойчивая электронная оболочка тоже не достроена, на единственном уровне (валентном) имеется лишь один электрон. Водород не только самый распространенный элемент Вселенной, он (а не углерод!) образует наибольшее число химических соединений [8]. Водород хорошо растворим в металлах, а при высокой температуре и давлении образует с ними гидриды. Эта реакция эндотермическая (идет с поглощением тепла), причем объем полученного металлогидрида парадоксальным образом значительно уменьшается, а плотность соответственно увеличивается.
Согласно модели В.Н. Ларина, гравитационная конденсация вещества при формировании Земли приводила к ее разогреву, при этом тепловая энергия расходовалась на образование металлогидридов, аккумулировалась в их химических связях и не допускала перегрев планеты. Одновременно происходило запасание в недрах Земли водорода, который в свободном состоянии постепенно покидает нашу планету. Так образовалось массивное металлогидридное ядро Земли, окруженное толстым слоем, состоящим из разрушающихся гидридов в смеси с металлами, которые просто насыщены водородом (внешнее ядро). Выше располагается металлосфера, состоящая из сплавов различных металлов на основе кремния, магния и железа, не содержащая водород. Ее толщина примерно 2750 км, над ней находится земная кора. Позднее повышение температуры за счет радиогенного разогревания недр планеты стало разрушать металлогидриды, и водород из наружной зоны внешнего ядра (где давление, способствующее образованию гидридов, было ниже) начал выходить на поверхность Земли, унося с собой избыток тепла и кислород, растворенный в металлах. Соединяясь с кислородом, водород давал воду, которая со временем образовала гидросферу.
Водород продолжает выделяться на поверхность Земли, в частности, в Исландии. Был выброс водорода на буровой в Якутии. Однако возможен и другой способ получения водорода из недр — путем закачивания воды в места расположения металлогидридов и выведения на поверхность образовавшегося водорода. Места расположения слоев металлогидридов, доступные для современных буровых технологий, имеются, в частности, в Байкальской области рифтогенеза. Однако вопрос о получении водорода из земных недр находится еще на стадии начальной проработки. Не очень успешные попытки человечества использовать в своей техносфере экологически чистую водородную энергетику наглядно свидетельствуют о том, что и в этой области оно находится в положении догоняющего Природу. Подавляющая часть живых организмов использует водородную биоэнергетику как основную движущую силу многочисленных процессов жизнедеятельности. Источником водорода в большинстве случаев и здесь является вода, однако разложение ее молекул осуществляется не с помощью электричества (электролиз) или радиации (радиолиз), а с помощью фотонов (фотолиз). Этот процесс осуществляется преимущественно в листьях растений с участием хлорофилла, однако в отличие от электролиза водород не выделяется в свободном состоянии, а связывается угле-родсодержащими молекулами, скелет которых строится с использованием углекислого газа. При фотосинтезе происходит не только трансформация энергии света в энергию химических связей, но и синтез многочисленных молекул, необходимых для жизнедеятельности клетки. Основная часть энергии света в конечном счете "консервируется" в полимерных углеводных молекулах, построенных из остатков глюкозы, поэтому суммарное уравнение фотосинтеза часто записывают в следующем виде:
6СО2 + 12Н20 -°вет ; С6Н12О6 + 6Н2О + 6О2.
Хлорофилл
Кислород образуется при фотодиссоциации воды, диоксид углерода входит в состав молекулы глюкозы.
Гетеротрофные организмы, непосредственно потребляющие растительную пищу (равно как и само растение при дыхании), осуществляют процесс, противоположный фотосинтезу:
С6Н12О6 + 6О2 ^ 6Н2О + 6СО2.
При дыхании энергия, расходуемая на различные биологические процессы, образуется за счет окисления водорода, перенесенного при фотосинтезе с молекулы воды на молекулу глюкозы. Фотосинтез и дыхание осуществляются с участием сложнейших биологических структур и механизмов. Реальный КПД фотосинтеза (квантовый выход) сравнительно невысок (в районе 1 %), хотя может быть на порядок повышен.
При сбалансированной интенсивности процессов дыхания и фотосинтеза в атмосфере не происходит накопления углекислого газа, к чему так стремится человек, организуя энергетику техносферы. При недостатке кислорода баланс нарушается, и утилизация биомассы может завершиться образованием метана (болотный газ) или каменного угля. Теплотворная способность топлива растет с увеличением в нем доли водорода, который является основным носителем энергии. Так, теплотворная удельная способность горючих материалов растет в ряду: древесина — каменный уголь — нефть — природный газ (в основном метан) — водород, который приблизительно в 4 раза превышает по этому показателю каменный уголь и почти в 8 раз — древесину, содержащую всего 6,3 % водорода. Самое высокое
выделение в атмосферу углекислого газа в расчете на 1 тысячу ккал у каменного угля и древесины, у метана в 2 раза меньше, чем у каменного угля, а у этанола — не намного больше, чем у метана. Учитывая удобство использования этанола как топлива для двигателей его добавляют в бензин (газохол) или используют в чистом виде. Этанол, получаемый путем сбраживания углеводов, в конечном счете после сгорания выделяет столько же углекислого газа (с учетом образующегося при брожении), сколько его было поглощено из атмосферы при фотосинтезе. Поэтому использование спирта, как и водородная биоэнергетика, дополнительного количества диоксида углерода в окружающую среду не вносит. В последнее время уделяется много внимания альтернативному топливу для двигателей, получаемому из растительной массы. Таким образом, для техносферы наиболее приемлемым в экологическом отношении является топливо, получаемое биологическим путем на основе фотосинтеза.
5. Энергетическая безопасность биосферы
Энергия может оказывать свое действие на организмы в механической, электрической, химической и иной форме. По конечному результату оно бывает полезным или вредным для них, то есть носить созидательный или деструктивный характер (хотя может быть и нейтральным). Кроме того, важно количество подводимой энергии: как недостаток, так и избыток ее (например, тепла) оказывается губительным.
Запасы энергоносителей, которые человек извлекает из земных недр (включая ядерное топливо для АЭС), со временем иссякнут. Надежды на термоядерную энергетику пока достаточно неопределенны. Реальной на длительную перспективу была и остается солнечная энергия.
В определенной мере символичным является то обстоятельство, что на Солнце водород является основным ядерным топливом, при "сгорании" рождающим живительный свет, который в растениях передает свою энергию опять же водороду. Последний практически у всех организмов выполняет роль первичного источника химической энергии. Углерод как в термоядерной энергетике Солнца (углеродный цикл), так и в биоэнергетике имеет вспомогательное (хотя и важное) значение. Более того, согласно гидридной гипотезе В.Н. Ларина, и во внутренней энергетике Земли водороду принадлежит важное место, а в техносфере человечество стремится перейти на водородную энергетику как экологически наиболее приемлемую. Да и в военной сфере самым грозным оружием является водородная бомба.
В отношении тепла земных недр, образующегося при распаде радиоактивных элементов, опасения не возникает, так как они имеют большой период полураспада и практически по-прежнему будут изнутри согревать нашу планету.
Таким образом, солнечная энергия в состоянии обеспечить нормальную жизнедеятельность биосферы и дистанцировавшегося от нее человечества. Однако это будет возможным при условии крайне бережного расходования энергии (только на удовлетворение жизненно необходимых потребностей), повышении эффективности использования солнечного света (в том числе путем увеличения квантового выхода фотосинтеза, а также создания на основе биологической нанотехнологии высокоэффективных искусственных систем для фотодиссоциации воды как источника водородной энергетики). Все это позволит людям в течение выигранного времени освоить реакции термоядерного синтеза, возможно, найти еще не известные пути к энергетическому изобилию.
Однако биосфере неоднократно приходилось сталкиваться с крайне негативными воздействиями энергии как со стороны своей планеты, так и извне. Большой ущерб биосфере наносят извержения вулканов и землетрясения, часто сопровождающиеся разрушительными цунами. Особую опасность представляют извержения супервулканов, которые до непредсказуемого момента времени находятся во внешне спокойном состоянии. Все эти грозные процессы — проявление работы своеобразных "предохранительных клапанов", регулярно обеспечивающих выход из земных недр избытка накопившейся энергии.
Из внешних воздействий глобальные катастрофы вызывают падения на Землю массивных небесных тел, а также потоки радиации, возникающие при вспышках сверхновых звезд вблизи Солнечной системы. Они происходят примерно один раз в сотни миллионов лет и на тысячелетия повышают уровень космической радиации на Земле в десятки и сотни раз [9], причем время очередной вспышки неизвестно.
От радиации живое на Земле спасают пассивная и активная защита. Пассивная защита обеспечивается поглощением высокоэнергетического первичного космического излучения молекулами атмосферы. Толщина воздушного слоя в массовом выражении в среднем равна 1 кг/см2, ему соответствует стальная защита толщиной более 1 м. Для водных организмов имеет место дополнительное поглощение радиации водой. Активную защиту создает магнитное поле Земли, которое не позволяет солнечному ветру бомбардировать земную поверхность. Однако на эффективность этой защиты влияет инверсия геомагнитного поля (ГМП). В момент инверсии наблюдаются не только смена знака поля, но и временное уменьшение его величины, что открывает доступ к поверхности Земли потоку космического излучения, губительного для живых организмов. В отдельные геологические периоды происходило по несколько таких инверсий [10]. Согласно модели В.Н. Ларина, объем металлогидридного ядра Земли непрерывно уменьшается и сейчас занимает всего 1 % планеты. Вместе с ним убывает объем окружающей его жидкой части, представляющей собой раствор водорода в металлах, от которой зависит образование ГМП. Наступит время, когда оно исчезнет, и наша планета останется без активной защиты от космической радиации.
Таким образом, катастрофы, оказывающие механические, температурные, химические, радиационные и прочие воздействия на биосферу, являются регулярно повторяющимися процессами, коварство которых заключается, как правило, в непредсказуемости момента их свершения, а серьезность последствий обусловлена крайне слабыми возможностями противостояния им.
Реакция неразумных существ на природные катастрофы носит пассивный характер. Человечество, будучи своего рода "биосферным воинством", органически связанным с ней через свои жизненно важные потребности, помимо пассивного реагирования благодаря своей достаточно высокой разумности имеет возможность применять превентивные меры защиты и даже вступать в активное противостояние природным угрозам. Не следует считать угрозы глобальных катастроф, а также ожидаемого "конца света" всего лишь "страшилками" религиозных фанатиков. Нужно к ним готовиться, чтобы понести минимальные потери или хотя бы выжить. Для этого прежде всего необходимо наладить постоянное наблюдение за состоянием Земли, включая дистанционное зондирование ее поверхности со спутников, а также за космическим пространством, чтобы как можно раньше узнать о возможной катастрофе.
В качестве активной защиты от падения астероида предлагаются различные способы, в частности, разрушение его с помощью ядерного заряда (не всегда при-
менимый вариант) или изменение траектории астероида на безопасную (оптимальный вариант). Для предотвращения выброса разрушительной энергии при извержении вулканов со временем, вероятно, можно будет отбирать тепло из зоны его повышенного выделения (как это делается при строительстве геотермальных электростанций), постепенно отводить скапливающиеся газы (а, может быть, и лаву как строительный материал). Снимая таким образом "стресс" подземной стихии, человек получит дополнительный источник экологически чистой энергии.
Пассивная защита заключается в строительстве сейсмоустойчивых сооружений и домов с пониженной этажностью, заблаговременной эвакуации населения и ценностей из зоны возможной катастрофы. Не следует строить опасные в техногенном отношении инженерные сооружения в сейсмоопасных зонах.
В момент свершения катаклизма, особенно глобального ("конец света"), наиболее опасным местом пребывания людей становится поверхность Земли, поэтому необходимо будет временно покинуть ее с помощью различного рода надежных летательных аппаратов, погрузиться на большие глубины под воду и земную поверхность. Все это связано с созданием специальной техники, строительством сверхдорогостоящих сооружений. Еще более сложной проблема выживания станет в том случае, если после свершения катаклизма поверхность Земли на длительное время станет непригодной для проживания, в частности, по причине наступления подобия "ядерной зимы". В этом случае предстоит обеспечить длительное проживание в подземных сооружениях в отсутствие солнечного света, используя энергию земных недр для поддержания жизнедеятельности и производства пищи.
"Ноев ковчег" для всего человечества придется строить совместно всему человечеству с высочайшим напряжением сил, в противном случае нашу разумную цивилизацию постигнет участь неразумных динозавров, и мы станем всего лишь "тупиком эволюции". Отрадно сознавать, что этот труд будет направлен не только на обеспечение выживания в условиях глобальных катастроф (которые неминуемы), но и на дальнейшее освоение воздушного и космического пространств, гидросферы и тропосферы. Угроза глобальных катастроф только ускорит процесс освоения этих геосфер, который в любом случае будет происходить в соответствии с присущей всем организмам потребностью в расширении своего жизненного пространства.
Таким образом, атомная энергия способствовала зарождению жизни на Земле, принимала участие в биологической эволюции и, главное, является практически неиссякаемым источником света — основного двигателя жизненных процессов. Однако она одновременно является источником многочисленных опасностей для биосферы.
Литература
[1] Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М.: Наука, 1983. 560 с.
[2] Никонов А.П. Верхом на бомбе. Судьба планеты Земля и ее обитателей. М.: ЭНАС; СПб.: Питер, 2008. 320 с.
[3] Харлей П.М. Возраст Земли. М.: Физматгиз, 1962. 120 с.
[4] Кузин А.М. Природный радиоактивный фон и его значение для биосферы Земли. М.: Наука, 1991. 117 с.
[5] Неручев С.Г. Уран и жизнь в истории Земли. Л.: Недра, 1982. 208 с.
[6] Дюбаньо П., Танг М. Биосфера и место в ней человека. М.: Прогресс, 1968. 256 с.
[7] Ларин В.Н. Гипотеза изначальной гидридной Земли. М.: Недра, 1980. 216 с.
[8] Угай Я.А. Неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1989. 463 с.
[9] Шкловский И.С. Вселенная. Жизнь. Разум. М.: Наука, 1965. 284 с.
[10] Осипов В.И. История природных катастроф на Земле // Вестник Российской академии наук. 2004. Т. 74. № 11. С. 998-1005.
Поступила в редакцию 10/77/2010; в окончательном варианте — 10/77/2010.
ENERGETICS OF THE BIOSPHERE AND ITS SAFETY
© 2010 Ju. P. Frolov2
The primary sources of energy, providing the functioning of the biosphere, are radioactive decay and thermonuclear reactions. Great is their role in prebiological period and in biological evolution.
Key words: biosphere, entropy, thermonuclear energy, radiation, evolution.
Paper received 10/77/2010. Paper accepted 10/77/2010.
2Frolov Yuriy Pavlovich (biochemistry.ssuarambler.ru), Dept. of Biochemistry, Samara State University, Samara, 443011, Russia.
